TERMICKÁ ÚČINNOST A MĚŘENÍ EMISÍ NA EXPERIMENTÁLNÍ JEDNOTCE PRO SPALOVÁNÍ BIOMASY

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

TERMICKÁ ÚČINNOST A MĚŘENÍ EMISÍ NA EXPERIMENTÁLNÍ JEDNOTCE PRO SPALOVÁNÍ BIOMASY Vítězslav Máša, Lukáš Urban Rozmach technologií pro spalování biomasy jde ruku v ruce s jejich zvyšující se ekonomickou výhodností a ekologickými přínosy. V článku jsou naznačeny důvody pro využití biomasy v technologiích středních výkonů. Velkou výzvou současného výzkumu je zvyšování účinnosti těchto zařízení a snižování emisí znečišťujících látek. Článek je věnován vyhodnocení těchto provozních ukazatelů na nedávno realizované jednotce pro spalování biomasy. Krátce je také popsána zkušenost s méně typickými druhy biomasy. Klíčová slova: kotel, spalování biomasy, termická účinnost, emise JEDNOTKY STŘEDNÍCH VÝKONŮ Energetické využití biomasy nachází svoje místo na úrovní jednotlivých domácností i v rámci velkých energetických zdrojů, jako jsou například tepelné elektrárny. Výhodným kritériem pro posouzení efektivity využití tohoto paliva v dané výkonové oblasti může být účinnost příslušné technologie. Průměrná účinnost zařízení menších výkonů, tj. běžně používaných kamen na dřevo a dřevní odpad se pohybuje okolo 50 % [1]. Tato neuspokojivá hodnota je způsobena zejména nestacionárním charakterem procesu spalování, který souvisí s nespojitou dodávkou paliva. Plynulé přikládání je možné zajistit jeho automatických řízením. To ovšem výrazně zvyšuje pořizovací cenu těchto zařízení a klade přísnější nároky na tvar a rozměry paliva. Další nevýhodou malých zařízení (malé kotle, kamna, krby) je vysoká produkce emisí z důvodu nedokonalého spalování související s přirozeným tahem. Hladina skutečně dosahovaných emisí se obvykle exponenciálně zvyšuje při snižujícím se výkonu vzhledem k výkonu nominálnímu [2]. Emise se pohybují podle rovnoměrnosti chodu v řádu tisíců (obvykle 3000 až 5000 mg/m3), čímž se několikrát překračují emisní limity platné pro kotle středních výkonů. Hodnoty na úrovni emisních limitů jsou dosažitelné pouze u moderních zařízení vybavených katalytickým konvertorem a u zařízeních spalující pelety s kontinuálním dávkováním. Cena těchto zařízení je však zatím vyšší než cena kotlů na zemní plyn. Zmíněné nevýhody jsou zatím hlavními příčinami pomalého prosazování malých zdrojů na trhu. Významného zvýšení dokonalosti spalování lze dosáhnout oddělením jednotlivých fází termického rozkladu paliva, které probíhají v průběhu hoření (sušení, pyrolýza, hoření, dohořívání). Na pevném roštu je zajištění takového provozního režimu velmi problematické a využívá se proto tzv. pohyblivých roštů, které umožňují řídit posun materiálu, a zaručují tak jeho rovnoměrné rozložení. Dokonalejší spalování příznivě působí na koncentrace škodlivých emisí ve spalinách, viz. níže. Pro svoji investiční náročnost jsou pohyblivé rošty používány až u jednotek středních výkonů (300 kW až jednotky MW), které se v široké míře uplatňují zejména v průmyslu a v systémech centralizovaného zásobování teplem. Spalovací technologie jednotek středních výkonů prošla v poslední době prudkým vývojem. Samozřejmostí je bezobslužný provoz a automatické řízení celé technologie s možností dálkové správy prostřednictvím internetu. Nejnovější vývojové trendy jsou soustředěny na spalování různých druhů biomasy a výzkum prvků, které příznivě ovlivňují proces spalování a zvyšují jeho účinnost. Jde zejména o stupňovitý přívod spalovacího vzduchu, jeho předehřev s využitím odpadního tepla obsaženého ve spalinách a také recirkulaci části spalin zpět do prostoru spalovací komory [3]. Tyto prostředky umožňují provoz jednotky s vysokou účinností a velmi příznivými emisními poměry. Podobně jako na energetickou účinnost má rostoucí výkon příznivý dopad také na emise, a to opět především díky zvýšeným možnostem optimalizace procesu a aplikaci moderních řídicích systémů. U moderních zařízení středních a velkých výkonů není problém dosáhnout stanovené emisní limity. Za „high standard“ zařízení lze pak považovat ty, které dosahují emise v rozsahu 20 – 250 mg/m3. Jeden z hlavních problémů je opět udržení nízkých emisí také při dlouhodobém nerovnoměrném provozu s častou změnou aktuálního výkonu [4]. Z hlediska výkonu jsou nejvyšším stupněm technologií umožňujících spalování biomasy velké průmyslové kotle v tepelných elektrárnách. V této oblasti je nejrozšířenějším způsobem využití biomasy její spoluspalování s uhlím ve stávajícím elektrárenském kotli se soustrojím parní turbína a generátor. Vedle spoluspalování jsou vyvíjeny

