MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA ÚSTAV LESNICKÉ A DŘEVAŘSKÉ TECHNIKY
Diplomová práce
VLIV PARAMETRŮ LESNÍCH ŠTĚPEK NA JEJICH ENERGETICKÉ VYUŽITÍ
Kamil Němec
Vedoucí diplomové práce: Prof.Ing.Vladimír Simanov, CSc.
Brno, Česká republika, 2006
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Vliv parametrů lesních štěpek na jejich energetické využití zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně, 26. 4. 2006
Kamil Němec
2
Poděkování Na
tomto
místě
bych
chtěl
poděkovat
vedoucímu
mé
diplomové
práce
Prof.Ing.Vladimíru Simanovovi, CSc. za zájem, připomínky a čas, který věnoval mé práci. Dále bych rád poděkoval Ing. Janu Klepárníkovi za cenné rady, konzultace a pomoc při řešení problémů. A v neposlední řadě patří velké poděkování rodině a všem mým blízkým za podporu kterou mi věnovali.
3
Abstrakt Vliv parametrů lesních štěpek na jejích energetické využití Význam obnovitelných přírodních zdrojů (OZE) energie je v současnosti pro Evropskou unii (EU) mnohem větší než jak tomu bylo v minulosti a v celoevropském měřítku je právě biomasa nejvýznamnějším zdrojem, který již tvoří 60 procentní podíl na produkci energie z OZE. A tak zvýšení objemu obchodování s dřevními palivy, současně klade požadavky na odpovídající standardizaci. Záměrem této práce je na základě srovnání současných národních norem a standardů biopaliv posoudit význam parametrů ovlivňujících použití lesní štěpky k energetickým účelům. A pomocí těchto zjištění navrhnout optimálně náročný a současně přesný postup stanovení množství využitelné energie v obchodovaném palivu. První část práce stručně uvádí přehled a srovnání národních norem států EU zaměřených na hodnocení biopaliv (zejména lesní štěpky). Přičemž stav a obsah národních norem se v současnosti napříč EU poměrně liší. Zatímco některé ze států EU začaly otázku zavádění norem pro biopaliva řešit až před nedávnem, další ze států EU (zejména státy Skandinávie) se
oblasti bioenergetiky věnují poměrně intenzivně
a zasadily se tak o rychlý pokrok i v procesu standardizace. Nicméně samotné zavedení norem ještě nezajistí zvýšení objemu využívání lesní štěpky na trhu s biopalivy. Pro zajištění spokojenosti uživatelů je totiž třeba nejprve sladit požadavky odběratelů s možnostmi dodavatelů a přesně specifikovat požadované nároky na kvalitu biopaliv. A současně je třeba dát uživatelům do ruky nástroj umožňující ověření této kvality. Ovlivnění kvality biopaliv může být zapříčiněno celou řadou faktorů a proto je vliv těch nejdůležitějších (vlhkost, výhřevnost, sypná hmotnost, atd.) ovlivňujících kvalitu lesní štěpky další součástí této práce. Výsledkem je navržený postup výpočtu množství energie dodané v palivu na základě vlhkosti paliva a sypné hmotnosti. Vlhkost byla vybrána pro svůj významný vliv na výhřevnost paliva a současně snadnou determinaci možnou i bez použití laboratorního vybavení. Stanovení vlhkosti lesní štěpky vysoušením vzorků v sušičce je v současnosti uznávaným postupem v celé Evropě. Pro potřeby tohoto projektu byla ovšem metoda upravena právě pro použití v „domácích“ podmínkách. Klíčová slova: standardizace biopaliv, lesní štěpka, výhřevnost, vlhkost, sypná hmotnost.
4
Abstract The effect of the forest chips parameters on their energy utilization The importance of renewable sources of energy (RES) is nowadays in EU much bigger than ever before. In general biomass is the most important RES which only in Europe represents already about 60 percent of the total exploited renewable energy. Utilization of wood for heat production has long tradition and belongs among the most common sources of heat and power energy. However the dramatic increase in the trade with wood fuels, increase also the requirements for the appropriate standardization process. The aim of this project is to characterize and compare existing national standards respecting the wood fuels, to appraise the impact of different factors affecting energy utilization of wood fuels and to recommend reasonable method for the determination of delivered energy quantity. At the very first step I have summarized and compared the existing national standards speaking about wood fuels that varies greatly across the European Union. Whereas some of the EU countries have only recently started to take into account the implementation of drafting standards, other EU countries have acted as pioneers in this field and progressed fast forward the process of standardization. Nevertheless such a standardization in its own cannot ensure an increase of the forest chips in the market. In order to achieve the confidence of customers, it is essential to demonstrate that the level of quality demanded by the market is reached and that adequate controls are ensured throughout the supply chain. Demanded quality can be significantly affected by a number of different factors. That's why the impact of the most important parameters (moisture content, calorific value, bulk density etc.) on the quality of wood chips is described within another part of this work. Outcome is a proposed method used for the determination of the quantity of delivered energy based on the moisture content and bulk density. Moisture content having the significant influence on the net calorific heating value and is easy to evaluate without any sophisticated laboratory equipments. Analysis of the amount of moisture contained in the wood chips, by drying the samples in an oven, is nowadays an accepted method. This method was optimized in the presented project, and its performance was analyzed by applying non-laboratory equipments (kitchen scales, oven). Key words: standards on biofuels, wood chips, moisture content, bulk density. 5
Obsah 1. ÚVOD
8
1.1. DŘEVO - OBNOVITELNÝ ZDROJ ENERGIE
8
1.2. OBCHOD S BIOMASOU
8
2. CÍLE PRÁCE
9
3. MATERIÁL A METODIKA
10
3.1. INFORMAČNÍ ZDROJE
10
3.2. MATERIÁLOVÉ ZDROJE
10
4. VÝSLEDKY A DISKUSE
12
4.1. SOUČASNÝ STAV VYUŽÍVÁNÍ OZE
12
4.2. OBCHODOVÁNÍ S LESNÍ ŠTĚPKOU
13
4.2.1. SROVNÁNÍ CEN DŘEVNÍCH PALIV V EVROPĚ
13
4.2.2. SOUČASNÉ KLASIFIKACE DŘEVNÍ ŠTĚPKY VE VYBRANÝCH STÁTECH EU
13
4.2.3. KLASIFIKACE ENERGETICKÉ ŠTĚPKY V ČR
14
4.2.4. EVROPSKÁ NORMA CEN/TC 335
15
4.3. DÍLČÍ DISKUSE I.
18
4.4. PŘEJÍMKA PALIVA A ŠTĚPKY
18
4.5. ENERGETICKÉ VYUŽITÍ DŘÍVÍ
20
4.5.1. PROCES SPALOVÁNÍ DŘEVA
20
4.5.2. PARAMETRY DŘEVA JAKO PALIVA
21
4.5.2.1. Základní třídění štěpek
22
4.5.2.2. Původ štěpkovaného matriálu
23
4.5.2.3. Chemické složení dřeva
24
4.5.2.4. Vlhkost
28
4.5.2.4.1. Vlhkost paliva ovlivňuje:
28
4.5.2.4.2. Metody zjišťování vlhkosti dřeva
29
4.5.2.4.3. Požadavky na vlhkost lesní štěpky ve vybraných státech EU
31
4.5.2.5. Výhřevnost dřeva
32
4.5.2.5.1. Výhřevnost paliva ovlivňuje
32
4.5.2.5.2. Stanovení výhřevnosti sušiny - Kalorimetrie
33
6
4.5.2.6. Prchavá hořlavina
34
4.5.2.7. Teplota tání popelovin a spékání popele
35
4.5.2.8. Velikost a podíl frakcí
35
4.5.2.9. Obsah kůry
36
4.5.2.10. Sypná hmotnost
37
4.5.3. DÍLČÍ DISKUSE II.
38
4.6. PROVOZNĚ REALIZOVATELNÉ STANOVENÍ KVALITY ENERGETICKÉ ŠTĚPKY
39
4.6.1. METODICKÝ POSTUP STANOVENÍ VLHKOSTI
39
4.6.1.1. Odběr vzorků
39
4.6.1.2. Ověření přesnosti upraveného postupu stanovení vlhkosti
44
4.6.2. METODICKÝ POSTUP STANOVENÍ SYPNÉ HMOTNOSTI
46
4.6.3. STANOVÉNÍ MNOŽSTVÍ VYUŽITELNÉ ENERGIE V DODÁVCE
46
4.6.4. DÍLČÍ DISKUSE III.
47
4.7. VYUŽITÍ MIKROVLNNÉHO OHŘEVU K VYSOUŠENÍ TESTOVANÝCH VZORKŮ
48
5. ZÁVĚR
51
6. RESUME
52
7. SEZNAM LITERATURY POUŽITÉ A SOUVISEJÍCÍ
53
8. PŘÍLOHY
59
1. OBJEM VYUŽÍVÁNÍ OZE V ČR V ROCE 2000 A PŘEDPOKLAD NA ROK 2010
60
2. SOUČASNĚ PLATNÉ NÁRODNÍ NORMY PRO ENERGETICKOU ŠTEPKU VE STÁTECH EU
61
3. UKÁZKA TECHNICKÝCH PODMÍNEK PRO PŘEJÍMKU ŠTĚPKY V PAPÍRNÁCH
63
4. TECHNOLOGIE ŠTĚPKOVÁNÍ
64
5. VÝSLEDKY MĚŘENÍ VLHKOSTI ŠTĚPKY GRAVIMETRICKOU METODOU
68
6. STATISTICKÉ VYHODNOCENÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT
69
7
1. Úvod 1.1. Dřevo - obnovitelný zdroj energie V posledních letech je častým tématem ekologických i politických diskusí náhrada fosilních zdrojů energie obnovitelnými zdroji energie (OZE). A tento vývoj se odráží i v legislativních úpravách nedávno přijatých EU i Českou republikou (ČR). V polovině roku 2005 byl schválen zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Jeho cílem je podpora využití OZE, zvyšování jejich podílu na spotřebě primárních energetických zdrojů, přispění k trvale udržitelnému rozvoji společnosti a vytvoření podmínek pro splnění cíle zvýšit podíl elektřiny z OZE na hrubé spotřebě elektřiny na 8% do roku 2010 (příloha č.1). Obnovitelných zdrojů energie je celá řada, ale v podmínkách ČR zaujímá přední místo biomasa. Produkční potenciál biomasy je u nás poměrně vysoký a s její produkcí má lesnictví a zemědělství dlouhodobé zkušenosti. Přitom zvýšení jejího využívání může regionálně přispět i ke vzniku nových pracovních míst, zlepšení životního prostředí likvidací bioodpadů a snížení škodlivých exhalací.
1.2. Obchod s biomasou Zvýšený zájem o palivo ovlivnil i nárůst tržní hodnoty této komodity na úroveň, kdy odběratel musí více uvažovat o kvalitě paliva, tak aby jeho použití bylo technicky a zejména ekonomicky výhodné. Pro celkové posouzení efektivnosti získávání energie z lesní štěpky je třeba si uvědomit specifika dřeva jako zdroje energie. Velmi záleží na zvolené technologii a technickém zařízení, které musí svou konstrukcí odpovídat druhu a kvalitě používaného paliva. V obchodním styku je „kritickým“ bodem přejímka paliva, kdy je zapotřebí vhodným způsobem palivo ohodnotit. Standardní způsoby měření dřeva v objemových mírách, na plnometry a prostorové metry vyjadřující množství paliva, se již jen z části vztahuje na množství disponibilní energie. V tomto směru jsou objektivnější hmotnostní ukazatele, které stanovením množství vody v palivu společně s dalšími parametry jsou schopny u paliva lépe vyjádřit jeho hodnotu. To je důvodem, proč nově rozvíjející se trh s bioenergií pro svůj další rozvoj potřebuje normy konstruované přímo pro biopaliva.
8
2. Cíle práce Cílem předložené diplomové práce je posouzení parametrů ovlivňujících energetické využití lesní štěpky. K naplnění tohoto cíle bude zapotřebí dosažení následujících dílčích cílů:
I. Posouzení současného stavu norem a klasifikací lesní štěpky v ČR a státech EU Tato část si klade za cíl vyjádřit jakých směrnic a postupů je využíváno při obchodování s lesní štěpkou v ČR a jaké parametry bývají sledovány. Vzhledem k tomu, že trh s biopalivy se v našich podmínkách teprve rozvíjí, tak bych rád pro srovnání uvedl i postupy zavedené a používané ve státech mající již dlouhodobé zkušenosti s OZE. Výstup tohoto dílčího cíle by měl poukázat na současný stav evropských norem pro klasifikaci energetické štěpky.
II. Charakteristika parametrů ovlivňujících energetické využití lesní štěpky Národní normy evropských států pro klasifikaci energetické štěpky využívají široké spektrum různých parametrů. Mým cílem je tyto parametry blíže specifikovat a vyjádřit jejich vliv na energetické využití lesní štěpky. U významných parametrů bude třeba zároveň uvést metodické postupy jejich stanovení.
III. Návrh provozně realizovatelného postupu stanovení kvality lesní štěpky za pomoci běžně dostupného vybavení S využitím poznatků o míře vlivu jednotlivých parametrů na technické a ekonomické aspekty použití, bude navržen postup hodnotící kvalitu energetické štěpky možný aplikovat zejména v provozních podmínkách .
9
3. Materiál a metodika 3.1. Informační zdroje Obsah diplomové práce bude z velké části založen na vyhodnocení dostupných informací a zpracování teoretických podkladů, ze kterých bude možno vycházet v navazující části založené na vlastních zjištěních. Předsevzaté cíle se z velké části věnují zmapování současného stavu a vývoje problematiky standardizace biopaliv. Hlavními podklady k jejímu zpracování jsou zejména na internetu
uveřejněné vědecké
publikace věnované
problematice
bioenergetiky a domácí i zahraniční odborná lesnická literatura. Velmi cenné zdroje informací, zaměřených na aktuální témata, představují výsledky prezentované 6. - 7. října 2004 na mezinárodní konferenci "Standardisation of Solid Biofuels" v německém Leipzig a na veletrhu Silva Regina pořádaného 2. - 6. 4. 2006 v Brně. Dílčí cíl III. bude současně zaměřen na vlastní výzkumnou činnost věnující se ověření přesnosti modifikovaného postupu stanovení vlhkosti v „domácích“ podmínkách. V případě uspokojivých výsledků může být tento postup implementován do metodiky stanovující množství využitelné energie na základě vlhkosti a sypné hmotnosti. Ke zpracování bude použito především metodických postupů vycházejících z metodiky použité i při přípravě nové evropské normy CEN/TC 335 Solid biofuels. Následné výsledky a diskuse již budou čerpat především z vlastních provozních a laboratorních zjištění.
3.2. Materiálové zdroje Materiálové zdroje budou použity v dílčím cíli III.
jehož součástí bude ověřování
přesnosti postupu stanovení relativní vlhkosti lesní štěpky v provozních a laboratorních podmínkách. Testována bude čerstvá borová štěpka s podílem dřeva a kůry. Štěpka bude v průběhu testování dodávána pilou Kinský dal Borgo v Chlumci nad Cidlinou. Při ověřování přesnosti stanovení relativní vlhkosti lesní štěpky v provozních podmínkách oproti podmínkám laboratorním budou jednotlivé postupy označené názvy „domácí“ a „laboratorní“.
10
Použité vybavení : Domácí - elektrický sporák Electrolux EKV 5600 s horkovzdušnou troubou o příkonu 1960 W. - digitální kuchyňské váhy Soehnle venezia s přesností vážení na 1,00 g. Laboratorní - horkovzdušná trouba HS 400A - laboratorní váhy s přesností vážení na 0,001 g Jelikož se bude testovat v několika sériích, je třeba zajistit shodné podmínky při měření všech jednotlivých sérií. Z toho důvodu je nezbytné aby při všech měřeních bylo použito stejného vybavení. Tato zásada je důležitá zejména u požitých vážících zařízení, jejichž přesnost bude před započetím práce ověřena pomocí sady cejchovaných závaží. Vzhledem k různorodosti dílčích cílů, budou pro zvýšení přehlednosti metodické postupy uvedeny společně s výsledky.
