Energie z biomasy X. odborný seminář Brno editor: Jan Škvařil ENERGIE Z BIOMASY X. Sborník příspěvků ze semináře

Energie z biomasy X. – odborný seminář

Brno 2009

editor: Jan Škvařil

ENERGIE Z BIOMASY X Sborník příspěvků ze semináře

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV Odbor energetického inţenýrství 2009

/1/


Brno 2009

Publikace je sborníkem příspěvků ze semináře Energie z biomasy X, který se konal 25. a 26. listopadu 2009 v Brně. Autory článků jsou především mladí vědečtí pracovníci, kteří působí na výzkumných a akademických pracovištích v Česku a na Slovensku. Zabývají se zejména problematikou biomasy jako obnovitelného zdroje energie – především ale technickou a ekologickou stránkou stránkou jejího vyuţití.

Titulní strana: ilustrační foto Editor: Jan Škvařil Vysoké učení technické v Brně, 2009 – 15. prosince ISBN: 978-80-214-4027-2 Články nebyly pozměňovány ani neprošly jazykovou úpravou.

/2/


Brno 2009

PŘEDMLUVA Referáty tohoto pravidelně pořádaného semináře jsou věnovány speciálnějším otázkám energetického vyuţívání biomasy. Mezi hlavní témata patří efektivní spalování s minimem emisí, zplyňování a následné čištění a úprava plynu pro energetické vyuţití, taktéţ termodynamické rozbory procesu zplyňování biomasy a cyklů vyuţívajících syntézní plyn k produkci tepla a elektrické energie. Některé příspěvky jsou prakticky zaměřeny, a to především na ekonomiku energetického vyuţívání biomasy. Charakter semináře vychází z osvědčené praxe, ţe většina diskutovaných témat je úzce spojena s tématy disertačních prací mladých přednášejících autorů. Vztah k biomase jako vhodnému doplňkovému zdroji uţitné energie se v průběhu času mění. I tato skutečnost je reflektována v referátech. Kromě získávání nových poznatků, umoţňují semináře a workshopy navázání spolupráce mezi mladými vědeckými pracovníky a slouţí k větší propojenosti školících pracovišť. V neposlední řadě pomáhají tyto semináře navázat i četné osobní kontakty a umoţňují začínajícím vědeckým pracovníkům odzkoušet si prezentaci výsledků vlastní vědecko-výzkumné práce v neformální atmosféře semináře. Seminář o energetickém vyuţití biomasy vznikl v rámci doktorského projektu „Energie z biomasy“ a jeho další existence a pokračování v započaté práci je výrazným pozitivem před lety skončeného projektu. Přeji účastníkům mnoho vědeckých a pracovních úspěchů a doufám v další úspěšné pokračování seminářů o biomase a jejím energetickém vyuţívání. Doc.Ing. Zdeněk Skála, CSc. ředitel Energetického ústavu odborný garant semináře _

Tato publikace vznikla za podpory Skupiny ČEZ

/3/


Brno 2009

BALÁŠ M., MOSKALÍK J. Měření vlkosti paliv .........................................................................................................................................

9

Použití biomasy pro energetické účely je závislé na jejím obsahu vlhkosti. Avšak měření tak nehomogenního materiálu jako je biomasa je poměrně tvrdým oříškem. Článek popisuje a hodnotí dostupné metody, kterými lze měřit vlhkost biomasy.

BEŇO Z., SKOBLIA S.. Souproudé zplyňovací generátory a jejich pouţití pro výrobu elektrické energie z biomasy ................. 15 Zplyňování biomasy je jedním z perspektivních způsobů jejího energetického využití. Souproudé zplyňovací generátory jsou díky svým vlastnostem, mezi které patří především nízký obsah dehtu ve výstupním plynu a konstrukční nenáročnost, celosvětově používány pro výrobu tepla a elektrické energie. Ačkoli energetické zplyňování biomasy v souproudých generátorech započalo již před takřka sto lety, i dnes se pracuje na vývoji generátorů a dalších zařízení, aby tak bylo možné využívat širší spektrum paliv, zvýšila se kvalita plynu a byla minimalizována pravděpodobnost provozních komplikací. ČERMÁKOVÁ J., TENKRÁT D. Nové trendy ve vyuţití bioplynu .................................................................................................................... 21

Proces anaerobní fermentace je v dnešní době využíván v 30 zemědělských bioplynových stanicích a stovce čistíren odpadních vod v České republice. Veškerá produkce bioplynu je spotřebována pro produkci tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách, přičemž většina odpadního tepla bývá během roku nevyužita. Alternativní možností využití bioplynu je jeho úprava na kvalitu zemního plynu, tzv. biomethan. Tento příspěvek se zabývá procesem fermentace a srovnáním jednotlivých čistících metod bioplynu na biomethan.

FORTELNÝ Z., CHROBOCZEK L., POSPÍŠIL J. Zkrápěný trubkový výměník v absorpčních obězích ................................................................................... 27

Tradiční využití solární energie spočívá ve výrobě elektrické energie nebo teplé užitkové vody. Jinou možnost jak využít tuto energii například na pohon klimatizační jednotky, rozšiřují její možnosti využití především v dnech intenzivního slunečního svitu. Klíčovým prvkem klimatizačních jednotek pracujících na absorpčním principu je zkrápěný trubkový výměník. Některé vlastnosti, fyzikální principy a prostup tepla v něm předkládá následující článek.

HRDLIČKA J. Fluidní kotel na biomasu s inertní náplní Liapor.......................................................................................... 33

Příspěvek pojednává o realizaci kotle se stacionární fluidní vrstvou na biomasu, kde je jako inertní materiál použit keramický materiál Liapor. Popsány jsou základní vlastnosti Liaporu z hlediska fluidace a vlastní kotel na biomasu. V závěru příspěvku jsou uvedeny výsledky první spalovací zkoušky po dokončení realizace fluidního kotle.

Chłond R. Inhibitory v procesu zplyňování .................................................................................................................... 37

Následující článek přináší myšlenku změny v mechanismu tvorby znečišťujících látek při procesu zplyňování biomasy, tj. prachu, dehtu a PAU. Prezentovaná teorie průběhu reakcí a zkušenosti z oblasti energetiky by měly napomoci dosáhnout cíle, jímž je zvýšení čistoty získaného paliva a zvýšení výhřevnosti plynu. Předložený plán zkoušek na zařízení pro zplyňování biomasy ve Výzkumném energetickém centru obohatí znalosti spojené s procesy probíhajícími v průběhu konverze paliva a možnosti vlivu na jejich průběh.

JEREMIÁŠ M., POHOŘELÝ M., KAMENÍKOVÁ P., SKOBLJA S., VOSECKÝ M., ŠYC M., SVOBODA K., PUNČOCHÁŘ M. Katalytické vysokoteplotní odstraňování dehtu z plynu z alotermního zplyňování biomasy .................. 45

Tato práce popisuje 19h experiment, ve kterém byl produkován generátorový plyn z biomasy v 10kWt reaktoru s fluidním ložem a část plynu byla vedena do čistící trati sestávající z vysokoteplotního odprášení, adsorpce sirovodíku a niklového prereformingového katalyzátoru, na kterém probíhal reforming dehtu za teploty 500 °C. Přestože došlo k částečné deaktivaci katalyzátoru, bylo dosaženo min. 95% konverze dehtu po průchodu čistící tratí.

KAZDA R. Projekt plynové biostanice............................................................................................................................. 51

Příspěvek přináší základní návrh zemědělské bioplynové stanice na zpracování kukuřičné siláže, uvádí její roční provozní bilanci a ekonomické zhodnocení.

/4/


Brno 2009

KRIŢAN P., MATÚŠ M. Dôleţitosť druhu lisovaného materiálu pri briketovaní a peletovaní .......................................................... 57

Cieľom príspevku je poukázať na fakt, aký je dôležitý v procese zhutňovania druh materiálu. Druh materiálu svojim chemických zložením a charakteristickými vlastnosťami výrazne ovplyvňuje proces zhutňovania a parametre ovplyvňujúce výslednú kvalitu výliskov. V príspevku popisujeme výsledky analýzy vplyvu druhu lisovaného materiálu a čiastkové výsledky výskumu realizovaného na našom pracovisku v tejto oblasti.

MATÚŠ M., KRIŢAN P., KOVÁČOVÁ M. Analýza konštrukčných parametrov vplývajúcich na výslednú kvalitu výlisku......................................... 65

Potreba zhutňovania materiálov sa vyskytuje v každom odvetví priemyslu. Či už sa výlisky využívajú na zníženie nákladov na dopravu, alebo na následné materiálové či energetické zhodnocovanie, sú technológie zhutňovania nevyhnutné. Zároveň sa na výlisky kladú čoraz vyššie kvalitatívne požiadavky. Príspevok sa zameriava predovšetkým na analýzu konštrukčných parametrov ovplyvňujúcich dosahovanie kvalitatívnych požiadaviek na výlisky z biomasy. Opísané princípy však možno aplikovať na široké spektrum zhutňovaných materiálov.

MATÚŠ M., KRIŢAN P. Identifikácia väzbotvorných mechanizmov v procese zhutňovania biomasy a ich vplyv na konštrukciu zhutňovacích strojov ....................................................................................................................................... 73

Príspevok sa zaoberá technológiou zhutňovania biomasy ako obnoviteľného zdroja energie. Zameriava sa predovšetkým na analýzu a opis procesu premeny odpadu z biomasy na ušľachtilé tuhé biopalivo. Hlavným cieľom je analýza a rozbor prevládajúcich mechanizmov silových väzieb medzi časticami biomasy v procese zhutňovania. Poznanie týchto mechanizmov dáva základ pre rozvoj nových technológií využívania odpadu z biomasy ako zdroja energie. Pochopenie týchto väzbotvorných mechanizmov je tiež rozhodujúce pre návrh nových zhutňovacích strojov. Príspevok by mal napomôcť k lepšiemu poznaniu možností využívania biomasy ako obnoviteľného zdroja energie a tým prispieť k diverzifikácii energetických zdrojov.

NAJSER J. Sesuvný zplyňovač s řízeným podáváním paliva ......................................................................................... 79

Základem nové koncepce pilotní jednotky zplyňování dřeva se suvným ložem je systém podávání paliva v závislosti na zplyňovací teplotě . Parametry pilotní jednotky byly ověřeny při zkušebním provozu a naměřené hodnoty umožňují sledovat tendence změn jednotlivých hodnot v závislosti na změnách provozních parametrů zplyňovače. Kromě podrobné analýzy složení plynu byly zde rovněž určeny znečišťující látky v plynu (obsah dehtů a obsah tuhých znečišťujících látek), které jsou největší překážkou pro jeho další použitÍ.

SOOŠ Ľ., KRIŢAN P., MATÚŠ M. Vývoj konštrukcií briketovacích a peletovacích strojov .............................................................................. 85

Cieľom predkladaného príspevku je popísať výskumné aktivity v oblasti nových konštrukcií strojov realizované na ÚSETM Strojníckej fakulty STU v Bratislave.

ŠKVAŘIL J. Spalování plynu ze zplyňování biomasy........................................................................................................ 91

Článek se zabývá energetickými trendy v oblasti využívání obnovitelného zdroje s největším potenciálem v České republice. Prezentuje výzkumnou práci prováděnou na Energetickém ústavu Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, který je realizován za účelem zvýšení využívání biomasy a odpadů, a posouzení vhodnosti jejich zplyňování ke kombinované výrobě elektřiny a tepla.

UTĚŠIL T. Suška na biomasu ........................................................................................................................................... 97 Vzhledem k novému trendu využívat biomasu na energetické účely hlavně z důvodu dotací na výkupní cenu elektřiny, je nutné si uvědomit, že surová biomasa nemusí být vždy použitelná bez omezení. V mnoha případech musí být alespoň částečně předupravena či zpracována. Jedná se zejména o snížení její vlhkosti v instalova-ných sušících zařízeních.

ZBIEG R., GRYCMANOVÁ M. Měření teplotního pole uvnitř spalovací kotle ............................................................................................... 101

Náš příspěvek se zabývá měřením teplotních polí uvnitř spalovací komory kotle termočlánky – stíněným a nestíněným. Naměřené hodnoty slouží k porovnání skutečných (reálných) teplot ve spalovací komoře s jevy, které jsou namodelovány za pomocí nejrůznějších počítačových programů. V příspěvku je popsána metodika měření teplotních polí a výsledky jsou pro názornost převedeny do plošných grafů.

/5/


Brno 2009

ZBIEG R., GRYCMANOVÁ M. Zkouška spoluspalování biopaliva a černého uhlí....................................................................................... 107

Jedním z možných způsobů využití biomasy je její spoluspalování s dnes nejvíce využívaným palivem v energetice – uhlím. Hlavním cílem spalovacích zkoušek bylo určit, zda je možné trvalé spoluspalování biopaliva s černým uhlím a proplástkem ve stávajících podmínkách teplárny. V příspěvku jsou obsaženy výsledky, kterých bylo při zkouškách dosaženo spolu s popisem možných problémů, které mohou při takovém provozu vzniknout.

HORÁK J., BRANC M., HNILICOVÁ H. Emise jemných částic prachu při spalování tuhých paliv v malých splaovacích zařízeních ................... 113

Zdroje tepla v domácnostech, které spalují tuhá paliva jsou považovány za výrazné producenty tuhých znečišťujících látek (TZL, TSP). V roce 2005 cca 35 % z celkových emisí prachu PM10 (v ČR) pocházelo z vytápění domácností [1]. Článek prezentuje výsledky experimentálního stanovení emisí tuhých znečišťujících látek včetně rozdělení celkových TZL na frakce PM10 a PM2,5 v pěti typech spalovacích zařízení při spalování dřeva a hnědého uhlí.

/6/


Brno 2009

/7/


Brno 2009

/8/


Brno 2009

MĚŘENÍ VLHKOSTI PALIV Marek Baláš, Jiří Moskalík Použití biomasy pro energetické účely je závislé na jejím obsahu vlhkosti. Avšak měření tak nehomogenního materiálu jako je biomasa je poměrně tvrdým oříškem. Článek popisuje a hodnotí dostupné metody, kterými lze měřit vlhkost biomasy. Klíčová slova: biomasa, vlhkost, měření ÚVOD Biomasa je v současné době cenným energetickým zdrojem a její vyuţívání pro vytápění a výrobu elektrické energie v současné době narůstá. Před provozovateli výtopen však zůstává otázka kvality vyuţívané (nakupované) biomasy, a tudíţ i její reálné energetické hodnoty. Hlavním ukazatelem kvality paliva je jeho výhřevnost. Jak je patrné z Obr. 1 je výhřevnost přímo závislá na vlhkosti paliva. Dále se znalost aktuální vlhkosti paliva promítne ve snazší regulaci provozovaného spalovacího zařízení. Z hlediska uloţení vlhkosti v biomase ji můţeme rozdělit na: Vodu chemicky vázanou – je součástí chemických sloučenin. Nelze ji z biomasy odstranit sušením, ale pouze spálením, proto je v biomase zastoupena i při nulové absolutní vlhkosti. Zjišťuje se při chemických analýzách paliva a její celkové mnoţství představuje 1–2 % sušiny. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností nemá ţádný význam. Vodu vázanou (hygroskopickou) – nachází se v buněčných stěnách a je vázána vodíkovými můstky na hydroxilové skupiny OH amorfní části celulózy a hemicelulóz. Voda vázaná se v palivu vyskytuje při vlhkostech 0–30 %. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má největší a zásadní význam. Vodu volnou (kapilární) – vyplňuje v palivu lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má podstatně menší význam neţ voda vázaná. Obr. 1 Graf závislosti výhřevnosti biomasy na vlhkosti

Problém měření vlhkosti biomasy však spočívá v tom, ţe obsah vlhkosti je velice různý a navíc se vlivem okolního prostředí (vzdušná vlhkost, teplota, tlak) v čase mění. Okamţité měření vlhkosti biomasy není z hlediska provozu zařízeních spalujících biomasu nutností, ale velkou výhodou. Cílem této publikace je shrnout dosavadní poznatky při hledání metody umoţňující měření vlhkosti biomasy s co nejniţší časovou prodlevou (optimálně s okamţitým zobrazením změřené hodnoty), aplikovatelnou pro on-line měření paliva v zásobníku či během transportu paliva do spalovacího zařízení.

Ing. Marek Baláš, VUT FSI Energetický ústav,Technická 2, 616 69 Brno, [email protected]

/9/


Brno 2009

ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ PRINCIPŦ MĚŘENÍ VLHKOSTI MATERIÁLU Principy měření vlhkosti lze rozdělit podle několika kriterií:  



Stanovení vlhkosti oddělením vody od pevné fáze  jedná se o metody přímé – váhovou (gravimetrickou) a destilační Stanovení vlhkosti na základě specifických vlastností vody  odezva některých chemických reakcí (metoda K. Fischera, metoda karbidu vápníku)  pohltivost elektromagnetického záření vysokých frekvencí  spektrometrická metoda (NIR)  metoda nukleární magnetické rezonance (NMR)  metoda pohlcování gama a rentgenového záření  měření útlumu mikrovlnné energie  zpomalovací účinek vodíkových jader na rychlé neutrony  vysoká rozpouštěcí schopnost a vytváření elektrolytů  dipólový charakter molekul vody a související vysoká hodnota relativní permitivity Měření jiných veličin v souvislosti s obsahem vody  metody zaměřené na změnu elektrických vlastností materiálu (odporové, kapacitní, indukční)  metody zaměřené na změnu tepelných vlastností materiálu (změna součinitele tepelné vodivosti)

MĚŘENÍ VLHKOSTI POMOCÍ VSÁZKOVÝCH PŘÍSTROJŦ XYLENOVÁ METODA Jednou z moţných cest k určení vlhkosti je vyuţít experimentální váhovou metodu, kdy vlhkost stanovíme podle úbytku hmotnosti během procesu sušení. Jinou moţností je xylenová metoda, která je vhodná spíše pro biomasu s vyšší vlhkostí. Obr. 2 Zkušební aparatura ke stanovení vlhkosti Principem metody je destilace paliva s rozpouštědlem xylenovou metodou (xylenem), při které páry rozpouštědla s sebou strhávají páry vody – více ČSN 65 6062 [1]. Kondenzát se shromaţďuje ve zkalibrované části destilačního nástavce. Postup stanovení spočívá v tom, ţe do suché 500 ml destilační baňky se odváţí 50 g vzorku a přelije se mnoţstvím xylenu tak, aby svou hladinou překrýval vzorek. Destilační baňka se ohřívá. Destilace probíhá do té doby, dokud padající kapky xylenu v chladiči nejsou čiré a objem vody v nástavci zůstává konstantní. Po skončení destilace se vrstva odpařené vody změří. Xylenová metoda je metoda čistě laboratorní. Její výhodou je vysoká přesnost. Je však metodou destruktivní a lze jí měřit pouze malý vzorek, tudíţ nezměříme vlhkost v nehomogenním materiálu. Metoda se také nedá pouţít pro on-line měření vzhledem k náročnosti přípravy vzorků a dlouhé době procesu. GRAVIMETRICKÁ METODA Gravimetrická metoda vychází z definičního vzorce vlhkosti podle rovnice (1). Tato metoda je nejpřesnější metodou určení vlhkosti dřeva a je také referenční metodou (celosvětově uznávaný standard) při posuzování přesnosti ostatních metod.

