1/66
Biomasa spalování spalovací zařízení emise navrhování ekonomika
2/66
Přímé spalování fytomasy spalování = oxidace C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + uvolněná energie
vysoký obsah kyslíku O2 nižší výhřevnost než u fosilních paliv (karbonizace, uhlovodíky, vysoká výhřevnost): vyšší potřeba paliva, větší objemy paliva vysoký obsah těkavých látek (70-80 % v sušině), uvolnění při teplotách > 200 °C vícestupňové spalování: zplyňování + spalování plynů velké množství spalných plynů = podstatně delší plameny, prodlužování doby hoření: větší prostor pro spálení plynů obtížné pronikání spalovacího vzduchu do plamenů, zvýšená potřeba přívodu vzduchu pro spalování: vyšší součinitel přebytku spalovacího vzduchu λ
nízký obsah popelovin (kromě stébelnin)
3/66
Spalovací zařízení na fytomasu topeniště (3) sušení, zplyňování spalovací komora (10) spalování plynů keramická vyzdívka rovnoměrná teplota výměník tepla (12) odvod tepla přívod vzduchu primární (7) sekundární (9) odtah spalin ventilátor (15) odvod popela (4)
4/66
Přímé spalování fytomasy (endotermické) ohřev paliva (do 100 °C) teplem od odhořívajícího paliva, zvyšování jeho teploty
sušení paliva (100 až 150 °C) odpařování vody vázané v palivu, odchází jako vodní pára
pyrolytický rozklad (150 až 230 °C) – bez přístupu kyslíku složité uhlovodíkové řetězce se rozkládají (degradují) na jednodušší: plynné uhlovodíky, dehty, CO pyrolytický rozklad nevyžaduje přítomnost kyslíku
5/66
Přímé spalování fytomasy (exotermické) zplyňování suchého paliva (230 až 500 °C) – za přístupu kyslíku tepelný rozklad paliva, nad teplotou vznícení (230 °C) v topeništi, kyslík dodáván v primárním spalovacím vzduchu, uvolňuje se teplo působení na pevné a kapalné produkty pyrolýzy (uhlík, dehet) - oxidace
zplyňování tuhého uhlíku (500 až 700 °C) za přispění CO2, H2O, O2 se tvoří spalitelný CO: viditelný plamen
oxidace spalitelných plynů (700 až 1400 °C), optimum 900 °C spálení plynů vzniklých v předchozích fázích – přívod sekundárního spalovacího vzduchu pro dokonalé spálení teploty nad 1200 °C: zátěž konstrukce topeniště a výměníku, tvorba NOx
6/66
Součinitel přebytku spalovacího vzduchu nedokonalé spalování
nárůst komínové ztráty
kotle na pelety 1.7 běžné kotle do 2.0 krby do 3.0
7/66
Spalovací zařízení - požadavky jednoduchá obsluha a snadná údržba zavážení paliva, odstraňování popela
vysoká kvalita spalování, nízké emise CO, CxHy, NOx
vysoká účinnost široký rozsah regulovatelnosti výkonu při zachování kvality hoření dlouhá životnost bezpečnost provozu nízké náklady – investiční, provozní
8/66
Spalovací zařízení - typy malá zařízení pro rodinné domy kusové dřevo, brikety – krby, kamna, zplyňovací kotle pelety – automatický provoz
střední zařízení (školy, domovy důchodců, ...) nutné individuální posouzení: pelety x štěpka
velká zařízení (výtopny, teplárny) teplovodní, parní kotle možnost spalování méně kvalitních paliv s vlhkostí nad 30 %, sypký materiál nízká cena vyvažuje tepelné ztráty v rozvodech
9/66
Lokální spalovací zařízení na biomasu (RD) otevřené krby výrazná spotřeba spalovacího vzduchu, nízká účinnost < 20 %