11
4. Výsledky a diskuse 4.1. Současný stav využívání OZE Zasedání v Kyotu se stalo jedním z významných impulsů vedoucímu ke zvýšení zájmu o OZE, jako jednu z možných cest vedoucí ke snižování produkce a vypouštění skleníkových plynů do ovzduší. Evropská komise si tak stanovila celkem ambiciózní cíl zvýšit na trhu energie podíl OZE na 12 % do roku 2010. Prostředky, které by měly ke splnění tohoto cíle vést jsou zahrnuty v „Bílé knize“ (White paper - Energy for the Future 1997) pojednávající o využívání OZE a postupech směřujících k naplnění přijatého cíle (VANĚK 2003, SAVOLAINEN 2000). Je tedy možné předpokládá že nadále bude i využívání biopaliv a obchod s nimi narůstat a to zejména u následujících paliv: bionafty, lesní štěpky , dřevních pelet a biopaliv z rychlerostoucích dřevin a energetických bylin (JEVIČ 2000). Současné využití obnovitelných zdrojů energie v členských zemích EU se liší (graf č. 4.1.) zejména v závislosti na přírodních podmínkách, objemu rezerv fosilních paliv, technickém zázemí a podstatný vliv má i politická podpora zavádění OZE.
Graf č. 4.1.: Objem využívání OZE ve státech EU v roce 2003
12
4.2. Obchodování s lesní štěpkou 4.2.1. Srovnání cen dřevních paliv v Evropě Náklady na jednotku energie získané ze dřeva se liší podle formy použitého paliva. Ze srovnání cen vybraných dřevních paliv uvedených v grafu č. 4.2. vyplývá, že cena za energii získané z dřevní štěpky je v porovnání s ostatními uvedenými palivy relativně nízká.
Ceny dřevních paliv v ČR 2003 - lesní štěpka 270 Kč/MWh (9 €) - dřevní pelety 576 Kč/MWh (19,2 €) - krbová polena 360 Kč/MWh (12 €) (SLADKÝ 2004) 4.2.2. Současné klasifikace dřevní štěpky ve vybraných státech EU V rámci EU je stupeň vývoje národních norem poměrně nejednotný. Zatímco některé země až nyní sestavují normy pro pevná biopaliva, jiné země působí jako průkopníci. Státy, kde již nějaká forma norem pro biopaliva existuje, tak tyto normy obecně zahrnují požadavky na třídění biopaliv, jejich vlastnosti, způsoby odebírání vzorků a jejich testování. Normy však dosud bývaly tvořeny a zpracovány výhradně na národní úrovni a chybělo širší vzájemné propojení mezi různými evropskými skupinami působícími v oblasti tvorby norem pro biopaliva (JEVIČ 2000). Ukázka jak vypadají národní normy vybraných států EU je uvedena v příloze č. 2. A tabulka č. 4.1. vyjadřující spektrum hodnocených parametrů tuhých biopaliv v jednotlivých státech. 13
Tabulka č. 4.1.: Hodnocené parametry tuhých biopaliv ve vybraných státech Evropy Obsah vody Podíl frakcí - tvar Výhřevnost Původ Obsah popele Sypná hmotnost Obsah síry Obsah chlóru Obsah dusíku Prchavé částice Obsah C, H, O Hlavní prvky Vedlejší prvky Bod tání popele Poměr C/N
SRN Finsko Itálie Holandsko x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
Rakousko x x x x x x
Švédsko x x x
Švýcarsko x x x x
x x x x
x
x
Zdroj: JEVIČ 2000
4.2.3. Klasifikace energetické štěpky v ČR V současné době v ČR nejsou stanoveny normy zahrnující ve svém obsahu přímo kvalitativní požadavky na energetickou štěpkou. V platné české normativy dosud vychází z původních ČSN a postupně , počínaje od 1. dubna 1997 kdy se ČR stala členem CEN (Evropský výbor pro normalizaci), jsou přejímány normy evropské. Okrajově je možné se při přejímce energetické štěpky řídit podle Doporučených pravidlech pro měření a třídění dříví v ČR (Indra 2002). Toto doporučení je sestaveno pro vyjádření zejména vlastností dřeva na technické využití a na lesní štěpku lze aplikovat pouze kapitolu o objemové a hmotnostní přejímce dřevní suroviny, která se ovšem nijak dál nevěnuje dřevu jako surovině k energetickému použití. Z dotazování producentů energetické štěpky vyplynulo, že nároky na parametry energetické štěpky si doposud určuje každý z odběratelů samostatně a nejčastěji sledovanými parametry jsou zejména: výhřevnost, vlhkost a velikost frakce.
14
4.2.4. Evropská norma CEN/TC 335 Nejednotnost národních norem a v případě některých státu i jejich absence, vedla Evropskou komisi pro standardizaci CEN k sestavení nové evropské normy pro pevná biopaliva CEN/TC 335. Struktura této normy se od současných národních norem liší především svým zaměření i na odpovídající a jasné propojení mezi různými typy paliv, jejich původem a kvalitou pro použití ve specifických aplikacích. Tato struktura normy poskytuje trhu a legislativě možnost rozlišovat mezi obnovitelnými a fosilními palivy a jasně stanoví systémy tříd pro biopaliva (ALAKANGAS 2005, PASTOREK 2005). Obrázek č. 4.1.: Postavení normy CEN TC 335 v systému klasifikace biopaliv
Termíny a definice jsou roztříděny do kategorií v logické struktuře založené na skutečnosti, že pevná biopaliva jsou vyráběna z různých zdrojů a že účelem pevných biopaliv je přeměna na bioenergii (obrázek č. 4.1.). Rozlišení zdrojů biopaliv je jedním z přínosů normy CEN/TC 335, který má stanovit rozdíl mezi palivem a odpadem. •
Zdroje pevných biopaliv: pokrývají počáteční místo vstupního materiálu (biomasa) v hospodářských a environmentálních cyklech (jako lesní dřevo, energetické lesní stromy, zbytky z kmenů, zbytky z péče o krajinu atd.).
•
Popis pevných biopaliv: samotný popis, jakož i manipulace s nimi, který se týká povahy/původu biopaliva, daného stejnou strukturou jako je zdroj biomasy (např. dřevní paliva, lesní paliva), různé typy biopaliv, vyrobených v přípravném procesu (tj. biopaliva z dřevní štěpky atd.), nejdůležitější vlastnosti biopaliva (např. celková vlhkost, celkový popel) a podmínky odběru vzorků a testování, jakož i třídění a specifikace.
•
Bioenergie: jako výsledek přeměny biopaliva. (JEVIČ 2003)
15
Specifikace zdrojů pevných biopaliv V průběhu posledních 20-ti let hledala většina států EU možnosti, jak zlepšit kvalitu procesu zpracování odpadů pomocí důsledného zpracování legislativy pro kontrolu jejich pohybu a používání. To jistě zlepšilo normy pro tento průmysl, avšak v některých případech mohou nyní být určité materiály, původně pokládané za odpady, recyklovány novými technologickými procesy. Tudíž existují některá potencionální biopaliva, jejichž používání může být omezeno legislativou. Z pohledu potřeby maximalizovat používání biomasy v rámci výroby energie pro splnění cílů EU je důležité, aby legislativa pro řízení (kontrolu) odpadů neovlivňovala nepříznivě jejich používání jako biopaliva. Z toho vyplívá nezbytnost společného ujednání o rozdílech mezi biopalivy a odpady. Společné evropské normy, týkající se terminologie, třídění, odběru vzorků, fyzikálněchemického a mechanického testování, jsou velice důležitou částí v takovém ujednání. Tomu předcházela nutnost vyjasnění způsobu, jakým mají být biopaliva vyrobená z biomasy používaná. Jedním ze způsobů jejich aplikace je uvažovat o životním cyklu biomasy od panenského rostlinného materiálu až do stavu, kdy bude tento materiál rozčleněn na složky, které se už dále nebudou využívat (a to z důvodu technologických a nebo tržních podmínek, které ještě nejsou na takové úrovni, aby zabezpečily jejich hospodárné využití) a budou pokládány za odpad. Od prvovýroby může panenská biomasa projít během svého životního cyklu několika zpracovatelskými postupy. Každá procesní operace vytváří produkt, který tvoří konec procesního řetězce a vedlejší produkty nebo odpady (zbytky). Tyto vedlejší produkty a odpady mohou být dále rozděleny podle původu na: •
palivové produkty, tj. takové matriály, jejichž vlastnosti a hodnota je dělá atraktivními pro využití při výrobě energie
•
nepalivové produkty, tj. takové materiály, jejichž vlastnosti a hodnota je činí více atraktivní pro využíván v jiných procesech nebo aplikacích, než je použití jako palivo
•
odpady k využití, tj. takové matriály, které mají neatraktivní vlastnosti a nízkou hodnotu a které musí být užívány pouze za přísné kontroly
16
Dále jsou biopaliva tříděny podle zdroje na: •
produkty ze zemědělství a lesnictví
•
rostlinný odpad ze zemědělství a lesnictví
•
rostlinný odpad ze zpracovatelského potravinářského průmyslu
•
dřevní odpad s výjimkou dřevního odpadu, který může obsahovat halogenované organické složky nebo těžké kovy jako výsledek ošetření dřevními konzervačními prostředky nebo nátěry, zejména se jedná o dřevní odpad pocházející ze staveb a demolic
•
korkový odpad
(JEVIČ 2003)
Na roztřídění paliv podle původu a zdroje navazuje specifikace technických parametrů energetické štěpky, která je znázorněna v tabulce č. 4.2., která stanoví limitní hodnoty pro podíl a velikost frakcí, vlhkost paliva a obsah popele. Tyto tři charakteristiky jsou považovány u všech druhů biopaliv za nejpodstatnější. Určování dalších parametrů již závisí na smluveném způsobu přejímky paliva. Každý z parametrů je označený symbolem velkého písmene abecedy a rozčleněn do tříd podle limitních hodnot. Například M 20, kde M označuje vlhkost (moisture content) a ve spojení s číselným označení
třídy
20
vyjadřuje
průměrnou
relativní
vlhkost
paliva
do 20 %
(ALAKANGAS 2005, HARTMANN 2005).
Tabulka č. 4.2.: Třídění energetické štěpky podle normy CEN/TC 335 (prCEN TS 14961) Velikost a podíl frakcí Hlavní podíl frakce > 80 % Jemná frakce < 5 % Nadrozměrná frakce < 1% P 16 3,15 mm ≤ P ≤ 16 mm < 1 mm > 45 mm P 45 3,15 mm ≤ P ≤ 45 mm < 1 mm > 63 mm P 63 3,15 mm ≤ P ≤ 63 mm < 1 mm > 100 mm P 100 3,15 mm ≤ P ≤ 100 mm < 1 mm > 200 mm Vlhkost wr (%) M 20 M 30 M 40 M 55 M 65
≤ 20 % ≤ 30 % ≤ 40 % ≤ 55 % ≤ 65 %
Obsah popele A 0,7 A 1,5 A 3,0 A 6,0 A 10,0
17
≤ 0,7 % ≤ 1,5 % ≤ 3,0 % ≤ 6,0 % ≤ 10,0 % Zdroj: HARTMANN 2005
4.3. Dílčí diskuse I. Shrnutím výše uvedených skutečností dospějeme k závěru, že současné národní normy pro pevná biopaliva nestojí na shodných základech a nachází se v různé fázi rozpracovanosti. Obchodování s energetickou štěpkou v ČR se začíná rozvíjet ve větším měřítku až v posledních letech a tak vyřešení otázky specifikace parametrů při přejímce již začíná nabýrat na významu. Zejména když uvážíme, že se vzrůstajícím zájmem roste i cena dříví pro energetické využití. Absence jednotných evropských norem je doposud hlavní překážkou pro vytvoření fungujícího trhu s pevnými biopalivy, který je nezbytný pro EU k dosažení jejího cíle v oblasti rozvoje využívání bioenergie. To bylo podmět k sestavení evropské normy CEN/TC 335, jejíž zavedení si dává za cíl regulovat trh a zajistit důvěru k výrobcům a uživatelům paliv. Normy pro pevná biopaliva s ohledem na kvalitu a vlastnosti umožní naplnit optimální použití různých biopaliv s ohledem na ochranu životního prostředí. Navíc normy pro pevná biopaliva zlepší účinnost používání biomasy, neboť uživatelé budou schopni produkovat paliva o kvalitě, odpovídající specifikacím technického vybavení topenišť (JEVIČ 2000). V současnosti probíhá schvalování výše uvedené evropské normy CEN/TC 335 pro pevná biopaliva a v průběhu 6 měsíců po jejich přijetí budou CEN normy převedeny do norem národních. V dalším tříletém období budou stávající národní normy platit souběžně s evropskou CEN normou a až poté budou národní normy členskými státy EU definitivně staženy z užívání (ALAKANGAS 2005, JEVIČ 2000).
4.4. Přejímka paliva a štěpky U palivového dříví jde především o jeho energetický obsah. Z toho důvodu by bylo vhodné nakupovat dříví ve stejné měrné jednotce jako elektřinu (zemní plyn), tedy v kWh dodané energie. Přejímka paliva by pak probíhala tak, že bychom zjistili množství dříví (objem nebo hmotnost) a na základě jeho známé výhřevnosti určili množství skutečně dodané energie. Problémem však je vlastní přejímka a stanovení výhřevnosti. V případě objemové přejímky je třeba stanovit skutečný objem dříví na základě známého ložného prostoru dopravního prostředku a koeficientu zaplnění (tabulka č. 4.3.). Takže jde vlastně
18
o přepočet prostorových metrů (sypný metr - u volně ložené a nezhutněné štěpky) na plnometry. V případě hmotnostní přejímky je třeba zajistit nejen vážení ale i měření vlhkosti dodávaného dříví. Zatímco objem dříví je s měnící se vlhkostí prakticky neměnný, hmotnost je silně závislá na vlhkosti. Je tedy zapotřebí použít vhodnou metodu stanovení vlhkosti, na základě které již lze dopočítat energetický obsah dodávky (KLEPÁRNÍK 2005).