/ 10 /


Brno 2009

w

abs



mw  mo mo

 100

(1)

Pracovní postup při gravimetrické metodě spočívá ve zjištění hmotnosti vlhkého dřeva mw a absolutně suchého dřeva m0 po jeho vysušení při teplotě 103 ± 2°C. Sušení se kontroluje opakovaným váţením. Dřevo se za vysušené povaţuje tehdy, kdyţ mezi následujícími dvěmi váţeními v intervalu dvou hodin se hmotnost nezmění o více neţ 0,02 g, resp. 1%. Obr. 3 Halogenová sušící váha [2]

Výhodou gravimetrické metody je její vysoká přesnost, k nevýhodám patří náročnost na čas, pracnost přípravy tělísek a nemoţnost kontinuálního měření vlhkosti. Dále je to, stejně jako u xylenové metody, metoda destruktivní a měření vlhkosti trvá dlouhou dobu (záleţí na obsahu vlhkosti a konkrétním postupu – aţ hodiny). Také není vhodná pro měření vlhkosti nehomogenních směsí. Na principu gravimetrické metody pracuje celá řada přístrojů zejména halogenové a infračervené sušící váhy. Charakterizuje je především rychlost a rovnoměrnost ohřevu i přesnost váţené vsázky zkoumaného materiálu. U halogenových přístrojů proniká záření dovnitř vzorku, kde se transformuje v tepelnou energii a k ohřevu materiálu dochází zevnitř ven, zatímco u klasické sušárny je vzorek ohříván proudem horkého vzduchu zvenku dovnitř. Proto je doba vysoušení mnohem kratší neţ u klasické sušárny. I tak jedno měření trvá v závislosti na palivu 20 aţ 70 minut.

NEPŘÍMÉ METODY MĚŘENÍ Z popisu přímých metod vyplývá, ţe jejich pouţití pro kontinuální sledování vlhkosti biomasy v běţném provozu výtopen a tepláren spalující biomasu je takřka nemoţné. Je tedy nutno hledat mezi metodami nepřímými. Ze seznamu základních principů nepřímých metod byly vybrány ty, u kterých je z literatury známo, ţe se dají vyuţít pro měření sypkých směsí či přímo dřeva. Vzhledem k tomu, ţe se však jedná o metody nepřímé, je u nich nutná přesná kalibrace pro kaţdé pouţívané palivo či jejich směs. Přesnost kalibrace pak velice ovlivní přesnost provozního měření. ODPOROVÉ MĚŘENÍ VLHKOSTI Nejběţnější přístroje pro okamţité měření vlhkosti dřeva jsou přístroje Obr. 4 Ruční dotykový měřič odporové (vodivostní). Metoda je zaloţena na změně vodivosti (odporu) s integrovanou hrotovou sondou dřeva v závislosti na jeho vlhkosti. Měříme (zpravidla extrémně vysoké) hodnoty odporu a tyto jsou přepočítávány pomocí integrovaných charakteristik přímo na absolutní vlhkost materiálu. Při měření vlhkosti dřeva je důleţitá také teplotní kompenzace měření. Pro vytvoření kontaktu s měřeným materiálem je v nabídce všech výrobců široká paleta příslušenství, přičemţ nejčastějším pouţitím, je zaráţení ocelových hřebů do měřeného materiálu. Přesnost měření se pohybuje v rozmezí ±0,2 aţ ±0,5 %. Měření trvá několik vteřin od zavedení sondy, avšak měření je bodové a pro větší celky je nutné jej opakovat. Skupinu odporových přístrojů musíme ale vyloučit, neboť předpokládá kontakt měřící části s měřeným předmětem, takţe ji lze pouţít jen u kusového dřeva. U nehomogenní biomasy (různé velikosti kusů, různá struktura biomasy (dřevo, kůra, stébelniny), se vzduchovými mezerami mezi jednotlivými kusy paliva, různě vázaná voda i uhlík, atd.) ji nelze pouţít vůbec. / 11 /


Brno 2009

NEUTRONOVÉ Tento typ bezdotykových přístrojů je zaloţen na pruţném rozptylu rychlých neutronů na jádrech vodíku, které ze všech prvků nejúčinněji rozptylují a zpomalují neutrony. Měřena je intenzita neutronového záření po absorpci dřevem. Odezva toku neutronů je dána celkovou objemovou vlhkostí. Měřič je vţdy tvořen minimálně zdrojem rychlých neutronů (většinou 241Am ve směsi s Be, aktivita cca stovky MBq aţ jednotky GBq) a detektorem pomalých neutronů. Lze pouţít buď uspořádání prozařovací, kde se měří zeslabení toku neutronů ze zdroje vlivem jejich rozptylu na jádrech vodíku, nebo odrazové, kde se měří vzrůst toku zpomalených neutronů v důsledku jejich rozptylu v okolním materiálu obsahujícím jádra vodíku. Metoda se nejčastěji pouţívá pro určení vlhkosti sypkých materiálů jako zemina, písek, různé směsi, uhlí, obilí atd. Výhodou této metody měření je to, ţe je proměřován relativně velký objem materiálu (aţ 0,1 m3). Samotný neutronový přístroj však dokáţe určit sumu jader vodíku ve vzorku – tedy i jádra vázána na uhlík či volná. Většina systémů se skládá z vysokonapěťového zdroje, detekční jednotky, bloku zesilovače a vyhodnocovací jednotky. Detekční jednotka můţe být umístěna přímo v dopravním zařízení měřeného materiálu, nebo do předem zhotovené měřící nádoby. Přístroj musí být před uvedením do provozu kalibrován. Pokud je potřeba stanovovit hmotnostní vlhkost, pouţívají se kombinované neutronové+gama sondy obsahující neutronový zdroj i zdroj gama-záření (např. 137Cs) a detektor neutronů i detektor gama (bývá často sloučeno do jedné kompaktní sondy). Z odezvy na záření gama lze stanovit hustotu materiálu, z neutronové odezvy jeho vlhkost. Obr. 5 Nádoba v přesypu [3]

Obr. 6 Nádoba ve skluzu [3]

Materiál pro testy musí zůstat několik vteřin v klidu, proto bylo vyvinuto několik moţností jak odebírat mnoţství materiálu potřebné pro test. V praxi se vyuţívá zejména nádoba v přesypu (Obr. 5) a nádoba ve skluzu (Obr. 6). Vzhledem k přítomnosti neutronového zářiče spadá tato metoda do pole působnosti a kontrol Státního úřadu pro jadernou bezpečnost a ze zákona musí být před jejím pouţitím podána Ţádost pro instalaci a pouţívání takovéhoto zářiče. Ţádost musí obsahovat důvod instalace, umístění, pouţívání, způsoby radiační ochrany, dozorující osobu provádějící pravidelné kontroly a také likvidaci takovéhoto zářiče. Montáţ vlhkoměru můţe být provedena teprve po schválení této ţádosti. MIKROVLNNÁ METODA - VYSOKOFREKVENČNÍ MĚŘIČE VLHKOSTI Metoda mikrovlnného principu je zaloţena na dipólovém chování molekul vody. Voda obsaţená v produktu se dostává do interakce s harmonickým elektromagnetickým rezonančním polem, vycházejících z mikrovlnného generátoru. Změny pole jsou zjištěné detektorem, vyhodnocovány v CPU, uloţeny a popř. zobrazeny na displeji. Ke změně elektromagnetického mikrovlnného záření (EMVZ), dochází jeho průchodem porézní látkou, kde je pohlcováno ve větší míře volnou vlhkostí (zejména kapalnou vodou v pórech) a v menší míře pevnou fází dané látky (včetně krystalicky vázané vody).

/ 12 /


Brno 2009

Pohlcená energie je pouţita na překonání třecích sil, které Obr. 7 Znázornění umístění mikrovlnného snímače brání molekulám přítomným v látce v pohybu, ke kterému v „nekonečné vrstvě“ paliva na pásu jsou nuceny působením EMVZ. Útlum je tím větší, čím více se molekuly mohou v poli EMVZ natáčet či deformovat a čím je prostředí hustější. Molekulární řetězce v krystalové mříţi porézní látky se nemohou takřka vůbec pohybovat, a proto EMVZ nepohlcují. Molekuly vodní páry přítomné v pórech látky a molekuly vody v kapalné fázi se mohou natáčet v poli EMVZ velice snadno a proto kapalná voda pohlcuje mikrovlny intenzivně. Přístroje zaloţené na mikrovlnném měření vlhkosti jsou konstruovány na základě otevřeného rezonátoru, který je umístěn v ocelovém pouzdře. Důleţitým předpokladem pro správné měření zbytkové vlhkosti v objemovém materiálu je správný výběr pozice pro sondu. Musí být především věnovaná pozornost skutečnosti, objemový materiál v sile nebo na dopravníku procházející přes sondu měl „nekonečnou“ vrstvu. Instalace jsou moţné ve šnekovém podavači, na dopravním pásu i přímo v sile. KVANTITATIVNÍ ANALÝZA POMOCÍ NIR SPEKTROMETRIE NIR spektroskopie je rychlá nedestruktivní metoda chemické analýzy, která spočívá v takových interakcích elektromagnetického záření s hmotou, které jsou spojeny s výměnou energie mezi hmotou a zářením, přičemţ energie NIR záření můţe změnit pouze vibrační nebo rotační stav molekuly. Princip metody tedy spočívá v měření odraţeného, popř. prošlého elektromagnetického záření vzorkem. Část energie tohoto elektromagnetického záření je pohlcována absorbéry, coţ jsou dvouatomové vazby C-H, N-H, O-H, S-H. Příčinou absorpce světla je změna rotačně-vibračních stavů těchto vazeb. Jejich počet je úměrný koncentraci řady komplexních látek v analyzovaném materiálu a je proto moţné tyto závislosti analyticky vyuţít [4]. Z energie odraţeného světla lze vyhodnotit informace o chemickém sloţení vzorku. Metoda vyţaduje analytickou kalibraci, kterou se rozumí závislost optických dat na obsahu stanovované sloţky. Je to řada numerických konstant pro jednotlivé vlnové délky, při kterých probíhá měření pro kaţdou kombinaci analyzovaného produktu a parametru. Mikroprocesor z naměřených hodnot energie a z kalibračních konstant uloţených v paměti vyčíslí výsledky analýzy. Oblast NIR záření bývá obvykle definována rozsahem vlnových délek 780 nm aţ 2500 nm, mezi infračervenou a viditelnou částí spektra [5]. Výhodou analýzy je přesnost a rychlost (NIR analýza trvá 20-60 sec). Metoda je také finančně náročná vzhledem ke sloţitosti technologii. DVOJÚROVŇOVÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ Emitor vysílá rentgenové záření skrz materiál ve dvou energetických Obr. 8 Schéma měřiče vlhkosti úrovních, a to 70eV (16,9PHz) a 40 eV (PHz). Rentgenové záření je vyuţívající rentgenové záření absorbováno materiálem v závislosti na celkovém hodnotě radiačního paprsku. Na druhé straně oproti emitoru je umístěn detektor zachycující zředění vzorku signálu původních dvou frekvencí (viz Obr. 8). Fotoelektrická absorpce paprsku je ovlivněna lehčími prvky, jako jsou uhlík a kyslík. Díky tomu je moţné rozlišit vodík vázaný na uhlík (uhlovodíky), volný vodík a vodík vázaný na kyslík (voda). Tato metoda je relativní, proto potřebuje kalibraci. Měřitelný obsah vlhkosti je mezi 10 a 75,3 %. Tyto přístroje jsou prozatím ve fázi výzkumu [6].

/ 13 /


Brno 2009

NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANCE (NMR) Atomy vodíku se chovají jako malé magnety. Proto se v magnetickém poli samy seřadí do určitého úhlu. Pohyb atomu z jednoho uspořádání do jiného úhlu poţaduje určitou energii které závisí na síle magnetického pole. Pohyb můţe být registrován pomocí NMR spektroskopie. Jak metoda předesílá obsah vodíku ve vzorku, ale podmínkou je udrţení konstantní hustoty vzorku nebo její měření pro následný přepočet. On-line měřící přístroj bývají s permanentním magnetem a s mezerou pro průchod vzorku, cívkami jimiţ lze měnit magnetické pole, cívkami pro generování a detekování ztrát energie, měření teploty pro měření podmínek okolí při vzorkování. Pouţitá energie je elektromagnetická radiace v RF-oblasti. Během pokusu nesmí být přítomny normální feromagnetické materiály jako je ruda a magnetické kovy, protoţe by mohly velmi váţeně poškodit součásti přístroje. Jedná se metodu nepřímou, takţe je opět třeba kalibrace.

ZÁVĚR Ze získaných poznatků je patrné, ţe teoreticky moţných způsobů, jak stanovit vlhkost biomasy je několik. Pro kontinuální měření se jeví jako nejvýhodnější některá z radiometrických metod, mikrovlnné metody i metody NIR.. Ale případná aplikace s sebou přináší riziko spojené s nehomogenním sloţením měřeného materiálu. U všech uvaţovaných metod je nutná kalibrace pro daný materiál. V praktickém provozu energetické centrály ale lze jen velmi těţko předpokládat, ţe bude neměnné sloţení paliva, např. podíl kůry, zeminy, apod. Proto případná aplikace těchto metod pro on-line měření vlhkosti biomasy bude velice náročná. Většina aplikací také poţaduje zároveň i on-line měření hmotnostního toku paliva. Tab. 1 Přehled moţných metod měření vlhkosti biomasy

Metoda Gravimetrická metoda Vodivostní (odporové) metody Dvojúrovňové rentgenové záření Nepřímé měření vlhkosti (Určování účinnosti) Snímání elektromagnetickými vlnami (RF) Infračervení spektroskopie (NIR) Mikrovlnná metoda Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Moţnost měření on-line N N A

Aplikace metody na mnoţství Velikost (M) nebo tok materiálu (T) chyby

M (cca 2 kg)

2,5 % do 10 % 2%

A

M

1–2%

A

M,T

0,1 – 6 %

A A

T 0,3 – 7 % T 2% V současnosti M, ale zlepšení 0,3 % na T pro dřevní štěpku

A

Cena 2 300 € 100 €

12 000 € 5 000 € 18 000 €

PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Grantové agentury České republiky projekt 101/09/1464 Termodynamická analýza procesů spalování a zplyňování biopaliv a Fondu vědy FSI projekt BD 139 3002.

POUŢITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Bašus, V. a kol.: Příručky měřící techniky. SNTL, Praha, 1965, URL [cit. 2009-11-10]. URL <www.zam-servis.cz/KATALOG_PD/CZ/NMT-204_CZ_V02.pdf> [cit. 2009-11-13]. Bien, R.: NIR spektroskopie v systému hodnocení jakosti potravin a krmiv, O.K. SERVIS BioPro, s.r.o., Praha Čopková, J. a kol.: Uplatnění NIR spektroskopie v analýze čokolády. Chemické listy 97, 571 n 575 (2003) Nyström, J., Dahlquist, E.: Methods for determination of moisture content in woodchips for power plants – a review. Fuel 83 (2004) 773–779 / 14 /


Brno 2009

SOUPROUDÉ ZPLYŇOVACÍ GENERÁTORY A JEJICH POUŢITÍ PRO VÝROBU ELEKTRICKÉ ENERGIE Z BIOMASY Zdeněk Beňo, Siarhei Skoblia Zplyňování biomasy je jedním z perspektivních způsobů jejího energetického využití. Souproudé zplyňovací generátory jsou díky svým vlastnostem, mezi které patří především nízký obsah dehtu ve výstupním plynu a konstrukční nenáročnost, celosvětově používány pro výrobu tepla a elektrické energie. Ačkoli energetické zplyňování biomasy v souproudých generátorech započalo již před takřka sto lety, i dnes se pracuje na vývoji generátorů a dalších zařízení, aby tak bylo možné využívat širší spektrum paliv, zvýšila se kvalita plynu a byla minimalizována pravděpodobnost provozních komplikací. Klíčová slova: zplyňování, biomasa, čištění plynu, kogenerace ÚVOD Celosvětově v současné době roste poptávka po elektrické energii. Ta je nyní získávána z několika zdrojů, z nichţ nejvýznamnější zastoupení mají fosilní paliva (viz Obrázek 1). Jejich vyuţívání je spojeno s ekologickými problémy, a také i proto je kladen důraz na maximální vyuţívání obnovitelných zdrojů elektrické energie. Biomasa má z těchto zdrojů největší potenciál.

Obr. 1 - Světové zdroje energie (Energy Information Administration, 2006)

Pro vyuţití biomasy jsou nejvhodnější dva termochemické procesy. Spalování je nejjednodušší a technicky nejlépe zvládnutý proces, který si ovšem pro následnou výrobu elektrické energie ţádá stejná zařízení, jako např. u uhelných kondenzačních elektráren (parní turbína atd.), coţ neúměrně zvyšuje náklady. Dalším způsobem je zplynění biomasy na plynné palivo, jeţ je následně vyuţito k produkci tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách. Tento koncept se jeví jako vhodný pro výrobu energie v zemědělských oblastech rozvojových zemí, eventuelně v oblastech s velkými zdroji biomasy. Na Obrázku 2 je instalace společnosti Aruna Electrical Works Pvt Ltd, jeţ je instalována v oblasti Tamil Nadu na jihu Indie. Jako zdroj plynného paliva pro kogenerační jednotky převáţně slouţí souproudé zplyňovací generátory.