krbové vložky uzavřené topeniště, nízká teplota v topeništi (proudění vzduchu z místnosti) nízká účinnost < 40 %
krbová kamna samostatně stojící interiérová topidla ventilátory, akumulační vložky, peletové hořáky účinnost (pro peletová kamna) až 80 %
sálavá akumulační (kachlová) kamna akumulační hmota ve spalinových cestách, přenos tepla se zpožděním
10/66
Lokální spalovací zařízení na biomasu (RD)
krbová kamna na kusové dřevo
krbová kamna na pelety
akumulační kamna
11/66
Centrální spalovací zařízení na biomasu (RD) klasické kotle na tuhá paliva (dřevo) palivo spalováno přímo v topeništi – prohořívání na roštu omezená regulace výkonu omezením přívodu vzduchu, účinnost 65 – 70 %
zplyňovací kotle na kusové dřevo zplyňování v topeništi, spalování plynů ve spalovací komoře regulace výkonu 50 – 100 % (přívod primárního vzduchu), účinnost 80 – 90 % při nominálním výkonu
automatické kotle na pelety (štěpka) zplyňování v topeništi, spalování plynů ve spalovací komoře bezoblužný provoz, podavač, hořák regulace výkonu 25 – 100 %, účinnost 85 – 92 % v regulačním rozsahu
12/66
Spalovací zařízení na kusové dřevo
požadavek na skladování obtížná regulace, emise
13/66
Spalovací zařízení na pelety zásobník paliva horní přívod pelet
14/66
Spalovací zařízení na pelety automatický přívod paliva automatický odvod popela
15/66
Spalovací zařízení na pelety nástěnný kotel na pelety 2 – 7 kW (nízkoenergetické domy)
16/66
Integrace peletového hořáku 3,9 – 14 kW 800 l zásobník 100 l pelet
17/66
Spalovací zařízení na štěpku nevhodné pro malé výkony skladování, sušení
18/66
Trh kotlů 2002-2007 v ČR 8 000
7 000 ks 6 000
5 000
4 000
3 000
2 000
1 000
0 2002
2003
2004 Kotle na dřevoplyn
2005
2006
2007
Kotle na pelety
zdroj: Rosecký, MPO
19/66
Trh kotlů na tuhá paliva 2007 uhlí
biomasa
18 000 16 000 14 000
Kusy
12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 Ocelové na tuhá paliva
Litinové na tuhá paliva
Automatické na pevná paliva
Speciální na dřevo
Automatické na biomasu
Krby na dřevo
zdroj: Rosecký, MPO
20/66
Dotace do kotlů pro domácnosti trh v roce 2007 celkem 8300 kotlů
7 500 zplyňovacích kotlů na kusové dřevo 800 automatických kotlů na pelety (2600 v roce 2009)
SFŽP - Státní program 2002-2007 759 podpořených instalací kotlů na biomasu v domácnostech
SFŽP – Zelená úsporám 2009-2012 předpoklad 34 100 projektů kotlů na biomasu (1,5 mld. Kč)
celkem 8500 kotlů ročně zdroj: Rosecký, MPO
21/66
Spalovací zařízení na biomasu (CZT) spalování na roštu (ve vrstvě) paliva s vysokou vlhkostí > 40 %, výkony do 50 MW, účinnost do 85 % několikanásobný přívod vzduchu (optimalizace), vícestupňové spalování
fluidní spalování vznos částic paliva proudem spalin a vzduchu, vysoký přenos tepla a látky, cirkulační vrstva, účinnost 85 – 88 % pouze 700 až 900 °C, menší produkce NOx, rychlé spalování, vlhká biomasa cyklonové odlučovače
22/66
Roštové kotle na štěpku, piliny do 10 MW
oddělená spalovací komora
velká spalovací a dohořívací komora velká akumulace – šamot terciární vzduch
23/66
Roštové kotle na vlhkou biomasu 1 až 10 MW 95 až 100 °C 0,3 až 0,6 MPa sekundární vzduch terciární vzduch
dohořívací komora horkovodní kotel (trubkový výměník)
předsušení paliva přívod a úprava paliva (hydraulický zavážecí lis) odvod popela