Objemová přejímka
Hmotnostní přejímka Q=Hxm
Q = H x plm Q – množství energie obsažené v dodávce
Q – množství energie obsažené v dodávce v kWh nebo MJ
v kWh nebo MJ 3
H – výhřevnost paliva v kWh/m nebo MJ/ m plm – plnometr dodávky v m
3
H – výhřevnost paliva v kWh/kg nebo MJ/kg
3
m – hmotnost dodávky v kg
Jednotky objemu dřeva Při objemové přejímce štěpky se můžeme setkat se třemi základními objemovými mírami: plnometr, prostorový metr a sypný metr (obrázek č. 4.2.). Tyto objemové míry je možno vzájemně zaměnit po vynásobení příslušným přepočtovým koeficientem (tabulka č. 4.3.).
plnometr (plm) = 1 m3 skutečné dřevní hmoty 3
prostorový metr (prm) = 1 m složeného dřeva sypný metr (prms) = 1 m3 volně loženého dřeva
19
Tabulka č. 4.3.: Přepočtové koeficienty
plm prm prms
plm prm prms 1,00 1,43 2,43 0,70 1,00 1,70 0,41 0,59 1,00 Zdroj: PASTOREK 2005
Způsoby měření dřeva pouze v objemových mírách nejsou při obchodování s energetickou štěpkou příliš vhodné. Proto jsou upřednostňovány spíše hmotnostní ukazatelé zároveň se stanovením obsahu vody, který má přímý a podstatný vliv na výhřevnost paliva. 4.5. Energetické využití dříví Možností konverze (přeměn) energie z biomasy existuje celá řada, ale zdaleka ne všechny postupy jsou vhodné právě pro dendromasu. Posouzení technických možností společně s efektivností použití jednotlivých konverzních procesů pro dřevo je znázorněno v tabulce č. 4.4. Ze srovnání vyplývá, že nejvíce vhodným způsobem je spalování. Z tohoto důvodu budou další kapitoly věnovány právě specifikům spalovacího procesu.
anaerobní fermentce
aerobní fermentace
alkoholová fermentace
pyrolýza
zplynování
spalování
získávání odpadního technologického tepla
esterifikace bioolejů
Tabulka č. 4.4.: Vhodnost aplikace různých způsobů konverze biomasy k energetickým účelům Ostatní procesy Suché procesy Mokré procesy
Odpad z lesního 0 1 3 2 2 0 1 2 hospodářství Odpad z dřevařského 0 0 3 2 2 0 0 0 průmyslu 0 - nelze použít nebo se v praxi nepoužívá 1 - technicky zvládnutelná technologie, avšak v praxi se nepoužívá 2 - vhodné pouze pro určité technicko-ekonomické podmínky 3 - často používaná technologie Zdroj: PASTOREK 2005
4.5.1. Proces spalování dřeva Ve zkratce je hoření prostý oxidační proces při němž je spalitelná složka paliva spálena následkem vysoké teploty a za přísunu přiměřeného množství vzduchu. Při této chemické reakci (uvedené níže) dochází k uvolnění energie vázané v biomase ve formě tepla. H2 + ½ O2 → H2O + teplo C + ½ O2 → CO + teplo CO + ½ O2 → CO2 + teplo 20
Hořlavina u všech tuhých paliv se skládá ze dvou částí: z prchavé hořlaviny a z pevného uhlíku. Prchavá hořlavina se z paliva uvolňuje po jeho zahřátí na dostatečně vysokou teplotu a představuje směs uhlovodíkových a dusíkatých hořlavých složek. Pro dřevo je typický vysoký obsah prchavé hořlaviny v rozmezí 70 až 85 %, což jej výrazně odlišuje od tuhých fosilních paliv a díky tomu jsou i kladeny specifické nároky na vedení spalovacího procesu. Ohniště pro spalování dřeva by mělo zajistit vyhoření všech hořlavých plynných složek hořlaviny. K dokonalému spalování je zapotřebí zajistit dostatečně vysokou spalovací teplotu, promísení hořlavých plynů se spalovacím vzduchem a dostatek času pro průběh spalovací reakce. První požadavek řeší šamotová izolace vnitřních stěn ohniště, zejména v dolní části, která nedovolí odvádět reakční teplo do stěn. Pro zajištění dostatečného množství času na spálení hořlaviny je třeba dostatečně velký objem ohniště, kde hraje roli i poměr výšky ohniště k jeho průměru. Čím je ohniště vyšší, tím lépe lze zajistit dokonalé vyhoření prchavé hořlaviny. Promísení uvolněné prchavé hořlaviny se spalovacím vzduchem, který plní funkci oxidantu, není zcela jednoduché. U plynů roste vazkost se zvyšující se teplotou, proto při vysokých teplotách v ohništi je mísení těchto dvou plynů obtížné. Jsou známy případy, kdy velká část spalovacího vzduchu prochází ohništěm (obvykle podél stěn), aniž by se zúčastnila spalovacího procesu a hořlavé plyny vyhořívají velmi nedokonale. Teoreticky požadované množství vzduchu je množství vzduchu potřebné k úplnému spálení veškerých spalitelných složek paliva. Toto množství může být spočítáno a porovnáno s aktuálním množstvím vzduchu. Poměr mezi teoretickým a skutečným množstvím se nazývá faktor vzduchu. Jeho hodnoty se u spalování dřeva pohybují mezi 1,25 a 1,40. To znamená, že při spalování dřeva je optimální 25 až 40 procentní nadbytek
vzduchu.
Efektivnost
procesu
je
měřitelná
podle
množství
CO ve vypouštěných zplodinách. Výsledkem dobrého spalování je vypouštění maximálního podílu CO2 a minimálního obsahu CO a dalších nespálených plynů ve zplodinách (LINHART 1999).
4.5.2. Parametry dřeva jako paliva Souhrn parametrů sepsaný v této kapitole má za cíl vyjádřit specifika parametrů obsažených v národních normách zmíněných v kapitole 4.2.2. 21
Je možné vyjádřit celou řadu parametrů majících vliv na energetické využití dendromasy. Sledují se jednak parametry, které mají vliv na vlastní spalování (výhřevnost,
vlhkost,
chemické
složení
atd.)
a
dále
parametry
významné
pro obchodováním s palivem nebo technickými požadavky spalovacího zařízení (velikost a tvar štěpek, oběmová hmotnost, teplota tání popelovin atd.) (SAVOLAINEN 2000). Jednotlivé parametry budou blíže specifikovány v následujících podkapitolách společně s možnostmi jejich determinace.
4.5.2.1. Základní třídění štěpek Charakter vstupního materiálu má zásadní vliv na vlastnosti paliva a je ovlivněn zejména druhem dřeviny a poměrem zastoupení dřeva, kůry, asimilačních orgánů a případně plodů. Podíl těchto komponentů v lesní štěpce kolísají v závislosti na druhu těžby, ročním období a dalších faktorech. (SIMANOV 1995). Zelená štěpka – (lesní štěpka) obsahuje podíl dřeva, kůry i asimilačních orgánů. Získává se především štěpkováním celých stromů z před mýtních zásahů
nebo
těžebního odpadu. Její další využití mimo energetického zpracování se omezuje na krmivářské nebo kosmetické použití (SIMANOV 1995). Čerstvá zelená štěpka má nejenom vysokou vlhkost, ale současně obsahuje vysoký podíl živin, což poskytuje vhodné prostředí pro život mikroorganismům. Jejich zvýšená aktivita je pak doprovázena hnilobnými procesy a zahříváním štěpky, které může vést až k samovznícení. Opatření je třeba směřovat k omezení podmínek pro rozvoj aerobních mikroorganismů. Zejména je vhodné ponechat materiál před štěpkováním proschnout, štěpku skladovat v podmínkách umožňujících další vysychání
a omezit přístup vlhkosti z okolního
prostředí. Například je možné hromady materiálu připraveného ke štěpkování chránit před dešťovými srážkami přikrytím geotextílií. Ve Skandinávii je k tomuto účelu používán papír s voděodpudivou úpravou (SLEJŠKA 2006). Hnědá štěpka – se skládá z podílu dřeva a kůry. Jedná se o materiál určený zejména k technickému použití v papírenském průmyslu nebo na výrobu aglomerovaných desek (SIMANOV 2004). Musí ovšem splňovat určité kvalitativní předpoklady (příloha č. 3).
22
K energetickým účelům se používá hnědá štěpka horší kvality, kterou není možné využít k technickým účelů. Může ale dojít k nežádoucímu stavu, kdy výkupní ceny energetické štěpky díky vysoké poptávce a dotacím na „zelenou energii“ přerostou ceny štěpky technické.
V takovém případě je na místě regulace výkupních cen
energetické štěpky, aby nedocházelo k plýtvání kvalitní dendromasou. Bílá štěpka – je získávána štěpkováním odkorněného materiálu. Tato štěpka je určena výhradně k technickému použití (SIMANOV 2004).
4.5.2.2. Původ štěpkovaného matriálu Zbytky z lesní těžby - klest: vrcholová část stromů do tloušťky nehroubí (do 6 cm) a větve po odvětvení, oklestu nebo ořezu. - těžební odpad: klest po odvětvení spolu s odřezky z kmenové části vzniklé při manipulování kmene. - celé stromky z prořezávek a prvních probírek, kde jedinci nedosahují dostatečných dimenzí umožňujících jiné použití nebo je takové využití neekonomické. Soustřeďování těžebního odpadu vlečením nebo shrnováním způsobuje znečištění zeminou
a omezuje nasazení štěpkovacích zařízení. Předejít takovému znečištění
je možné použitím vyvážecích souprav. Další možností je paketování (rozšířen zejména ve Finsku) při kterém se klest lisuje do balíků, které je možné přímo spalovat ve speciálně upravených topeništích nebo použít jako mezioperační zásobu a následně dezintegrovat (SIMANOV 1995, ALAKANGAS 1999). Rychle rostoucí dřeviny V oblastech, kde zbytky z lesní těžby nepokrývají potřeby odběratelů, mohou produkci dendromasy zajišťovat i zemědělské pozemky. Pro tento účel je využíváno zejména porostů tzv. rychlerostoucích dřevin zejména topolů a vrb. Odpady z dřevozpracujícího průmyslu Pokud se jedná o dřevní štěpku z odkorněného materiálu s minimální příměsí kůry, je vhodnější dát přednost technickému využití před energetickým. Zvýšená pozornost musí být věnována znečištěné dřevní hmotě různými příměsemi jako jsou lepidla, syntetické pryskyřice, materiály na povrchové úpravy. Tyto jsou důvodem 23
k zařazení takového spalovaného materiálu mezi odpady a jejich likvidaci spalováním pak musíme hodnotit z hlediska emisních limitů spalin podle předpisů platných pro spalovny (zákon č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší). Mezi takové odpady patří i zbytky z dřevotřískových desek, starý nábytek a obalové matriály znečištěné zbytky umělých hmot (LINHART 1999).
4.5.2.3. Chemické složení dřeva Přibližně jednu polovinu hmotnosti čerstvého, právě pokáceného stromu tvoří voda. Druhou polovinu tvoří až z 85 % podíl zplynovatelných látek uvolňovaných pyrolýzou a nehořících na roštu, ale ve vznosu mezi roštem a komínem, 14 % složky spalované v pevném
stavu,
zejména
uhlík
a
0,5
až
2%
nespalitelných
popelovin
(SAVOLAINEN 2000, POŽGAJ 1997).
Voda Voda je ve dřevě obsažena až z 50 %. Jedná se jak o vodu povrchovou, tak i o vodu hygroskopickou. Když dojde při spalovacím procesu k překonání teploty 100 °C, začíná se voda z paliva rychle odpařovat a přeměňovat na vodní páru (SAVOLAINEN 2000). Odpařováním vody dochází ke snižování výhřevnosti paliva, kdy teplo na odpaření 1 kg vody činí 2,44 MJ. Takové teplo u klasických topenišť uniká bez efektu a pouze u větších výměníků je možné spaliny přivést ke kondenzaci a tepelnou energii spalinám opět odebrat. (PASTOREK 2005) Zplyňující látky Chemické složení zplyňující hořlaviny dřeva je uvedeno v grafu č. 4.3.
K jejich
uvolňování v průběhu spalování začíná docházet při teplotě 100-105 °C a jejich zápalná teplota je u měkkých dřevin od 220 °C, u tvrdých dřevin až od 300 °C.
24
Při oxidaci hořlaviny dřeva vznikají stejné základní látky jako při spalování jiných organických paliv. Jedná se především o CO2 a H2O. V závislosti na průběhu a podmínkách spalovacího procesu a na sloučeninách obsažených ve dřevě vzniká množství dalších látek, které jsou považovány za látky znečišťující. V první řadě jde o oxid uhelnatý (CO), který je produktem nedokonalého spalování. V případě dostatečné teploty spalování a dostatku spalovacího vzduchu je CO oxidován na CO2 a jeho emise jsou minimální (SAVOLAINEN 2000). Dále všechna dřevní paliva obsahují malé množství dusíku (N), který je během spalování oxidován na emise NOx. Dřeviny ve své sušině v průměru obsahují kolem 0,75 % dusíku (pro srovnání: rašelina 0,5 - 2%, uhlí 0,8 - 1,2 %) jeho zastoupení je nejvyšší v asimilačním aparátu, kde dosahuje 1 – 2 % (RICHARDSON 2002). Liší se i v závislosti na dřevině, takže dřeviny schopné vázat dusík (Alnus sp.) obsahují ve svém dřevě
až
dvojnásobné
množství
dusíku
například
oproti
jehličnanům
(SAVOLAINEN 2000). Síra je ve dřevě obsažena v minimálním množství, a proto emise SO2 z jeho spalování jsou velmi nízké, což je jedna z velkých předností paliv ze dřeva. Pevný uhlík Uhlík zůstává v pevné formě na roštu a při teplotě mezi 800-900 °C se povrchově okysličuje na oxid uhelnatý (CO), který při dodání dalšího kyslíku oxiduje na oxid uhličitý (CO2) (SAVOLAINEN 2000, SIMANOV 1995). Popel Složení popele z biopaliv ovlivňuje zejména výhřevnost paliva, konstrukci spalovacího zařízení, složení vypouštěných emisních plynů a další možnosti zpracování a využití popele. Popeloviny se v dendromase ukládají v průběhu růstu, kdy stromy z půdy absorbují prostřednictvím kořenového systému minerální látky z půdy, které jsou pak mízním tokem transportovány do kmene a koruny. Minerální složení částí stromů se liší v závislosti na zdrojích v půdě, hnojení stanoviště, druhu, velikosti a věku stromu a na ročním období. Mladé stromky z prvních probírek obsahují více minerálních látek než dospělý strom v mýtním věku, stromy s velkou korunou obsahují více minerálů než stromy s korunou malou, stejně tak obsahují tvrdé dřeviny více minerálních látek
25
v porovnání s měkkými a tvrdé dřeviny tropického pásu více než tvrdé dřeviny mírného pásu (RICHARDSON 2002). Obsah minerální látek má přímý vliv na množství produkovaného popele, které se mění i v závislosti
na poměru zastoupení dřeva, kůry a asimilačních orgánů v palivu.
Hodnoty obsahu popelovin z odkorněných kmenů u měkkého dřeva (0,3-0,5 %) jsou nižší než u dřeva tvrdého (0,5-1,6 %). Kůra obsahuje 6-7 krát a asimilační aparát dokonce až 6-11 krát více popelovin než odkorněný kmen (v podmínkách boreálních lesů) (SAVOLAINEN 2000). Obsah popele ze štěpky z celých , malých, neznečištěných stromků je kolem 1 %, což znamená asi 4 až 6 kg popele z 1 m3 dřeva. Díky nečistotám a kvůli nedokonalému spalování je produkce popele zpravidla vyšší (RICHARDSON 2002). Ve dřevě obsažené popeloviny svým relativně nízkým zastoupením příliš neovlivňují výhřevnost, jako tomu bývá u bylinných biopaliv (viz. graf č. 4.4.). Ale svými vlastnostmi ovlivňují spíše technologii spalování. Je tedy zapotřebí přihlédnout k vlastnostem popela zejména při návrhu zařízení tak, aby nedocházelo k nepřiměřeně velké produkci emisních plynů, struskování v topeništi, k zanášení tahů kotle a snižování přestupních součinitelů tepla a účinnosti zařízení (LINHART 1999).
dřevní paliva
Výhřevnost -
bylinná paliva
Obsah popele -
Obsah těžkých kovů ve dřevě závisí zejména na lokalitě, kde dendromasa vyrostla. U dřevin z důvodu delšího obmýtí dochází k vyšší akumulaci těžkých kovů ve srovnání s ostatní biomasy. I tak lze konstatovat, že obsah většiny těžkých kovů nepřekračuje povolené limitní hodnoty pro další použití (hnojení, rekultivace, kompostování, atd.). Problémovým bývá nejčastěji kadmium (Cd) vyskytující se občas v nadlimitních koncentracích. Kadmium se ukládá zejména v kůře stromů, proto 26
při zvýšeném spalování kůry je možné očekávat zvýšený obsah kadmia. Obsah těžkých kovů může omezit možnost dalšího využití dřevního popele jako hnojiva lesních a zemědělských pozemků nebo přísady do kompostů (KOČICA 2004, SIMANOV 1995, JEVIČ 2000). Postup stanovení množství popele (CEN standard) Při přípravě vzorku pro stanovení množství popele je potřeba testovaný materiál nejdříve podrtit na velikost frakce cca 1 mm. Prázdné platinové nádoby se zahřejí v peci až na teplotu 550°C po dobu nejméně 60 minut. Poté se nechá ochladit v exsikátoru a zváží s přesností na 0,01 g. V dalším kroku se umístí přibližně 1 g analyzovaného vzorku na dno misky, rozprostře se v rovnoměrné vrstvě a opět se zváží s přesností na 0,01 g.