Ing. Zdeněk Beňo, ÚPKOO, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha 6 , [email protected]

/ 15 /


Brno 2009

Obr. 2 Souproudý zplyňovací generátor v kombinaci s plynovým motorem [1] CHARAKTERISTIKA GENERÁTORU IMBERT Souproudý zplyňovací generátor pouţívající jako palivo dřevo byl vyvinut Jacquesem Imbertem kolem roku 1920. Velkého rozšíření tyto generátory doznaly během 2. světové války, kdy nastal v Evropě velký nedostatek fosilních paliv a dřevoplyn se ukázal jako ideální náhrada těchto paliv. Koncem války jezdilo v Evropě 700 000 vozidel poháněných dřevoplynem [3]. Souproudý „Imbertův“ generátor je válcovitého tvaru a je charakteristický především zúţením v místě přívodu zplyňovacího média, kterým bývá obvykle vzduch. Palivem bývá nejčastěji dřevo, eventuelně odpad z jeho zpracování. V případě tohoto typu generátoru palivo a zplyňovací médium proudí stejným směrem. Palivo je dávkováno shora a během procesu prochází několika zónami. V první zóně dochází k jeho vysušení a uvolňuje se především vlhkost. Vysušený materiál následně přichází do pyrolyzní zóny, kde dochází za vyšších teplot k odplynění paliva za vzniku pevného uhlíkatého zbytku a plynných produktů pyrolýzy. Tyto produkty následně přicházejí do oxidační zóny, kde je obvykle několika tryskami přiváděno zplyňovací médium (v případě tohoto typu generátoru převáţně vzduch) a v této zóně dochází ke spálení především plynných pyrolýzních produktů a části pevného uhlíkatého zbytku. Teplo uvolněné při těchto procesech energeticky zabezpečuje veškeré další endotermní reakce, k nímţ během procesu zplyňování dochází. V následující redukční oblasti dochází k reakci plynných produktů oxidačních reakcí (převáţně CO2 a H2O) a nezreagovaných produktů pyrolýzy s pevným uhlíkatým zbytkem a anorganickými sloţkami obsaţenými ve vstupní biomase. Za vysokých teplot (>900°C) dochází k redukčním pochodům, při kterých vzniká primárně CO a H2. Vysoké teploty v této zóně rovněţ umoţňují efektivnější rozklad pyrolýzních produktů, a proto se tento typ generátoru vyznačuje nízkým obsahem dehtu ve výstupním plynu. Schéma generátoru je uvedeno na Obrázku 3.

Obr. 3 Schéma souproudého zplyňovacího generátoru [7]

/ 16 /


Brno 2009

Mezi hlavní nevýhody patří především vysoké nároky na velikost a rozměry paliva. Jako palivo prvních generátoru slouţilo dřevo v podobě uniformních kusů. U současných generátorů typu Imbert je doporučováno palivo větších a jednotných rozměrů. Není-li tato podmínka splněna, hrozí především vznik klenby, eventuelně vznik kanálů, coţ jsou hlavní provozní problémy, které mohou způsobit sníţení kvality vzniklého plynu, nebo také poškození samotného generátoru. Vlhkost paliva by u tohoto typu generátoru neměla překročit 20 % hm. Při vyšších hodnotách vlhkosti v palivu je potřeba více tepla pro její odpaření a sniţuje se teplota v oxidační a redukční zóně, čehoţ důsledkem je zvýšení koncentrace dehtu ve výstupním plynu. Z konstrukčního hlediska rovněţ není moţné tyto generátory projektovat na vyšší výkony, neboť při větších rozměrech by nebylo moţné zajistit dostatečně vysoké teploty po celém průřezu hrdla a zvyšovalo by se riziko vzniku zkratových proudů. Proto se tyto generátory projektují pro jednotky o výkonu nepřesahujícím 250 kWe. Na energetickou účinnost celého zařízení má negativní vliv také skutečnost, ţe plyn vystupuje ve spodní části reaktoru a má relativně vysokou teplotu (aţ 700°C). MODIFIKACE GENERATORU IMBERT Hlavní úpravy byly zaměřeny na eliminaci, nebo alespoň minimalizaci jiţ uvedených nevýhod, aby se tak rozšířila palivová základna a zvýšila účinnost transformace. Na Obrázku 4A je uvedeno schéma generátoru přizpůsobeného ke zplyňování briketovaných zemědělských odpadů o původně nízké sypné hustotě a s vyšším obsahem popelovin [2]. Úpravy horní části zásobníku byly provedeny za účelem kompenzace objemových změn briket paliva, ke kterým docházelo při procesech sušení a pyrolýzy a zabránění vzniku klenby. Dále byl generátor vybaven otočným roštem, který zabraňoval spékání škváry v generátoru. Oblast oxidační zóny byla dalším místem, na které byla upřena pozornost. Experimentovalo se především s umístěním trysek, které přiváděly zplyňovací médium, aby tak byl zabezpečen co nejlepší kontakt zplyňovacího média a produktů pyrolýzy. Společně s tím se také modifikoval tvar a velikost hrdla (viz Obrázek 4B). Vzhledem k tomu, ţe ţivotnost ocelových částí v oblasti oxidační zóny byla relativně nízká z důvodu vysokých teplot a oxidačního prostředí, začalo se v této oblasti vyuţívat keramické vyzdívky. Tato vyzdívka podstatně zvyšuje ţivotnost generátoru, rovněţ má i funkci tepelně akumulační a pozitivně působí na rozklad dehtů. Pro vyuţití citelného tepla odcházejícího plynu, který má relativně vysokou teplotu, se přistoupilo k dvouplášťovému provedení generátoru, kdy plyn vycházející zespoda do prostoru mezi pláště obtéká tělo zplyňovače a odevzdává část citelného tepla zpátky do procesu. Plyn vystupující v horní části reaktoru má teplotu cca 300°C.

Obr. 4A - Upravený Imbertův generátor

Obr. 4B - Modifikace hrdel a umístění trysek

GENERÁTOR S „OTEVŘENÝM VRCHEM“ Tento typ souproudého generátoru byl vyvinut Thomasem Reedem za účelem, aby se předešlo problémům s vytvářením klenby a vzniku kanálů při zplyňování paliva o niţší sypné hustotě, které nastávaly u klasických „Imbertů“ [3]. Samotný generátor má tvar válce a rošt je umístěn ve spodní části. Palivo i oxidační vzduch vstupují do reaktoru shora a palivo prochází stejnými zónami, jako v reaktoru Imbertovy koncepce. Otevřená vrchní část umoţňuje rovnoměrný přístup oxidačního vzduchu a také usnadňuje dávkování paliva. Tento generátor je vhodný pro i pro palivo s vyšším obsahem popele (aţ 20 % hm.). Dané konstrukční řešení je jednodušší a umoţňuje konstruovat zplyňovací generátory větších výkonů, neţ dovoluje imbertova konstrukce. / 17 /


Brno 2009

I u této koncepce byly provedeny změny, jeţ měly za cíl zefektivnění provozu generátoru. Tyto změny byly především v oblasti přívodu a distribuce zplyňovacího média, izolace generátoru a odvodu vzniklého plynu tak, aby došlo k minimalizaci tepelných ztrát. Typickým příkladem takto inovovaného zařízení je generátor vyvinutý na NTNU (Norwegian University of Science and Technology) viz. Obrázek 5. Samotné tělo reaktoru je vyrobeno z keramiky, která především zvyšuje odolnost zařízení vůči oxidaci a vysokým teplotám. Dále je upraven přívod zplyňovacího média, které je přiváděno jak shora (80 %), tak z boku v několika vrstvách po výšce reaktoru (20 %). Při provozování tohoto generátoru byly nicméně zaznamenány problémy s nestabilitou provozu [4].

Obr. 5 - Generátor s otevřeným vrchem instalovaný na NTNU, Norsko [4] DVOUSTUPŇOVÝ GENERÁTOR Na rozdíl od předchozích koncepcí, kde se všechny zóny nacházejí v jednom prostoru, v případě dvoustupňového generátoru jsou zóny pyrolýzy a redukce od sebe odděleny. Schéma konstrukčního provedení 100 kWth generátoru vyvinutého na DTU Kodaň je uvedeno na Obrázku 6. Prchavá hořlavina vystupující z pyrolyzní komory je v horní části druhé komory přiváděným vzduchem parciálně oxidována a vzniklé produkty procházejí vrstvou pevného uhlíku a popelovin, kde dochází k jejich redukci. Výška vrstvy ovlivňuje dobu zdrţení jednotlivých sloţek, coţ má mimo jiné i vliv na sníţení koncentrace dehtu ve výstupním plynu, ale také i tlakovou ztrátu. Tento typ zplyňovače se vyznačuje produkcí plynu o relativně vysokém spalném teplu (Qs=6,2 MJ/kg) s velice nízkým obsahem dehtů (<15 mg/m3). SOUPROUDÉ ZPLYŇOVACÍ REAKTORY V ČR V ČR je několik instalací kogeneračních jednotek, z nichţ některé jsou zobrazeny v tab. 1. Výkonově se jedná o instalace od 30 do 250 kWe. a jejich úroveň je odlišná. Stejně jako i jinde ve světě provozovatelé bojují s relativně vysokou finanční náročnosti a také s technickými a technologickými problémy, které genezi konkurenceschopného zařízení provázejí.

/ 18 /


Brno 2009

Obr. 6 – Schéma dvoustupňového generátoru umístěném na DTU, Dánsko [8] Tabulka 1 - Kogenerační jednotky v ČR

Planá nad Luţnicí DSK, Újezdeček-Dukla Kopřivná Hanušovice BOSS, Louka Klobouky u Brna TARPO,Rakovník

Výkon kWe 100 100-250 70-100 100 30 -

Způsob čištění plynu Mokré čištění Mokré čištění Mokré čištění Mokré čištění Prací olej Prací olej

Druh paliva dřevo dřevo, dřevotříska dřevo dřevo dřevo -

Mezi jedno z nejrozpracovanějších patří zařízení umístěné v obci Louka. Srdcem instalace je souproudý generátor Imbertovy konstrukce, na němţ byly uplatněny některé inovace. Nejvýznamnější jsou keramická vyzdívka vnitřního prostoru oxidační zóny, přívod zplyňovacího vzduchu ve dvou vrstvách a dvouplášťové provedení, jeţ umoţňuje vyuţít citelné teplo odcházejícího plynu. Fotografie těla generátoru a plynového motoru jsou na Obrázku 7. Generátor produkuje plyn o spalném teple 5,6-6,6 Mj.kg-1 a s obsahem dehtu 300-470 mg.m-3 (dle Tar protocolu)[5].

Obr. 7 Tělo generátoru a plynový motor

/ 19 /


Brno 2009

ZÁVĚR Potenciál biomasy pro podílení se na energetických potřebách naší společnosti je relativně velký. Souproudý zplyňovací generátor je nejvhodnější volbou pro produkci nízkovýhřevného plynu ke kombinované výrobě tepla a elektrické energie. Pro danou aplikaci, jeţ tedy předpokládá termochemické vyuţití biomasy, je při výběru zplyňovacího generátoru nutno vzít v úvahu především cílový produkt (teplo, elektrická energie popř. obojí), fyzikálně-chemickou charakteristiku paliva a rovněţ provozně-technické omezení samotného zplyňovače. Generátor Imbertovy koncepce proto není například vhodný ke zplyňování paliv o nízké hustotě (kůra, skořápky) a jako mnohem vhodnější se jeví uţití vrstevnatého generátoru, neboli generátoru s otevřeným vrchem. Obsah dehtu je zase nejniţší v případě dvoustupňového zplyňovače. POUŢITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

India: Aruna Biomass Gasification [online]. 2007 [cit. 2010-01-14]. Dostupný z WWW: . LIINANKI, L., SVENNINGSSON, P.J, THESSEN, G. Gasification of agricultural residues in a downdraft gasifier. 2nd International Producer Gas Conference,1985, Bangdung, Indonesia REED, Thomas B., DAS, Agua. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier System. Golden, Colorado : Solar Energy Research Institute, 1988. 140 s. ISBN 1890607002. BARRIO, Maria. Experimental Investigation Of Small-Scale Gasification Of Woody Biomass. [s.l.], 2002. 222 s. The Norwegian University of Science and Technology. Dizertační práce. SKOBLIA, Siarhei. Úprava složení plynu ze zplyňování biomasy. Praha, 2004. 154 s. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. Vedoucí dizertační práce Doc. Ing. Bohumil Koutský, CSc. SKOBLIA, S. a kol: Vlastnosti plynu produkovaného souproudým generátorem, zpráva MPO FT-TA3/112, VŠCHT Praha, říjen 2009. Woody Biomass Conversion Technologies [online]. 2008 [cit. 2010-01-18]. Dostupný z WWW: . The Viking Two Stage Gasifier [online]. 2007 [cit. 2010-01-18]. Dostupný z WWW: . PODĚKOVÁNÍ

Autoři dekuji MPO za finanční prostředky poskytnuté v rámce projektu FT-TA3/112. Část práce vznikla za podpory v rámci výzkumného záměru MŠMT ČR č. MSM6046137304.

/ 20 /


Brno 2009

NOVÉ TRENDY VE VYUŢITÍ BIOPLYNU Jiřina Čermáková, Daniel Tenkrát Proces anaerobní fermentace je v dnešní době využíván v 30 zemědělských bioplynových stanicích a stovce čistíren odpadních vod v České republice. Veškerá produkce bioplynu je spotřebována pro produkci tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách, přičemž většina odpadního tepla bývá během roku nevyužita. Alternativní možností využití bioplynu je jeho úprava na kvalitu zemního plynu, tzv. biomethan. Tento příspěvek se zabývá procesem fermentace a srovnáním jednotlivých čistících metod bioplynu na biomethan. Klíčová slova: biomethan, bioplyn ÚVOD Bioplyn vzniká biologickým rozkladem organických látek v anaerobních podmínkách a tento proces se nazývá methanová fermentace, anaerobní digesce, biometanizace nebo biogasifikace. Dle technického předpisu TPG 902 02 termínem bioplyn je označován surový plyn produkovaný anaerobní fermentací různými druhy bioplynových stanic, a čistíren odpadních vod (ČOV). Za bioplyn není nepovaţován skládkový plyn, který můţe obsahovat širokou škálu škodlivých a jedovatých plynů a proto jej není moţné vtláčet do veřejných plynárenských sítí. Výsledkem methanové fermentace je vţdy směs plynů a fermentovaný zbytek organické hmoty. Plynná směs obsahuje především metan a oxidu uhličitý a v menší míře také další minoritní sloţky organického nebo anorganického charakteru, např. sulfan, dusík, čpavek, vodu, siloxany a jiné. Poměrné zastoupení všech sloţek bioplynu závisí nejen na sloţení výchozího substrátu, ale také na způsobu výroby. Bioplyn vzniká z organické hmoty, která zahrnuje jak rostlinou biomasu (fytomasu) a ţivočišnou biomasu, tak vedlejší organické produkty či organické odpady. Vhodnost materiálu pro anaerobní fermentaci můţe být významně narušena např. stopovým mnoţstvím neţádoucích příměsí (zpravidla potlačují vznik fermentačních bakterií) nebo nevhodnou manipulací či nesprávným předchozím zpracováním. Největší mnoţství methanu vzniká při fermentaci z rozkladu polysacharidů, lipidů a proteinů. Jedna z hlavních stavebních látek fytomasy je lignin, který je z hlediska methanogeneze balastním prvkem a tvorby methanu se téměř neúčastní, pokud není fyzikálně-chemickými procesy předem zpracován. Optimální obsah sušiny pro zpracování tuhých odpadů anaerobní fermentací je 22 aţ 25 %, u kapalných odpadů je v rozmezí 8 aţ 12 %. Dolní hranice obsahu sušiny v substrátu je dána pozitivní ekonomickou a energetickou bilancí procesu a zpravidla dosahuje hodnoty 3 – 5 %. Horní obsah sušiny je omezen mezí čerpatelnosti materiálu a fermentačním procesem a pohybuje se okolo 50 %. Dalším důleţitým parametrem v procesu fermentace je doba zdrţení materiálu ve fermentoru. Ţivočišná biomasa je snadno rozloţitelným substrátem a její kumulativní produkce bioplynu dosahuje maxima přibliţně ve třiceti dnech, poté je produkce bioplynu nízká a z ekonomického hlediska nevýznamná. Odbouratelnost organické hmoty v ţivočišné biomase činí 40 – 60 % a na jeho fermentaci obvykle stačí jeden fermentor s dobou zdrţení do 30 dnů. Jiná situace nastává v případě kukuřičné siláţe, kde vyšší podíl hůře rozloţitelné hemicelulózy prodluţuje hydrolyzní a acidogenní fázi rozkladu a doba zdrţení potřebná pro odbourání organické hmoty se prodlouţí na 50 – 140 dnů. V praxi je tato skutečnost řešena dvěma reaktory za sebou s dobou zdrţení 30 - 40 dní (celkem 60 – 80 dní). Rozloţitelnost organické sušiny u siláţované kukuřice dosahuje 60 – 90 %. Různé typy substrátů se také liší v produkci bioplynu jak vyplývá z tabulky 1. V okolí bioplynové stanice obvykle není dostatečné mnoţství jednoho substrátu a je tedy výhodná kofermentace různých substrátů. Při vhodném zvolení substrátů lze zlepšit produkci a výkon bioplynové stanice či zvýšit obsah sušiny nebo naopak. V současné době je většina bioplynových stanic provozována v mezofilním reţimu při teplotě cca 38 °C. Aby bylo dosaţeno ţádoucí fermentační teploty, je nutné fermentor otápět. Na 1 m3 objemu fermentoru je zapotřebí cca 200 – 500 kWh/rok energie pro ohřev a vyrovnání tepelné ztráty v závislosti na roční době (průměr 350 kWh/rok), coţ přibliţně odpovídá 10 – 15 % z celkově vyrobeného tepla v kogenerační jednotce. Další energie při fermentaci je spotřebovávána na provoz míchadla. Dobré promíchání je dosaţitelné při spotřebě energie 5 aţ 8 W/m3 reaktoru za hodinu. Spotřeba energie na míchání je silně závislá na vlastnostech reagující suspenze Ing. Jiřina Čermáková, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha 6, [email protected]

/ 21 /


Brno 2009

a obsahu sušiny. Celková spotřeba elektrické energie na produkci bioplynu dosahuje cca 5 % z celkově vyrobené elektřiny v kogenerační jednotce. Tab. 1 Produkce bioplynu pro vybrané substráty

Substrát Hovězí kejda Prasečí kejda Siláţovaná kukuřice Travní siláţ Zbytky z krmení Podestýlka – pšeničná sláma Ţito - zrno Kuchyňské odpady bohaté na tuky

Obsah sušiny [%]

Organická sušina v sušině [%]

8,8 6 33 35 34 86 87 18

Produkce bioplynu

85 85 96 89 92,5 91,5 90

m3/t org. sušiny 280 400 586,1 583,8 585 369 1000

m3/t vlhké hmoty 21 20,4 185,3 182,3 184 290 45

92

761,5

126,5

Obsah CH4 v bioplynu [%] 55 60 52,2 54,1 53 51 68 61,9

Jednou z variant vyuţití bioplynu je jeho spotřeba pro energetické účely v místě vzniku na výrobu tepla a elektrické energie převáţně v kogeneračních jednotkách. Kogenerační jednotky obvykle pracují s účinností 80 %, přičemţ 38 % tvoří elektrická účinnost a 42 % tepelná účinnost. Vyrobené teplo je vyuţíváno pro produkci teplé uţitkové vody, pro ohřev fermentorů či pro otápění provozních budov. I přes značné moţnosti vyuţití odpadního tepla nebývá veškeré mnoţství zuţitkováno a tak dochází po většinu roku ke ztrátám energie. Schématické znázornění vyuţití bioplynu v kogenerační jednotce je zobrazeno v obrázku 1. Po odečtení provozních nákladů na výrobu bioplynu a ztrát způsobných kogenerační jednotkou při přeměně bioplynu na teplo a elektřinu lze vyuţít téměř 65 % energie z bioplynu při plném vyuţití tepla. Pokud není zajištěno vyuţití odpadního tepla lze z bioplynu vyuţít pouze 35 % energie. Fáze

Produkce bioplynu

Proces

Produkt

El. energie

Transport

Siláž

Ohřev + El. energie

Anaerobní digesce + míchání

Bioplyn

Využití bioplynu

KJ

El. energie Teplo

Obr. 1 Vyuţití bioplynu v kogenerační jednotce Jinou moţností vyuţití bioplynu je jeho úprava na plyn srovnatelný kvalitou a čistotou se zemním plynem, na tzv. biomethan, který lze srovnatelně vyuţít jako zemní plyn transportovaný z ruských nebo norských nalezišť. Hlavní předností biomethanu je moţnost jeho vyskladnění do stávající plynovodní sítě a následná distribuce aţ k místům lepšího vyuţití, např. k vysoce účinným polygeneračním zařízením či plnícím stanicím na CNG, čímţ dojde k plnému vyuţití odpadního tepla a energetická účinnost vzroste. Schématické znázorněné vyuţití bioplynu jako náhradního zemního plynu je uvedeno v obrázku 2. .