24/66
Spalovací zařízení na slámu
kotel rozpojovač, rozdružovač balíků dohořívací komora
rošt, popelník
šnekový podavač
25/66
Spalovací zařízení na slámu (celé balíky)
26/66
Fluidní kotle – spalování ve fluidní vrstvě stacionární fluidní vrstva na roštu
cirkulující fluidní vrstva, cyklon
pro kotle menších výkonů spalování méně hodnotných paliv
27/66
ČSN EN 303-5 Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva (ruční, samočinné) do 300 kW – terminologie, požadavky, zkoušení a značení minimální účinnost kotle (kategorizace do tříd) mezní hodnoty emisí CO, CxHy (TOC), prach (TZL) (kategorizace do tříd) minimální doba hoření biopaliva: 2 hodiny nejmenší výkon musí být < 30 % u ruční dodávky lze vyšší - v technické dokumentaci uvedeno jak odvádět přebytečné teplo (např. akumulační nádrž) min. velikost akumulační nádrže (pro < 300 l není nutná)
28/66
Účinnost
1
kategorizace do tříd podle minimální účinnosti třída 1 = nejlepší
účinnost
2
3
výkon
29/66
Účinnost x regulace výkonu snížení výkonu omezením přívodu spalovacího vzduchu kotle s ručním přikládáním nedokonalé spalování emise CO snížení účinnosti
snížení výkonu omezením přívodu paliva automatické kotle na pelety, štěpku
30/66
Zásady správného spalování biomasy spalování dřeva 2-3 stupňové: zplyňování dřevní hmoty - spalování vzniklých plynů (dřevoplyn) zplyňování v topeništi, částečný přívod vzduchu (primární vzduch), > 200 °C spalování v dohořívací komoře, přívod vzduchu (sekundární, příp. terciární) předání tepla pro další využití (výměník), teplota spalin 150 °C
požadavky na účinné spalování dostatečný přívod vzduchu (přebytek vzduchu λ = 1,5 až 2,5) nízká vlhkost paliva (10 až 20 %) dostatečně vysoké teploty spalování (800 až 900 °C) stabilita teplotních poměrů v kotli (akumulační vyzdívka, nízké tepelné ztráty) stabilita tlakových poměrů v kotli (vhodné dimenzování spalinové cesty) konstantní provozní podmínky
31/66
Špatné spalování nedodržení zásad správného spalování biopalivo s nevhodnými vlastnostmi (vysoká vlhkost) nevhodný zdroj (např. kotel na uhlí použitý pro spalování dřeva), bez regulace výkonu
výsledek nízká účinnost krátká životnost kotle vysoké emise znečišťujících látek
32/66
Emise ze spalování fytomasy oxid uhličitý (CO2) neutrální bilance, optimální spalování: obsah CO2 okolo 12 %
oxidy dusíku (NOx) obsah dusíku ve fytomase 0,1 až 0,5 % (uhlí 1,4 %) oxidace dusíku ve spalovacím vzduchu závislá na teplotě spalování (udržet do 1200 °C)
tuhé částice (prach) popeloviny, nespálené saze, tvorba závisí na vlhkosti paliva obsah popela u dřevní hmoty je malý, u slámy významnou složkou
33/66
Emise ze spalování fytomasy oxid uhelnatý (CO) produkt nedokonalého spalování, vlhké palivo, nedostatečný přívod vzduchu CO je energeticky bohatý, vysoký obsah = nízká účinnost ukazatel kvality spalování, doporučuje se pod 0,1 %
uhlovodíky (CxHy) důsledek pyrolytického rozkladu především při zatápění (pod 600 °C), kouř
oxidy síry (SOx) stopové množství ve slámě 0,1 % (hnědé uhlí 1 %)
34/66
Emise znečišťujících látek Mezní hodnoty emisí Dodávka paliva
Ruční
Samočinná
Jmenovitý tepelný výkon [kW]
CO
CxHy (TOC)
prach (TZL)
mg/m3 při 10 % O2 Třída1
