Mechanická odolnost pelet Pellet mechanical durability

Ústav energetiky, VŠCHT Praha

10/20/2016

Úprava tuhých biopaliv Před zpracováním se upravuje :

7. Spalování tuhých biopaliv a výběr kotle

• velikost (granulometrie) - drcením, sekáním a tříděním • vlhkost - sušením na 15-20 % vlhkosti v palivu, speciálně se upravuje např. sláma

Před využitím se upravuje: Lisováním balíky slámy, sena a pod. Briketováním umožňuje využít větší frakce vzhledem k větším rozměrům finálního výrobku, ale struktura je relativně drolivá a nestabilní - Pouze ruční použití

Alternativní zdroje energie I.

Ivo Jiříček

Peletováním Stabilní, tvrdá struktura, hladký vzhled -Automatické nebo ruční použití Ústav energetiky, VŠCHT Praha

2

zdroj:CEN/TC 335 biomass standards

Fyzikálně-chemické vlastnosti: hustota

Mechanická odolnost pelet

Particle and bulk density

Pellet mechanical durability

Měrná hmotnost (částicová hustota)- hmotnost objemové jednotky homogenní látky za dané teploty. Zdánlivá hustota: objem mat. včetně pórů ρ = dm/dV [kg /m3] Skutečná hustota: objem mat. bez pórů

Parametr důležitý pro pelety dávkované automaticky (většinou šnekovým dopravníkem) do spalovacích zařízení Nedostatečná mechanická odolnost způsobuje: • uvolňování jemných částic • riziko prachové exploze • potíže s dopravou paliva

Sypná hmotnost (bulk density) hmotnost nespojitě v prostoru rozložené látky volně nasypané do jednotkového objemu ρs = m/V [kg /m3]

Holmen pellet durability tester

Sypná hmotnost pelet se stanoví volným nasypáním do nádob předepsaných rozměrů, po sklepání a stržení přebytku, gravimetricky

Mechanická odolnost pelet je poměr hmotnosti pelet, které zůstanou na sítu po zkoušce k původní navážce (100 g). Pelety s odolností nižší než 97.5 mají nižší účinnost spalování a zvyšují produkci popílku.

zdroj:http://www1.vsb.cz/ke/vyuka/FRVS/CD_Biomasa_ nove/Pdf/VlastnostiBiomasy.pdf Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Výroba pelet Zásobník surového paliva

3


Průmyslové dřevní pelety ISO 17225-2 Předsušený materiál

Třídy A1 a A2 reprezentují pelety vyrobené z čistého, nepoužitého dřeva, které nebylo chemicky ošetřeno, s nízkým obsahem popela a dusíku.

Peletizační jednotka Prosévání

Drtič a sušárna

Chladič

Zásobník pelet

Granulační lis v peletizační jednotce

Třídy B mohou obsahovat chemicky ošetřené vedlejší produkty dřevního průmyslu a jedná se o dřevní pelety pro průmyslové využití.

Detail prstencové matrice granulačního lisu Nožem odsekané pelety se musí rychle zchladit pod 40 °C, aby došlo k zatuhnutí ligninu na povrchu Ústav energetiky, VŠCHT Praha


4

Typ a množství pojiva musí být uvedeno v dokumentaci.

Pelety o teplotě až 110 °C 5


6

1


10/20/2016

Odpovědnost výrobce nebo dodavatele

Certifikace ENplus Certifikaci poskytuje např. společností TÜV Nord Czech. Typ dřeva Kmenové dříví

Nezáleží na tom, zda výrobce získá údaje o svém výrobku z analýzy či z literatury. Ovšem výrobce nebo dodavatel je odpovědný za to, že poskytuje správné a přesné informace. V normě ISO 17225-2 pro dřevní pelety se mimo jiné normativně sleduje přítomnost osmi těžkých kovů (arsen, kadmium, chróm, měď, olovo, rtuť, nikl a zinek). Informativním parametrem je tavitelnost popela.