/ 22 /


Brno 2009

Fáze

Produkce bioplynu

Proces

Produkt

El. energie

Transport

Siláž

Ohřev + El. energie

Anaerobní digesce + míchání

Bioplyn

Čištění

Produkce biomethanu El. energie

Regulace tlaku

Biomethan

Vtláčení + distribuce Využití biomethanu

Elektrárna

Kotel

Teplo El. energie

El. energie

Komprese

Bio CNG

Obr. 2 Vyuţití bioplynu jako náhradního zemního plynu ZPŦSOBY ÚPRAVY BIOPLYNU Dříve neţ lze vyrobený bioplyn pouţít jako náhradní zemní plyn, musí být zbaven neţádoucích sloţek, kterými jsou především sulfan, oxid uhličitý a voda. V reálném provozu jsou ověřeny a pouţívány metody zaloţené zejména na absorpčním a na adsorpčním principu. Další perspektivní metodou se jeví membránová separace, která má jiţ první komerční nasazení. Adsorpce Proces adsorpce vyuţívá Van der Walsových sil, které váţou molekuly odlučovaného plynu na povrch vysoce porézní pevné látky. Adsorpce zpravidla probíhá za zvýšeného tlaku a desorpce (regenerace sorbentu) při sníţeném tlaku. PSA - Pressure Swing Adsorption Před pouţitím této metody je nutné surový bioplyn nejprve odsířit a vysušit aţ na poţadované koncentrace, které činí maximálně 500 mg/m3 sulfanu a 0,2 g/m3 vody v bioplynu, jinak dochází k trvalému poškození zařízení. Odsířený vlhký plyn je stlačen na potřebný provozní tlak cca 4 – 7 barů, přičemţ dojde k jeho ohřátí z 25 - 35 °C na 60 – 90 °C a který je následně zchlazen na teplotu 10 aţ 20 °C, přičemţ se odloučí zkondenzovaná voda a plyn je částečně vysušen. Takto vyčištění plyn se přivádí zespodu do adsorbéru, který obsahuje molekulové síto tvořené velmi jemně rozemletým uhlíkem v extrudované podobě. Na tomto adsorbentu se zachycuje CO2 a zbytkové koncentrace H2O, H2S a NH3 a rovněţ malé mnoţství methanu. Z horní části adsorbéru vychází upravený bioplyn s koncentrací methanu 96 – 98 %. Po nasycení adsorpčního materiálu je bioplyn veden do druhé sady adsorbérů a dochází k regeneraci sorbentu. Absorpce Absorpce je zaloţena na rozdílné rozpustnosti methanu a neţádoucích plynů (CO2, H2S a NH3 v pracích kapalinách. Podle způsobu pohlcení plynů se jedná buď o fyzikální nebo chemickou absorpci.

/ 23 /


Brno 2009

Vodní tlaková vypírka – Pressure Water Absorption (PWA) Surový bioplyn je dvoustupňově stlačen na pracovní tlak 4 – 7 barů a ochlazen na 15 °C a poté přiveden na dno absorpční kolony. Plyn je v koloně protiproudně skrápěn vodou o teplotě 5 nebo 25 °C. V absorpční koloně se do vody rozpouští kyselé a basické sloţky, přičemţ při niţší teplotě je absorbováno jejich větší mnoţství. Stejný účinek má také zvýšený tlak. Vyčištěný plyn obsahuje aţ 96 % methanu, 1 – 2 % CO2 a zbytek tvoří kyslík a dusík. Plyn je zcela nasycen vodní párou, a proto musí být před dalším pouţitím vysušen, případně musí být odstraněny zbytkové koncentrace síry na aktivním uhlí. Proces tlakové vypírky neodstraní z bioplynu N2 a O2, které mohou být dále odstraněny na aktivním uhlí nebo pomocí membránových procesů. Odpadní voda je přiváděna do regenerační kolony, kde dochází v prvním stupni k uvolnění zbytkového mnoţství methanu, které se přimíchává k surovému bioplynu před druhým kompresním stupněm. Tím klesnou ztráty methanu pod 2 %. Do desorpční kolony je přiváděn vzduch, který po průchodu kolonou obsahuje asi 30 % CO 2 a 0,1 % H2S. Odpadní plyn je odsiřován např. pouţitím biofiltru a vypouštěn do atmosféry. Chemická vypírka Narozdíl od vodní tlakové vypírky jsou neţádoucí plyny odstraňovány chemickou reakcí. Výhodou tohoto procesu je vyšší selektivita a rozpustnost plynů i při atmosférickém tlaku. Nejčastěji pouţívaným sorbentem je monoetanolamin (MEA), který je naředěn vodou na maximální koncentraci 50 %. Vstupní surový bioplyn je stlačován pouze na cca 50 kPa, aby byl překonán odpor skrápěcí kolony, a protiproudně skrápěn prací kapalinou (MEA). Obohacený bioplyn s koncentrací methanu 96 – 99 % odchází hlavou kolony. Regenerace sorbentu probíhá v desorpční koloně za zvýšené teploty, při které se část vody odpaří. Základní parametry jednotlivých čistících procesů jsou srovnány v následující tabulce 2. Z tabulky je patrné, ţe při procesu vypírky methanolaminem vzniká biomethan s nejvyšším obsahem methanu a dochází k nejmenším ztrátám methanu. Tento proces spotřebovává i nejméně elektřiny na provoz absorbérů, ale je zde nutné další teplo na ohřev kolony na pracovní teplotu a regeneraci sorbentu, coţ je značně energeticky náročné a spotřeba energie dosahuje aţ 0,5 kWh/m3 surového bioplynu. Na vyčištění bioplynu se spotřebuje 5 – 8 % energie obsaţené v bioplynu v závislosti na pouţité metodě. Tab. 2 Srovnání parametrů jednotlivých čistících procesů

1

Parametry PSA PWA MEA Absorpční proces fyzikální chemický Předčištění1 ano ne ano Pracovní tlak [bar] 4-7 4-7 atmosférický Ztráty methanu 3 – 10 % <1% < 0,1% Obsah methanu v plynu > 96 % > 97 % > 99 % 3 Spotřeba elektřiny [kWh/m ] 0,25 < 0,25 < 0,15 Teplota [°C] 160 Regulovatelnost v % jmenovitého zatíţení +/- 10 – 15 % 50 – 100 % 50 – 100 % Obsah síry v plynu před pouţitím musí být menší neţ 500 mg/m3. Při vyšším obsahu sulfanu nutno zařadit primární odsíření.

Po vyčištění lze upravený bioplyn vtláčet do plynárenské sítě. Vhodně se jeví zejména vtláčení do středotlaké nebo vysokotlaké plynárenské sítě, kde výstupní tlak plynu z čistícího zařízení je dostatečný a není nutná další komprese plynu a náklady spojené s kompresí a distribucí plynu jsou tak minimální. Úprava bioplynu na biomethan má velkou výhodou oproti kogeneračním jednotkám, není zde poţadavek na vyuţití odpadního tepla a energie vyuţitelná z bioplynu vzroste na 74 %. Nespornou výhodou je také moţnost skladování biomethanu oproti elektrické energii a teplu. Jedny z nejvýznamnějších bariér pro vtláčení biomethanu do plynovodní sítě jsou nedostatečné ekonomické a technické podmínky výkupu biomethanu z provozu bioplynových stanic v České republice. V současné době lze biomethan bez větších problémů spotřebovávat jako motorové palivo pro pohon traktorů či automobilů. Před jeho / 24 /


Brno 2009

pouţitím je nutné biomethan komprimovat na tlak 20 – 30 MPa. Energie potřebná na stlačení biomethanu se pohybuje okolo 0,26 kWh/m3 upraveného bioplynu a tímto krokem klesne energie vyuţitelná z bioplynu na cca 70 %, která je i tak oproti kogenerační jednotce vyšší. V případě vyuţití biomethanu pro pohon motorových vozidel i zde existují určité překáţky a bariéry, např. nedostatečná infrastruktura plnicích stanic CNG v porovnání s hustou sítí čerpacích stanic na kapalné pohonné hmoty. ZÁVĚR V současné době je v České republice téměř veškerý vyprodukovaný plyn vyuţíván pro energetické účely v kogeneračních jednotkách pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Takovéto vyuţití bioplynu v místě produkce je jiţ osvědčené a nevyţaduje odstraňování CO2 a dalších neţádoucích sloţek a je silně podporováno dotačními programy či povinným výkupem elektrické energie. Přitom úprava bioplynu na biomethan ať uţ pro účely vtláčení do plynárenské sítě nebo pro pohon motorových vozidel je mnohem efektivnější způsob vyuţití bioplynu, při kterém se získá skladovatelný produkt, neţ výroba tepla a elektřiny v kogeneračních jednotkách. Tento způsob vyuţití je zejména vhodný tam, kde není úplně vyuţito odpadní teplo. Prozatím veškeré snahy upravovat bioplyn na kvalitu zemního plynu naráţejí na nedostatečnou legislativu a nulovou podporu ze strany státu. Vyuţití bioplynu v dopravě závisí ve značné míře na rozvoji zemního plynu v dopravě, především na vybudování sítě čerpacích stanic pro CNG a výrobu a prodej vozidel na CNG. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory MŠMT ČR, výzkumný záměr MSM 604 613 7304 . POUŢITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

Straka F. a kol.: Bioplynu – druhé rozšířené vydání, Gas s.r.o., Praha, 2006 Šebor G., Pospíšíl M., Ţákovec M.: Technicko-ekonomická analýza vhodných paliv v dopravě, Praha, 2006 Klinski S.: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz, IE-Leipzig, ISBN 3-00-018346-9, Leipzig, 2006 Tenkrát D., Prokeš O.: Plynná paliva z alternativních (obnovitelných) zdrojů a moţnosti jejich přepravy a distribuce ve stávající plynovodní síti, Chem. Listy, 2008 Tentscher W.: Anforderung und Aufbereitung von Biomas zur Einspeisung n Erdgasnetze, Gas – Erdgas, 2007 Persson M.: Evaluation of Upgrading Techniques for Biogas, October 2003 Beil M.: Biogasaufbereitung – eine Einführung, Biogasaufbereitung zu Biomethan, 6. Hanauer Dialog, 2008 Weidner E.: Technologien und Kosten der Biogasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz. Ergebnisse der Markterhebung 2007 – 2008, Institut Umwelt-, Sicherheits-, Energietechnik, 2008 Schulz H., Eder B.: Bioplyn v praxi, Teorie – projektování – stavba zařízení – příklady, HEL, 2004

/ 25 /


Brno 2009

/ 26 /


Brno 2009

ZKRÁPĚNÝ TRUBKOVÝ VÝMĚNÍK V ABSORPČNÍCH OBĚZÍCH Zdeněk Fortelný, Libor Chroboczek, Jiří Pospíšil Tradiční využití solární energie spočívá ve výrobě elektrické energie nebo teplé užitkové vody. Jinou možnost jak využít tuto energii například na pohon klimatizační jednotky, rozšiřují její možnosti využití především v dnech intenzivního slunečního svitu. Klíčovým prvkem klimatizačních jednotek pracujících na absorpčním principu je zkrápěný trubkový výměník. Některé vlastnosti, fyzikální principy a prostup tepla v něm předkládá následující článek. Klíčová slova: absorpce, zkrápěný výměník, přestup tepla ÚVOD Výbava domů i s klimatizační jednotkou patří ke standardu bydlení, s tím však souvisí i energetická náročnost, především pak spotřeba elektrické energie. Velká spotřeba v letních měsících způsobuje nemalé problémy s přetěţováním elektrické sítě, které mohou vést aţ k celkovému kolapsu. A právě v tuto dobu, kdy slunce svítí nejvydatněji, můţeme vyuţít jeho energii a přesměrovat ji velmi vhodně do absorpčních klimatizačních jednotek pomocí solárních kolektorů a tím výrazně omezit spotřebu elektrické energie. Tím se omezí její spotřeba při zachování standardu výroby chladu. Absorpční oběh Absorpční chlazení pracuje na stejném principu jak kompresorové. Vyuţívá vhodné pracovní látky a řízený cyklický děj, ale nepotřebuje ke svému pohonu elektricky poháněný kompresor s velkou spotřebou elektřiny, kompresor je nahrazen absorpční smyčkou, kde jen malou část elektrické energie spotřebuje čerpadlo. Absorpční smyčka tedy termo-chemický kompresor, má dvě větve a to s chudým a bohatým roztokem. Na začátku jedné a na konci druhé větve a opačně jsou absorbér a desorbér. Páry chladiva proudící z výparníku přichází v absorbéru do styku s chudým roztokem, coţ je pracovní dvojice, z nejčastěji pouţívaných například voda a LiBr (voda chladivo). V absorbéru, kde jsou páry chladiva pohlcovány (absorbovány) v chudém roztoku a jiţ bohatý roztok je poháněn čerpadlem do desorbéru, kde jsou naopak páry chladiva vypuzovány. Hnací vypuzovací tepelnou sílu můţeme vzít ze slunečních kolektorů, nebo při jakýchkoliv výkyvech z akumulační nádrţe případně i z plynového kotle. Bohatý roztok ochuzen o část par chladiva tedy opět chudý roztok proudí přes škrtící ventil zpět do absorbéru. Celý cyklus je vhodné doplnit o výměníky tepla mezi větve s chudým a bohatým roztokem, které zajistí opakované vyuţití tepelných toků při zachování nutných teplotních spádů.

K Chladivo

D kompresor

Chudý roztok

Bohatý roztok V

A

Termo-chemický kompresor

Obr. 1 Absorpční oběh 3

Ing. Zdeněk Fortelný, VUT v Brně, Technická 2896/2 Brno, [email protected]

/ 27 /


Brno 2009

Zkrápěný výměník Jak jiţ bylo řečeno, páry chladiva jsou pohlcovány v absorbéru chudým roztokem, přičemţ musí být zajištěno co největší fázové rozhraní (povrch kapaliny), neboť zmíněná absorpce probíhá na rozhraní kapalina-plyn a musí být téţ zajištěno dostatečné promíchávání absorbentu. Při absorbování se kapalina ohřívá a klesá její schopnost dál vstřebávat plyn, platí zde tedy, čím vyšší teplota tím niţší schopnost absorbovat páry chladiva. Tyto aspekty nejlépe zohledňuje zkrápěný trubkový svazek, který můţe vypadat ve své jednodušší formě, jako na obr. 3. V něm je kapalina - absorbér rozstřikován na trubkový svazek a ztékáním po chladných trubkách se ochlazuje. Literatura zabývající se problematikou zkrápěných trubkových výměníků definuje celkem tři typy reţimů ztékání neboli zkrápění: a) kapkový b) sloupcový c) blánový Na charakter zkrápění mají hlavní vliv dvě fyzikální vlastnosti a to povrchové napětí a viskozita. A i zde platí, čím menší viskozita, tím lépe kapalina zkrápí povrch trubek. Snaţíme se tak docílit i různými rozpustnými přísadami (např. vyšší alkoholy). Další nemalý vliv mají průtok zkrápěné vody a průměr obtékaných trubek. Záleţí i na počtu trubek ve svazku. S ohledem na výše uvedené je nejoptimálnější pro absorpční jednotky přechodový reţim zkrápění tzv. kapkovo-sloupcový.

Obr. 2 Reţimy zkrápění 2 Výzkumný stend V rámci projektu Fondu Rozvoje Vysokých Škol (FRVŠ) byl navrţen a postaven výzkumný stend na pozorování tvorby kapalného filmu v trubkovém svazku zkrápěného výměníku a prostupu tepla v něm (obr. 3). Doposud proběhlo měření teplotních diferencí mezi vstupem a výstupem jak z chladící tak ze zkrápěné smyčky, na základě kterých, byl vypočítán součinitel prostupu tepla v závislosti na rozteči trubek v trubkovém svazku a byly testovány hladké měděné trubky o průměru 12 mm.

/ 28 /


Brno 2009

Obr. 3 Experimentální zkrápěný trubkový výměník 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14)

Nosný rám Termočlánek 1 - snímá vstupní teplotu zkrápěné kapaliny Testované trubky Testovací sekce – umoţňuje testovat zkrápění trubek o vnějším průměru 12 mm s rozdílnou povrchovou úpravou, různého materiálu. Trubkový svazek je moţno uspořádat do vertikálního zákrytu s roztečemi 15, 20, 25 a 30 mm. Testovací sekce umoţňuje testovat celkem 20 kusů trubek. Průtokoměr – experimentální výměník je vybaven celkem dvěma průtokoměry pro sledování okamţitého průtoku v rozsahu 0-500 l/h. Jeden je umístěn na smyčce s chladicí kapalinou a druhý pak na smyčce se zkrápěnou kapalinou. Vodoměr – stejně jako průtokoměry jsou i vodoměry pro sledování celkového průtoku umístěny jak na smyčce s chladící tak na smyčce se zkrápěnou kapalinou. Průtokový ohřívač – jeho cílem je ohřev zkrápěné kapaliny. Zkrápěná stejně jako chladící kapalina je odebírána z vodovodu v laboratořích EÚ. Příkon ohřívače je 5kW. Při průtoku zkrápěné kapaliny menším neţ 100 l/h nedojde k sepnutí ohřevu průtokového ohřívače. Distribuční trubka – prostřednictvím této trubky je ohřátá kapalina distribuována na trubkový svazek. V ose trubky jsou vyvrtány díry o průměru 1,5 mm s roztečemi 10 mm po celé délce testovací sekce. Termočlánek 2 – snímá výstupní teplotu chladicí kapaliny. Termočlánek 3 – snímá vstupní teplotu chladicí kapaliny. Termočlánek 4 – snímá teplotu skrápěné kapaliny na výstupu z trubkového svazku. Měřící počítač – slouţí ke sledování a záznamu teplot z jednotlivých termočlánků. Plastová nádrţ – v současné době není v experimentálním výměníku zapojena. Své uplatnění spolu s čerpadlem ovšem nalezne v případě testování jiné kapaliny neţ vody (roztok LiBr, který je jako pracovní látka v absorpčních obězích vyuţíván). Ţlab – pomocí ţlabu je zachycena zkrápěná kapalina, která je výtokovým otvorem z experimentálního výměníku odváděna.