Třída2
Třída3
Třída1
Třída2
Třída3
Třída1
Třída2
Třída3
> 50
25000
8000
5000
2000
300
150
200
180
150
> až 150
12500
5000
2500
1500
200
100
200
180
150
> až 300
12500
2000
1200
1500
200
100
200
180
150
> 50
15000
5000
3000
1750
200
100
200
180
150
> až 150
12500
4500
2500
1250
150
80
200
180
150
> až 300
12500
2000
1200
1250
150
80
200
180
150
vztahuje se k suchým spalinám, 0 °C,101 300 kPa
Ekologicky šetrný výrobek:
2000 mg/m3
60 mg/m3
malé zplyňovací kotle: bez problémů CO < 1000 mg/m3 Německo, Rakousko, Švédsko: na trh smí pouze kotle 3. třídy (= nejlepší)
190 mg/m3
35/66
Zásady zapojení kotlů do soustav rosný bod spalin (kondenzace) problematika kondenzace spalin, teplota rosného bodu spalin trb = 50 až 60 °C agresivní kondenzát, koroze
zdroj: Trnobranský
36/66
Zásady zapojení kotlů do soustav trojcestný termostatický směšovací ventil teplota vody na vstupu do kotle > 65 °C předehřev vratné vody do kotle vložky v krbech (vysoký přebytek spalovacího vzduchu): není nutná ochrana, nízký rosný bod
37/66
Zásady zapojení kotlů do soustav akumulátor tepla provoz kotle (kusové dřevo) při jmenovitých provozních podmínkách (plný výkon, teploty 80 až 90 °C) vysoký výkon instalovaného zdroje (kotle na kusové dřevo > 15 kW) zvýšení provozní účinnosti kotle (až o 20 %) úspora paliva, úspora emisí akumulace snižuje nárok na instalovaný výkon
kotle s ručním přikládáním: 50 až 70 l/kW instalovaného výkonu automatické kotle na pelety: do 25 l/kW instalovaného výkonu, není nutný
38/66
Zásady zapojení kotlů do soustav výpočet objemu akumulátoru tepla po dobu ∆τ = 2 hodin: provoz kotle na jmenovitý výkon (nebo na výkon umožňující účinné spalování) maximální teplota v akumulačním zásobníku tmax = 85 až 90 °C minimální teplota v akumulačním zásobníku = jmenovitá teplota přívodní otopné vody, např. tw1 = 55 °C nabíjení zásobníku mezi tw1 a tmax
bilance
V ⋅ ρ ⋅ c ⋅ (t max − t w1 ) = Q& k ⋅ ∆τ
3,6 × 106 ⋅ Q& k [kW] ⋅ ∆τ [ h ] V= ρ ⋅ c ⋅ (t max − t w1 )
39/66
Zásady zapojení kotlů do soustav hydraulické oddělení zdroje od spotřebiče: akumulátor (kusové dřevo) nebo hydraulický zkrat (pelety) okruh zdroje tepla s ustálenými provozními podmínkami konstantní průtok, konstantní teploty
otopná soustava s proměnlivými provozními podmínkami proměnlivý průtok (termostatické hlavice), proměnlivé teploty (ekvitermní regulace) m=konst
m=konst
m=konst
40/66
Zásady zapojení kotlů do soustav akumulátor tepla pro překlenutí zátopu Příklad: Rodinný dům jmenovitá tepelná ztráta 10 kW (při tev = -12 °C, tiv = 20 °C) průměr v otopném období 5 kW (při tep = + 4 °C, tip = 20 °C) kotel 15 kW, zásobník 900 l (50 – 70 l/kW)
teplotní spád jmenovitý
teplotní spád průměrný
doba vytápění z akumulace
90 / 70 °C
60 / 50 °C
6-9h
75 / 60 °C
52 / 44 °C
8 - 11 h
45 / 35 °C
34 / 29 °C
12 - 17 h
41/66
Zásady zapojení kotlů do soustav kombinace se solárními soustavami zdroje se vhodně doplňují z hlediska provozu, společný zásobník navržený podle kotle využití sluneční energie: letní a přechodové období (příprava TV) , náhrada elektrického ohřevu využití spalování biomasy: zimní a přechodové období (vytápění, příprava TV)