ENplus A1 ENplus A2 EN B

Chemicky neošetřené zbytky z dřevozpracujícího průmyslu Kůra Lesní těžební zbytky Celé stromy bez kořenů

Typické hodnoty povolených obsahů kovů: Arzen As < 0.8 mg/kg Kadmium Cd < 0.5 mg/kg Měď Cu < 5 mg/kg Olovo Pb < 10 mg/kg Rtuť Hg < 0.05 mg/kg

Chemicky neošetřené použité dřevo Lesní, plantážové a další surové dřevo Dřevo z demolic budov nebo jiných staveb

Jeho použití je vyloučeno.

Nadlimitní obsah některých ekotoxických kovů či organických sloučenin často brání využití jako tuhé palivo z biomasy (např. dřevo z demolic, chemicky ošetřené dřevo, sběrný papír)

Např. pelety ENplus A1 prvotřídní kvality, používané v kotlích a kamnech v domácnostech, jsou vyrobeny pouze z chemicky neošetřených zbytků dřeva z pil bez příměsí kůry, a mohou obsahovat pouze 0,7 % popela. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

7

Jak jednoduše poznat kvalitu palivových pelet?

8

Fázové reakce při spalování 1. Uvolnění plynného prchavého podílu z částic paliva při ohřevu 2. Reakce v plynné fázi 3. Reakce v pevné fázi Oxidace uvolněného plynu Oxidace odplyněných částic(koksu)

Vlhkost: mezi 8-10 % Rozměry: většina částic o průměru D=6 až 8 mm při délce L= 3 až 4∙D Množství jemných částic: propad sítem pod 1 % hm.


Nevyhovující rozměry

2C(s)+2O2(g)=2CO2(g)

Co se skutečně děje na atomové úrovni?

Obsah popela: posouzením barvy v lomu dřevěné pelety. Světlejší barva v lomu značí nižší obsah popela, než barva tmavší, indikující obsah kůry. Sypná hmotnost: alespoň 650 kg/m3 – posuzovat v nádobě o objemu min. 1 litr.

Obsah pojiva: 1. Přičichnutím k zapálenému konci pelety. Měla by vonět po dřevu. 2. Zkouškou hydratace. Celkové rozpuštění pelety ve vodě nesmí přesáhnout několik minut, neboť hydratace pojiv je pomalejší než hydratace ligninu. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

2H2(g)+O2(g) =2H2O(g)

9

Účinnost spalování

Reakce radikálů: H2=2H H+O2=OH+O H2+O =OH+H H2+OH =H2O+H

Reakce vazeb: C-C + 2xO-O= 4xCO


10

Specifika spalování biomasy • vysoký podíl prchavé hořlaviny (až 85 hm.%), proto převažující část spalovacího vzduchu musí být přivedena nad vrstvu paliva

Nemůže být větší než 100 %. Výpočet účinnosti předpokládá kompletní spalování a zahrnuje tyto faktory: 1. chemické složení paliva 2. teplotu komínových spalin (komínová ztráta) 3. obsah O2 a CO2 ( v % obj.) po spalování

Úspora paliva (snížení emisí CO2) [%]

• dlouhá doba prohořívání spalitelných plynu (až 0,5 s), kdy plamen nesmí být ochlazován (potřeba šamotové vyzdívky), obtížné míšení s kyslíkem, obtížné dokonalé spálení, proto vysoký přebytek spalovacího vzduchu (1.5<λ<2.0) • nízký podíl popelovin (max. 6 hm. %), popel se může spékat kvůli nízkým teplotám měknutí, tečení a tavení popela (700 – 1200°C)

přebytek paliva přebytek vzduchu stechiometrický bod

• kotle vyšších výkonů je nutno odprašovat kvůli obsahu popílku s obsahem těžkých kovů

η1 – účinnost kotle před modernizací η2 –účinnost po modernizaci

• nízká energetická hustota paliv.