/ 29 /


Brno 2009

Postup měření a vyhodnocení měření Testovány byly hladké měděné trubky o roztečích 15, 20, 25, 30 mm s nastaveným průtokem zkrápěné kapaliny 100, 150, 200 a 300 l/h, při konstantně nastaveném průtoku chladicí kapaliny 150 l/h. Při jednotlivých kombinacích průtoků a roztečí byly ponechány 1 – 2 min intervaly na ustálení toku, poté v intervalu 5 sekund probíhal zápis hodnot teplot z termočlánků 5 minut, po uplynutí se odečetl i stav vodoměrů. Ztráty ochlazením zkrápěné kapaliny od okolního vzduchu se určovaly z min. průtoku tedy 100 l/h, kdy jsou ztráty do okolí maximální. Odečet vstupních a výstupních teplot skrápěné kapaliny probíhal také 5 minut. Ochlazení zkrápěné kapaliny vlivem okolního prostředí bylo stanoveno pro kaţdou rozteč. Ztráty na straně chladicí kapaliny jsme měřili při zavřeném přívodu zkrápěné kapaliny. Na rozdíl od zkrápěné kapaliny, kde je nutno zjistit ochlazení vlivem okolního prostředí pro kaţdou rozteč, stačí v případě chladící smyčky stanovit ochlazení či ohřátí chladicí kapaliny pouze jednou při libovolné rozteči. Odečet vstupních a výstupních teplot chladicí kapaliny probíhal rovněţ v intervalu 5 minut. Na základě údajů odečtených na jednotlivých vodoměrech při začátku a na konci měření jsme stanovili hodnotu objemového průtoku při všech testovaných průtocích a roztečích. Ten byl následně převeden na hmotnostní průtok. Při výpočtu tepelných ztrát na straně zkrápěné kapaliny jsme vycházeli z teplotní diference zjištěné při minimálním průtoku u jednotlivých roztečí při vypnuté chladící smyčce. Při maximálním průtoku 300 l/h je teplotní diference skrápěné kapaliny na vstupu a výstupu z trubkového svazku nulová (potvrzeno měřením). Teplotní diference u průtoků leţících uvnitř tohoto intervalu byla stanovena pomocí lineární interpolace. Tepelná ztráta pak byla dopočtena pomocí rovnice: Q  m c  t

(1)

Tepelnou ztrátu na straně chladicí kapaliny jsme stanovili s vyuţitím teplotní diference zjištěné při vypnuté zkrápěné smyčce, která pak byla dopočtena rovněţ pomocí výše zmíněné rovnice (1), stejně tak i celkové mnoţství odevzdaného a přijatého tepla při různých průtocích. Teplo skutečně vyměněné mezi skrápěnou a chladicí kapalinou jsme dostali po odečtení ztrát od celkového odevzdaného či přijatého tepla. Součinitel prostupu tepla byl nakonec dopočten pomocí rovnice prostupu tepla: Q  kS  T ln

(2)

Při výpočtu součinitele prostupu tepla jsme počítali s celkovou plochou a s průměrnou hodnotou skutečného tepla, které přijme chladicí kapalina a odevzdá skrápěná. Všechny vypočítané a změřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1 a v grafu 1. Tab. 1 Naměřené a vypočítané hodnoty R15 R20 R25 R30

108

155

205

349

l/h

0.73 108

1.085261 144

1.127091 205

1.288214 299

kW/m2K l/h

0.789597 108

0.860611 144

0.989163 205

1.33678 313

kW/m2K l/h

0.568303 97

0.885396 144

1.173209 205

1.476815 324

kW/m2K l/h

0.738389

0.903326

1.08313

1.725207

kW/m2K

/ 30 /


Brno 2009

Graf. 1 Závislost součinitele prostupu tepla na průtoku

2

[kW/m 2 K]

Součinitel prostupu tepla

HLADKÉ TRUBKY 1.5 Rozteč 15 mm

1

Rozteč 20 mm 0.5

Rozteč 25 mm Rozteč 30 mm

0 0

100

200

300

400

Průtok [l/h]

ZÁVĚR Z naměřených hodnot a grafu vyplývá, ţe hodnoty součinitele prostupu tepla mají vzrůstající charakter s narůstajícím průtokem a jako nejvhodnější z hlediska přestupu tepla je rozteč 30 mm. Rozteč trubek ve vertikálním zákrytu 15 mm se nejeví jako optimální varianta, neboť při této rozteči bylo u všech nastavených průtoků zkrápěné kapaliny v porovnání s ostatními roztečemi, pozorováno nejmenší celkové pokrytí teplosměnné plochy zkrápěnou kapalinou, coţ je v rozporu s poţadavkem na vytvoření co moţná největšího mezifázového rozhraní (absorbent-chladivo) v průběhu absorpce. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory FRVŠ (Fond Rozvoje Vysokých Škol) projekt č. 2273. POUŢITÁ LITERATURA 1 HEROLD, K. (1996): Absorption chillers and heat pumps.1 vyd. USA: CRC PRESS, 329 s. 2 JACOBI, A. M., HU, X (1995).: The Intertube Falling-Film Modes: Transition, Hysteresis, and Effects on Heat Transfer, Urbana, IL 61801, (217) 333-3115 3 POSPÍŠIL J., FIEDLER J., SKÁLA Z. (2006): Comparison of Cogeneration and Trigeneration Technology for Energy Supply of Tertiary Buildings. WSEAS Transaction on Heat and Mass Transfer, 1(3). p. 262 - 267. ISSN 1790-5044. 4 HENNING H. M. Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings. SpringerWienNewYork, ISBN: 3- 11-00647-82004

/ 31 /


Brno 2009

/ 32 /


Brno 2009

FLUIDNÍ KOTEL NA BIOMASU S INERTNÍ NÁPLNÍ LIAPOR Jan Hrdlička Příspěvek pojednává o realizaci kotle se stacionární fluidní vrstvou na biomasu, kde je jako inertní materiál použit keramický materiál Liapor. Popsány jsou základní vlastnosti Liaporu z hlediska fluidace a vlastní kotel na biomasu. V závěru příspěvku jsou uvedeny výsledky první spalovací zkoušky po dokončení realizace fluidního kotle. Klíčová slova: fluidní kotel, biomasa, Liapor ÚVOD Biomasa jako významný zdroj obnovitelné energie v ČR je jiţ po několik let ve středu zájmu, a lze očekávat, ţe s poţadavkem EU na dosaţení cílového podílu obnovitelných zdrojů 13 % konečné spotřeby energie v roce 2020 její význam bude dále stoupat. V současnosti je situace v prostředí ČR taková, ţe tradiční dřevní biomasa je jiţ z podstatné části energeticky vyuţívána a není velký prostor pro další zvýšení jejího podílu. Pozornost se proto zaměřuje i na další druhy biomasy, kterými jsou mimo jiné i odpady a vedlejší produkty ze zemědělské a lesnické výroby, které nemají další vyuţití. Zde se skrývá relativně velký potenciál, jehoţ velikost lze ovšem jen obtíţně odhadnout. Určité odhady lze nalézt např. v [1], kde je uveden roční dostupný potenciál (stav k r. 2004) pěstované biomasy 136 PJ a dřevní biomasy 44,8 PJ. Zejména zemědělské produkty jsou však coby zdroje energie většinou méně kvalitní, neţ je tomu u dřevní biomasy, typickou odlišností je často výrazně vyšší obsah vody u zelených rostlin a tím i niţší výhřevnost, a rovněţ také odlišné sloţení popelovin, které často způsobuje jejich tavení a spékání jiţ od teplot 700°C. V současnosti je nejběţnějším způsobem vyuţití energie z biomasy její přímé spálení, a lze předpokládat, ţe tomu bude i nadále. Důvod je hlavně ten, ţe potenciál energetické biomasy je, na rozdíl např. od uhlí, výrazně méně „koncentrovaný“, tj. dostupná biomasa obvykle není soustředěna do jednoho místa, ale je nutné ji k místu spotřeby dopravovat z plošně často rozsáhlých oblastí. Tato skutečnost podporuje realizaci spíše menších decentralizovaných technologií, které budou efektivně zpracovávat biomasu dostupnou v dané lokalitě v menším měřítku, za přiměřených nákladů na dopravu. Pro spalování biomasy, zejména v menším měřítku do 10 MW, je dnes dominantní technologií spalování na roštu, a to v řadě modifikací. Moţné je ovšem i pouţití technologie fluidního spalování, které je v současnosti pouţíváno v ČR převáţně u větších aplikací. Pro výkony cca do 30 MW lze pouţít kotle s bublinkovou (stacionární) fluidní vrstvou, jejíţ výška je omezena na spodní část fluidního ohniště. Pro větší výkony je obtíţné udrţet teplotu fluidní vrstvy na poţadované úrovni, proto se přechází na tzv. cirkulující fluidní vrstvu. Pro vytvoření stabilní fluidní vrstvy je zapotřebí většího mnoţství materiálu, neţ je hmota paliva, proto je fluidní loţe tvořeno z větší části inertním materiálem, kterým můţe být popel z paliva nebo uměle dodávaný materiál, např. písek o různé zrnitosti. Nízká koncentrace paliva ve fluidní vrstvě, která se pohybuje v řádu jednotek procent, umoţňuje vést spalování při velmi nízké teplotě (i okolo 750°C) a umoţňuje se tak vyhnout problémům s tavením popelovin některých biopaliv. Protoţe biomasa zmiňovaná v úvodu má obvykle velmi nízký obsah vlastních popelovin – většinou nepřesahuje 10 % – je nutné pro nasazení fluidní technologie zvolit cizí inertní materiál. Jednou z řady variant je i keramický materiál prodávaný pod obchodním názvem „Liapor“, který bude diskutován dále. KERAMICKÝ MATERIÁL „LIAPOR“ Tento keramický materiál je místně specifickým produktem pocházejícím z oblasti severozápadních Čech. Surovinou pro tento materiál jsou cyprisové jíly, které tvoří nadloţní vrstvu hnědouhelných slojí v sokolovské pánvi. Tyto jíly jsou pojmenovány podle drobného korýše Cypris augusta, jehoţ přítomnost ve formě zkamenělin je typickým znakem těchto usazených vrstev. Stáří těchto jílovitých vrstev je odhadováno na cca 150 mil. let, z druhohorního období Jury. Proces výroby probíhá vypalováním a expandováním těchto jílů v rotačních pecích při teplotách okolo 1100 – 1200°C. Výstupem je granulovaný keramický materiál, jehoţ hlavní pouţití je Ing. Jan Hrdlička, Ph.D. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Technická 4, 166 07 Praha 6 [email protected]

/ 33 /


Brno 2009

v současnosti jako lehké kamenivo ve stavebnictví, pouţívá se například pro tepelně-izolační zásypy střech, výplňové a konstrukční zásypy nebo i jako filtrační materiál pro čištění odpadních vod. Vzhledem ke svým vlastnostem, které jsou shrnuty v tabulce 1, je tento materiál vhodný i jako inertní náplň fluidní vrstvy. Tab. 1 Obecné vlastnosti keramického materiálu „Liapor“ Parametr Sféricita Hustota Sypná hmotnost Mezerovitost Velikost částic

Hodnota 1 500 - 1500 250 - 900 0,2 – 0,6 0,5 – 16

Jednotka kg/m3 kg/m3 mm

Na obrázku 1 je zobrazena fotografie jedné částice tohoto materiálu

Obr. 1 Keramický materiál „Liapor“ – částice Tento materiál má některé další důleţité vlastnosti – těmi jsou teplotní stabilita tvaru částic nejméně do teploty 1100°C a vysoká mechanická odolnost a otěruvzdornost. Poslední dvě jmenované vlastnosti však přinášejí kromě výhod ve formě menší spotřeby materiálu i negativa. Vysoká mechanická odolnost částic můţe způsobit zvýšenou abrazi teplosměnných částí kotle, zejména těch, které jsou umístěny jako trubkové svazky přímo do proudu spalin. Proto tento materiál není vhodný pro cirkulující fluidní vrstvu, ale je moţné jej aplikovat u stacionární (bublinkové) vrstvy, kde je riziko abraze výrazně menší. Konkrétní vlastnosti materiálu, který byl pouţit v laboratoři pro počáteční experimenty s nově postaveným fluidním kotlem, jsou shrnuty v tabulce 2. Tab. 2 Vlastnosti pouţitého keramického materiálu Liapor Parametr Sféricita Hustota Sypná hmotnost Mezerovitost Velikost částic

Hodnota 1 800 530 0,34 3

Jednotka kg/m3 kg/m3 mm

Vlastnosti materiálu vrstvy byly pro první testy zvoleny tak, aby především hustota inertu odpovídala hustotě paliva. Hustota smrkového dřeva s obsahem vody 45 %, které bylo ve formě štěpky pouţito jako testovací palivo, je přibliţně uvedených 800 kg/m3.

/ 34 /


Brno 2009

Pro základní popis vrstvy – výpočet její prahové rychlosti fluidace – byla pouţita Ergunova rovnice [2], a rovněţ byla i pro základní výšku vrstvy 500 mm vypočtena tlaková ztráta vrstvy při minimální rychlosti fluidace. Byla také vypočtena pádová rychlost částice, tj. rychlost, při které by došlo k úletu částic vrstvy a vrstva přešla do stavu pneumatického transportu. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 3. Tab. 3 Charakteristické vlastnosti fluidní vrstvy Parametr Výška vrstvy v klidu Mezní rychlost fluidace Tlaková ztráta vrstvy při minimální rychlosti fluidace Pádová rychlost částice vrstvy

Hodnota 500 0,52 2,60 7,22

Jednotka mm m/s kPa m/s

POPIS FLUIDNÍHO KOTLE A VÝSLEDKY PRVNÍCH EXPERIMENTŦ Fluidní kotel, postavený v tepelné laboratoři Juliska, je řešen jako vertikální dvoutahový kruhového průřezu, s převáděcí komorou, která spojuje oba tahy kotle. První tah kotle slouţí jako stupňová dopalovací komora se čtyřmi výškovými úrovněmi vstupu sekundárního vzduchu. Fluidní vrstva je navrţena jako stacionární (bublinková), distributor vzduchu je modifikace provedení ţlabového roštu typu EFDM. Sestává se ze zapalovacího (a stabilizačního) ţlabu, který je připojen k plynovému hořáku, a tří řad po šesti tryskách na kaţdé straně ţlabu. Celý první tah kotle, včetně fluidního roštu, je řešen jako adiabatická spalovací komora. Komora je vyzděna po celé výšce, vyzdívka je zvenku chlazena vodním pláštěm. Převáděcí komora je rovněţ chlazena vodním pláštěm, druhý tah kotle pak představuje ţárotrubný výměník spaliny-voda. Převáděcí komora rovněţ bude slouţit jako experimentální prostor pro výzkum vlivu spalin ze spalování biopaliv na korozi materiálů. Navrţený výkon kotle je 500 kW, výstupní teplota spalin je při nominálním výkonu 250°C – kotel je konstruován v této fázi jako experimentální zařízení, a tepelné výměníky slouţí pouze k odvodu tepla. Detailní pohled do spalovací komory, ještě před instalací, je včetně popisků na obrázku 2.

