Publikováno na stránkách www.vuzt.cz
ZKUŠENOSTI ZE SPALOVÁNÍ ALTERNATIVNÍCH PELETEK EXPERIENCES IN ALTERNATIVE PELLETS COMBUSTION
D. Andert1), J. Frydrych2), B. Čech3) ) Výzkumný ústav zemědělské techniky v.v.i., Praha, 2 ) OSEVA PRO s.r.o. Výzkumná stanice travinářská Zubří, 3 )VŠB-TU Ostrava 1
Abstract Basic and most usable biomass resource for combustion is a wood material, but it is currently almost exhausted and thus some new crop phytomass resources should be found, their processing into usable form suitable for systems determined for wood material combustion. Significant phytomass resources are cereal and rapeseed straw and special energy plants including grass. In case of combustion our aim is to find suitable blends for comprimed fuels production in form of pellets or briquettes able to be combusted in existing equipment for wood pellets combustion. The carried out combustion tests have proved that grass can be combusted also in small systems as emissions regards but problem is ash behaviour. As we anticipate a radical concern in biofuels utilization it is necessary to find a suitable compensation of the wood pellets. With increasing level and productivity of agricultural production also increases land area not utilized for food production. This area can be used for energy crops growing including the grasses.
Keywords: biomass burning, biomass, grass Úvod Využívání tvarově upravených paliv v energetických zařízeních lze rozdělit dle tepelných výkonů. U zařízení do 50 kW je to hlavně využívání těchto paliv ve formě peletek u automatických topidel či briket u topidel s ručním přikládáním již téměř standardem. Jedná se však zejména o paliva na bázi dřeva a dřevní kůry. U velkých zařízení je snaha používat palivo s co nejmenšími nároky na úpravu. Jedná se zejména o rozdruženou slámu či dřevní štěpku a minimálně je využívána např. štěpka ze šťovíku či rozdružené seno. Tyto paliva se často používají ve směsích.
Metody Mezi reálná zařízení byl vybrán ve třetím roce řešeni projektu automatický kotel pro lokální vytápění o výkonu 20 kW. V průběhu řešení grantového úkolu byly využity různá spalovací zařízení a naším cílem bylo vždy ověřit spalitelnost těchto paliv na bázi trav a stanovit základní podmínky pro splnění emisních limitů. Spalné zkoušky jsme provedli s peletkami z čistého psinečku, psinečku s 10% přídavkem hnědého uhlí a z tritikale zrna + slámy. Zkoušky proběhli na kotli s typovým označením KP 21. Je to teplovodní kotel ústředního vytápění se jmenovitým výkonem 11 kW. Kotel je určen pro spalování dřevních peletek o jmenovitém průměru 6 až 10 mm a podobných typů peletek z biopaliv. Ke kotli je připojen zásobník pelet o objemu cca 200 litrů z něhož je vyveden vynášecí šnekový dopravník. Regulace výkonu kotle se provádí přerušovaným provozem vynášecího šnekového dopravníku v závislosti na požadované výstupní teplotě topné vody. Přerušení chodu šnekového dopravníku je krátkodobé aby nedošlo ke kolísání složení spalin a zhoršení emisí CO. Množství spalovacího vzduchu je řízeno elektronicky otáčkami vzduchového ventilátoru v závislosti na požadovaném výkonu kotle.
Obr.1: Pohled do spalovací komory při spalování dřevních peletek
Obr. 2: Pohled do spalovací komory při spalování peletek z triticale
1
Výsledky a diskuze Palivo Všechny zkoušené typy směsí a čistých trav jsou využitelné jako palivo. Horší výsledky některých směsí a trav jsou dány skutečností, že prakticky všechny menší kotle jsou vyvinuty na spalování čisté dřevní hmoty, případně dřevní hmoty s malým podílem kůry. Spalování jiných typů paliv je principiálně možné, ale je nutno si uvědomit, že spalovací podmínky vlivem jiných fyzikálně chemických vlastností vstupujícího paliva budou odlišné. Nelze jednoznačně rozhodnout, že některé paliva jsou pro spalování vhodnější případně méně vhodné, protože v různých kotlech se chovají různě. Pokud by vývoj kotle již od začátku směřoval rovněž ke spalování travních směsí, určitě by byly provedeny změny v konstrukci roštu pro tento typ paliva. Srovnávacím etalonem bylo spalování čisté dřevní hmoty v podobě suchých peletek. Výhřevnost dřevní hmoty je cca 19 MJ.kg-1. Výhřevnost psinečku je kolem 16,8 MJ.kg-1. Výhřevnost ostatních materiálů se pohybuje kolem 15 MJ.kg1 . Tyto rozdíly nejsou z hlediska energetického významné. Obsah vody je podle očekávání u všech paliv poměrně vyrovnaný.