Ing. Vítězslav Máša, FSI VUT v Brně, UPEI, Technická 2896/2, 616 69 Brno, [email protected]

/ 109 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

také moderní parní kotle velkých výkonu pro spalování čisté biomasy. Díky nízké teplotě odchozích spalin (140 °C) a nízkému přebytku vzduchu (3 % O2 ve spalinách) tato zařízení dosahují účinnosti vyšší než 90 %. V případě technologií vyššího výkonu bývá častým problémem zajištění dostatečného množství paliva. Mnohdy je nutné počítat s výrazným zvýšením nákladů na dopravu paliva, které bývá v dané lokalitě dostupné jen v omezeném množství. Doprava biomasy na delší vzdálenost také snižuje ekologické přínosy jejího využití. Nepříjemným dopadem nárůstu využívání biomasy v těchto zdrojích v ČR je také nestabilní cena dřevní hmoty. Celkové množství biomasy používané pro energetické účely roste v EU každým rokem o 2-3 % a dá se předpokládat, že v budoucnu může růst ještě rychleji. Na základě výše uvedených faktů, lze jednoznačně konstatovat, že využití biomasy v moderních zařízeních středního výkonu je velice efektivní cesta, jak tento trend v podmínkách ČR zaručit. EXPERIMENTÁLNÍ JEDNOTKA Představitelem moderního kotle na spalování biomasy je také experimentální jednotka realizovaná Ústavem procesního a ekologického inženýrství VUT v Brně (viz Obr. 1). Toto zařízení o jmenovitém výkonu 1MW se vyznačuje integrací osvědčených technických řešení do celkově nové technologické jednotky. Jsou zde aplikovány progresivní prvky, které umožňují spalování širokého spektra paliv na bázi biomasy při současném maximálním využití tepla. Jedná se zejména o výraznou recirkulaci spalin a předehřev vzduchu. Technologie jednotky byla blíže popsána v [3]. Recykl

Spaliny Amarant KL02

Dřevní odpad

P1

KL03

Primární vzduch KL01

K1 – Spalovací komora HE1 – Teplovodní výměník HE2 – Rekuperační výměník C1 – Multicyklon S1 – Komín P1 – Nádoba na tuhý odpad

Sekundární vzduch

V01 – Spalinový ventilátor V02 – Ventilátor primárního vzduchu V03 – Ventilátor sekundárního vzduchu KL01 – Klapka sekundárního vzduchu KL02 – Klapka recirkulace spalin KL03 – Klapka rekuperace spalin

Obr. 1 Schéma experimentální jednotky pro spalování různých druhů biomasy PODMÍNKY A PRŮBĚH MĚŘENÍ Jednotka pro spalování biomasy vykazovala během měření výkon okolo 420 kW. Pracovní režim kotle během sledovaného intervalu je uveden Tab. 1. Použitým palivem byla homogenní lesní štěpka o vlhkosti 28 % a výhřevnosti 13,8 MJ/kg. Její chemické složení je shrnuto v Tab. 2. Klapka rekuperace (pro předehřev spalovacího vzduchu teplem spalin), klapka sekundárního vzduchu i klapka recirklulace spalin byly plně otevřeny. Popis a význam těchto technologických prvků byl uveden v [3].