Obr. 2 Rošt fluidního kotle s bublinkovou vrstvou Fluidační vzduch je do kotle přiváděn pomocí plynule řízeného primárního ventilátoru, který je dimenzován i na „těţší“ typy fluidních vrstev; maximální tlaková ztráta fluidní vrstvy můţe být 5 kPa, coţ je postačující při maximální výšce vrstvy v klidu 60 cm i na vrstvu tvořenou uhelnými popelovinami. Sekundární vzduch je přiváděn pomocí samostatného ventilátoru do rozvaděče, odkud je rozveden do prostoru nad hladinou fluidní vrstvy / 35 /


Brno 2009

(freeboardu), a to ve čtyřech výškových úrovních (cca 0,5, 1, 1,5 a 2 m). Po obvodu kaţdé úrovně jsou rozmístěny 4 vstřikovací body, celkem je tedy sekundární vzduch přiváděn 16 body, které jsou opatřeny klapkou pro moţnost regulace. Kotel můţe pracovat jak v reţimu čistého spalování, tj. mnoţství primárního vzduchu je větší neţ stechiometrické, tak i částečně ve zplyňovacím reţimu, kdy je mnoţství primárního vzduchu podstechiometrické, a dohořívání probíhá ve freeboardu pomocí sekundárního vzduchu. Tento reţim je moţné aplikovat pouze u lehčích vrstev – např. některé druhy Liaporu – z důvodu nezbytnosti překročení mezní rychlosti fluidace. Palivo je do kotle přiváděno z násypky pomocí dvou šnekových podavačů, vstup paliva je umístěn v úrovni horní hladiny fluidní vrstvy, palivo tedy padá na vrstvu. Na kotli byly dosud provedeny pouze první testy, které měly za cíl ověřit funkčnost všech celků, a zejména chování paliva ve fluidní vrstvě vytvořené z materiálu Liapor. Pro první experimenty byla jako palivo pouţita dřevní štěpka o vlhkosti průměrně 45 % a výhřevností přibliţně 10 MJ/kg. Během experimentu se štěpka chovala přesně podle předpokladů, po dopadu na povrch vrstvy byly těţké částice vtaţeny dovnitř vrstvy, kde došlo k jejich vyhoření. Keramický materiál se díky své jednotné velikosti kulových částic choval definovaně, jako bublinková fluidní vrstva. Během experimentu byly prováděny změny ve výkonu kotle, který dosahoval rozmezí 250 – 550 kW. Při středním stabilizovaném výkonu kotle cca 420 kW byl pořízen hodinový záznam sloţení emisí, které jsou uvedeny v tabulce 4. Tab. 4 Průměrné koncentrace jednotlivých sloţek emisí Sloţka CO NOx SO2 O2 Teplota spalin

Průměr 193 186 0 6,84 243

Maximum 559 215 0 9,25 248

Minimum 118 137 0 3,83 236

Směr.odch. 64 15 0 1,13 3

Jednotka mg/m3N, 11% O2, ref mg/m3N, 11% O2, ref mg/m3N, 11% O2, ref obj. % °C

ZÁVĚR Myšlenka pouţití keramického materiálu Liapor byla realizována na experimentálním kotli s bublinkovou fluidní vrstvou o výkonu 500 kW. Jako velká výhoda materiálu Liapor se ukázala relativně uniformní velikost částic a jejich téměř ideální kulový tvar, který zjednodušuje řadu výpočtů fluidní vrstvy, ve kterých figuruje sféricita. Díky jednotným vlastnostem materiálu je fluidní vrstva stabilní a chová se definovaně. Liapor je vhodným inertním materiálem pro spalování biomasy, neboť má odpovídající vlastnosti, jako je např. hustota nebo mezní rychlost fluidace. Další výhodou vyuţití Liaporu je jeho tepelná stabilita, naopak nevýhodou můţe být riziko zvýšené abraze konvekčních částí kotle. Proto je vhodné pouţití Liaporu pouze ve stacionární fluidní vrstvě. Funkčnost tohoto konceptu byla ověřena během úvodních spalovacích zkoušek, které byly provedeny se dřevní štěpkou o vlhkosti přibliţně 45 % s pozitivními výsledky, kdy bylo moţné dlouhodobě udrţet spalovací proces s koncentrací kyslíku za kotlem 6,8 % a koncentrací CO pod 200 mg/m3N při 11 % referenčním O2 ve spalinách. 5. POUŢITÁ LITERATURA [1] [2]

Váňa, J a kol.: Zpracování prognózy vyuţívání obnovitelných zdrojů energie v ČR do roku 2050, výsledek řešení projektu SM/320/10/03, 2004 Levenspiel, O., Kunii, D.: Fluidization engineering, Butterworth-Heinemann, USA, 1991

/ 36 /


Brno 2009

INHIBITORY V PROCESU ZPLYŇOVÁNÍ Rafał Chłond Následující článek přináší myšlenku změny v mechanismu tvorby znečišťujících látek při procesu zplyňování biomasy, tj. prachu, dehtu a PAU. Prezentovaná teorie průběhu reakcí a zkušenosti z oblasti energetiky by měly napomoci dosáhnout cíle, jímž je zvýšení čistoty získaného paliva a zvýšení výhřevnosti plynu. Předložený plán zkoušek na zařízení pro zplyňování biomasy ve Výzkumném energetickém centru obohatí znalosti spojené s procesy probíhajícími v průběhu konverze paliva a možnosti vlivu na jejich průběh. Klíčová slova: katalyzátory, zplyňovaní biomasy, aktivační energie, sníţení obsahu nečistot ÚVOD Biomasa představuje jeden z hlavních zdrojů obnovitelné energie. Obecně dobře známou a zvládnutou technologií vyuţití biomasy je spalování. Jiným způsobem vyuţití energie z biomasy je zplyňování a to v široké škále technologií. V současné době není problém konverze pevného paliva na plynné, ale objevuje se otázka dalšího vyuţití vzniklého plynu a jeho čistota. Zvýšení energetických a fyzikálních parametrů plynu dává moţnost širšího vyuţití paliva při procesu výroby elektřiny a tepla a rovněţ i k výrobě kapalných paliv nebo SNG. Bohuţel, během procesu se vytváří v plynu nečistoty, které zabraňují jeho přímému vyuţití. Aplikace modifikátoru v procesu zplyňovaní můţe změnit mechanizmus vzniku nečistot v plynu. V současnosti v průběhu zplyňování paliva vznikají nečistoty, které jsou dále zachytávány v separátorech. Vyuţití separátoru k očištění plynu je významnou poloţkou ve finančních výdajích. Sloţitost procesů čištění plynu je dalším důvodem pro ustoupení od těchto zařízení. Vyuţití modifikátorů dovolí měnit průběh tohoto procesu. Sníţení mnoţství vznikajících nečistot umoţní další vyuţití plynu a omezí počet jednotlivých zařízení instalace a tím i mnoţství odpadů, které vznikají v průběhu procesu. Koncepcí projektu je usnadnění vzniku poţadované reakce v procesu přeměny paliva a zpomalení reakcí neţádoucích. Tyto modifikátory usnadní kontrolu reakcí pro dosaţení očekávaných výsledků. CHEMICKÉ REAKCE PROCESŦ Převáţná většina chemických reakcí je reverzibilní. Tato vratnost chemických reakcí umoţňuje, aby reakce probíhala v obou směrech za vzniku jak produktů, tak substrátů. Nicméně, existují i chemické reakce, které probíhají téměř aţ do konce a hovoříme o nich jako o nevratných. Tyto reakce probíhají pouze za určitých podmínek, jako např. pokud jeden z produktů je odebírán, reakce pak trvá do vyčerpání substrátu. V terminologii vratných reakcí, ve snaze vyhnout se dvojznačnosti, je domluveno, ţe termínem „substrát“ se označují látky na levé straně reakce a termínem „produkt“ se označují látky na pravé straně rovnice. Směr reakce pak závisí na reakčních podmínkách. Teoreticky můţe reakce za vhodných podmínek probíhat v obou směrech. Pokud rychlost reakcí na pravé straně rovnice je vyšší neţ na levé, dojde k přeměně substrátu na produkt a reakce běţí do konce. Je tedy nevratná. Pokud je reakční rychlost v obou směrech stejná, dochází ke vzniku chemické rovnováhy. V rovnováţném stavu se mnoţství substrátů a produktů nemění, i kdyţ obě reakce dále probíhají. Níţe je uvedeno vyjádření chemické rovnováhy pomocí konstant Guldberga-Waageho: nA+mB↔pC+qD Z výše uvedeného vzorce lze odvodit, ţe existuji dvě rychlosti reakcí: vpřed (forward) kf, zpět (backward) kb. Pak rychlost ubývaní sloţek (např. A) při reakci, bude vyjádřena takto: d[A]/dt = - kf[A]n[B]m + kb[C]p[D]q

Rafał Chłond, VŠB – TU Ostrava, FS, 17.listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba

/ 37 /


Brno 2009

a to, co pozorujeme, je výsledná rychlost v jednu a v druhou stranu. Pokud je rychlost reakce v obou směrech stejná, z mikroskopického hlediska v kaţdém okamţiku vzniká určité mnoţství produktu a totéţ mnoţství produktu reaguje na substrát. Z makroskopického hlediska se však celek jeví jako klidný. Přítomnost reakcí je však evidentní v molekulárním měřítku. Rovnováţný stav lze zapsat jako: (dA/dt)f + (dA/dt)b = 0 Z rovnováţného stavu tedy vyplývá podmínka pro reverzibilní chemické reakce: [C]p[D]q/[A]n[B]m = kb/kf = K Teoreticky všechny chemické reakce dosáhnou rovnováhy, pokud probíhají po dostatečně dlouhou dobu. To znamená, ţe pro kaţdou reakci existují podmínky, za kterých je reakce reverzibilní. V praxi však v mnoha případech nedochází k vytvoření rovnováţného stavu a to z různých důvodů: - produkt (nebo jeden z produktů) reakce můţe být odstraněn ze systému rychleji, neţ reakce dosáhne rovnováhy. Reakce pokračuje aţ do konce pouze v jednom směru, - substráty a produkty se vyskytují ve dvou nemísitelných fázích, reakce buď probíhá na rozhraní jednotlivých látek velmi pomalu (rychlost reakce je omezena mnoţstvím látek), nebo nedojde k reakci vůbec z důvodu efektivního oddělení reaktantů, - v případě, kdy reakce má male časové měřítko pozorování, - kdy jeden z reaktantů je neustále přidáván do systému zvenčí a systém nemůţe dosáhnout rovnováţného stavu. Koncentrace reaktantů v rovnováze není závislá na mechanismu průběhu reakce, ale pouze na termodynamických podmínkách, jako je teplota a tlak. Proto katalyzátor nemá vliv na mnoţství reaktantů v rovnováze, ale má velký vliv na dobu, za jakou bude tohoto stavu dosaţeno. POPIS PROCESU ZPLYŇOVÁNÍ Konverze energie obsaţené v pevném palivu na uţitečnou energii můţe být realizována pomocí procesu zplyňování. Z energetického hlediska se jedná o proces, který zahrnuje tepelné výměny uhlíku a vodíku obsaţených v tuhém palivu do podoby hořlavého plynu. Mezi hlavní sloţky generátorového plynu patří oxid uhelnatý, oxid uhličitý, vodík, metan a dusík. Produkty zplyňování mohou být v pevné formě - koks, popel, struska, kapalné látky jsou ve formě různých druhů dehtů a v plynné podobě je vodní pára.

/ 38 /

Brno 2009

H2 O

PAU

CO PAU + O2

CO

CO

H2O C02

CO

1200-1500ºC C02

H2O

Destilační Oxidační a karbonizační zóna zóna


Redukční zóna

PAU + (CO2+H2O)

850º C CO H2

Obr. 1. Proces zplyňovaní biomasy v reaktoru Imbert Jako zplyňovací médium se nejčastěji vyuţívá vzduch, vodní pára nebo kyslík. Cílem procesu je vytvoření co nejvyššího mnoţství CO a H2 v plynu. Níţe můţeme sledovat reakce ve všech čtyřech zónách procesu zplyňovaní [2]. Tab. 1. Seznam reakcí procesu zplyňovaní Původní reakce Reakce vodního plynu Boudouardova reakce Částeční oxidace Metanizační reakce Zplyňovací reakce Sekundární reakce Konverze CO vodní párou Metanizační reakce

ΔH, kJ*mol-1

C+H2O→CO+H2 C+CO2→2CO C+2H2O→CO2+2H2 C+2H2 →CH4 C + 0,5O2 → CO

+131 +172 -78 -75 -111 ΔH, kJ*mol-1

CO+H2O→CO2+H2 -41 CO+3H2→CH4+H2O -206 CO2+4H2→CH4+2H2O -165

Spalovací reakce

ΔH, kJ*mol-1

Spalování koksu Spalování oxidu uhelnatého Spalování vodíku

C + O2 → CO2 CO + 0,5O2 → CO2 H2+0,5O2→H2O

-393 -282 -240

Reakce vodního plynu, Boudouardova a metanizační reakce jsou reakcemi, které nás nejvíce zajímají při procesu zplyňovaní. Těchto reakcí by v průběhu zplyňování mělo být co nejvíce. NEČISTOTY V PALIVU A V PLYNU Počet kontaminujících látek přítomných v plynu, které vznikají při procesu zplyňování, je závislý na tom, jak moc znečištěné bude pevné palivo. Mnoţství neţádoucích látek v procesu konverze a obsaţených v biomase můţe být velké, tj. N, P, K, Si, Ca, Mg, S, Na, Cl [3, 4]. Při procesu zplyňování vznikají tyto znečišťující látky: • tuhé znečišťující látky (TZL), • dehet: - primární dehet - produkty pyrolýzy, kyseliny, aldehydy, alkoholy, furany, apod., - sekundární dehet - převáţně stabilnější fenoly a olefiny, - terciární dehet - alkylaromáty (styren, xylen, toluen, ethylbenzen, atd.), PAH (např. inden, naftalen, pyren, methylnaftalen, apod.),• sloučeniny obsahující dusík, • alkalické sloučeniny, / 39 /


Brno 2009

• síra, • chlór. Tab. 2. Nečistoty v plynu a problémy, které mohou vzniknout v instalacích Znečištění plynu Pevné částice Alkalické sloučeniny Dehty Dusík v palivu

Příklad Popel, dřevěné uhlí, inert Sloučeniny draslíku a sodíku Těţká frakce dehtů Amoniak, kyanid

Vyskytující problémy Eroze Eroze, zkorodovaný povrch Emise NOx

AKTIVAČNÍ ENERGIE Na základě dlouholetých pozorování bylo zjištěno, ţe rychlost většiny chemických reakcí roste s rostoucí teplotou. Studium reakční rychlosti bylo prováděno po mnoho let. Cílem studia bylo zjistit k jakému navýšení rychlosti reakce dojde se zvýšením teploty. Bylo zjištěno, ţe rychlost chemických reakcí se dvojnásobně zvětší při vzrůstu teploty o 10°C (van't Hoffovo pravidlo). Existují však jisté výjimky z tohoto pravidla. V roce 1872 vedl výzkum závislosti rychlosti reakce na teplotě švédský vědec Svante Arrhenius [1]. Spojil do jedné rovnice vztah mezi rovnováţnou konstantou reakce a absolutní teplotu. Závislost ln k (konstantní rychlost reakce) na absolutní teplotě je přímá, kdy směrový koeficient je charakteristický pro danou reakci. Matematická závislost: E a   RT ln(

k

)

A

kde: k - rovnováţná konstanta reakce A - frekvenční faktor R - univerzální plynová konstanta T - absolutní teplota   Ea  k  A exp    RT 

kde: k - rychlostní konstanta A - frekvenční faktor Ea - aktivační energie T - termodynamická teplota Arrheniova rovnice je často uváděná v exponenciálním tvaru: k  Ae

 E a / RT

Arrheniova rovnice ukazuje, ţe v reakci s vysokou aktivační energií je reakční rychlost silně závislá na teplotě. Čím je aktivační energie niţší, tím je rychlost reakce méně závislá na teplotě. Pro reakci Ea = 0 není rychlost reakce závislá na teplotě.

/ 40 /


Brno 2009

Reakce bez katalyzátoru

Reakce s katalyzátorem

Aktivovaný komplex

E

E

Eaf Eab

Aktivovaný komplex Eaf

Substráty

Substráty Eab ΔH

ΔH

Produkty

Produkty

Reakční koordináta

Reakční koordináta

Obr. 2. Vliv katalyzátoru na aktivační energii MODIFIKÁTORY V PROCESU ZPLYŇOVÁNÍ Pouţití chemických modifikátorů zlepšuje proces zplyňování. Dojde k zajištění lepších podmínek pro konverzi paliva a k prevenci proti negativním jevům, jako je vznik nečistot v plynu, které mají škodlivý vliv na jednotlivé prvky instalace [7, 8]. V současnosti se vytváří koncepce pro sniţování emisí ve spalovacím procesu, která by se pouţívala pro napájení kotlů, struskování spalovací komory, přehříváky a ohřívače vzduchu a k jejich zabezpečení proti vzniku vysoké a nízké teplotní koroze. Hlavním úkolem modifikátoru je ovlivnění látek, které mají nízkou tenzi par. Důsledkem by mělo být zlepšení vlastností koksu. Modifikátor není výbušný, dochází k jeho spalování na povrchu částice paliva, coţ umoţňuje rychlejší spalování paliva, např. uhlí [6]. Rychlejší spalování je způsobeno lepším přístupem kyslíku přes póry v palivu. Přítomnost inhibitoru je vhodná pro zlepšení kinetiky spalování a zvýšení rychlosti procesu spalování paliva, ke kterému dojde v důsledku zvýšení teploty měknutí a tání pevných paliv. Katayzátor Katalyzátor

častice biomasy

častice biomasy Katalyzátor

Katayzátor Katalyzátor

Slitina katalizátoru a častice

Obr. 3. Reakce katalyzátoru s částicí paliva Modifikátory mohou: - chránit před korozí, erozí, usazováním a tvorbou škodlivin, - sníţit ztráty nedokonalého spalování - udrţet konstantní účinnost kotle - prodlouţit ţivotnost kotle a tím i náklady spojené s opravami kotle - sníţit spotřebu sorbentu - sníţit emise škodlivých plynů do atmosféry: - NOx, - S02, - prach, - dehet.

/ 41 /


Brno 2009

Aplikace: -Elektrárny -Teplárny, - Rafinérie -Průmysl POPIS INSTALACE A APLIKACE MODIFIKÁTORŦ DO PROCESU ZPLYŇOVÁNÍ Základem předloţené technologie je zplyňovací reaktor na biomasu navrţený ve Výzkumném energetickém centru. Jednotka o výkonu 100 kW jako médium pro zplyňování vyuţívá atmosférický vzduch. Proces ohřívání vzduchu je realizován pomocí elektrických topných spirál. Ty umoţňují plnou kontrolu teploty a moţnosti zvýšení účinnosti procesu. Vzduch je přiváděn k reaktoru pomocí čtyř trysek, které se nachází na okruhu reaktoru. Palivo je dodáváno v dolní části reaktoru pomocí dvou (horizontálního a vertikálního) podavačů [4, 5]. Proces konverze paliva je exotermní proces, který můţe probíhat při teplotách od 700 do 1100°C, s keramickou vloţkou v reaktoru, jeţ je schopná odolávat i velmi vysokým teplotám. Plyn opouští reaktor ve své horní části, je transportován do vysokoteplotního filtru, kde dochází k odlučování prachu. Filtrační elementy jsou vyrobené z keramických vláken, tím pádem jsou schopny vydrţet teploty aţ 850°C. Zásobník paliva

Zplyňovánč

Reakční komora

Výměník tepla

Vysokoteplotní filtr

VODA

Spalovací komora

VODA

Obr. 4. Instalace ke zplyňování biomasy Po odloučení prachu je plyn stále o vysoké teplotě a je chlazen v protiproudém výměníku tepla vodou. Proces zplyňování a transportu plynu se provádí díky podtlaku, který je vytvářen ventilátorem. V této etapě je měřen průtok plynu, který slouţí k ovládání měření výkonu reaktoru a je poté tlačen do spalovací komory. V komoře je nainstalován hořák na propan-butan pro vznícení plynu při přechodu z reţimu spalování na zplyňování. Dodatečně jsou v komoře nainstalovány dvě čidla slouţící ke kontrole měření teploty procesu spalování plynu. Aplikace modifikátorů bude provedena dvěma způsoby. Modifikátory pro kontrolu procesu zplyňování budou přímo přidávány do zásobníku a smíchány s palivem. Modifikátor bude schopen reagovat s palivem v sušící zóně a zlepší tak vlastnosti zplyňování. Druhým způsobem aplikace modifikátoru bude připravení modifikátoru do plynné podoby a přidávání se vzduchem. Pouţití této metodiky pomůţe ovlivnit mnoţství vznikajících nečistot v zóně spalování. TECHNOLOGICKÉ PARAMERTY INSTALACE Výkon Spotřeba paliva Mnoţství vzduchu n Teplota plynu Průtok plynu V Mnoţství vzduchu Účinnost konverze paliva Výhřevnost plynu

100kW 8 kg/h 0,4 – 0,5 700-1100°C 70 mn3/h 35 mn3/h 86,41 % 5,2 MJ/mn3 / 42 /


Brno 2009

Sloţení vzniklého plynu: CO2 - 15% Vol. H2 - 14 % Vol. N2 - 50 % Vol. CO - 18 % Vol. CH4 - 3 % Vol. O2 - 0.0 % Vol.