Účinnost kotle má přímý dopad do úspory paliva či snížení emisí CO2. Ústav energetiky, VŠCHT Praha


11


12

2


10/20/2016

Kotle na tuhá paliva s ručním přikládáním

Regulace kotle a přebytek vzduchu λ

Zdroj: www.tzb-info.cz

U kotlů do 100 kW se měří %O2 ve spalinách a teplota spalin. Přebytek vzduchu se zajišťuje ventilátorovým regulátorem tahu. Regulační systém se snaží přiblížit těmto hodnotám ve spalinách: • kapalná a plynná paliva 3 % O2 • pevná paliva 6 % O2 • biomasa 11 % O2

palivo

ohniště

λ

odpady

roštová

2.0

biomasa

roštová

1.8

uhlí

roštová

1.5

uhlí

prášková

1.2

zemní plyn

plynová

1.1

bioplyn

plynová

1.1

Ve skutečnosti je %O2 ve spalinách vyšší zvláště při zatápění. Problémy mohou dále nastat při změně paliva.

Velké kotle regulují λ na základě měření %CO ve spalinách.

Nejčastější Bez zásobníku paliva Široká škála paliv

Regulace výkonu 30-100 % Řízení prostorovým termostatem Čím jednoduší kotel, tím potřebuje sušší palivo (< 20 % Mar). Nutnost použití suchého paliva.

Nepřetěžovat kotel velkými dodávkami paliva. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

13


14

Požadavky na minimální účinnost

Automatické kotle na tuhá paliva

ČSN EN 303-5

Kotle prodávané v ČR musí prokázat splnění parametrů účinnosti a emisí při certifikaci ve zkušebně.

Minimální účinnost kotlů je definovaná v závislosti na jmenovitém (instalovaném) výkonu a třídě kotle.

Doplňování paliva desítky hodin až jednotky dnů. Potřeba topit výlučně palivem předepsaným výrobcem (pelety). Kotle nižších výkonů vyžadují vyšší kvalitu paliva a mají menší toleranci k odchylkám v jeho kvalitě. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

15

Povinnosti výrobce a dovozce spalovacího zařízení

Bez instalace akumulační nádoby je průměrný reálný (provozní) výkon spalovacího zařízení po větší část topné sezóny nižší než jmenovitý. Se sníženým výkonem klesá účinnost zařízení a zhoršuje se kvalita spalování.


16

Povinnosti provozovatele spalovacích zařízení do příkonu 0.3 MW

EN 303-5:2012, a 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší

201/2012 Sb. o ochraně ovzduší

Leden 2014 – ukončení prodeje kotlů na tuhá paliva 1. a 2. emisní třídy Leden 2017 ‒ povinnost předložit revizi kotle (včetně označení em. třídy) Leden 2018 – ukončení prodeje kotlů na tuhá paliva 3. emisní třídy Leden 2020 – ukončení prodeje kotlů na tuhá paliva 4. emisní třídy Září 2022 – zákaz používání kotlů 1. a 2. emisní třídy Min. emisní požadavky na stac. zdroje spalující tuhá paliva <0,3 MW, od 1.1.2018 Dodávka paliva

Palivo

Jmenovitý tepelný příkon [kW]

CO *[mg.m−3 N, 10% O2ref]

TOC *[mg.m−3 N, 10% O2ref]

TZL *[mg.m− 3N, 10% O2ref]

Ruční

Biologické/Fosilní

≤ 300

1200

50

75

Samočinná

Biologické/Fosilní

≤ 300

1000

30

60

*suché spaliny, teplota 0 °C a tlak 101,325 kPa a referenční obsah kyslíku 10 %.