/ 110 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

Tab. 1 Hodnoty významných charakteristik prostředí a systému Parametr Atmosférický tlak Relativní vlhkost vzduchu Teplota okolí Teplota ve spalovací komoře Teplota spalin na vstupu do komína Obsah O2 ve spalinách

Hodnota 101,3 0,50 2,2 730 63,5 11,4

Jednotka [kPa] [-] [°C] [°C] [°C] %

Tab. 2 Elementární složení použitého paliva (dřevní štěpky) Složka C H O S Voda Popel

Hodnota [%] 36,12 4,32 31,46 0,05 26,99 1,05

Následující kapitoly jsou věnovány výsledkům výkonového a emisního měření, které na experimentální jednotce probíhalo v prosinci 2007. Vedle stanovení provozních charakteristik, jakými jsou výkon, účinnost nebo množství produkovaných emisí ve spalinách, bude dalším důležitým přínosem měření možnost ověřit platnost vytvořených matematických modelů (model vytvořený softwarem CFD, bilanční model), jejichž výsledky byly aplikovány pro konstrukční návrh prototypu jednotky. V neposlední řadě měření poskytnou důležitá vodítka pro úpravy a vylepšení řídicího systému jednotky, který je v současné době optimalizován zejména pro spalování dřevní štěpky. VYHODNOCENÍ ÚČINNOSTI Pro zjištění tepelné účinnosti tepelných zařízení se používají dvě základní metody, kterými jsou přímá a nepřímá. Přímou metodu lze použít pro zařízení, která spalují fyzikálně a chemicky stejnorodé palivo (např. zemní plyn) a ve kterých nedochází k problémům s jeho dávkováním. Účinnost je pak dána vztahem:

η kt =

M v ⋅ (ivn − ivz ) M pv ⋅ Qn

[-],

(1)

kde je ivn [kJ/kg] entalpie vody na výstupu z výměníku, ivz [kJ/kg] entalpie vratné vody do výměníku (zpátečka), M v [kg/s] hmotnostní průtok vody, M pv [kg/s] spotřeba paliva a Qn [kJ/kg] jeho výhřevnost. Výpočet účinnosti přímou metodou je založen na znalosti spotřeby paliva Mpv. Chceme-li přesně určit dlouhodobou účinnost zařízení, je nezbytné dávkovací zařízení paliva doplnit vhodným vážícím systémem. Takové řešení je ovšem velmi nákladné a pro potřeby dočasných experimentálních zkoušek nadbytečné. Při vyhodnocení účinnosti v krátkém časovém intervalu (do několika hodin) by bylo možné použít ruční vážení s použitím vhodné váhy. Získaná hodnota účinnosti je však vzhledem ke svojí vysoké citlivosti na změnu spotřeby paliva Mpv zatížena výraznou nejistotou a lze ji považovat pouze za hrubý odhad. Výslednou přesnost může také významně ovlivňovat nerovnoměrný chod zařízení, v jehož důsledku dochází k výkyvům výkonu podavače paliva a akumulaci paliva na roštu. Lze konstatovat, že aplikace přímé metody výpočtu účinnosti není v tomto případě přínosná.

/ 111 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

V případě, že přímé určení účinnosti není dostatečně přesné, je možné využít nepřímou metodu. Ta vychází z uvažovaných ztrát zařízení, které odečteme od ideální účinnosti (100 %). Je nutné znát elementární složení paliva, objemové koncentrace kyslíku a oxidu uhelnatého ve spalinách, vlastnosti systému a provést chemické analýzy škváry a popílku. Výpočet se poté provádí pomocí následujícího vztahu:

η kt = 100 − ζ MN − ζ CN − ζ f − ζ k − ζ sv [%],

(2)

Standardně se při spalování tuhých paliv dle [5] uvažuje pět základních ztrát:

ζ MN ζ CN ζf ζk ζ sv

ztráta mechanickým nedopalem ztráta chemickým nedopalem ztráta fyzickým (citelným) teplem tuhých zbytků ztráta citelným teplem spalin (komínová) ztráta sáláním a vedením tepla do okolí

Po dosazení všech potřebných veličin a provedení výpočtu jsme obdrželi hodnotu termické účinnosti 86,0 %. Konkrétní hodnoty jednotlivých ztrát jsou uvedeny v Tab. 3. Vzhledem ke spolehlivosti a přesnosti vstupních hodnot lze tento výsledek považovat za blízký reálně dosažené účinnosti. Tato hodnota souhlasí i s projekčními předpoklady. Tab. 3 Hodnoty jednotlivých ztrát jednotky vypočtených na základě experimentálního měření Ztráta