ZÁVĚR

Prezentovaný článek je popisem připravované technologie ke zplyňovaní biomasy. Analýza však vyţaduje ještě mnoho podetap analýz konverze paliva a látek dostupných na trhu. Analýze budou podrobovány látky pouţívané v energetice a látky pro zlepšování vlastností kapalných paliv. Experimenty týkající se sníţení škodlivých látek by měly začít v roce 2010 po dokončení modernizace stávajících zařízení. PODĚKOVÁNÍ Výsledky analýz získané ze zkušebního provozu budou pouţity pro další řešení projektu „Vývoj a výzkum zařízení zplynování odpadů ze dřeva ve formě štěpky“ řešeného v rámci programu MPO TIP ev.č. FR-TI1/219. POUŢITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

Bądkowska Z., Koliński E., Wojnowska M., Obliczenia z Chemii Nieorganicznej, PG, Gdaňsk, 1996 Chłond R. „Badanie procesów zgazowania drewna“ Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice, 2008 Knoef H. „Handbook of biomass gasification“ BTG, 2005 Najser J. „Zplyňovaní dřeva pro kogeneraci“ VŠB-TU Ostrava, 2008 Najser J., Ochodek T., Chłond R. „Charakter pracy instalacji służacej do zgazowania biomasy a aspekty ekonomiczne procesu generacji energii elektrycznej” Rynek Energii 2009, Piriou B. „Catalytically assisted gasification of biomass“ Konference 30th Meeting on Combustion, 2004, Zoulalian A. „Biomass Positron for Renewable Energie: Main Ways of Energetic Valorization“ Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 3, ISSN 1735-3645 http://atcobr.pl/index2.php?page=oferta&pid=18

/ 43 /


Brno 2009

/ 44 /


Brno 2009

KATALYTICKÉ VYSOKOTEPLOTNÍ ODSTRAŇOVÁNÍ DEHTU Z PLYNU Z ALOTERMNÍHO ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY M. Jeremiáš1,2, M. Pohořelý1,2, P. Kameníková1, S. Skoblja3, M. Vosecký1, M. Šyc1, K. Svoboda1, M. Punčochář1 Tato práce popisuje 19h experiment, ve kterém byl produkován generátorový plyn z biomasy v 10kWt reaktoru s fluidním ložem a část plynu byla vedena do čistící trati sestávající z vysokoteplotního odprášení, adsorpce sirovodíku a niklového prereformingového katalyzátoru, na kterém probíhal reforming dehtu za teploty 500 °C. Přestože došlo k částečné deaktivaci katalyzátoru, bylo dosaženo min. 95% konverze dehtu po průchodu čistící tratí. Obr. 3 Klíčová slova: fluidní zplyňování, vysokoteplotní čištění plynu, niklový katalyzátor, parní reforming, katalytické odstraňování dehtu, biomasa. ÚVOD V podmínkách ČR má z obnovitelných zdrojů energie (OZE) nejvyšší vyuţitelný potenciál biomasa. Nejperspektivnějšími aplikacemi vyuţití biomasy jsou kogenerační výroba elektřiny a tepla s co nejvyšším teplárenským modulem a výroba biopaliv druhé generace [1]. Zplyňovací technologie jsou pro zpracování biomasy z tohoto hlediska velmi nadějné. Biomasa je zplyněním přeměněna na výhřevný plyn, který je potenciálně moţné pouţít jak pro kogenerační technologie (spalování v plynovém motoru, v plynové turbíně nebo dokonce výroba energie a tepla ve vysokoteplotním palivovém článku), tak pro výrobu biopaliv druhé generace (SNG, paliva z FT syntézy) [2]. Zplyňování biomasy přes své nesporné výhody není bohuţel jednoduchou technologií. Nejkritičtější místo spočívá v čištění vyrobeného plynu pro následné aplikace. Čím je vyuţití plynu sofistikovanější, tím vyšší má nároky na čistotu plynu. Dehet je jednou z nejvíce technologicky problematických nečistot [3]. Běţně je plyn čištěn tzv. nízkoteplotní cestou, která v sobě zahrnuje kontakt plynu s olejem nebo vodou. Pro některé aplikace (FT syntéza, plynová turbína, vysokoteplotní palivové články) by ale bylo výhodné, aby plyn nebyl v průběhu čištění chlazen a následně znovu ohříván na potřebnou teplotu. Toho lze dosáhnout tzv. vysokoteplotním čištěním. Vzhledem k tomu, ţe v průběhu vysokoteplotního čištění neklesne teplota plynu pod teplotu kondenzace většiny dehtu, je potřeba dehty katalyticky rozkládat v plynné fázi. K tomuto účelu je testována celá škála katalyzátorů [4]. Mezi nejzajímavější patří niklové reformingové katalyzátory pouţívané průmyslově pro reforming ropných frakcí [5]. Nevýhodou těchto katalyzátorů je poměrně vysoká teplota optimální pro jejich činnost (cca 700–950 °C). Existují ovšem i tzv. prereformingové katalyzátory pracující na stejných principech, ale za niţších teplot (cca 550 °C). Tyto katalyzátory jsou pro katalytický reforming dehtu při vysokoteplotním čištění plynu velmi nadějné, ale zatím málo ověřené v reálných podmínkách [6]. Reformingové katalyzátory pracují na principu tzv. suchého a parního reformingu. Parní reforming v podmínkách vysokoteplotního čištění plynu ze zplyňování převládá. Princip parního reformingu dehtů lze popsat dvěma hlavními reakcemi: 1   C n H m  n H 2 O  n CO   n  m  H 2 2  

 H 298  0 kJ mol

CO  H 2 O  CO

 H 298   41 kJ mol

2

 H2

(1)

-1

-1

(2)

Reakce (1) je reakce parního reformingu. Reakce vodního plynu (2) je v podmínkách prereformingového katalyzátoru za atmosférických podmínek převaţující rovnováţnou reakcí projevující se na konečném sloţení plynu. Prereformingový katalyzátor podléhá během své činnosti deaktivaci, která můţe mít různé příčiny, např. ztráta katalyticky aktivního prvku, zmenšení povrchu katalyzátoru v důsledku otěru nebo slinování katalyzátoru. Nejvíce je ovšem katalyzátor náchylný k usazování uhlíku a k otravě sirnými sloučeninami. Ing. Michal Jeremiáš1,2, [email protected], [email protected], tel. 220390319. 1 Ústav chemických procesů AV ČR, Rozvojová 135, 165 02 Praha 6. 2 Ústav energetiky, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha 6. 3 Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha 6.

/ 45 /


Brno 2009

Tvorba uhlíku na katalyzátoru probíhá v důsledku nevhodných provozních podmínek a lze ji do jisté míry omezit správnou volbou teploty, tlaku a poměru H2O/C. Otravu sirnými sloučeninami (v redukčních podmínkách zplyňování se jedná hlavně o H2S) lze omezit jejich odstraněním z generátorového plynu před vstupem na samotný katalyzátor [5]. V literatuře [7] je zevrubně diskutován současný stav vyuţití (pre)reformingových katalyzátorů při vysokoteplotním čištění plynu ze zplyňování. Obecně se dostupná literatura zabývá převáţně reformingem modelových směsí plynů. V literatuře [7] a [8] je popsán experiment, při kterém byla ověřena moţnost pouţití komerčního prereformingového katalyzátoru k vysokoteplotnímu čištění reálného nízkoenergetického plynu z autotermního zplyňování biomasy. Při 21 hodinovém experimentu bylo dosaţeno 97% konverze dehtu za relativně nízké hodnoty H2O/C (převáţně pod 1,8). Z původních hodnot obsahu dehtu v plynu v rozmezí 6,2-1,2 g m-3 bylo dosahováno hodnot pod 30 mg m-3 po průchodu prereformingovým katalyzátorem pracujícím za teploty cca 500 °C. V tomto příspěvku je ověřena moţnost pouţití komerčního niklového prereformingového katalyzátoru při čištění plynu tentokrát z alotermního zplyňování biomasy vodní parou. Niklový katalyzátor je klíčovou součástí celkové koncepce vysokoteplotního čištění plynu, ve které je cílem zajistit klesající teplotu od generátoru aţ po výstup vyčištěného plynu, tak aby nebylo nutné plyn dodatečně ohřívat v jednotlivých stupních procesu. Na niklovém katalyzátoru probíhá reforming dehtů za teploty 500 °C. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST K experimentům byl pouţit fluidní zplyňovací generátor pro výrobu generátorového plynu o výkonu cca 10 kWt, který je zevrubně popsán například v literatuře [9]. Jako materiál fluidní vrstvy byl pouţit křemenný písek a jako zplyňovací médium vodní pára. Část generátorového plynu byla vedena do soustavy vysokoteplotních reaktorů (viz 0). Plyn vedený k reaktorům vysokoteplotního čištění procházel horizontální a vertikální vytápěnou sekcí vzorkovací trati. Čistící trať sestávala ze tří nezávislých a samostatně vytápěných reaktorů zapojených za sebou. V prvním reaktoru R1 byl plyn za teplot kolem 600 °C odprášen. Reaktor je sloţen z kovové síťky válcového tvaru, která byla ve vnitřním prostoru zaplněna pískem. Reaktor byl elektricky otápěn samostatně regulovaným ohřevem. Ve druhém reaktoru R2 naplněném sorbentem obsahujícím CuO a ZnO na nosiči Al2O3 byl plyn čištěn od sulfanu za teplot kolem 500 °C. Elektrický ohřev byl zajištěn pecí se třemi nezávisle regulovatelnými segmenty. Třetí reaktor R3 byl naplněný niklovým prereformingovým katalyzátorem a pracoval za teploty kolem 500 °C. Aktivní sloţkou katalyzátoru je nikl, který je na Obr. 1 Zplyňovací generátor a čistící trať. katalyzátoru přítomen ve formě kovového niklu a oxidu niklu. Dalšími sloţkami katalyzátoru jsou SiO2, MgO, Al2O3, Cr2O3 aj. Elektrický ohřev obstarávají dva polocylindrické elementy. Za reaktorem R3 byl umístěn vodní chladič plynu se zásobní nádobou na kondenzát. Plyn byl po průchodu vodním chladičem veden do membránového čerpadla značky KNF, které zajišťovalo průtok generátorového plynu soustavou reaktorů. Za čerpadlem byl umístěn rotametr spolu s bubnovým plynoměrem a dále místo pro odběr vzorku plynu do skleněných odběrových nádob (myší). Vstupní sloţení do soustavy reaktorů bylo identické s výstupním sloţením plynu z generátoru. / 46 /


Brno 2009

Tab. 1 Fyzikální vlastnosti pouţitých materiálů. Materiál

písek

Frakce (mm)

0,25 - 0,50 0,25 - 2,00

Střední velikost částic (mm) Umf (m s-1) Sypná hustota (g l-1) Zdánlivá hustota-Hg (g l-1) Skutečná hustota-He (g l-1) Porozita částice (%) Mezerovitost (%) Vnitřní povrch SBET (m2 g-1) Povrch mesopórů Smeso (m2 g-1) Objem mikropórů Vmikro (ml g-1)

0,375 0,18 1425 2530 2530 0% 44% xxx xxx xxx

Tab. 2 Chemické vlastnosti paliva.

Voda (% hm.) Popel (% hm.) Prchavá hořlavina (% hm.) Neprchavá hořlavina (% hm.) Celková hořlavina (% hm.) Spalné teplo (MJ/kg) Výhřevnost (MJ/kg) C (% hm.) H (% hm.) N (% hm.) O (% hm.) S (% hm.) Cl (% hm.)

drť

1,125 xxx 283 644 1421 55% 56% xxx xxx xxx

len 0,71 2,00 1,355 xxx 215 555 1480 63% 61% xxx xxx xxx

písek ve filtru 0,40–0,63 0,515 0,18 1433 2530 2530 0% 43% xxx xxx xxx

adsorbent

Ni katalyzátor

pelety Ø 5x3 pelety Ø 5x5 xxx xxx 1210 1992 4264 53% 39% 100,5 59,0 24,6

xxx xxx 925 1544 3681 58% 40% 197,0 132,3 43,1

Tab. 3 Experimentální podmínky.

drť 9,40% 0,90%

len 6,15% 29,40%

75,94%

50,47%

13,76%

13,98%

89,70% 17,21 15,76 44,85 5,52 0,54 38,80 < 0,01 < 0,01

64,45% 14,07 13,03 33,89 4,11 1,87 23,94 0,17 0,47

V Tab. 1 jsou shrnuty základní fyzikální vlastnosti pouţitých materiálů, tj. materiálů fluidní vrstvy, paliva a materiálů pouţitých jako náplň jednotlivých filtrů. Texturní vlastnosti materiálů byly stanoveny v laboratořích Centra pro studium textury na ÚCHP AV ČR. Vnitřní povrch a další texturní vlastnosti byly stanoveny fyzikální adsorpcí v tekutém dusíku na zařízení ASAP 2010 M. Zdánlivá hustota částic a distribuce pórů byly zjištěny pomocí rtuťového porozimetru Autopore III. Skutečná hustota byla zjištěna pyknometrickým stanovením pomocí helia na přístroji Accupyc 1330.

Palivo Trvání experimentu (hh:mm) Použité materiály Materiál fluidního loţe R1 R2 R3 Parametry zplyňování Zplyňovací médium Teplota fluidní vrstvy (°C) Teplota freeboardu (°C) Teplota generátoru (°C) Objem fluidní vrstvy (ml) Hmotnost fluidní vrstvy (g) Hm. poměr pára/biomasa Pára (m3 h1)* N2 pod rošt (m3 h-1)* Pneu. transport N2 (m3 h-1)* Dávkování suchého paliva (g h-1) Nedopal v horkém cyklónu (g h-1) Nedopal v horkém cyklónu (hm. %) Nedopal ve fluidní vrstvě (hm. %) Parametry čistící trati Průtok (l h-1)* Teplota R 1 (°C) / 47 /

Směs (L+D) 19:45 11:30

Drť 8:15

Křemenný písek Křemenný písek Adsorbent Ni katalyzátor Vodní pára 855±10 855±10 855±10 1500 na vstupu 2148 na vstupu 2778 na výstupu 1,01 0,96 1,335 1,335 1,0 1,6

1,0 1,6

1080

1168

61

56

74

81

2,23 (vztaţeno k výstupu) 420 580±15


Brno 2009

Palivem při zplyňovacím experimentu byla směs lnu a dřevěné drti. Samotný len je vzhledem ke své vláknité struktuře při dávkování problematický pro svou náchylnost ke klenbování. Pro zaručení kontinuálního a homogenního dávkování byla nalezena optimální směs lnu s dřevěnou drtí (s maximálním moţným obsahem lnu). Byla pouţita směs se 40 % hm. lnu a 60 % hm. dřevěné drti. V průběhu experimentu (ve dvanácté hodině trvání experimentu) byla tato směs nahrazena čistou dřevěnou drtí. V Tab. 2 je uveden hrubý a elementární rozbor paliva.

Teplota R 2 (°C) Teplota R 3 (°C) Objem katalyzátoru v R2 (ml) Objem katalyzátoru v R3 (ml) Prostorová rychlost R2 (h-1) Prostorová rychlost R3 (h-1) Kontaktní čas R2 (s) Kontaktní čas R3 (s) H2O/C (mol mol-1) * při 25°C a 101,325 kPa

480±15 500±15 150 100 7090 10920 0,5 0,3 4,3 ± 0,5 3,0 ± 0,5

Analýza plynných sloţek byla realizována na plynovém chromatografu HP 6890 vybaveném plameno-ionizačním detektorem a tepelně-vodivostním detektorem. Analýza dehtu byla realizována na plynovém chromatografu HP 6890 s hmotnostním spektrometrem. Všechny naměřené hodnoty jsou vztaţeny k nulovému obsahu vody a dusíku v plynu a na tlak 101,325 kPa a teplotu 25 °C. V Tab. 3 jsou shrnuty podmínky experimentu. VÝSLEDKY A DISKUZE Na následujících grafech (0) je znázorněn výtěţek plynu a výhřevnost plynu na výstupu z generátoru a po průchodu čistící tratí. Výtěţek je spočítán z dusíkové bilance a vztaţen na hmotnost suchého paliva. a) před katalyzátorem

b) za katalyzátorem

za katalyzátorem

60% D + 40% L

D 100 %

16

2,0 výhřevnost plynu [MJ m-3]

výtěţek plynu [m3 kg-1 paliva]

před katalyzátorem 18

2,5

1,5 1,0 60% D + 40% L

D 100 %

0,5

14 12 10 8

6 4 2 0

0,0 0:00

4:00

8:00 12:00 čas [hod:min]

16:00

0:00

20:00

4:00

8:00 12:00 čas [hod:min]

16:00

20:00

Obr. 2 a) Výtěţek plynu ze zplyňování a teoretický výtěţek po průchodu katalyzátorem. b) Výhřevnost plynu před katalyzátorem a po průchodu katalyzátorem v průběhu experimentu. Z porovnání výtěţku a výhřevnosti plynu na výstupu z generátoru a po průchodu čistící tratí je patrné zvýšení výtěţku a sníţení výhřevnosti generátorového plynu po průchodu katalyzátorem. Tento jev je zapříčiněn parním reformingem dehtu a ostatních uhlovodíků na niklovém katalyzátoru. Vyšší uhlovodíky jsou rozkládány na jednoduché plyny o větším objemu a niţší objemové výhřevnosti dle rovnic (1) a (2). Na dalších dvou grafech je znázorněno sloţení plynu z hlediska majoritních sloučenin. Na grafu a) je sloţení plynu na výstupu z generátoru. Je vidět, ţe sloţení plynu se mírně měnilo směrem k vyššímu obsahu vodíku, niţšímu obsahu oxidu uhelnatého a vyššímu obsahu oxidu uhličitého. Tento jev můţe být způsoben hromaděním nedopalu a popela ve fluidním loţi v průběhu experimentu a katalytickým působením těchto materiálů na proces zplyňování. Z porovnání grafů a) a b) na obrázku, je patrné, ţe po průchodu čistící tratí značně vzrostl obsah vodíku v plynu z původních cca 40 obj. % na výsledných cca 50 obj. %, obsah oxidu uhelnatého výrazně poklesl z původních hodnot kolem 27 obj. % na výsledných méně jak 10 obj. %. Oproti tomu výrazně vzrostl obsah oxidu / 48 /