kotel na biomasu: zlepšení provozních parametrů, překlenutí zátopu, povinné pro udělení dotací solární soustava (kombinovaná): zlevnění instalace, zlepšení ekonomiky optimalizované zásobníky – různé provozní podmínky obou zdrojů, stratifikace
42/66
Spalování dřeva – zásady zapojení soustav ochrana proti přehřátí kotle s ručním přikládáním provoz kotle s omezenou regulací výkonu nelze pod 40 - 50 % (přívod vzduchu zcela uzavřen), setrvačnost výpadek elektrické energie, výpadek oběhového čerpadla, natopení akumulátoru tepla TSV 95°C
záložní zdroj elektrické energie (UPS) výškové situování akumulační nádrže nebo otopné plochy pro zajištění odvodu výkonu přirozeným oběhem bezpečnostní chladicí smyčka s přímo ovládaným ventilem na přívodu studené vody
přívod SV
43/66
Zásobník paliva velikost zásobníku paliva závisí na: typu biomasy, vlhkosti formě biomasy (rovnaná polena, sypký materiál – štěpka, pelety) spotřebě tepla na vytápění Qp, spotřebě paliva P provozní účinnosti kotle ηk výhřevnosti paliva H
P=
Qp H ⋅η k
44/66
Zásobník paliva přepočtové vztahy plm, pm = plnometr, pevný metr = 1 m3 plné dřevní hmoty prm, rm = rovnaný metr, prostorový metr = 1 m3 rovnaných polen prms = sypný metr, prostorový metr = 1 m3 volně ložené nezhutněné štěpky
Pevné dřevo plnometr-pevný metr [plm], [pm]
Složené dřevo prostorový-rovnaný metr [prm], [rm]
Štěpkované (drcené) dřevo prostorový sypný metr [prms]
[plm], [pm]
1
1,43 – 1,54
2,43 – 2,86
[prm], [rm]
0,65 – 0,70
1
1,61 – 1,86
[prms]
0,35 – 0,41
0,54 – 0,62
1
45/66
Zásobník paliva
46/66
Zásobník paliva
47/66
Skladovací prostory na pelety
pneumatická doprava paliva, sací hlavice ve skladu, pohotovostní zásobník u kotle s čidlem naplnění
48/66
Skladovací prostory na pelety
49/66
Skladovací prostory na štěpku
šnekový podavač ze skladu
50/66
Skladovací prostory na štěpku
šnekový podavač ze zásobníku
51/66
Skladovací prostory – integrace do budovy
52/66
CZT s využitím biomasy centralizované zásobování teplem emise mimo sídelní aglomeraci, „žádné komíny na domech“ bezobslužné z hlediska uživatele výtopenský / teplárenský provoz: vysoké využití paliva citlivé na odpojování, snižování odběru – zvyšuje se cena tepla, klesá efektivita teplárenského provozu (snížení účinnosti výroby elektrické energie)
CZT na biomasu vícepalivové hospodářství: štěpka, piliny, sláma, traviny, energetická biomasa snížení rizikovosti dodávek paliv a výkyvů ceny regionální model: pěstování, zpracování, produkce, využití v místě
53/66
Zdroje tepla na biomasu pro CZT sklad paliva skládka (zastřešené haly, bez zastřešení), pohotovostní sklad velikost podle typu paliva, objem minimálně na 7 dní (v zimě)
doprava a manipulace s palivem nakladač (podle typu paliv, zrnitosti), mostový jeřáb s drapákem
spalování, spalovací zařízení vlastní kotle (teplovodní, parní), rozložení výkonu do několika jednotek záložní kotel
přívod spalovacího vzduchu, odvod tepla, spalin, popela šnekový podavač popela, filtry, cyklony (sláma), ohřev vzduchu, ventilátory teplosměnné plochy, napojení na CZT, předávací stanice, akumulátor
54/66
Provozní charakteristiky zdroje CZT denní odběr tepla denní akumulátor
měsíční a roční odběr tepla výkonová skladba kotlů, rozdělení instalovaného výkonu do více zařízení střídání provozu kotlů