Separovaný vzorek
se vysuší při 105 °C a po dalším zvážení se stanoví relativní vlhkost a hmotnost sušiny. Analyzované vzorky se potom umístí do spalovací pece a jsou zahřívány až na 550 °C podle následujícího harmonogramu specifikovaného v normě: - postupné zahřívání na 250 °C v průběhu minimálně 50 minut - udržování teploty 250 °C po dobu 60 minut - další zahřívání na 550 °C v průběhu minimálně 60 minut - udržování teploty 550 °C po dobu 120 minut Poté jsou vzorky vyjmuty z pece. Na 10 minut se umístí na nehořlavou podložku (silný plech) a následně se nechají ochladit v exsikátoru až na pokojovou teplotu. Vychladlé vzorky se na závěr zváží s přesností na 0,01 g a ze získaných hodnot se podle vzorce vypočte hmotností podíl popele s přesností na 0,1 %.
Ad =
m2 × 100 100 × m1 100 − M ad
Ad obsah popele v sušině (%) m1 hmotnost čerstvého vzorku (g) m2 hmotnost vzorku po spálení (g) Mad relativní vlhkost vzorku (%) (LANGHEINRICH 2005)
27
4.5.2.4. Vlhkost Přestože množství energie akumulované v dendromase je srovnatelná například s hnědým uhlím, není tato energie využitelná v celém jejím rozsahu. U pevných biopaliv podstatně kolísá výhřevnost paliva právě pod vlivem aktuální vlhkosti materiálu.
4.5.2.4.1. Vlhkost paliva ovlivňuje: - aktuální výhřevnost - sypnou hmotnost - intenzitu degradace a snižování kvality paliva - produkci spór hub tvořící zdravotní riziko - omezuje využití paliva u menších topenišť - zvyšuje riziko samovznícení (HARTMANN 2004) Se zvyšující se vlhkostí dříví naopak výrazně klesá jeho výhřevnost. Je to způsobeno spotřebou části energie k odpaření vodní páry. Dřevo lze obecně rozlišovat na dřevo mokré a suché, kde hranicí je hodnota wr 30%. U čerstvě pokáceného, mokrého dřeva po vytěžení se obsah vody pohybuje i nad wr 60 %. Vcelku velice rychle obsah vody klesá atmosférickým sušením. Nad hodnotou
wr 60 %
je
spalování
dřeva
z energetického
hlediska
značně
problematické, protože spotřeba tepla pro odpaření tak velkého množství vody v palivu činí spalování skoro nemožným a zejména neefektivním. Obdobný efekt snižující účinnost spalování má použití dřeva zmrzlého. (LINHART 1999) Obecně lze říci, že dříví do vlhkosti wr 30 % lze spalovat v kotlích běžné konstrukce. Dříví o vlhkosti wr v rozmezí 30 % až 60 % je spalitelné pouze v kotlích vyšších výkonů a speciální konstrukce, kde je zaručeno jeho předsušení a stabilizace teploty spalování. Dále bývají tyto kotle vybaveny kondenzačním zařízením odnímající tepelnou energii vodní páře unášené spalinami a umožňující její další využití. (KLEPÁRNÍK 2005) V praxi je možné se setkat se dvěma způsoby vyjadřování vlhkosti: absolutní vlhkost (wa) a relativní vlhkost (wr) Absolutní vlhkost je běžná v dřevozpracujícím průmyslu, kde se obsah vody v dřevní hmotě vyjadřuje jako poměr hmotnosti vody a hmotnosti absolutně suchého dřeva podle následujícího vztahu: 28
wa =
H1 - H2
100 (%)
H2
H1 - hmotnost vzorku surové dřevní hmoty (kg) H2 - hmotnost vzorku po vysušení (kg)
Relativní vlhkost se užívá v energetice, kde vyjadřuje poměr hmotnosti ve dřevě obsažené vody a hmotnosti vlhkého dřeva podle vztahu:
H1 - H2 wr =
100 (%) H1
Rozdíly hodnot jakými se oba způsoby vyjadřování vlhkosti liší je naznačen v tabulce č. 4.5. Tento rozdíl je potřeba mít stále na paměti zejména při sjednávání smluvních podmínek dodávek paliva. Tabulka č. 4. 5: Porovnání hodnot absolutní a relativní vlhkosti Relativní vlhkost wr 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Absolutní vlhkost wa 0 11 25 43 67 100 150 230 400 Zdroj: PASTOREK 2005
U všech hodnot vlhkosti paliva, uvedených v této práci se jedná o relativní vlhkost (wr.
4.5.2.4.2. Metody zjišťování vlhkosti dřeva Přímé metody Spočívají v přímém zjištění skutečného množství vody ve dřevě pomocí vážení. Mezi nejznámější metody patří metoda gravimetrická v praxi nazývaná váhovou metodou a destilační metoda. Pomocí těchto metod je možné stanovit vlhkost u většiny dřevních materiálů a to prakticky v rozmezí vlhkosti od 0 % až po maximální nasycení. Přesnost měření je dostačující jak pro výzkumné, tak i pro praktické účely. Nevýhodou je naopak časová náročnost a proto se nehodí ke kontinuálnímu měření vlhkosti (POŽGAJ 1997). 29
Gravimetrická metoda Principem metody je stanovení hmotnosti vlhkého a vysušeného dřeva vážením. Vzorek dřeva je vysušen v sušárně při teplotě 103 ± 2 ºC do dosažení konstantní hmotnosti vzorku. Po dosazení do vzorce pro výpočet vlhkosti (kapitola 4.5.2.4.1.) získáme absolutní nebo relativní vlhkost. Dřevo je možné také vysoušet i v prostředí s nulovou vlhkostí. Takové prostředí vytvoříme například požitím kyseliny sírové, silikogelu nebo chloridu vápenatého. Voda ve dřevě má vyšší tlak par než okolní prostředí a proto její molekuly unikají ze dřeva do okolního prostředí až do jeho úplného vysušení. Tento proces je ale mnohem náročnější a zdlouhavější (POŽGAJ 1997).
Destilační metoda
Obrázek č. 4.3. Destilační přístroj
Principem této metody je získání hmotnosti vody ve dřevě na základě jejího objemového množství. Požívá se zejména ke stanovení vlhkosti dřeva impregnovaného olejovými látkami, kde je problematické použít gravimetrickou metodu. Schéma aparatury je znázorněno na obrázku č. 4.3. Zvážená štěpka se uloží do baňky (1) s kapalinou, která se nemísí s vodou a má odlišnou hustotu (xylen, benzen, atd.) spojenou s kalibrovanou předlohou (3). Baňka se ohřívá ve vodní koupeli. Páry vody a použité kapaliny zkondenzují v chladiči (2) a stékají do kalibrované předlohy v dolní části, kde se stanoví objemové množství obsažené vody a přepočte se na hmotnostní podíl a po dosazení do vzorce pro výpočet vlhkosti (kapitola 4.5.2.4.1.) (POŽGAJ 1997).
Nepřímé metody Při těchto metodách se vlhkost dřeva zjišťuje
na základě známých zákonitostí
zjištěných teoreticky nebo empiricky mezi vlhkostí dřeva a jinou veličinou, přičemž není potřebné stanovit hmotnost vody nebo dřeva.
30
Elektrické metody Sem patří elektrické vlhkoměry, které jsou založené na principu měření určité elektrické vlastnosti, nejčastěji elektrického odporu nebo vodivosti, kapacity či ztrátového činitele. Podle měření uvedených fyzikálních veličin se vlhkoměry dělí na jednotlivé typy. - odporový (měření elektrického odporu) - kapacitní (měření permitivity) - absorpční a mikrovlnný (ztrátový činitel) Výhodou těchto vlhkoměrů je poměrně krátký čas potřebný pro vyhodnocení (POŽGAJ 1997).
4.5.2.4.3. Požadavky na vlhkost lesní štěpky ve vybraných státech EU I z diskuse k dílčímu cíli I. je zřejmé, že stanovení vlhkosti je jedním z nejdůležitějších parametrů pro pevná biopaliva a to zejména pro materiály jako lesní štěpka, kde je procento vlhkosti velmi proměnlivé. V následující tabulce je vybráno několik Evropských států a normativně stanovené požadavky na vlhkost energetické štěpky.
Tabulka č. 4.6.: Třídy energetické štěpky pro relativní vlhkosti Finsko Itálie Rakousko Švýcarsko Suchá <12 Suchá (vzduch) <20 <30 Pro stálé skladování 29 20-29 Pro omezené skladování 30-34 Polosuchá < 26 Vlhká/čerstvá 33/38/39 >26 35-39 Čerstvá po sklizni 40-49 <50 Mokrá <60 Zdroj: JEVIČ 2000
Srovnání předložených národních norem ukazuje na zřejmé rozdíly mezi jednotlivými zeměmi. Zatímco např. v Rakousku, kde se často používá také čerstvě sklizená štěpka, může být obsah vody jednotlivých tříd vlhkosti paliva v rozmezí mezi wr 20 až 49 %. Je v Itálii, kde se dá obsah vody skladováním snáze omezit, stanoven v rozmezí wr 12 až 26 %. Tyto rozdíly jsou jednak podmíněny specifickými geografickými a klimatickými výrobními podmínkami a dále řadou metod sklizně, úpravy a užití, přizpůsobených národním zvyklostem (JEVIČ 2000).
31
4.5.2.5. Výhřevnost dřeva Výhřevnost paliva je množství energie uvolněné dokonalým spálením měrné jednotky paliva, za předpokladu stechiometrické rovnováhy spalování, pokud veškerý vodní obsah spalin odejde ze spalovacího zařízení v podobě vodní páry. Výstupní teplota spalin je tak nad bodem jejich konzistence. Výhřevnost dřeva je závislá především na jeho vlhkosti a chemickém složení, v případě objemové měrné jednotky také na hustotě a dřevině. (KLEPÁRNÍK 2005)
4.5.2.5.1. Výhřevnost paliva ovlivňuje: a) zužitkování energie z paliva b) dimenzování spalovacího zařízení Výhřevnost zcela zdravého a suchého dřeva je poměrně vysoká: u listnáčů je to 18 MJ/kg, u jehličnanů 19 MJ/kg. Ve skutečnosti však biomasa vždy obsahuje nejméně 10% vody. V průměru má kusové dřevo nebo štěpka provětrávané a skladované pod střechou v průměru 30 % vlhkost. Při hoření se tato voda odpařuje a tím se snižuje výhřevnost paliva (tabulka č. 4.7.). Je-li teplota spalin za kotlem (výměníkem) vyšší než 101 °C, tak se toto teplo absorbované vodní párou dále nevyužije a uniká společně se spalinami (neplatí pro kondenzační kotle) (PASTOREK 2005). Aktuální výhřevnost paliva je vyjádřena vztahem:
Hu - aktuální výhřevnost paliva (MJ/kg)
HuWf (100 - w)-(r ⋅ w) Hu=
100
(MJ/kg)
HuWf - výhřevnost sušiny (MJ/kg) w - obsah vody v palivu (%) r - teplo na odpaření 1 kg vody (2,44 MJ)
Tabulka č. 4.7.: Vliv vlhkosti na výhřevnost paliva Palivo Obsah vody Dřevo Kůra % (MJ/kg) (kWh/kg) (MJ/kg) (kWh/kg) 0 18,5 5,1 18,8 5,2 10 16,4 4,6 16,7 4,6 20 14,3 4,0 14,6 4,1 30 12,2 3,4 12,5 3,5 40 10,1 2,8 10,5 2,9 50 8,0 2,2 8,4 2,3 60 6,0 1,7 6,3 1,8 Zdroj: PASTOREK 2005
32
Vysoký vliv na výhřevnost dřeva má chemické složení a to hlavně obsah uhlíku a vodíku, tvořící podstatnou část hořlaviny (zastoupení uhlíku v jednotlivých složkách dřeva vzrůstá následovně: celulóza < lignin < pryskyřice (HARTMANN 2004). V porovnání s bylinnými palivy obsah popele na výhřevnost moc vysoký vliv nemá (graf č.4.4). Výhřevnost vztažená na objem dříví je závislá i na jeho hustotě, kdy se zvyšující hustotou výhřevnost narůstá. Z čehož vyplývá, že nejvyšší výhřevnost má dřevní substance, neboli hmota buněčných stěn bez pórů, kterým se v praxi nejvíce blíží slisované dříví v podobě briket nebo pelet (KLEPÁRNÍK 2005). Závěrem je třeba poznamenat, že výhřevnost sušiny rychle rostoucích dřevin může být až o 5 MJ/kg nižší než výhřevnost sušiny u běžného dřeva (KOČICA a kol. 2004).
4.5.2.5.2. Stanovení výhřevnosti sušiny - Kalorimetrie Výhřevnost sušiny vyjadřuje množství tepla uvolněného úplným spálením jednotkového množství paliva, kdy -voda obsažená v palivu je před spalováním i po v kapalném stavu - teplota paliva i všech produktů vzniklých spálením je 25°C - veškerý obsažený uhlík a síra jsou po spáleni v plynném stavu a současně dusík nebyl oxidován (IMPOLA 1998) Výhřevnost sušiny se stanovuje isoperibolickou metodou (tj. při konstantní hodnotě výměny tepla s okolím) dle normy ČSN ISO 1928, která se provádí v kalorimetrické bombě (obr. 4.4.) pomocí kalorimetru (obr. 4.5.) (KOČICA a kol. 2004). Obrázek č 4.4.: Kalorimetrická bomba
Obrázek č. 4.5.: Kalorimetr IKA 2000
33
Výpočet výhřevnosti sušiny se provede podle následujícího vzorce:
HuWf - výhřevnost sušiny (MJ/kg)
100 HuWf = Hu ×
Hu - aktuální výhřevnost paliva (MJ/kg)
(MJ/kg) 100 - w
w - relativní vlhkost vzorku (%) (IMPOLA 1998)
Výhřevnost sušiny objektivně stanovuje disponibilní množství energie, možné spálením paliva získat. Velkou nevýhodou je ovšem potřeba speciálního vybavení, kterým disponují zejména analytické laboratoře což podstatně zvyšuje finanční náklady. Na základě známé výhřevnosti sušiny je možné snadno vypočítat aktuální výhřevnost paliva. Pokud není dostupná hodnota výhřevnosti sušiny přímo pro dodané palivo, použije se průměrných tabulkových hodnot výhřevnosti daného druhu paliva.
4.5.2.6. Prchavá hořlavina Pro dřevo je specifické, že obsahuje vysoký podíl plynných látek uvolňovaných pyrolýzou (75 až 85 %) nehořících na roštu, ale ve vznosu mezi roštem a komínem. To ovlivňuje zejména konstrukci topenišť pro dřevo, aby jejich účinnost byla dostačující a nedocházelo k nežádoucí produkci emisí zapříčiněné nedokonalým spalováním (PASTOREK 2005). Stanovení množství zplyňujících látek (prchavé hořlaviny) je celkem obtížné a vyžaduje vysoce specializované vybavení (obrázek č. 4.6.) a zároveň rozdíly v obsahu zplyňujících látek v rámci paliv ze dřeva nejsou natolik významné. Obrázek č. 4.6.: GC-MS přístroj pro stanovení množství prchavé hořlaviny
Zdroj: BURVALL 2004
34
4.5.2.7. Teplota tání popelovin a spékání popele Je-li teplota tání popele (TTP) nižší než teplota plamene při hoření, pak dochází k tavení popele. Roztavený popel se může nalepovat na rošt a působit tak problémy s chodem topeniště. Potíže s nízkou TTP mají zejména biopaliva bylinného původu (sláma 800 až 900 °C). U dřeva je zpravidla TTP dostatečně vysoká (1 100 až 1 200 °C), ale i přesto se spečeniny při spalování dřeva tvořit mohou. Ke snížení TTP totiž dochází zvýšením obsahu draslíku a křemíku v palivu, zapříčiněném znečištěním paliva zeminou v průběhu těžby a soustřeďování (KOČKO a kol. 2004, HARTMANN 2004, SIMANOV 1995). Zalepování roštu nízkotajícím popelem lze předejít namícháním paliva, které obsahuje popel o nižší teplotě tání s palivem, jež obsahuje popel vysokotající. Nízkotající popel se při spalování „obalí“ popelem vysokotajícím a rošt nezalepí. (KOČKO a kol. 2004)
4.5.2.8. Velikost a podíl frakcí Velikost a podíl zastoupených frakcí je jedním ze základních parametrů, které se u lesní štěpky posuzují. Požadavky na velikost frakce se liší v závislosti na typu konstrukce spalovacího zařízení. Nevhodná velikost a podíl frakce způsobuje: - ucpávání a poškozování zařízení k dopravě paliva (šnekové dopravníky) - změna podílu frakcí může narušit vyrovnaný přísun paliva - u nadrozměrné frakce je snížená účinnost předsoušení paliva - rovnoměrnost pokrytí roštu ohniště palivem - vysoký podíl jemné frakce působí prašnost při transportu paliva - může omezit využití transportu štěpky proudem vzduchu - větší frakce nestihne dostatečně prohořet (HARTMANN et al. 2004)
35
Obrázek č. 4.7.: Energetická štěpka zařazená do třídy P 45 (CEN/TC 335)
Zdroj: ALAKANGAS 2005
Velikost a tvar štěpek jsou ovlivněny zejména použitou technologií štěpkování (příloha č. 4) a zdrojem použitého materiálu. Ke stanovení podílu velikostí jednotlivých frakcí slouží dvojí typ třídících zařízení; s horizontálně umístěnými síty nebo rotační třídící zařízení (obrázek č. 4.8.). Obrázek č. 4.8.: Typy třídících zařízení
Zdroj:HARTMANN et al. 2004
4.5.2.9. Obsah kůry Podíl kůry je zejména sledován při přejímce štěpky v papírenském průmyslu. Podíl kůry významně ovlivňuje množství produkovaného popele a proto tento parametr bývá posuzován i u energetické štěpky (ÖNORM M 7133 - příloha č. 2).