Provádět jednou za dva roky kontrolu stavu a provozu kotle prostřednictvím odborně způsobilé osoby. Jako nejdůležitější zdroj informací o emisích a ostatních parametrech budou hodnoty ze štítku kotle. (V Německu a Rakousku již nestačí jen certifikace, ale splnění emisních požadavků je prokazováno na základě výsledků pravidelných měření, které provádí kominické firmy.) Pokutu 20 000 Kč(od 1. 1. 2017), od září 2022 50 000Kč lze uložit v případech, že • provozovatel nepředloží na vyžádání obecnímu úřadu doklad o provedení kontroly Pokutu 50 000 Kč lze uložit (dle § 23, odst. 2 b) v případech, že: • provozovatel nedodrží přípustnou tmavost kouře (od září 2012), • provozovatel spaluje hnědé uhlí energetické, lignit, uhelné kaly (od září 2012) Na instalované sálavé zdroje (např. krbová kamna, vložky) s vodním výměníkem, které mají celkový příkon zařízení do 10 kW, se tyto změny nevztahují. I nadále pro ně ale platí pravidelné kontroly spalinových cest. Ústav energetiky, VŠCHT Praha



17

18

3


10/20/2016

Jaký teplovodní kotel na pevná paliva?

Zapojení kotle do otopné soustavy Potřeba natápěcí smyčky: Smyčka umožňuje kotli pracovat na vyšší teplotě (>65 °C) než topný okruh a nedochází tak ke kondenzaci, dehtování a rychlé korozi kotle, zejména při zatápění.

• výkonově nepředimenzovaný (odpovídající tepelné ztrátě vytápěného objektu)- vyšší účinnost, snížení rizika dehtování a nízkoteplotní koroze. • s natápěcí smyčkou - zvýšení životnosti a snížení rizika nízkoteplotní koroze. •s velkou násypkou a silnějšími a odolnějšími materiály kotlového tělesa • s akumulační nádrží - vyšší účinnost

Kotel s natápěcí smyčkou řízenou trojcestným ventilem

Kotel s trojcestným ventilem a akumulační nádrží

Podpora akumulační nádrží – výhoda, protože kotel pracuje na plný výkon a přebytečné teplo nabíjí akumulační nádrž. Po nabití nádrže je možné kotel odstavit a v závislosti na objemu nádrže a tepelných ztrátách objektu topit cca 1 den teplem pouze z nádrže.


Parametry pro kotle 4. emisní třídy splní již dnes: • automatické (peletové) kotle • většina zplyňujících kotlů na dřevo.

19

Potenciál cíleně pěstovaných ostatních rostlin ČR pro výrobu tepla Jednoleté rostliny

Výnosy suché hmoty (t/ha)

Spalné teplo (GJ/ha)

Konopí seté

12,05

217,62

Čirok hyso

19,33

341,31

Čirok cukrový

14,77

259,77

Křídlatka

37,50

729,15

Šťovík krmný

43,00

763,29

Bělotrn

16,50

323,65

Komonice

20,10

399,82


20

Rozdělení průmyslových spalovacích systémů Ohniště Roštová Fluidní Fluidní s nehybnou vrstvou kypné cirkulující Palivo sítování drcení (štěpkování) a doplnění pískem

Prášková jemné mletí

Vytrvalé plodiny log ∆p log α

Pokud uvažujeme průměrnou energetickou spotřebu tepelně izolovaného rodinného domu 75 GJ, mohla by být jeho roční spotřeba tepla pokryta např. spálením suché hmoty křídlatky z plochy cca 1210 m2, což odpovídá cca 4,5 tunám suché hmoty. Vzniká však potřeba dostatečně velkého a suchého zásobníku. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Rychlost plynu ≈ 0,3 Střední velikost 50 částice

21

≈1 2

<≈8 0.25

Rychlost plynu, [m/s] >≈8 [m/s] 0.1 [mm]


Stechiometrické spalování paliv

22

Spalování paliv -výpočty

Výpočet spalování biomasy ze sumárního vzorce:

Chemické vyjádření pro vzduch (21 % obj. O2 a 79 % obj. N2): O2 + 3.76N2 Příklady stechiometrického spalování: Spalování uhlíku (koksu) vzduchem:

C(s) + (O2+ 3.76N2)(g) Reálné složení spalin: kompletní spalování neexistuje!!!