odběr elektrické energie povinný výkup, vyvedení výkonu
55/66
Provozní charakteristiky zdroje CZT
možnost využití akumulace: pro zimní špičky – snížení instal. výkonu pro léto – snížení cyklování kotle
56/66
Solar + biomasa v CZT Kotelna na biomasu
Akumulátor: pro snížení instalovaného výkonu v zimě pro omezení startů v přechodovém období
57/66
Pravidla úspěšných projektů (CZT) dostupnost paliva v přijatelné ceně analýza trhu, předběžné smlouvy o dodávce paliva, dlouhodobé kontrakty velmi problematické najít stabilní zdroj biomasy pro větší výkony biomasa: včera odpad – dnes strategická surovina dopravní vzdálenost max. do 30-50 km (velké zdroje až 100 km)
kvalitní projektová dokumentace náročná předprojektová a projektová příprava (nejsou k dispozici finance) příprava stavby, omezení víceprací efektivní kontrola provedení na stavbě
58/66
Pravidla úspěšných projektů (CZT) ekonomicky efektivní podnikatelský záměr konkurenceschopnost v provozu, ekonomika provozu samotná dotace na instalaci kotelny na biomasu nic nevyřeší projekty velmi citlivé na změnu ceny paliva odhad rozvojového potenciálu obce, budoucí výstavba (odpojování od CZT x připojování k CZT) zajištění odběru, soustředěná výstavba kogenerace: snaha o maximální využití tepla
lidský faktor místní autorita, která kotelnu prosadí spolehlivá obsluha
59/66
Ekonomické parametry – investiční náklady lokální zdroje pro budovy kotel na kusové dřevo: 1 až 3 tis. Kč/kWt kotel na pelety: od 5 do 20 tis. Kč/kWt (v závislosti na kvalitě, původu, dodávce) kotel na štěpku: od 5 do 15 tis. Kč/kWt
soustavy CZT, výtopny zdroj tepla: 5 až 10 tis. Kč/kWt včetně CZT: 15 až 25 tis. Kč/kWt náklady na CZT zhruba 30 – 50 % celkových nákladů
60/66
Ekonomika využití biomasy (RD, CZT) cena biomasy konkurence: stavebnictví, zemědělská výroba, vývoz biomasy do zahraničí malý trh = velké výkyvy, nabídka – poptávka 2005: výkup elektřiny z biomasy, spoluspalování velkých množství biomasy s uhlím v kondenzačních elektrárnách (účinnost využití biomasy pouze 20 %) 2009: výstavba kondenzačních bioelektráren, vysoké zelené bonusy zvýšení ceny biomasy pro všechny subjekty (včetně RD)
ekonomika, úspěšnost realizace dotace, ekologické daně garance kontraktů vývoj cen ostatních energetických komodit (zemní plyn)
61/66
Ekonomika využití biomasy (RD, CZT) cena biomasy štěpka
1400 až 1800 Kč/t
sláma
600 až 1100 Kč/t
dřevěné pelety
4200 až 4600 Kč/t
rostlinné pelety
3300 Kč/t
dřevěné brikety
5000 Kč/t
krbové dřevo
3100 až 3200 Kč/t
hnědé uhlí
2700 až 2900 Kč/t
černé uhlí
5000 Kč/t
62/66
Ekonomické parametry – provozní náklady rodinný dům 6 kW (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh
63/66
Ekonomické parametry – provozní náklady rodinný dům 6 kW (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh
64/66
Ekonomické parametry – provozní náklady rodinný dům 6 kW (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh automatické kotle na uhlí
2010
65/66
Ekonomické parametry – provozní náklady rodinný dům 6 kW (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh automatické kotle na uhlí
2007/2008
66/66
Vytápění a chlazení biomasou
zdroj: Yazaki