36
Stanovení obsahu kůry Odebraný vzorek o objemu cca 0,5 – 1 l nevytříděných štěpků se zváží. Ze vzorku se ručně odstraní všechny částice
kůry. Pomocí ostrého nože se oddělí kůra,
která se nachází na štěpkách. Kůra takto vydělená se zváží. Obsah kůry v dodávce je zjištěn dle vzorce:
K - váhové procento obsahu kůry v dodávce (%) K = ( m x 100 ) / M
M - váha nevytříděného vzorku (kg) m - hmotnost separované kůry (kg) (SEDLÁČEK 2005)
4.5.2.10. Sypná hmotnost Sypná hmotnost vyjadřuje poměr mezi hmotností a objemem paliva. Závisí na obsahu vody, druhu dřeva, původu paliva, velikosti a podílu frakcí a na zhuštění. Ovlivňuje skladovací a přepravní objem, konstrukci dopravních a dávkovacích zařízení (PASTOREK 2005). Tabulka č. 4.8.: Sypná hmotnost štěpky z běžných druhů dřeva 3 3 3 Druh dřeva kg/m Druh dřeva kg/m Druh dřeva kg/m smrk 172/258 habr 300/450 lípa 208/312 jedle 164/246 jilm 256/384 topol 164/246 borovice 204/306 jasan 268/402 vrba 208/312 modřín 220/330 javor 240/360 osika 180/270 dub 272/408 olše 196/294 líska 224/336 buk 272/408 bříza 256/384 akát 240/360 první číslo - hmotnost štěpky v sušině druhé číslo - hmotnost štěpky s obsahem vody 50 % Zdroj: PASTOREK 2005
Metodika stanovení sypné hmotnosti štěpky není v rámci národních norem jednotná a může se lišit způsobem stanovení (tabulka č. 4.9.). Tabulka č. 4.9.: Srovnání postupů stanovení sypné hmotnosti Švédsko Finsko SRN USA 3 Objem nádoby (dm ) 100 125 200 56 Sklepávání 10 x NE NE 5x Vlhkost štěpky neuvádí se neuvádí se čerstvá 0% Zdroj: IMPOLA 1998, Böhm 2004
V experimentálních testech byl hodnocen vliv naznačených faktorů (tabulka č. 4.9.) na měření sypné hmotnosti a bylo zjištěno že: - vysoký vliv na celkový výsledek má vlhkost paliva, tudíž by měly být oba parametry uváděny současně - velikost testovací nádoby objemu 50 dm3 je dostačující pro většinu pevných biopaliv - nádoby válcového tvaru jsou stabilnější než krychlové což usnadňuje jejich použití 37
- setřásání zvyšuje sypnou hmotnost štěpky cca o 11 % , má ale jen velmi nízký vliv na snížení odchylky vznikající při opakovaném měření (HARTMANN 2004) Postup stanovení sypné hmotnosti je popsán dále v kapitole 4.6.2.
4.5.3. Dílčí diskuse II. Výběr výše hodnocených parametrů vychází z národních norem států uvedených v kapitole 4.2.2. Současné klasifikace dřevní štěpky ve vybraných státech EU. Protože se ale jedná o normy pro všechna pevná biopaliva, tedy zahrnující mimo dendromasy i biomasu travní a bylinnou, je v nich zařazeno více parametrů než by jich bylo nutné pro biopaliva z čisté dendromasy. Souhrnný přehled a stupeň významu parametrů energetické štěpky je vyjádřen v tabulce č. 4.10.,
která
dále
vyjadřuje
poměr
v kolika
národních
normách
(tabulka č. 4.1.) jsou jednotlivé parametry zahrnuty a současně nároky na technické vybavení potřebné k jejich stanovení. Za významné z hlediska řešené problematiky považuji parametry zvýrazněné v níže uvedené tabulce a proto budou zahrnuty do návrhu metodiky dílčího cíle III. Tabulka č. 4.10.: Význam a náročnosti stanovení parametrů energetické štěpky
Parametry biopaliv
Počet použití v národních normách
Vlhkost 7/7 Velikost a podíl frakcí - tvar 7/7 Výhřevnost sušiny 7/7 Původ 6/7 Obsah popele 6/7 Sypná hmotnost 4/7 Obsah síry * 4/7 Obsah chlóru * 3/7 Obsah dusíku * 3/7 Prchavé částice 3/7 Obsah C,H,O 2/7 Hlavní prvky 2/7 Vedlejší prvky 2/7 Bod tání popele * 1/7 Poměr C/N * 1/7 * Význam zejména pro bylinná biopaliva
38
Význam pro paliva z dendromasy
Požadavky na technické vybavení
vysoký vysoký vysoký vysoký střední vysoký nízký nízký nízký střední nízký nízký nízký střední nízký
střední/vysoké střední vysoké nízké střední/vysoké nízké/střední vysoké vysoké vysoké vysoké vysoké vysoké vysoké vysoké vysoké
4.6. Provozně realizovatelné stanovení kvality energetické štěpky Zpracovaný návrh postupu stanovení využitelné energie (aktuální výhřevnosti) energetické štěpky je určen zejména pro provozovatele topenišť na štěpku středních a vyšších výkonů nebo producenty energetické štěpky, kterým poskytuje orientační přehled o kvalitě a hodnotě obchodovaného paliva. Při výběru hodnocených parametrů jsem vycházel z diskuse II. srovnávající parametry podle náročnosti stanovení a jejích významu pro biopaliva z dendromasy. Jako základní byla vybrána vlhkost a sypná hmotnost paliva na jejichž základě je možné odvodit množství využitelné energie (aktuální výhřevnost) vztažené k objemovému množství dodaného paliva. Doplňujícími parametry jsou podíl a velikost frakcí (kapitola 4.5.1.8.) a charakteristika původu biopaliva (kapitola 4.2.4.). Charakteristika a způsob stanovení těchto doplňujících parametrů je popsána v předchozích kapitolách. Jejich uvedení není nezbytnou součástí k vyjádření množství využitelné energie v palivu, ale jejich uvedení podává lepší přehled o kvalitativních znacích paliva. Dále jsou uvedeny metodické postupy a zásady stanovení zmíněných parametrů:
4.6.1. Metodický postup stanovení vlhkosti Popisovaná metodika testování biopaliva je převzatá z Finského manuálu pro hodnocení dřevních paliv „Quality assurance manual for solid wood fuels“ (IMPOLA 1998). Tento manuál popisuje metodiku stanovení kvalitativních znaků biopaliv – dřevní štěpky, pilin a kůry. Stanovuje postup a zásady při odběru a přípravě vzorků, vlastní testování a následné vyhodnocení výsledků. Postup odběru a úpravy vzorků je převzat z publikace „Procedures for sampling and sample reduction“ (LANGHEINRICH 2005).
4.6.1.1. Odběr vzorků Způsob odběru a následné zacházení se vzorky musí zajišťovat jejich reprezentativnost pro celou dodávku. V průběhu dodávky se povaha matriálu může měnit a tak by způsob testování a jeho podmínky měly být součástí smluvního usnesení v obchodním styku. Jednotlivé požadavky a nároky se samozřejmě mohou lišit případ od případu a proto se musí vždy blíže specifikovat. Pro potřebu diplomové práce byly vzorky odebírány vždy pouze z jednoho místa k docílení co možná nejvyšší homogenity vzorku. Ovšem pro běžnou aplikaci je zapotřebí se držet níže popsaných zásad odběru vzorků, aby byl odběr dostatečně reprezentativní pro celý objem dodaného paliva. 39
Místo odběru Výběr lokality kde dojde k odběru vzorků, je prvním krokem k jejich získání. Místo předávky se vždy odvíjí podle konkrétní odběratelsko dodavatelské dohody. Vzorky je možné odebírat jak přímo z nákladu, tak při nakládání, skládání nebo průběžně z pásového dopravníku.
Způsob odběru vzorků Odběr vzorků je jedním z nejdůležitějších kroků ovlivňující přesnost měření. Zvláštní pozornost je třeba věnovat zejména svědomitému dodržování zásad odběru vzorků, aby nebyl odběr ovlivněn chybou způsobenou lidským faktorem. Odběr vzorků z pásového dopravníku -
odběr vzorku za chodu pásového dopravníku: K odběru je zapotřebí nádoba o objemu minimálně o ¼ větší než požadovaná velikost vzorku. V průběhu pracovního procesu se nádoba umístí za dopravník do proudu padající štěpky a nechá se naplnit, maximálně však do ¾ objemu nádoby. Ústí nádoby, kterým je štěpka zachycována má mít kruhový profil o průměru nejméně 100 mm pro štěpku o velikosti do 60 mm. Pro štěpku o větších rozměrech je třeba použít nádobu s ústím o průměru minimálně 300 mm.
-
odběr vzorků ze zastaveného pásového dopravníku: Při tomuto způsobu odběru se odebere štěpka z celé šíře pásu v úseku minimálně 100 mm pro štěpku o velikosti frakce do 60 mm a minimálně 300 mm pro štěpku o
větší velikosti frakce
(obrázek č. 4.9.). Obrázek č. 4.9.: Odběr vzorků štěpky z pásového dopravníku
Odběr z hromady Odběr štěpky přímo z hromady se provádí pomocí lopaty (obrázek č. 4.10.). Použití vidlí není vhodné, jelikož může drobnější podíl propadávat a tím dochází k nežádoucí selekci. Dále je třeba se vyvarovat odběru vzorků z horních vrstev déle skladovaného 40
paliva. Pro získání opravdu reprezentativních vzorků je potřebná homogenizace, která je v tomto případě neúměrně pracná, takže je jednodušší odebírat vzorky až v průběhu nakládání nebo bezprostředně po vykládce materiálu. Vhodné není ani odebírání vzorků přímo ze země. Obrázek č. 4.10.: Odběr vzorků štěpky z hromady
Rozmístění míst odběru Na schematickém nákresu je znázorněno rozmístění jednotlivých míst odběru z hromady (obrázek č. 4.11.), aby byl odběr reprezentativní pro celou dodávku.
Obrázek č. 4.11.: Rozmístění míst k odběru vzorků z hromady
Počet vzorků Potřebný minimální počet vzorků odebíraných z jedné dodávky se řídí podle celkového objemu dodávky (tabulka č. 4.11.) Tabulka č. 4.11.: Počet odebíraných vzorků podle množství dodaného paliva 3
Objem dodávky (m ) <50 50 – 120 >120
Počet vzorků 2 4 6 Zdroj: IMPOLA 1998
41
Velikost vzorků Při odběru z pásového dopravníku je minimální objem vzorku alespoň 10 litrů. Vzorky z hromad štěpky o velikosti frakce do 60 mm je dostačující objem vzorku 1 až 5 litrů u velikosti frakce nad 60 mm.
Uchování vzorků V období mezi odebráním vzorku a jeho vyhodnocením je nutno zamezit znehodnocení vzorku. Vzorky se uskladňují v neprodyšných obalech, nejlépe v dokonale uzavřeném plastikovém sáčku nebo uzavíratelné plastové nádobě přiměřeného objemu. Tyto vzorky jsou poté uskladněny v chladné místnosti, aby byla co nejvíce omezena aktivita hub. I tak je vhodné interval mezi odběrem a vyhodnocením zkrátit na minimum. Zejména při delším skladování se může vlhkost vysrážet na obalu, a v takovém případě je třeba vzorek před testováním ještě důkladně promíchat. Pokud je vzorek zmrzlý, nechá se nejprve rozmrznout při pokojové teplotě.
Příprava směsných vzorků V kapitole odběr vzorků bylo popsáno jakým způsobem reprezentativně odebírat jednotlivé vzorky. Dalším krokem, který předchází vlastnímu testová, je vytvoření kombinovaného neboli směsného vzorku, který bude reprezentovat celý objem dodávky. Při objemu dodávky nad 2000 m3 štěpky je vhodnější provést testování dvou směsných vzorků. Vlastní smíchání se provede tak, že se jednotlivé vzorky sesypou buď do přiměřeně velké nádoby nebo na čistou a inertní podložku (například betonová podlaha) a důkladným promícháním se získá směsný vzorek.
Dělení směsných vzorků Ze získaného směsného vzorku se oddělí jednotlivé laboratorní vzorky o objemu 2 až 5 litrů. V případě velikosti frakce nad 60 mm by se měl materiál podrtit na odpovídající velikost. Oddělení jednotlivých laboratorních vzorků je možné dosáhnout následujícími doporučenými postupy: -
na dělícím zařízení: Tento způsob je preferovaný zejména u větších zpracovatelů a vychází z CEN normy pro dělení sypkých materiálů. Zmíněná CEN norma ovšem pro dělení vzorků stanovuje minimální počet 16 přepážek. Štěpka ovšem často obsahuje i rozměrnější frakce, které se v úzkých přepážkách mohou vzpříčit, proto je minimální šíře přepážek vzhledem k povaze materiálu stanovena na 75 mm.
42
To by znamenalo neúměrně rozměrné zařízení a tak se používá dělící zařízení pouze s osmi přepážkami (obrázek č. 4.12.). Obrázek č. 4.12.: Dělení směsných vzorků na dělícím zařízení
-
čtvrcením: Matriál je vyrovnán na hromadu upravenou do kužele, který není vyšší než čepel lopaty. Poté se hromada rozdělí na čtyři díly (obrázek č. 4.13.) ve směru dvou na sebe kolmých rovin. Dvě protilehlé hromady se znovu smíchají a dělení se opakuje dokud není dosaženo požadované velikosti vzorků pro další analýzu. Obrázek č. 4.13.: Dělení směsných vzorků čtvrcením
-
oddělováním z dlouhé hromady: U tohoto způsobu dělení se vzorem opět vysype a vyrovná se na hromadu obdélníkového půdorysu s poměrem stran 1:10. Poté se hromada lopatou rovnoměrně rozdělí na stejně velké části o požadovaném objemu materiálu (obrázek č. 4.14.).
Obrázek č. 4.14.: Dělení směsných vzorků z dlouhé hromady
43
Je evidentní, že při procesu dělení vzorků dochází k určitému vysoušení, proto je třeba tento proces zkrátit na minimum. U vzorků určených ke stanovení vlhkosti by interval od odebrání vzorku do započetí vysušení neměl přesáhnout 24 hodin.