→

CO2 + 3.76N2

12 kg + 22.4 m3 + 84.22 m3 1 kg + 1.8 m3 + 7.02 m3

→ →

22.4 m3 + 84.22 m3 1.8 m3 + 7.02 m3

1 kmol + 1 kmol

→

1 kmol

+ 3,76 kmol

+ 3,76 kmol

Spalování metanu vzduchem:

CH4 + 2(O2 + 3.76N2) → CO2 + 2H2O + 7.52N2

+ αCO + βH2 + γNOx + trochu O2 a PAU (z rovnovážné disociace) (tvorba NOX) (nedopal) (dehet) Ústav energetiky, VŠCHT Praha


22.4 m3 + 23

44.8 m3 + 168.45 m3

→ 22.4 m3 + 44.8 m3 +


168,45 m3 24

4


10/20/2016

Přepočet spalin z průměrného sumárního vzorce

Spalování paliv-výpočty Rovnice ideálního plynu p∙V = n∙R∙T molární objem (0 °C, 101,32 kPa) = 22,4 m3∙kmol-1

Minimální množství vzduchu Vvz min potřebného pro kompletní spálení paliva je teoretický či stechiometrický vzduch Minimální objem spalin Vsp min- množství spalin, které vznikne dokonalým spálením jednotky paliva stechiometrickým vzduchem

25

(dm3)

mCO2 = x∙Mc∙md/Mpaliva = x∙44∙md/Mpaliva

(g)


26

Výběr kotle

[kJ]

Qch chemické teplo, které určuje výhřevnost paliva Qi Qp , Qvz , Qsp fyzické teplo předehřátého paliva, předehřátého vzduchu a spalin Qned chemický a mechanický nedopal Qdis disociační teplo (disociace zejména CO2 a H2O při T>1500 °C odebírá spalinám teplo) Qz teplo odvedené do okolí (přes izolovanou stěnu ohniště)

Adiabatická spalná teplota (teplota nechlazeného plamene): Qp=0, Qvz=0, Qned=0, Qdis=0, λ=1 (stechiometrické spalování) Tad = Qi/(Vsp,min∙cp) [K]

VH2O = (y/2)∙22.4∙md/Mpaliva

kde: Mc molekulová hmotnost složky (g/mol) Mpaliva prům. molekulová hmotnost paliva (g/mol) md hmotnost paliva v suchém stavu (g)

Spalná teplota Tepelná rovnováha spalovací reakce: Qch+Qp+Qvz = Qsp+Qned+Qdis+Qz

(dm3)

mH2O = (y/2)∙Mc∙md/Mpaliva = x∙18∙md/Mpaliva (g)

Součinitel přebytku vzduchu λ: poměr vzduchu skutečného k teoretickému λ = Vvz skut /Vvz min = přebytek vzduchu v % /100 Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Sumární vzorec: CxHyOz VCO2 = x∙22.4∙md/Mpaliva

Příklad: Dosluhující kotel v RD o výkonu 25 kW s účinností 60 % a původními náklady na palivo 30 tis. Kč∙rok-1 zvažuje investor modernizovat. Na trhu se nabízejí tyto kotle: Kotel 3. emisní třídy ruční za cenu 60 000 Kč Kotel 4. emisní třídy automatický za cenu 82 000 Kč Kotel 5. emisní třídy automatický za cenu 99 900 Kč Náklady na údržbu jsou 1 % z roční úspory.

Iterační řešení, protože cp [kJ∙m-3K-1] je funkcí T

Určete: 1. Jaká je roční úspora nákladů po modernizaci? 2. Které řešení má kratší návratnost?

Odhad Tad = Qi/(Vsp,min∙1,7) [K] Reálná spalná teplota bude vždy nižší než Tad. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

27


28

Výpočet spalování Příklad: 1kg suchého papíru, chemicky jako celulóza -(C6H10O5)n-, jehož spalné teplo je qgr,d= 18 MJ∙kg-1, bylo spalováno vzduchem.

Určete: 1. Teoretické množství vzduchu VZmin 2. Výhřevnost qnet,d 3. Odhad adiabatické spalné teploty. Ústav energetiky, VŠCHT Praha


29

5

Mechanická odolnost pelet Pellet mechanical durability

Recommend Documents