Hodnota [%]

ζ MN

0,10

ζ CN ζf

0,03 0,01

ζk

4,66

ζ sv

9,22

Celkově:

14,02

Při posuzování vypočtené účinnosti je třeba mít na zřeteli relativně nízký průměrný výkon jednotky ve sledovaném intervalu (420 kW). Výkon jednotky je dán aktuální potřebou tepla v budově, kterou vytápí a tato potřeba souvisí s venkovní teplotou. Lze předpokládat, že se zvyšujícím se výkonem bude růst také účinnost zařízení. Stanovení výkonového rozsahu, v němž dosahuje účinnost nejvyšší hodnot, bude součástí budoucích experimentálních měření. VÝSLEDKY EMISNÍCH MĚŘENÍ V souladu s platnými předpisy byly na prototypu jednotky na biomasu provedeny jednorázová měření oxidu uhelnatého (CO), oxidů síry (jako SO2), oxidů dusíku (jako NO2) a prachu (tuhé znečišťující látky - TZL). Jako doplňující informace pro posouzení emisních koncentrací a velikosti emisí znečišťujících látek bylo prováděno měření obsahu kyslíku v koncových spalinách, obsahu vlhkosti v koncových spalinách, složení kondenzátu zachyceného ze spalin a měření průtoku vlhkých koncových spalin odváděných do atmosféry. Koncentrace znečišťujících látek byly zjišťovány v koncových spalinách odváděných komínem do atmosféry po úpravě analyzovaného plynu a jsou vztaženy na suchý nosný plyn. Na základě vyhodnocených dat je možné konstatovat, že prototyp jednotky na biomasu plní, většinou s několikanásobnou rezervou, stanovené emisní limity pro sledované znečišťující látky (viz. Obr. 2). / 112 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

Obr. 2 Průměrný obsah CO, NO2 a SO2 ve spalinách při spalování dřevní štěpky

SPALOVACÍ ZKOUŠKY DALŠÍCH PALIV S cílem ověřit vlastnosti dalších druhů biomasy a fytomasy byl vedle dřevní štěpky testován také amarant, obilná sláma a řepková pokrutina. Tato paliva se od sebe svými vlastnostmi významně liší (viz Tab. 4). Některá specifika jejich využívání se během měření projevila a naznačila tak směr, kterým by se měly ubírat další úpravy technologie a řídicího systému experimentální jednotky. Ve všech případech však bude nutné provést opakovaná měření pro zpřesnění výsledků a ověření některých hypotéz. Jako perspektivní se také jeví možnost společného spalování jednotlivých paliv ve vhodném poměru s dřevní štěpkou. Spalovací zkouška amarantu byla významně ovlivněna kvalitou tohoto paliva související s jeho nevhodným skladováním v nezastřešeném prostoru. Díky vysokému obsahu vody v palivu nebylo možné dosáhnout stabilního procesu hoření, došlo k snížení výkonu jednotky až na hranici regulovatelnosti a zkouška musela být přerušena. Pro kotle spalující biomasu je však amarant potenciálně vhodné palivo a jeho vlastnosti tedy bude třeba ověřit. Zkouška bude po zajištění amarantu s přijatelnou vlhkostí zopakována. Typickou vlastností obilné slámy je rychlost jejího hoření a s tím související nároky na dodávku paliva. Jednou z možností, jak při daném uspořádání dopravních cest paliva přivádět dostatečné množství slámy na rošt kotle je nechat hydraulický podavač porcovat balíky a dopravovat vzniklé kusy do prostoru spalovací komory. Tento způsob dávkování je však spojen s problémem, že naporcované balíky v komoře ohoří jen po povrchu a větší část materiálu zůstává v syrovém stavu. Další možností je mechanické rozdružení slámy před jejím zavedením do spalovací komory. V důsledku zvětšení objemu ovšem hydraulický dopravník v automatickém režimu není schopen zajistit potřebnou dodávku paliva a dochází tak k postupné ztrátě výkonu. Pokud je však sláma do spalovací komory dodávána ve vhodné formě a dostatečném množností (např. jiným typem dávkovacího zařízení), spalování probíhá vyrovnaně, s rovnoměrným rozložením materiálu po ploše roštu a bez nežádoucích projevů, jako je spékání slámy nebo zvýšená tvorba polétavého popelu ve spalinách. Toto příznivé zjištění ukazuje, že je jednotka konstrukčně vhodně uzpůsobena i pro využití stébelnin. Obilná sláma je navíc v prostředí ČR dostupná a cenově výhodná, a proto je žádoucí upravit dopravní cesty tak, aby ji bylo možné bezobslužně spalovat. Na instalaci rozdružovače a pásového dopravníku se v současné době pracuje. V další fázi výzkumu a vývoje pak bude možné ověřit alternativní způsob využití obilné slámy, a to její společné spalování s dřevní štěpkou. Posledním doposud testovaným palivem byly řepkové pokrutiny. Jde o zbytkový materiál po lisování oleje ze semen řepky olejky. Právě díky přítomnosti oleje jde o palivo s vysokou výhřevností (viz Tab. 4). Palivu s takovou / 113 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