Stanovení vlhkosti v sušičce Potřebná velikost vzorků je odvislá od dosažitelné přesnosti vážení a od velikosti frakce. Při použití vážícího zařízení umožňující vážení s přesností na 0,01 g se odebírají vzorky o hmotnosti 30-100 g. Při použití vážícího zařízení umožňující přesnost 0,1 g, jsou odebírány vzorky o hmotnosti 200-400 g. Pro metodu užívající „domácího“ vybavení s přesností vážení na 1,0 g je třeba použití vzorků o hmotnosti nejméně 500 g (objem cca 2,0 dm3). Pro zvýšení objektivity výsledků a zamezení vzniku hrubé chyby, se testují vždy minimálně dva vzorky pro každou sérii. U odebraných vzorků je nejprve zvážena hmotnost v čerstvém stavu a poté vzorky rozprostřeny na plechy, na kterých budou sušeny, výška vrstvy by přitom neměla přesáhnout 30 mm.
Sušení probíhá v horkovzdušné troubě (sušičce) při teplotě
105 ± 2 °C do dosažení konstantní hmotnosti. Vysoušení trvá zpravidla 16 až 24 hodin. Pokud je třeba sušit více sérií, tak se nejdříve dokončí sušení první série a až poté se do sušičky umisťují nové vzorky. Po dosažení konstantní hmotnosti sušených vzorků u dvou vážení v intervalu cca 1 hodiny, zaznamená se konečná hmotnost vzorku vyjadřující hmotnost sušiny. Časový interval mezi vyjmutím a zvážením nemá přesáhnout 10-15 vteřin, aby se zabránilo ovlivnění výsledku absorbovanou vzdušnou vlhkostí. Nádoba ve které probíhá sušení musí být z nenasákavého materiálu a odolná vysokým teplotám. Z naměřených hodnot se vypočítá vlhkost viz. kapitola 4.5.2., vypočítané hodnoty vlhkosti z obou vzorků se nesmí lišit o více než 1/50 vypočtených hodnot. V případě větší odchylky se musí měření opakovat na rezervním vzorku. Konečný výsledek se zaokrouhlí na nejbližší 0,1 % vlhkosti.
4.6.1.2. Ověření přesnosti upraveného postupu stanovení vlhkosti Záměrem zkoumání je porovnat přesnost upraveného gravimerické metody měření vlhkosti dřevní štěpky (s použitím běžně dostupného vybavení) s referenčním postupem v laboratorních podmínkách. Dále budou rozlišovány jako postup „laboratorní“ 44
a „domácí“. Metodika použitá pro laboratorní postup je shodná s metodikou použitou při přípravě evropské normy pro biopaliva CEN/CT 335 (LANGHEINRICH et al. 2005) a v mém případě sloužila jako referenční metoda. Domácí postup (PESOLA 2005, IMPOLA 1998) je užíván ve Skandinávských státech při přejímce energetické štěpky v provozech středních a vyšších výkonů. Postup odběru,uchování a vyhodnocení vzorků byl zmíněn v předešlé kapitole. Graf č. 4.5.: Naměřené hodnoty relativní vlhkosti u analyzovaných vzorků
Grafické znázornění naměřených hodnot je vyjádřeno grafem č. 4.5. Tabelární přehled společně s výsledky aplikované statistické analýzy a komentářem výsledků jsou uvedeny v přílohách č. 5 a 6. Z naměřených hodnot relativních vlhkostí byly sestaveny dva soubory hodnot (domácí série a laboratorní série), které byly vyhodnoceny metodou statistické analýzy. Jako vhodný pro tuto aplikaci, byl vybrán dvouvýběrový Studentův t-test, pro jehož použití je třeba nejdříve stanovit zda se jedná o soubory se schodným rozptylem Dvouvýběrového F-test ovšem schodu v rozptylech neprokázal a proto byl použit t-test s nerovností rozptylů (DRÁPELA 1999). Na základě srovnání, kdy hodnoty t-krit nepřesáhly hodnotu P pravděpodobnosti je možné stanovit, že rozdíl obou výběrů je nevýznamný a proto může být přijata nulová hypotéza. Což jinými slovy vyjadřuje, že domácí postup je možné uznat jako dostatečně přesný a objektivní způsob stanovení vlhkosti dřevní štěpky. 45
I tak je třeba vlhkost posuzovat pro každý směsný vzorek nejméně na dvou dílčích vzorcích. Toto opatření omezí vznik hrubých chyb při měření a zvýší se objektivita získaných hodnot. Rozdíly naměřených hodnot obou vzorků by se neměly lišit více než 1/50 vlastní hodnoty. Konečný výsledek představuje hodnota váženého průměru zaokrouhlená na 0,1 % vlhkosti. Upřednostnění použití váženého průměru bylo prokázáno i aplikací párového t-testu, který prokazuje vyšší schodu středních hodnot.
4.6.2. Metodický postup stanovení sypné hmotnosti Sypnou hmotnost vzorku je nejlépe stanovit co možná nejdříve po odběru, aby se předešlo změně vlhkosti (způsob odběru vzorků viz. kapitola 4.6.1.1.). Vzorek se nabírá lopatou do nádoby o známém objemu (minimálně 50 dm3). Přitom je nutno zvolit takovou výšku naplnění, aby se předešlo nadměrnému stlačení materiálu. Po naplnění se povrch nádobu zarovná, nejlépe dřevěnou laťkou, a zváží. Od naměřené hmotnosti odečteme hmotnost nádoby a spočítáme sypnou hmotnost jako podíl čisté hmotnosti štěpky a objemu nádoby. Obrázek č. 4.15.: Postup stanovení sypné hmotnosti
Zdroj: BÖHM 2004
4.6.3. Stanovení množství využitelné energie v dodávce Ze stanovené relativní vlhkosti paliva je možné vypočítat množství využitelné energie (aktuální výhřevnosti HuWf) podle vzorce uvedeného v MJ/kg (kapitola 4.5.2.5.1.). Tedy vyjadřuje aktuální výhřevnost vztaženou na hmotnost dodaného paliva. V provozních podmínkách ovšem není vždy dostupné zajistit zvážení celého objemu dodaného paliva. Alternativním postupem je stanovení sypné hmotnosti vzorku (kapitola 4.6.2.) a přepočtem vyjádřit aktuální výhřevnost v objemových jednotkách (kapitola 4.4.). Usnadnění výpočtu umožňuje použití programu Microsoft Excel (obrázek č. 4.16., příloha na CD). 46
Obrázek č. 4.16.: Přepočtová tabulka
Postup výpočtu využitelné energie Skutečná (aktuální) výhřevnost paliva - výhřevnost sušiny × hmotnostní podíl sušiny – tepelné ztráty na odpaření vody Výhřevnost sušiny - dosadí se průměrná (tabulková) výhřevnost sušiny pro konkrétní druh paliva v MJ/kg Hmotnostní podíl sušiny - vyjadřuje poměr zastoupené sušiny v palivu podle vztahu (1- relativní vlhkost)/100 Tepelné ztráty zapříčiněné odpařením vody - korekční faktor 0,02441 MJ/kg (energie spotřebovaná k odpaření 1 kg vody) × vlhkost Přepočet jednotek z MJ na kWh - skutečná výhřevnost paliva / 3,6 Využitelná energie z 1 prms - skutečná výhřevnost paliva v kWh/kg × sypná hmotnost / 1000
4.6.4. Dílčí diskuse III. Výsledky dílčího cíle III. jsou zpracovány tak, aby názorně popsali metodiku stanovení množství využitelné energie na základě relativní vlhkosti a sypné hmotnosti (odběr a příprava vzorků k analýze a způsob jejich vyhodnocení). Součástí je i ověření upraveného „domácího“ postupu stanovení obsahu vody v energetické štěpce, který na základě vyhodnocení výsledků mohu doporučit. 47
4.7. Využití mikrovlnného ohřevu k vysoušení testovaných vzorků Použití přímých metod zjišťování vlhkosti k vyhodnocení výsledků vyžaduje relativně dlouhou dobu. V případě dřevní štěpky to znamená (například stanovení sušiny gravimetricou metodou u vzorku s vysokou vlhkostí), že jenom čas na vysušení vzorků může dosáhnout až 24 hodin (za běžných podmínek 16 až 18 hodin). K tomuto účelu je používán konvenční ohřev (využívající tepelné záření), jehož použití obnáší časovou a energetickou náročnost. Další nevýhodou je, že každý zdroj tepelné energie musí být pod dohledem, což s ohledem na časovou periodu může činit organizační potíže. Možné zlepšení by do této problematiky mohlo přinést použití mikrovlnné technologie.
Obecně o mikrovlnách Mikrovlny jsou vysokofrekvenční elektromagnetické záření s frekvencí v intervalu 30 až 0,3 GHz, těmto hodnotám odpovídá vlnová délka 0,01–1 m. Mikrovlnný ohřev je rychlý a vysoce ekonomický, neohřívá se nádoba, ani prostor a těleso trouby, ztráty energie jsou minimální, největší ztráty připadají na teplo uvolněné v magnetronu, který pracuje při frekvenci 2 450 MHz s účinností 65%. Schopnost silně pohlcovat mikrovlnné záření mají polární látky, např. voda, která má hlavní podíl na ohřevu. Polární molekuly jsou běžně neuspořádané, v elektrickém poli se orientují zápornou částí ke kladnému pólu a kladnou k zápornému. V mikrovlnném poli se polarita mění 2,45.109 krát za sekundu, polární molekuly se snaží tyto rychlé změny sledovat, tzn. pokaždé změnit orientaci, dochází k jejich vibraci až rotaci ve směru pole. Při vysoké rychlosti oscilace pole nestačí molekuly tyto změny zcela sledovat a výsledkem pohybu a vzájemného „tření“ molekul je přeměna mikrovlnné energie na teplo. Při ohřevu nehomogenních materiálu se proto silně zahřívá pouze polární část. S významným rozdílem od klasického ohřevu se setkáme i u mikrovlnného ohřevu homogenních materiálů, při kterém je nejvyšší teplota uvnitř materiálu a klesá směrem k povrchu. Teplotní profil je opačný než u klasického ohřevu. Dnes má mikrovlnný ohřev další široké využití v účinnému a energeticky výhodnému sušení materiálů. V ČR jsou mikrovlny již od roku 1994 používány k sušení dřeva, které je nejen rychlejší, ale také levnější než v klasických sušárnách. Výhodou je, že k ohřevu dochází uvnitř dřeva a tlakem vznikajících pár je vlhkost rychleji vytlačována k povrchu. Při klasickém ohřevu je vyšší teplota na povrchu dřeva, vlhkost z povrchu rychle uniká a vnitřní vlhkost postupuje k povrchu pomaleji (ŠAULIOVÁ 2005). 48
Přístrojové vybavení Profesionální mikrovlnný reaktor bude zřejmě pro vysoké pořizovací náklady pro většinu uživatelů nedostupný. Jeho hlavními výhodami jsou vyšší homogenita pole, plynulá regulace výkonu, kontrola a regulace teploty a možnost míchání i připojení chladiče. Při použití běžné mikrovlnné trouby lze množství mikrovlnného záření vstupujícího do reakční směsi při maximálním výkonu částečně regulovat tím, že spolu s reakční nádobou umístíme do mikrovlnné trouby kádinku s vhodně zvoleným množstvím polární látky (vody). K odvedení části energie lze použít i jiné látky, které ve vhodné míře absorbují mikrovlnné záření. (Regulace nastavením jednotlivých stupňů u kuchyňské mikrovlnky spočívá pouze ve vypínání a zapínání magnetronu. Nepřerušovaný ohřev je jen při maximálním výkonu (ŠAULIOVÁ 2005).
Stanovení výkonu mikrovlnné trouby V případě použití mikrovlnné trouby je třeba co nejpřesněji kvantifikovat množství energie (výkon x čas) použité na sušení. To je výrazný rozdíl oproti horkovzdušné troubě, kde se nastavuje teplota. Patrně nejschůdnějším řešením je dát do mikrovlnné trouby odměrný válec se známým objemem vody a měřit čas než začne vařit. Čas by měl být min 5 minut. Dostatečný čas se musí naladit objemem skleničky a množstvím vody. Tímto způsobem je možné improvizovaně vyjádřit výkon mikrovlnné trouby, který byl k sušení použit. Při potřebě nastavit stejné parametry výkonu u jiné mikrovlnné troubu, se použije stejného množství vody a mikrovlnná trouba se nastaví na malý výkon a změří se čas za jaký se voda začne vařit, postup se zopakuje i pro vyšší výkon. Po použití lineární aproximace se stanoví poloha ovládacího knoflíku k nastavení výkonu a výsledek se ověří měřením (ŠVARC 2006)
Kombinace mikrovlnného a konvenčního ohřevu Využitím obou metod se efektivnost konvenčního ohřevu zvyšuje až trojnásobně. Mikrovlnný ohřev je možné použít před konvenčním ohřevem, během něj nebo i po něm.
49
- Při mikrovlnném předehřevu se prohřeje vnitřek produktu, díky čemuž je následný konvenční ohřev rovnoměrnější a efektivnější. - Současná aplikace mikrovlnného a konvenčního ohřevu je výhodná například při sušení. - Vzniká tak synergický efekt, při kterém mikrovlny vypuzují vlhkost k povrchu, kde je efektivněji odpařena konvenčními systémy. - Použití konvenčního ohřevu na začátku procesu je výhodné v případě vysoké počáteční vlhkosti materiálu. Efektivněji se jím docílí její počáteční odpařování a přesun. Navíc u materiálu s obsahem vlhkosti 50 % a více je někdy nežádoucí, aby mikrovlny uvedly vodu do varu. Mikrovlnný ohřev je vhodný až tehdy, poklesne-li vlhkost pod 25 % (CAHA 2006).
Zásady práce Kromě běžných bezpečnostních zásad pro práci s chemikáliemi je třeba dodržovat určité specifické zásady, vesměs známé z využití mikrovln v kuchyni. Především nelze používat žádné kovové nádoby ani jiné předměty, jejichž součástí je kov, např. rtuťový teploměr (teplotu měříme rtuťovým teploměrem vždy mimo mikrovlnku, k měření teploty uvnitř se používají IČ teploměry nebo teploměry s optickými vlákny). Vhodné je skleněné, keramické nebo teflonové nádobí, které je pro mikrovlny téměř transparentní. Trouba se nesmí zapínat prázdná, mikrovlny se odrážejí od stěn a zpětné odrazy do magnetronu mohou vést k jeho přehřátí a zničení. Z bezpečnostních důvodů není vhodné pracovat s těkavými a současně agresivními nebo extrémně hořlavými látkami. Výhodné je pracovat s výše vroucími kapalinami pod teplotou varu nebo kapaliny jen krátce k varu zahřát. Silně absorbující nečistota na stěnách baňky může způsobit lokální přehřátí a prasknutí baňky. Dojde-li k přehřátí (zčernání směsi nebo jiskření), je nutné ihned mikrovlnku vypnout. Důležité je, aby při práci nedošlo k poškození dvířek a bezpečnostních spínačů mikrovlnné trouby (ŠAULIOVÁ 2005).
50
5. Závěr Absence jednotných evropských norem je doposud hlavní překážkou pro vytvoření fungujícího trhu s pevnými biopalivy, který je nezbytný pro EU k dosažení jejího cíle v oblasti rozvoje využívání bioenergie. To bylo podmět k sestavení evropské normy CEN/TC 335, jejíž zavedení si dává za cíl regulovat trh a zajistit důvěru k výrobcům a uživatelům paliv. V současnosti probíhá schvalování výše uvedené normy a po jejím přijetí bude zahrnuta i do norem národních. V dalším tříletém období budou stávající národní normy platit souběžně s evropskou CEN normou a až poté budou národní normy členskými státy EU definitivně staženy z užívání. Pro vlastní posouzení paliva je nejprve třeba vybrat vhodný způsob konverze energie, pro dřevo je tím nejběžnějším a současně nejvhodnějším způsobem spalování. Ze současných národních norem byl sestaven přehled parametrů jež je u pevných biopaliv možno posuzovat (původ paliva, mechanicko-fyzikální a chemické vlastnosti) a tyto parametry byly dále specifikovány pro spalování lesní štěpky. Za nejvýznamnější parametry pro hodnocení lesní štěpky považuji: vlhkost, výhřevnost, podíl a velikost frakcí společně s uvedením zdroje a původu paliva. Navržená metodika je určená pro topeniště malých a středních výkonů, pro něž není ekonomicky perspektivní nechávat si nakupované palivo testovat od analytické laboratoře. Nabízí jim alternativní postup realizovatelný v provozních podmínkách. Aktuální výhřevnost paliva je možné snadno matematicky odvodit z vlhkosti paliva. K tomu účelu bylo třeba ověřit přesnost stanovení vlhkosti pomocí domácího vybavení (kuchyňské váhy a elektrickou troubu). Na základě výsledků testu je možné navržený postup považovat za dostatečně přesný a lze jej doporučit. Použití mikrovlnné trouby k vysoušení testovaných vzorků je možné považovat za perspektivní cestu k urychlení procesu stanovení vlhkosti paliva. Pro získání věrohodných výsledků je ovšem zapotřebí experimentálního ověření v širším rozsahu, než jaký bylo možné věnovat v této diplomové práci.