popela po spálení v podstatě u všech typů paliv způsob spalování a konstrukci ohniště. Kotel řady KP je určen pro spalování dřevní hmoty s obsahem popela kolem 1% ( v suchém stavu). Tomuto se nejvíc přibližuje psineček s obsahem popela v sušině 1,92%. Ostatní spalovaná paliva mají popel v sušině 7 až 10%, kukuřičná sláma 14%. Přesto je nutno konstatovat, že chemické složení popela psinečku způsobuje vznik spečených kusů stébel, která jsou na povrchu pokryta plastickým popelem, který je natavený a způsobuje jednak vzájemné lepení částic popela a jednak omezuje přístup spalovacího vzduchu ke zbytku uhlíku z organické hmoty. Tímto byl způsoben i vyšší obsah spalitelných látek v popelu pod roštem při spalování psinečku a jeho směsí. Při vyšší spalovací teplotě je ověřeno, že k prohoření veškeré organické hmoty spolehlivě dochází. Nebezpečí struskování kotle ovšem zůstává. Při spalování kukuřičné slámy s popelnatostí paliva 14% se sklon k spékání projevil v menší míře. Oproti dřevní hmotě bylo ovšem nutno z kotle 2x denně vybírat popel. Spalování triticale prokázalo menší tendenci k lepení než u psinečku. Materiál zůstával v podstatě v sypkém stavu. Bylo zde však patrné pozdější zapalování a delší průběh odhořívání.
Pro spalovací proces jsou podstatné popeloviny a jejich fyzikálně – chemické vlastnosti po spálení. Typ a charakter
Emise při spalování Palivo: dřevní peletky 16
900
14
800 12
10
600 500
8
400
6
300 4 200 2
100
TOC
NOx
SO2
CO
O2
Obr. 3: Průběh koncentrací O2, CO, SO2 a TOC při spalování dřevních pelet
2
13:00
12:55
12:50
12:45
12:40
12:35
12:30
12:25
12:20
12:15
12:10
12:05
12:00
11:55
11:50
11:45
11:40
11:35
11:30
11:25
11:20
11:15
11:10
11:05
11:00
10:55
10:50
10:45
10:40
10:35
10:30
10:25
10:20
10:15
10:10
0 10:05
0
koncentrace O2 [%]
700
10:00
referenční koncentraci kyslíku 11%
-3
koncentrace CO, NOx, SO2, TOC [mg.m N ] přepočteno na
1000
TOC
NOx
3
SO2
CO
15:30
15:25
15:20
15:15
15:10
15:05
1400
800 10
600 8
0 koncentrace O2 [%]
CO
15:00
SO2
14:55
14:50
14:45
NOx
14:40
TOC
14:35
14:30
14:25
14:20
14:15
14:10
14:05
14:00
13:55
13:50
13:45
13:40
13:35
13:30
-3
referenční koncentraci kyslíku 11%
koncentrace CO, NOx, SO2, TOC [mg.m N ] přepočteno na
18:30
18:25
18:20
18:15
18:10
18:05
18:00
17:55
17:50
17:45
17:40
17:35
17:30
17:25
17:20
17:15
17:10
17:05
17:00
16:55
16:50
16:45
16:40
16:35
16:30
16:25
16:20
16:15
16:10
16:05
16:00
-3
referenční koncentraci kyslíku 11%
koncentrace CO, NOx, SO2, TOC [mg.m N ] přepočteno na
24
2750 22
2500 20
2250 18
2000 16
1750 14
1500 12
1250 10
1000 8
750 6
500 4
250 2
0 0
O2
Obr. 4: Průběh koncentrací O2, CO, SO2 a TOC při spalování pelet z psinečku Peletky z psinečku s 10% hnědého uhlí 18
1200 16
14
1000 12
400 6
4
200
2
0
O2
Obr. 5: Průběh koncentrací O2, CO, SO2 a TOC při spalování pelet z psinečku s přídavkem 10% hm hnědého uhlí koncentrace O2 [%]
3000
Kotel je určen pro spalování dřevní hmoty a emise při spalování dřevní hmoty vykazují nejlepší výsledky. Spalovací zkoušky s psinečkem vykazují nejmenší emise CO při spalování směsi psinečku s hnědým uhlím. Naopak směs peletek psinečku a dřevních peletek neznamenala žádné zlepšení v emisích CO. Poněkud překvapivý je nárůst těchto emisí u triticale a sójové slámy. Emise NOx jsou funkcí palivového dusíku, spalovací teploty a přebytku vzduchu. U všech směsí a trav došlo oproti dřevní hmotě k zvýšení emisí na dvojnásobek. Stále však z hlediska emisního vyhovují. Obsah SO2 v emisích je dán obsahem organické síry v palivu. V podstatě u všech travin jsou hodnoty přijatelně nízké, totéž se týká směsi psinečku a hnědého uhlí. Emise CxHy (TOC) jsou úměrné emisím CO. Při nárůstu emisí CO došlo i k úměrnému nárůstu emisí TOC. Hodnoty jsou však příznivě nízké.