výhřevností je třeba přizpůsobit rychlost podavače, což klade vyšší nároky na řídicí systém. Nepříznivou vlastnost řepkové pokrutiny odhalilo měření emisí ve spalinách, kde došlo k výraznému nárůstu hodnot koncentrací NOX a SO2. Tento fakt lze vysvětlit vyšším obsahem síry a dusíku v řepkových pokrutinách, což se projevilo i větším množstvím síranů v kondenzátu separovaného ze spalin. Sírany v kondenzátu a jejich plynné sloučeniny ve spalinách podporují nízkoteplotní korozi a mají nepříznivý dopad na životní prostředí. Lze konstatovat, že vhodnější využití tohoto paliva se nabízí v jeho spoluspalování, např. s dřevní štěpkou. Tab. 4 Vlastnosti paliv, průměrná účinnost zařízení a dosahované koncentrace emisí během zkoušek Výhřevnost paliva

Vlhkost paliva

Dosažená účinnost

VOC

CO

NO2

SO2

TZL

mg/mN3

MJ/kg

%

%

Štěpka

13,82

28,0

85,69

0,0

121,03

115,86

119,23

59,36

Amaranth

5,10

41,8

77,21

0,0

110,11

152,00

0,0

70,50

Obilná sláma

10,47

30,1

84,46

0,0

146,85

172,93

29,78

85,76

Řepkové pokrutiny

17,94

10,9

85,28

0,0

81,73

541,14

444,74

21,84

ZÁVĚR Experimentální měření procesních veličin, která byla dosud provedena na jednotce pro spalování biomasy, naznačila možnost dosažení vysoké účinnosti při zachování příznivých emisních poměrů u škodlivých látek a ukázala konstrukční připravenost kotle pro spalování stébelnin. Odhalila však také některé oblasti, kterým je třeba v dalších etapách projektu věnovat pozornost. Jedná se zejména o úpravu dopravních cest paliva pro možnost plynulého spalování různých druhů biomasy a dále o volbu paliv přiměřených energetických parametrů a jejich zodpovědné skladování. Příspěvek vznikl na základě podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci projektu Impuls FI-IM3/166 "Prototyp jednotky o výkonu 1 až 3 MW pro energetické využití různých druhů biomasy a fytomasy". POUŽITÁ LITERATURA [1] MENGHINI D., MARCHIONE T., MARTINO G., MARRA F. S., ALLOUIS Ch. and BERETTA F. (2007): Numerical and experimental investigations to lower environmental impact of an open fireplace, Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 31, Issue 5. [2] LOO van S., KOPPEJAN J. (2002): Handbook of Biomass Combustion and Co-Firing, Twente University Press, ISBN 9036517737. [3] URBAN L., MÁŠA V. (2007): Nový typ zařízení pro spalování biomasy a fytomasy I. Technologie a koncepce experimentální jednotky. Energie z biomasy VI, VŠB TU Ostrava. ISBN 978-80-248-1535-0 [4] LUNDGREN J., HERMANSSON R., DAHL J. (2004): Experimental studies of a biomass boiler suitable for small district heating systems, Biomass and Bioenergy 26. [5] ČSN 07 0305 (1983): Hodnocení kotlových ztrát. ÚNM, Praha

/ 114 /