51
6. Resume An absence of unified European standard specifications is till now a major barrier for the creation of functioning market with solid biofuels, which is necessary for EU to reach the targets in the area of exploitation and utilisation of bio-energy. Based on this, the European standard specifications CEN/TC 335 was designed. The goal of this project is both the regulation of the market and ensuring the confidence for suppliers and users. At the moment the authorization of above-mentioned standard specifications is in a process. After the document is accepted, it will be incorporated into the national standard specifications. Within the next three years, the existing national standard specifications will get valid together with CEN standards , after this period, the member states of EU will definitely cancel their national standards. For the examination of fuel itself , first of all it is necessary to choose an appropriate way of energy conversion, for wood the most common and optimal way is combustion. Based on the existing national standard specifications the summary of characteristic parameters for solid biofuels was put together. This allows us to judge its origin and source (describes the kind of biofuel), mechanical-physical and chemical properties. These characteristics were further specified for combustion of wood chips. As the most significant parametres for the classification of wood chips I have selected the following: source and origin, moisture content, calorific value and particle size. Proposed methodology is designed mainly for users of small and middle size heating chambers, for whom it is not economically perspective to have the used fuel tested in the analytic laboratory. This alternative procedure we have proposed is offering an approach feasible at operation conditions without sophistic laboratory equipments, brining thus the users number of advantages. The gross calorific value is possible determine on the basis moisture cotent. For this purpose it was necessary to verify the accuracy of determination of moisture content by the help of home equipments (kitchen scale and owen). Based on our results it is possible to employ the designed procedure as a approach with the sufficient accuracy and thus it can be recommended. The usage of microwave for drying of tested samples can be consider as a perspective way for speeding the process of determination of moisture content in wood chips. Nevertheless to obtain more reliable results, it is necessary to make the experimental verifications in bigger extent than the one which was possible to apply within this diploma work . 52
7. Seznam literatury použité a související ALAKANGAS, E.: Status of the CEN biofuel standadisation (online) [citováno 20. září 2005]. Dostupné na www <www.nordicinnovation.net/_img/newsletter2_final.pdf.> ALAKANGAS, E., SAURANEN, T., VESISENAHO, T.: Production techniques of logging residue chips in Finland. Jyväskylä, 1999 Finland 76 p., ENE39/T0039/99. BÖHM, T. et. al.: Bulk density – results and status of the standardisation, TFZ Freizing, Germany, 2004. (online) Dostupné na WWW
BURVALL, J., SAMUELSSON, R.: Report on reference test methods for moisture content, BioNorm Task II.1, Swedish Institute of Agricultural Sciences, Sweden, 2004, 30 p. CAHA, J.: Průmyslový mikrovlnný ohřev. (online) [citované 15. února 2006] Dostupné na WWW < http://www.romill.cz/index.php?show_dir=3&lang=cze> DRÁPELA, K. : Statistické metody I. Brno: MZLU, 1999. 135 s. ISBN: 80-7157-416-3 EUBIONET: European boienergy networks, Innovative solutions for solid, gaseous and liquid biomass production and use - Fuel prices in Europe, Jyväskylä 2003 Finland 18 p. (online) Dostupné na WWW <www.eubionet.net> EUROSTAT : [publikováno 2003] Dostupné na WWW <www.europa.eu.int/comm/eurostat/> HARTMANN, H.: Normen für Biomasse – Festbrennstoffe, Energie pflanzen, III/2005, s. 6-9. HARTMANN, H.: Physical-mechanical fuel properties – Significance and impacts, Technologie und Förderzentrum, Straubing, Germany, 2004, (online) Dostupné na WWW HARTMANN, H. et al.: Size classification - RTD results and status of the standardisation, TFZ Freizing, Germany, 2004. (online) Dostupné na WWW HEIJBOER, J.: Spalování ve fluidním loži. (online) [citováno 14. března 2006] Dostupné na WWW .
53
IMPOLA, R. et al.: Quality assurance manual for Solid Wood Fuels. Finnish Bioenergy Association. FINBIO Publication 7. Jyväskylä, Finland, 33 p. 1998 INDRA, P.: Doporučená pravidla pro měření a třídění dříví v České republice, Pratr, a. s., Trutnov, 2002. JEVIČ, P.: Tuhá paliva na bázi biomasy – standardizace pevných biopaliv v Evropě a tvorba norem pro pevná biopaliva. Praha, VÚZT, 2000, 27 p. JEVIČ, P.: Využití vhodné biomasy k průmyslovým a energetickým účelům, (online) Dostupné na WWW <www.vuzt.cz/vyzkum/2003/jevic.htm, 2003>. KLEPÁRNÍK, J.: Návrat k vytápění dřívím I. Ateliér, X/2005, s. 12-14. KOČICA, J., a kol.: Vlastnosti biomasy jako paliva. Lesnická práce, IV/2004, s. 22-23. LANGHEINRICH, CH. et al.: Procedures for sampling and sample-reduction within quality assurance systems for solid biofuels. Green Land Reclamation Ltd, Germany 2005, 360 p. LINHART, P. a kol.: Nové technologie pro spalování biomasy. Teplárenské sdružení, Pardubice, 1999. NOSKIEVIČ, P. a kol..: Biomasa a její energetické využití. MŽP ČR, 1996, 68 p. PASTOREK, Z. et al.: Biomasa obnovitelný zdroj energie. Praha, FCC PUBLIC, 2004, 288 s., ISBN 80-86534-06-5. PESOLA, T.: Oulu Polytechnic, School of Renewable Natural Resources, Finland 2005 (ústní sdělení) POŽGAJ, A. et. al.: Štruktúra a vlastnosti dreva. Bratislava, Príroda, 1997, 485 p. RICHARDSON, J. et al.: Bioenergy from Sustainable Forestry, Guiding Principles and Practise, Kluver Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands 2002. SAVOLAINEN, V. et al.: Wood fuels basic information pack. VTT Energy, Jyväskyla 2000, 191 p., ISBN 952-5165-19-1 SEDLÁČEK, P., POLÁK, S.: Mondi Packaging Paper Štětí a.s.Technické podmínky k dodávce dříví a směrnice pro příjem dříví platné od 1.1. 2005 (online) Dostupné na WWW
54
SIMANOV, V.: Energetické využívání dříví. Olomouc, Terrapolis, 1995, 28 p. SIMANOV, V., KOHOUT, V.: Těžba a doprava dříví. Matice lesnická, Písek 2004, 411 s. ISBN 80-86271-14-5. SLADKÝ, V.:Bioteplofikace vesnice. Biomasa - energie pro obec (seminář), Kostelec nad Černými lesy, 2004. SLEJŠKA, A.: Předcházení samovznícení štěpky. (online) [citováno 15. února 2006] Dostupné na WWW <www.Biom.cz>. ŠAULIOVÁ, J.: Užitečné mikrovlny, CHEMagazín, Číslo 1, Ročník XV, 2005. ŠVARC, R., ŠVARC, V.: (ústní sdělení) 2006 VANĚK, F.: Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice, ČEZ 2003 (online) Dostupné na WWW
Doporučené servery WWW.biom.cz WWW.energ.cz WWW.energetik-leipzig.de WWW.eubionet.net WWW.woodenery.ie
55
Slovník, seznam použitých zkratek a jednotek Biomasa (biomass) – substance biologického původu Biopalivo (biofuel) - biomasa určená k energetickým účelům Lesní štěpka (forest chips) - obecný název pro štěpku z těžebního odpadu Dřevní štěpka (wood chips) - obecný název pro štěpku k technickým i energetickým účelům Energetická štěpka (fuel chips) - obecný název pro seštěpkovaný materiál určený ke spalování Jednotlivý vzorek - (analysis sample) vzorky přímo odebrané z dodaného paliva Směsný vzorek - (combined sample) vzorek smíchaný z jednotlivých vzorků Vzorek k analýze - (analysis sample) vzorek vzniklý dělením směsného vzorku Výhřevnst sušiny - (gross calorific value) množství tepla uvolněného úplným spálením jednotkového množství paliva (spaliny byly ochlazeny na původní teplotu) Aktuální výhřevnost - (net calorific value) množství tepla uvolněného úplným spálením jednotkového množství paliva (spaliny nejsou ochlazeny a unikají společně s energií potřebné k odpaření vody)
OZE - obnovitelný zdroj energie = RES - renewable energy source CEN/TC - Technický výbor evropské komise pro standardizaci ÖNORM - rakouská technická norma VÚZT - Výzkumný ústav zemědělské techniky Praha RRD - rychle rostoucí dřeviny TTP – teplota tání popele
J - Joule, jednotka energie (1 PJ = 1 × 1015 J) °C - Celsiův stupeň, jednotka teploty g - gram, jednotka hmotnosti W - Watt, jednotka výkonu (1Wh = 3 600 J) Mtoe - milión tun ropného ekvivalentu = 41,868 PJ 56
Seznam grafů obrázků a tabulek Graf č. 4.1.: Objem využívání OZE ve státech EU v roce 2003 Graf č. 4.2.: Ceny dřevních paliv v Evropě 2002/2003 Graf č. 4.3.: Průměrné chemické složení dřevních paliv Graf č. 4.4.: Vliv obsahu popele na výhřevnost biopaliv Graf č. 4.5.: Naměřené hodnoty relativní vlhkosti u analyzovaných vzorků
Obrázek č. 4.1.: Postavení normy CEN TC 335 v systému klasifikace biopaliv Obrázek č. 4.2.: Jednotky objemu dřeva Obrázek č. 4.3.: Destilační přístroj Obrázek č. 4.4.: Kalorimetrická bomba Obrázek č. 4.5.: Kalorimetr IKA 2000 Obrázek č. 4.6.: GC-MS přístroj ke stanovení množství prchavé hořlaviny Obrázek č. 4.7.: Energetická štěpka zařazená do třídy P 45 (CEN/TC 335) Obrázek č. 4.8.: Typy třídících zařízení Obrázek č. 4.9.: Odběr vzorků štěpky z pásového dopravníku Obrázek č. 4.10.: Odběr vzorků štěpky z hromady Obrázek č. 4.11.: Rozmístění míst k odběru vzorků z hromady Obrázek č. 4.12.: Dělení směsných vzorků na dělícím zařízení Obrázek č. 4.13.: Dělení směsných vzorků čtvrcením Obrázek č. 4.14.: Dělení směsných vzorků z dlouhé hromady Obrázek č. 4.15.: Postup stanovení sypné hmotnosti Obrázek č. 4.16.: Přepočtová tabulka Obrázek č. 8.17.: Disková sekačka Obrázek č. 8.18.: Bubnová sekačka Obrázek č. 8.18.: Šroubová sekačka
57
Tabulka č. 4.1.: Hodnocené parametry tuhých biopaliv ve vybraných státech Evropy Tabulka č. 4.2.: Třídění energetické štěpky podle normy CEN/TC 335 Tabulka č. 4.3.: Přepočtové koeficienty Tabulka č. 4.4.: Vhodnost aplikace různých způsobů konverze biomasy k energetickým Tabulka č. 4.5.: Porovnání hodnot absolutní a relativní vlhkosti Tabulka č. 4.6.: Třídy energetické štěpky pro relativní vlhkost Tabulka č. 4.7.: Vliv vlhkosti na výhřevnost paliva Tabulka č. 4.8.: Sypná hmotnost štěpky z běžných druhů dřevin Tabulka č. 4.9.: Srovnání postupů stanovení sypné hmotnosti Tabulka č. 4.10.: Význam a náročnost stanovení parametrů energetické štěpky Tabulka č. 4.11.: Počet odebíraných vzorků podle množství dodaného paliva Tabulka č. 8.12.: Obnovitelné energetické zdroje ČR – stav 2000 Tabulka č. 8.13.: Obnovitelné energetické zdroje ČR – předpoklad r. 2010 Tabulka č. 8.14.: Kategorie energetické štěpky - Finsko Tabulka č. 8.15.: Kategorie energetické štěpky - Rakousko Tabulka č. 8.16.: Kategorie energetické štěpky - Dánsko Tabulka č. 8.17.: Naměřené hodnoty vlhkosti štěpky Tabulka č. 8.18.: F-test pro analyzované vzorky Tabulka č. 8.19.: t-test pro analyzované vzorky Tabulka č. 8.20.: t-test pro vážené průměry sérií
58
8. Přílohy Seznam příloh 1. Objem využívání OZE v ČR v roce 2000 a předpokládaný nárůst k roku 2010 2. Současně platné národní normy pro energetickou štepku ve státech EU (Finsko, Rakousko, Dánsko a Velká Británie) 3. Ukázka technických podmínek pro přejímku dřevní štěpky v papírnách 4. Technologie štěpkování 5. Výsledky měření vlhkosti štěpky gravimetrickou metodou 6. Statistické vyhodnocení naměřených hodnot
59
1. Objem využívání OZE v ČR v roce 2000 a předpoklad na rok 2010 Tabulka č. 8.12.: Obnovitelné energetické zdroje ČR – stav 2000
Tabulka č. 8.13.: Obnovitelné energetické zdroje ČR – předpoklad r. 2010
Zdroj: VANĚK 2003
60
2. Současně platné národní normy pro energetickou štepku ve státech EU (Finsko, Rakousko, Dánsko a Velká Británie)
Finský systém hodnocení kvality chemicky neupravených dřevních paliv Finská bioenergetická asociace vydala pro Finsko všeobecně platné standardy „Quality Assurance Manual for Solid Wood Fuels“ (Impola, R. et al. 1998) stanovující metodu pomocí které je možné jednoznačně a přiměřeně přesně určit kvalitu a výhřevnost palivového dřeva, lesní štěpky, pilin a kůry. Manuál je sestaven tak, aby mohl především sloužit jako příloha smluv při obchodu se dřevem pro energetické využití. V tabulce 8.15. převzaté z
Impola, R. et al. (1998) jsou znázorněno kvalitativní
rozdělení různých typů dřevních paliv. Pro každou dodávku jsou tedy dány limitní hodnoty pro výhřevnost, vlhkost a velikost frakcí. Přičemž výhřevnost je závislá na spalném teplu paliva, vlhkosti, objemové hmotnosti a velikosti frakcí. Dále je součástí manuálu tabulka s charakteristikami jednotlivých druhů paliv, ze které je možno čerpat při výpočtech. Tabulka č. 8.14.: Kategorie energetické štěpky - Finsko lesní štěpka E1 E2 E3 E4
0,9 0,8 0,7 0,6
lesní piliny štěpka
piliny kůra 0,7 0,6 0,5 0,4
Výhřevnost (MWh/ m3)
0,7 0,6 0,5 0,4
K1 K2 K3 K4
40 50 60 65
30 50 60 65
Relativní vlhkost (%)
lesní piliny štěpka
kůra 40 50 60 65
P1 P2 P3 P4
30 45 60 100
5 10 20 30
kůra 60 100 200 nedrcená
Velikost frakcí 95 < (mm)
Rakouské normy pro lesní štěpku a kůru V Rakousku se používají pro klasifikaci chemicky nezpracovaného dřeva zejména následující dvě normy. ÖNORM M 7132 – „Energeticko-ekonomické získávání dřeva a kůry jako paliva – výklad pojmů a popis vlastností“ ÖNORM M 7133 – „Lesní štěpka pro energetickou produkci – požadavky a testovací metody“
61
Podle rozměrů frakce jsou štěpky zatříděny do kategorií podle velikosti frakcí. Tabulka č. 8.15.: Kategorie energetické štěpky - Rakousko Velikostní třídy Zastoupení frakcí Particles of wood chips
G 30 jemná
G 50 střední
G 100 velká
Profil štěpky (cm ) Cross sectional area
3,0
55,0
10,0
Maximální délka (cm) Max. lengh
8,5
12,0
25,0
Velikost otvorů síta (mm) Screen size
2,8
5,6
11,2
Velikost otvorů síta (mm) Screen size
1,0
1,0
1,0
Charakteristika 2
Hlavní materiál (60 - 100%) Main material Drobný materiál (max. 20%) Fine material
Dalším parametrem je zatřídění podle objemové hmotnosti v suchém stavu a to do tří kategorií v závislosti na druhu dřeviny: nízká objemová hmotnost do 160 kg/m3 – topol, vrba, jedle střední objemová hmotnost 160 kg/m3 až 200 kg/m3 – borovice, modřín, olše vysoká objemová hmotnost nad 200 kg/m3 – buk, dub, trnovník akát Zajímavé je způsob nepřímého stanovení obsahu popelovin a to podle obsahu kůry. Tento postup poukazuje na skutečnost, že v kůře je obsažena převážná část popelovin. Stanoveny jsou dva mezní limity rozlišující lesní štěpku s nízkým obsahem kůry do 0,5 procenta a lesní štěpka s obsahem kůry v rozmezí 0,5 – 2,0 procenta.