Psineček Voda celková % Popel % Hořlavina % Spalné teplo kJ.kg-1 Výhřevnost kJ.kg-1 Vodík % Uhlík % Dusík % Kyslík % Síra %
Tab. 1: Výsledky rozborů paliv
Voda celková % Popel % Hořlavina % Spalné teplo kJ.kg-1 Výhřevnost kJ.kg-1 Vodík % Uhlík % Dusík % Kyslík % Síra %
Vzorek v původním stavu 6,13 0,46 93,41 20446 18946 6,60 44,94 0,10 41,77 < 0,001
Psineček 90 % a 10 % hnědé uhlí Voda celková % Popel % Hořlavina % Spalné teplo kJ.kg-1 Výhřevnost kJ.kg-1 Vodík % Uhlík % Dusík % Kyslík % Síra %
Vzorek v původním stavu 4,26 10,00 85,74 16402 15124 5,73 40,10 1,02 38,90 < 0,001
Dřevní peletky
Kukuřice sláma Vzorek bezvodý
Voda celková % Popel % Hořlavina % Spalné teplo kJ.kg-1 Výhřevnost kJ.kg-1 Vodík % Uhlík % Dusík % Kyslík % Síra %
0,49 99,51 21 781 20333 7,028 47,879 0,109 44,49 < 0,001
Triticale
Vzorek bezvodý
Voda celková % Popel % Hořlavina % Celkem Spalné teplo kJ.kg-1 Výhřevnost kJ.kg-1 Vodík % Uhlík % Dusík % Kyslík % Síra %
10,44 89,56 17 132 15900 5,983 41,88 1,062 40,64 < 0,001
4
Vzorek v původním stavu 6,91 1,92 91,17 18281 16869 6,08 41,64 0,36 43,08 < 0,001
Vzorek v původním stavu 3,94 14,70 81,36 14524 13254 5,72 38,00 0,84 36,79 < 0,001
Vzorek v původním stavu 7,68 6,92 85,40 100 15679 14300 5,83 38,66 1,15 39,75 < 0,001
Vzorek bezvodý 2,06 97,94 19 638 18292 6,535 44,735 0,388 46,28 < 0,001
Vzorek bezvodý 15,30 84,70 15 120 13892 5,959 39,56 0,879 38,30 < 0,001
Vzorek bezvodý 7,50 92,50 16 983 15681 6,32 41,876 1,25 43,05 < 0,001
Závěr
velké kotle schváleny pouze na spalování dřeva a slámy a mále kotle pouze dřevo. Výjimkou je pouze automatický kotel A25 na spalování pelet, který je schválen i na obilní peletky a zde se bude soustředit naše pozornost v dalším období.
Provedené spalné zkoušky prokázali, že traviny lze na vybraných spalovacích zařízeních spalovat při dodržení emisních limitů. Prokázalo se, že vhodným palivem je psineček a kostřava. Zkoušky nepotvrdily předpoklad vycházející z měření při spalování briket na zplyňovácích kotlích, že přídavek uhlí zlepší proces hoření. Pro účely spalování je vhodné provádět sklizeň co nejpozději po technické zralosti na semeno a ne před. Spalování travin naráží ještě na legislativní problém a to, že kotel smí spalovat pouze to palivo na které je odzkoušen a schválen. Zatím jsou však
Poznámka Příspěvek vychází z řešení výzkumného projektu MŽP č. SP/3g1/180/07 „Vývoj kompozitního fytopaliva na bázi energetických rostlin“.
Anotace Základním a nejpoužívanějším zdrojem biomasy ke spalování je dřevní hmota, ta je však v současnosti skoro rozebrána a proto je třeba hledat jiné zdroje rostlinné fytomasy, jejich zpracování do použitelné formy ke spalovaní v zařízeních určených pro spalování dřevní hmoty. Velkými zdroji fytomasy je obilná a řepková sláma a speciální energetické plodiny mezi které se řadí i trávy. V případě spalování je naším cílem najit vhodné směsi pro výrobu komprimovaných paliv ve formě briket či pelet, které bude možné spalovat na stávajících spalovacích zařízeních určených pro spalovaní dřevních pelet. Provedené spalovací zkoušky ukázaly, že traviny jdou spalovat i v malých spalovacích zařízeních co se emisí týče, problémem zůstává chování popela. Dřevní peletky jsou ideální biopalivem, avšak již nyní se začíná projevovat jejich nedostatek a jejich výrobu již nelze zvyšovat, protože zdroje dřevní hmoty jsou již rozebrány. Protože předpokládáme radikální vzestup zájmu o používání biopaliv, je třeba najít vhodnou náhradu dřevních peletek.
Klíčová slova: spalování, biomasa, traviny
Kontaktní adresa: Ing. David Andert, CSc. Výzkumný ústav zemědělské techniky, v.v.i. Drnovská 507, 161 01 Praha 6 Tel: 233 022 225 Fax: 233 312 507, E-mail:
[email protected] , Ing. Jan Frydrych OSEVA PRO, Výzkumná stanice travinářská Hamerská 698, 756 54 Zubří Tel: 571 658 195, FAX: 571 658 197, E-mail:
[email protected] Dr. Ing. Bohumír Čech VŠB –TU Ostrava, katedra energetiky 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Tel: 597 325 182, FAX: 597 325 177 E-mail:
[email protected]
5