Dánská klasifikace lesní štěpky V Dánsku jsou v klasifikačním systému stanoveny dvě velikostní třídy rozlišující štěpku podle frakcí na jemnou a velkou (tabulka č. xxx) Přípustnou mez vlhkosti štěpky si stanoví každý odběratel individuálně. Tabulka č. 8.16.: Kategorie energetické štěpky - Dánsko Rozdělení velikostí Size distribution 45 mm 8 mm 7 mm 3 mm prach dust třísky sticks 10 – 20 cm (> Ø1 cm) třísky sticks > 20 cm (> Ø1 cm)
62
Drobné Fine <5 % <25 % >40 % <20 % <10 % <2 % <0,5 %
Velké Large <15 % <40 % >23 % <15 % <7 % <12 % <6 %
Klasifikace dřevní štěpky ve Velké Británii Na území Velké Británie je používána klasifikace kombinující označení velikosti frakce a vlhkosti. Takže například označení A2 znamená drobnou štěpku o relativní vlhkosti 25 – 40 %. Velikost: A - drobná
Vlhkost: 1 - < 25%
B - střední
2 - 26 – 40%
C – velká
3 - 41 – 60%
(Savlainen, V. et al. 2000)
3. Ukázka technických podmínek pro přejímku štěpky v papírnách Technické podmínky pro příjem dřeva ve společnosti Mondi Packaging Paper Štětí a.s.
Dřevina
smrková, jedlová štěpka bez kůry borová štěpka bez kůry modřínová štěpka bez kůry
Rozměry délka tloušťka šířka
25 mm 5 mm 25 mm
Kvalitativní znaky Příměsi: - v případě míchané dodávky smrku a borovice je celá dodávka převzata za borovici - v případě míchané dodávky smrku, nebo borovice s modřínem je celá dodávka převzata za modřín Obsah kůry: smrkový a jedlový štěpek do 1% hmotnostních borový a modřínový štěpek do 3% hmotnostních Frakce dle Lorentzen-Wettre: podíl frakce (součet hmotností na 2. a 3. sítě) minimálně 80% hmotnostních. - maximální podíl drobné frakce ( součet hmotností na 4. a 5. sítě) 10 % hmotnostních - minimální
63
4. Technologie štěpkování Sekačky Sekačky jsou zařízení k beztřískovému dělení dřeva řezným účinkem sekacích nožů napříč vlákny a zároveň dělením na potřebnou tloušťku podél vláken díky klínovému tvaru nože. Podle sekacího orgánu dělíme sekačky na: diskové, bubnové a šroubové
Diskové sekačky Jsou nejrozšířenějším a nejvýkonnějším zařízením na výrobu štěpky. Původně byly řešeny jen jako stacionární s průměrem disku od 1000 do 2000 mm, s počtem nožů od 2 do 16 a potřebným instalovaným příkonem až 500 kW. Sekačky byly řešeny tak, že dřevo šikmo klouzalo po žlabu k rotoru sekačky. Výkonnost těchto sekaček je velmi vysoká: 200 až 300 m3/h při sekání rovnaného dřeva nebo krácených výřezů délky 2 až 4 m. Pojízdné diskové sekačky vznikly ze stacionárních sekaček, na kterých byly provedeny některé úpravy a změny, aby byly schopny sekat i celé stromy na štěpku. V současné době se ve světě vyrábějí diskové pojízdné sekačky dvojího provedení:
Sekačky, jejichž rovina sekání je skloněna pod úhlem α k ose dopravníku, se vyznačují konstrukcí sekacího zařízení, která vyvolává přímo sekacími noži sílu potřebnou ke vtahování dřeva k sekacímu rotoru. Uvedená síla má velký význam při vtahování a formování koruny stromů podávacím zařízením. Při řešení konstrukce to však má nevýhody, protože je třeba používat převodovku na překonání úhlu α a uložení podávacího zařízení vychází velmi vysoko.
Sekačky, jejichž rovina sekání je kolmá na osu dopravníku a pootočená k ose dopravníku o úhel β, umožní i při velkých průměrech sekacího disku zmenšit celkovou výšku podávacího zařízení, pokud sekání probíhá ve spodní části disku. Pohon celého zařízení je jednodušší, protože úhel β je vytvořen v horizontální poloze a spalovací motor je uložen vodorovně, což je vyhovující. Konstrukce takovéto sekačky však má nevýhody v tom, že podávací zařízení musí být vybaveno vertikálními válci, které zachytí účinek sekacích nožů na vtahovací dopravník do vertikálních válců, a protinůž musí být řešen v rovině horizontální i vertikální.
64
Mezi výhody diskových sekaček patří tyto: •
pojízdné diskové sekačky se vyznačují velkou kvalitou štěpky a v podstatě jsou rovnocenné se stacionárními sekačkami
•
umožňují sekat dřevo až do průměru 500 mm při přijatelném hmotnostním i pevnostním dimenzování
•
velký setrvační moment dovoluje zabudovat spalovací motor menšího výkonu s tím, že materiál se seká přerušováním podávání do té doby, než výkon motoru není dostatečný pro sekání pro sekání vzhledem k tloušťce dřeva
•
diskové sekačky nevyžadují zvláštní ventilátor, protože samotný disk vybavený lopatkami má velký trhací a ventilační účinek, který zabezpečí dopravu štěpky do automobilů nebo přistavených kontejnerů
Nevýhodou diskových sekaček je to, že velikost vstupního otvoru je omezena poloměrem sekacího disku a že nejsou vhodné k sekání chaotického materiálu vzhledem k omezené velikosti vstupního otvoru. Obrázek č. 8.17.: Disková sekačka
Bubnové sekačky Na rozdíl od diskových sekaček jsou jejich sekací nože uloženy na obvodu rotujícího válce. Jsou konstruovány pro menší výkony a suroviny menších rozměrů. Používají se ke zpracování různého odpadu, zejména chaotického materiálu. Bubnové sekačky mají tyto výhody: •
celé sekací zařízení je menších rozměrů: je možné lépe konstrukčně řešit celé rozložení agregátů na podvozku. Horizontální uložení osy bubnu umožňuje výhodnější řešení celkového pohonu, nejsou požadavky na použití kuželové převodovky pro vyrovnání úhlů osy sekacího zařízení a spalovacího motoru 65
•
vzhledem sekání pod osou sekacího bubnu a s přihlédnutím k poloměru bubnu je možné řešit vstupní dopravník níže než u diskových sekaček
•
bubnové sekačky jsou zvlášť vhodné k sekání chaotického matriálu
Nevýhody bubnových sekaček: •
vzhledem k celkovému konstrukčně-pevnostnímu řešení sekacího agregátu a jeho malému setrvačnímu momentu nejsou vhodné k sekání dřeva větší tloušťky,
•
úhel řezu se době seku mění od maximálního po minimální; to má velký vliv na kvalitu štěpky, její tloušťka velmi kolísá; proto je její použití jako technologické štěpky nevhodné,
•
sekací buben má velmi malý ventilační účinek a vrhací je téměř nulový, proto je třeba montovat ventilátor pro dopravu štěpky z bubnu do zásobníku.
Obrázek č. 8.18.: Bubnová sekačka
Šroubové sekačky Šroubové sekačky jsou jednoúčelové malé sekačky k sekání tenkých stromků a kmínků velikosti 10 × 10 cm na palivovou štěpku s tloušťkou okolo 1 cm . Sekací orgán má tvar šroubovice se stoupajícím průměrem. Šroubovice se při otáčení postupně zařezává do dřeva a zároveň vtahuje dřevo k většímu průměru. Obrázek č. 8.19.: Šroubová sekačka
66
Drtiče Drtiče jsou určeny k úpravě rozměrů dřeva, které není možné sekat sekačkami. Jedná se o dřevo drobné, mimořádně netvárné nebo znečištěné. Podle počtu otáček dělíme drtiče na nízkootáčkové a vysokootáčkové.
Nízkootáčkové drtiče jsou určeny hlavně k drcení rozměrově nehomogenního odpadu z nábytkářské výroby. Činným orgánem je obvykle válec, po jehož obvodu jsou spirálovitě rozmístěné nožíky různých tvarů (hranaté, trojúhelníkové). Podle tvaru nožů je tvarován i protinůž. Podle počtu rotujících válců jsou drtiče jednoválcové nebo dvouválcové. Dvouválcové drtiče mohou být i bez protinožů, se směrem otáčení válců proti sobě. K homogenizaci odpadového dřeva z lesa nejsou tyto drtiče příliš vhodné. Na zpracování těchto surovin jsou vhodnější vysokootáčkové drtiče. Podle tvaru drtícího orgánu je můžeme rozdělit na diskové a bubnové. Disk diskových drtičů je umístěn vertikálně s malými nožíky instalovanými v čelní ploše disku. Dřevo k disku přitlačuje hydraulicky ovládaná protilehlá stěna. Tyto drtiče jsou vhodné k drcení pařezů, kusového odpadu a těžebního odpadu. Pracovní orgán bubnových vysokootáčkových drtičů může být vybaven spirálovitě rozmístěnými noži nebo kladívky. Drtiče vybavené noži jsou vhodné na drcení větví, kusového odpadu apod., drtiče opatřené kladívky je vhodné využít na drcení tenkých větví, křovin, kůry a podobných materiálů. (PASTOREK 2004)
67
5. Výsledky měření vlhkosti štěpky gravimetrickou metodou Naměřené hodnoty relativních vlhkostí (wr) dřevní štěpky stanovených gravimetrickou metodou při 105±2°C. Vlhkosti byly měřeny dvěma nezávislými postupy, pracovně rozlišené na „domácí“ a „laboratorní“ . Měření probíhalo celkem ve čtyřech sériích, kdy byl pro každou sérii připraven samostatný směsný vzorek. Tabulka č. 8.17.: Naměřené hodnoty vlhkosti štěpky
Série č. 1 Domácí číslo vzorku 1 2 3
Laboratorní
čistá hmotnost sušina vlhkost sušiny + (g) wr (%) H2O (g) 29,63 766 539 432 30,43 621 371 29,33 525 Vážený průměr = 29,81 %
číslo vzorku 1 2 3
Série č. 2 Domácí číslo vzorku 1 2 3
Laboratorní
hmotnost čistá vlhkost sušiny + sušina (g) wr (%) H2O (g) 34,62 699 457 284 33,18 425 34,09 132 87 Vážený průměr = 34,07 %
číslo vzorku 1 2 3
Série č. 3 Domácí číslo vzorku 1 2 3
hmotnost čistá vlhkost sušiny + H2O (g) sušina (g) wr (%) 35,63 194,172 124,974 125,328 32,69 186,207 33,41 202,734 135,001 Vážený průměr = 33,92 %
Laboratorní
hmotnost čistá vlhkost sušiny + H2O (g) sušina (g) wr (%) 49,50 596 301 316 47,77 605 47,89 641 334 Vážený průměr = 48,37 %
číslo vzorku 1 2 3
Série č. 4 Domácí číslo vzorku 1 2 3
čistá hmotnost sušina vlhkost sušiny + (g) wr (%) H2O (g) 29,62 241,453 169,925 156,238 31,13 226,846 30,92 253,332 175,013 Vážený průměr = 30,55 %
hmotnost čistá vlhkost sušiny + sušina (g) wr (%) H2O (g) 122,587 47,82 234,910 48,53 225,939 116,282 49,14 252,758 128,558 Vážený průměr = 48.51 %
Laboratorní
hmotnost čistá vlhkost sušiny + sušina (g) wr (%) H2O (g) 42,91 522 298 259 42.32 449 43.62 635 358 Vážený průměr = 43,03 %
číslo vzorku 1 2 3
68
hmotnost čistá vlhkost sušiny + sušina (g) wr (%) H2O (g) 130.347 43,20 229.474 41.46 268.814 157.354 42.65 180.497 103.522 Vážený průměr = 42,36 %
6. Statistické vyhodnocení naměřených hodnot Z naměřených hodnot wr jsou sestaveny dva soubory hodnot (domácí, laboratorní), které byly vyhodnoceny metodou statistické analýzy. Jako vhodný pro tuto aplikaci, byl vybrán dvouvýběrový Studentův t-test, pro jehož použití je třeba nejdříve stanovit zda se jedná o soubory se schodným rozptylem. Dvouvýběrového F-test ovšem schodu v rozptylech neprokázal a proto byl použit t-test s nerovností rozptylů. Na základě srovnání, kdy hodnoty t-krit nepřesáhly hodnotu P je možné stanovit, že rozdíl obou výběrů je nevýznamný a proto může být přijata nulová hypotéza.
Tabulka č. 8.18: F-test pro analyzované vzorky Tabulka č. 8.19.: t-test pro analyzované vzory
Dvouvýběrový F-test pro rozptyl Soubor 1 Soubor 2 (domácí) (laboratorní) Stř. Hodnota 38,77416667 38,85 Rozptyl
58,65031742
55,07325455
Pozorování
12
12
Rozdíl
11
11
F
1,064950999
P(F<=f) (1)
0,459376129
Dvouvýběrový t-test s nerovností rozptylů Soubor 1 Soubor 2 (domácí) (laboratorní) Stř. Hodnota 38,77416667 38,85 Rozptyl 58,65031742 55,07325455 Pozorování 12 12 Hyp. rozdíl stř. Hodnot 0 Rozdíl t stat P(T<=t) (1) t krit (1) P(T<=t) (2) t krit (2)
22 0,024633466 0,4902847 1,717144335 0,980569401 2,073873058
Vlhkost je vhodné posuzovat u každého směsného vzorku alespoň na dvou analyzovaných vzorcích. Tím se omezí vzniku hrubých chyb při měření a zvýší se objektivita získaných hodnot. Rozdíly naměřených hodnot obou vzorků by se neměly lišit více jak o 1/50 vlastní hodnoty. Zvýšit přesnost lze docílit výpočtem váženého průměru. Ten, jak bylo zjištěno párovým t-testem, vykazuje vyšší schodu středních hodnot.
69
Tabulka č. 8.20.: t-test pro vážené průměry sérií Dvouvýběrový párový t-test na střední hodnotu Soubor 1 Soubor 2 (domácí) (laboratorní) Stř. hodnota 38,82 38,835 Rozptyl 70,88973333 66,27656667 Pozorování 4 4 Pears. korelace 0,99804285 Hyp. rozdíl stř. hodnot 0 Rozdíl 3 t stat -0,051008902 P(T<=t) (1) 0,481262378 t krit (1) 2,353363435 P(T<=t) (2) 0,962524755 t krit (2) 3,182446305
70