Brno 2009

uhličitého z původních hodnot kolem 20 obj. % na výsledné hodnoty kolem 30 obj. %. Obsah methanu zůstal po průchodu čistící tratí prakticky nezměněn, coţ ale znamená, ţe jeho výtěţek mírně vrostl. Obsah sumy minoritních sloučenin, kterými se rozumí organické sloučeniny o molekulové hmotnosti vyšší neţ methan a niţší neţ toluen, výrazně poklesl z původních hodnot 3–5 obj. % na hodnoty pod mezí detekce na začátku experimentu a na hodnoty kolem 0,13 obj. % na konci experimentu. Všechny tyto jevy opět odpovídají rovnicím parního reformingu (1) a vodního plynu (2). V čase okolo třetí hodiny trvání experimentu je vidět prudký nárůst obsahu minoritních sloučenin v plynu za prereformingovým katalyzátorem, který je bohuţel pravděpodobně způsoben nehodou, která se stala v důsledku zpětného profuku čistící trati a pravděpodobně zapříčinila předčasnou částečnou deaktivaci katalyzátoru. V celkové sumě minoritních sloučenin za niklovým katalyzátorem hraje zásadní roly ethylen, který nejvíce odolával parnímu reformingu na katalyzátoru a zaujímal 0,11 obj. % v plynu za katalyzátorem. b)

a) H2

CH4

CO

CO2

CxHy

60% D + 40% L

CH4

CO

CxHy 1,0

50

D 100 %

sloţení plynu [obj. %]

sloţení plynu [obj. %]

50

H2

60

40 30 20

0,8 60% D + 40% L

40

D 100 %

0,6

30 0,4

20

0,2

10

10

0

0 0:00

4:00

8:00 12:00 čas [hod:min]

16:00

0,0 0:00

20:00

CxHy [obj. %]

CO2

60

4:00

8:00 12:00 čas [hod:min]

16:00

20:00

Obr. 3 Koncentrace majoritních sloučenin před katalyzátorem (a) a za katalyzátorem (b). Na posledních dvou grafech jsou znázorněny dehty odpovídající normované definici dehtu zahrnující v sobě sloučeniny o molekulové hmotnosti toluenu a vyšší. Je vidět, ţe obsah dehtu v generátorovém plynu byl velmi vysoký – pohyboval se na hodnotách kolem 11,4 g m-3 v případě zplyňování směsi dřeva a lnu a kolem 14,4 g m-3 v případě zplyňování samotného dřeva. Při prvním odběru dehtu za katalyzátorem, tj. cca. po 1 hodině a 30 minutách trvání experimentu je vidět velmi výrazné sníţení jeho obsahu v plynu aţ na hodnotu 33 mg m-3, coţ představuje konverzi dehtu na jednoduché plyny 99,7 %, bohuţel po jiţ zmíněné nehodě v průběhu experimentu došlo k částečné deaktivaci katalyzátoru a následující hodnota v osmé hodině trvání experimentu (340 mg m-3 za katalyzátorem) jiţ představuje konverzi dehtu 97,1 %. V dalším průběhu pokusu se deaktivace dále projevila nárůstem obsahu dehtu, který ale můţe být částečně zapříčiněn jeho zvýšeným obsahem v surovém generátorovém plynu po změně paliva. Nicméně hodnota konverze poklesla na hodnotu 94,6 % a v závěru experimentu mírně vzrostla na 94,9 %. Koncentrace dehtu v plynu po průchodu čistící tratí kolem devatenácté hodiny trvání experimentu, se nacházela na hodnotě 750 mg m-3. a)

b) 1,0

16

12

koncentrace dehtu [g m-3]

koncentrace dehtu [g m-3]

14

10 8 6 4 2 0

0,8

0,6 0,4 0,2

0,0

1:26

7:37

14:03

18:30

1:28

čas [hod:min]

8:05

14:23

čas [hod:min]

Obr. 4 Koncentrace dehtu před katalyzátorem (a) a za katalyzátorem (b). / 49 /

18:58


Brno 2009

Přestoţe nejsou uváděné hodnoty obsahu dehtu v plynu dostatečně nízké, dá se předpokládat, ţe za pouţití primárních metod čištění plynu, hlavně katalyticky aktivního materiálu fluidního loţe, lze obsah dehtu v surovém plynu podstatně sníţit [10] a tedy (za předpokladu stejné účinnosti rozkladu dehtu na niklovém katalyzátoru) celkově sníţit i obsah dehtu v plynu po průchodu čistící tratí. Jak jiţ bylo zmíněno výše, uvedená konverze by mohla být pravděpodobně dostačující, kdyby v průběhu experimentu nedošlo k nehodě a následné částečné deaktivaci katalyzátoru. ZÁVĚR Byla prokázána vysoká účinnost (100–95%) komerčního niklového prereformingového katalyzátoru na rozklad dehtu v generátorovém plynu z alotermního zplyňování biomasy ve fluidním loţi. Po 19 hodinách provozu a částečné umělé deaktivaci katalyzátoru byl obsah dehtu v plynu sniţován z původní hodnoty cca 14,4 g m-3 za generátorem na hodnotu 750 mg m-3 po průchodu niklovým katalyzátorem. V důsledku parního reformingu vyšších uhlovodíků a homogenní reakce vodního plynu se po průchodu katalyzátorem sníţila výhřevnost plynu, a vzrostl jeho výtěţek. Z pohledu sloţení plynu koncentrace vodíku a oxidu uhličitého po průchodu katalyzátorem významně vzrostla, naopak koncentrace oxidu uhelnatého a minoritních sloučenin významně poklesla. Významného dalšího sníţení obsahu dehtu v konečném plynu by mohlo být dosaţeno pouţitím katalyticky aktivního materiálu fluidního loţe přímo v generátoru jako materiálu fluidní vrstvy. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla díky podpoře Grantové agentury České republiky, projekt číslo 104/07/0977 a díky podpoře Ministerstva školství, mládeţe a tělovýchovy, projekt číslo 2B08048 a 6046137304. POUŢITÁ LITERATURA 1 Zpráva Nezávislé odborné komise pro posouzení energetických potřeb ČR v dlouhodobém časovém horizontu – verze k oponentuře (30.9.2008). Dostupné z http://www.vlada.cz/assets/mediacentrum/aktualne/Pracovni-verze-k-oponenture.pdf (04.11.2009). 2 Handbook Biomass Gasification, Ed. by H.A.M. Knoef, BTG biomass technology group, The Netherlands (2005). 3 Milne TA, Abatzoglou N, Evans RJ: Biomass Gasifier „Tars“: Their Nature, Formation and Conversion. Report (NREL/TP-570-25357), Colorado (1998). 4 Abu El-Rub Z, Bramer EA, Brem G: Review of Catalyst for Tar Elimination in Biomass Gasification Processes. Ind. Eng. Chem. Res 43, 6911-6919 (2004). 5 Rostrup-Nielsen JR: Catalytic Steam Reforming. Springer Verlag (1984). 6 Skoblja S: Úprava sloţení plynu ze zplyňování biomasy. Disertační práce. VŠCHT (2004). 7 Vosecký M: Optimalizace procesu zplyňování biomasy z hlediska kvality plynu. Disertační práce. VŠCHT (2009). 8 Vosecký M., Kameníková P., Pohořelý M., Skoblja S., Punčochář M.: Vysokoteplotní čištění plynu ze zplyňování biomasy na niklovém prereformingovém katalyzátoru. Sborník Energie z biomasy IX., Brno, str. 108-113 (2008). 9 Pohořelý M., Vosecký M., Hejdová P., Punčochář M., Skoblia S., Staf M., Vošta J., Koutský B., Svoboda K.: Gasification of Coal and PET in Fluidized Bed Reactor. Fuel 85, 2458 (2006). 10 Jeremiáš M., Pohořelý M., Vosecký M., Skoblia S., Kameníková P., Svoboda K., Punčochář M.: Experimental Study of Fluidized-Bed Biomass Gasification with CO2+H2O Mixtures on Limestone and Silica Sand. Fourth International Conference on Clean Coal Technologies CCT2009, Dresden, Německo (2009).

/ 50 /


Brno 2009

PROJEKT BIOPLYNOVÉ STANICE Radek Kazda Příspěvek přináší základní návrh zemědělské bioplynové stanice na zpracování kukuřičné siláže, uvádí její roční provozní bilanci a ekonomické zhodnocení. Klíčová slova: bioplyn, fermentace, bioplynová stanice, kukuřičná siláţ ENERGETICKÉ VYUŢITÍ BIOPLYNU Současná energetická situace ve světě, Českou republiku nevyjímaje, se vyznačuje vysokou poptávkou po energiích a s tím souvisejícím silným nárůstem cen. Tento stav můţe být rozhodujícím momentem pro investory, kteří chtějí na této situaci profitovat a vyuţít co nejvíce investičních pobídek při realizaci a provozování technologických zařízení na výrobu energií z obnovitelných zdrojů. Zemědělství je bezesporu odvětvím, které má pro výrobu energie z obnovitelných zdrojů největší moţnosti a předpoklady. Jedním z těchto velmi perspektivních obnovitelných zdrojů je bioplyn. V České republice je tradičně ve velké míře vyuţívána anaerobní fermentace jako součást technologie komunálních ČOV. Bioplyn zde vyrobený je především pouţíván pro vlastní potřebu provozů (vyhřívání reaktorů, vytápění objektů, ohřev teplé vody). Velmi dramatický rozvoj zaţívá v současné době výstavba bioplynových stanic. Ta svoji dynamikou předčila i rozvoj vyuţívání skládkového plynu, který byl dominantní zvláště v předchozích letech. V roce 2007 bylo k energetickým účelům vyuţito 150,5 mil. m3 bioplynu, coţ je o 20% více neţ v roce 2006 (122,9 mil. m3). Nejvíce se na tomto růstu podílela produkce bioplynových stanic, kde objem vyrobeného bioplynu vzrostl na 28 mil. m3. Energetický obsah veškerého vyuţitého bioplynu v roce 2007 činil 3 188 631 GJ. Celkem v roce 2007 tvořil bioplyn podíl na hrubé výrobě elektřiny 0,24%, podíl na hrubé domácí spotřebě elektřiny 0,30% a podíl na výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů 6,31%. ZEMĚDĚLSKÉ BPS Zemědělské bioplynové stanice jsou takové bioplynové stanice, které zpracovávají materiály rostlinného charakteru a statkových hnojiv, resp. podestýlky. Na těchto bioplynových stanicích není moţné zpracovávat odpady podle zákona č. 185/2001 Sb. o odpadech, ani jiné materiály spadající pod Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1774/2002 o vedlejších ţivočišných produktech. Na zemědělských bioplynových stanicích je moţno zpracovávat zejména následující materiály: Ţivočišné suroviny: kejda prasat, hnůj prasat se stelivem, kejda skotu, hnůj skotu se stelivem, hnůj a stelivo z chovu koní, koz, králíků, drůbeţí exkrementy, včetně steliva atd. Rostlinné suroviny: sláma všech typů obilovin i olejnin, plevy a odpad z čištění obilovin, bramborová nať i slupky z brambor, řepná nať z krmné i cukrové řepy, kukuřičná sláma i jádro kukuřice, travní biomasa nebo seno (senáţe), nezkrmitelné rostlinné materiály (siláţe, obiloviny, kukuřice) atd. Pěstovaná biomasa: obiloviny v mléčné zralosti čerstvé i siláţované, kukuřice ve voskové zralosti čerstvá i siláţovaná, krmná kapusta čerstvá i siláţovaná, „prutová“ biomasa (štěpky nebo řezanka z listnatých dřevin) atd. Hlavní důvody vyuţití anaerobní fermentace organických materiálů, jejichţ původ je v zemědělství, jsou: produkce kvalitních organických hnojiv, získání vedlejšího zdroje energie, odstranění negativního vlivu na pracovní a ţivotní prostředí. Bc. Radek Kazda, ČVUT v Praze, [email protected]

/51 /


Brno 2009

HLAVNÍ PRVKY BIOPLYNOVÉ STANICE Zdroj organických materiálŧ Sběr a transport do příjmové nádrţe musí s malými výkyvy odpovídat nominální výkonnosti strojní linky. Příjem a úprava materiálu Skladovací nádrţe mohou být vybaveny zařízeními na separaci hrubých příměsí, na ředění vodou, zahušťování řídkého materiálu, předehřev materiálu, homogenizaci, automatické dávkování do fermentoru. Fermentor (reaktor) Reaktor je nejdůleţitější součást strojních linek, která rozhoduje o kvalitní funkci celé strojní linky. Většina bioplynových stanic má reaktor válcový, betonový, kovový nebo plastový s osou svislou nebo vodorovnou. Řízený metanogenní proces znamená, ţe reaktor je vybaven míchacím zařízením, ohřevem, homogenizačním zařízením a dávkovacím zařízením. Bioplynová koncovka Bioplynová koncovka obsahuje potrubí na dopravu bioplynu, bezpečnostní zařízení proti zpětnému zahoření plynu, dmychadlo, zásobník (plynojem), regulační a kontrolní prvky, zařízení na úpravu bioplynu (čištění od H 2O, CO2, H2S, mechanických nečistot atd.), zařízení na konečné vyuţití bioplynu (kogenerační jednotka), hořák zbytkového plynu. Kalová koncovka Kalová koncovka sestává z armatur, dopravních čerpadel, homogenizátorů, skladů, separačních zařízení (spádové síto, šnekový lis, dekantér, rotační síto, pásový lis). Chemické čištění s biologickým stupněm je účelné tam, kde odvod tekutých frakcí končí v blízké vodoteči. Radikálně však narůstá celková pořizovací hodnota a je účelné, kdyţ toto čištění můţeme vypustit a substrát pouţít jako hnojivo. NÁVRH BIOPLYNOVÉ STANICE Základní návrhové parametry Základní vstupní hodnotou pro výpočet je elektrický výkon kogenerační jednotky, který je volen 500 kW. Další parametry kogenerační jednotky jsou tepelný výkon 600 kW, celková účinnost 84% a roční doba provozu 8 000 h. Substrátem pro výrobu bioplynu bude kukuřičná siláţ. Bioplyn má výhřevnost 23 MJ/m 3 (obsah metanu kolem 60%). Jeho roční spotřeba potom činí 1 640 000 m3. Potřeba kukuřičné siláţe při výtěţnosti bioplynu 190 m3/t bude 8 632 t/rok. To při výnosu kukuřice 32 t/ha odpovídá osevní ploše 270 ha. Hmotová bilance Do fermentoru vstupuje substrát s obsahem sušiny 32% v mnoţství 8632 t/rok. Ten je ve fermentoru ředěn na obsah sušiny 12%. To je zajištěno cirkulujícím tekutým digestátem. Digestát je z fermentoru čerpán do koncového skladu digestátu, odkud je část odváděna v tekuté formě s obsahem sušiny 6% a zbytek, po separaci, v tuhé formě s obsahem sušiny 25%.

/52 /


Brno 2009

Hmotová bilance je přehledně zobrazena na následujícím obrázku.

Bioplyn Kukuřičná siláţ

Fermentace

32% sušina

12% sušina

Koncový sklad digestátu

Tekutý digestát 6% sušina

6% sušina

Separace

6% sušina

Tuhý digestát 25% sušina Obr. 1 Hmotová bilance Energetická bilance Hlavními sloţkami vystupujícími v energetické bilanci jsou vyrobená elektřina a teplo. Část vyrobené elektřiny se vyuţije k vlastní spotřebě bioplynové stanice. Jedná se hlavně o pohony míchadel, čerpadel a dávkovačů substrátu. Z vyrobeného tepla se část vyuţije pro ohřev substrátu ve fermentoru. Tato hodnota bude uvaţována 30%. Ostatní teplo bude uvaţováno jako odpadní, tj. nebude dále vyuţito. Energetická bilance je znázorněna na následujícím obrázku. Prodaná elektřina

Vlastní spotřeba elektřiny 6%

Kukuřičná siláţ

Vyrobená elektřina 38% Fermentace

Bioplyn

Kogenerační jednotka

100%

Ztráty 16% Vyrobené teplo 46%

Vlastní spotřeba tepla 30%

Odpadní (prodané) teplo

Obr. 2 Energetická bilance

/53 /


Brno 2009

Přehled celkové bilance Celkovou roční bilanci fermentace, kogenerační jednotky a celé BPS zobrazuje přehledně následující tabulka. Tab. 1 Celková roční bilance

Vstup Fermentace Výstup Vstup Kogenerační jednotka Výstup Vstup Bioplynová stanice

Výstup

Kukuřičná siláţ [t] Cirkulovaný digestát [t] Elektřina [MWh] Teplo [MWh] Bioplyn [tis. m3] Tekutý digestát [t] Tuhý digestát [t] Bioplyn [tis. m3] Olej [kg] Elektřina [MWh] Teplo [MWh] Kukuřičná siláţ [t] Prodaná elektřina [MWh] Odpadní teplo [MWh] Tekutý digestát [t] Tuhý digestát [t]

8 632 28 773 240 1 440 1 640 3 180 5 452 1 640 1 600 4 000 4 800 8 632 3 760 3 360 3 180 5 452

EKONOMIKA PROJEKTU Náklady Měrné náklady jsou závislé na mnoha skutečnostech (lokalita, dostupná infrastruktura, zpracovávaný substrát atd.). Přibliţná závislost měrných investičních nákladů na instalovaném elektrickém výkonu je zobrazena na obrázku 3. Je z něj vidět, ţe optimální je stavět bioplynovou stanici od instalovaného výkonu 400 aţ 500 kWe.

Obr. 3 Závislost měrných investičních nákladů na výkonu Provozní náklady na bioplynovou stanici bude tvořit servis a údrţba kogenerační jednotky, servis a údrţba pomocných zařízení (např. míchadla, čerpadla, dávkovače substrátu), mzda obsluhy a náklady na výrobu /54 /


Brno 2009

kukuřičné siláţe. Ke stanovení ročních nákladů je nutné údrţbu rozepsat do dvou částí – technika a stavba. Pro zjednodušený výpočet se počítá s 60% investice na techniku a 40% na stavbu. Na opravu techniky tedy počítáme se 4% z 60% celkové investice a na údrţbu stavebních těles s 0,5%řiny 1 celkové investice. Na pojištění bioplynové stanice se počítá s 0,5% celkového objemu investic. Náklady na výrobu kukuřičné siláţe se zvolí podle normativů VÚZT. Příjmy Příjmy z provozu bioplynové stanice bude tvořit prodej elektřiny a případně část prodaného tepla. Výkupní ceny elektřiny z obnovitelných zdrojů stanovuje Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu. Z celkového ročního mnoţství vyrobeného tepla 4 800 MWh bude 30% vyuţito k ohřevu fermentoru. Část tepla je moţno vyuţít pro potřeby zemědělského podniku, např. pro ohřev teplé vody, vytápění budov, sušení obilí apod. Další moţnosti vyuţití odpadního tepla závisí na umístění zemědělského podniku. Ty se většinou nachází v blízkosti menších obcí, kde jsou minimální moţnosti prodeje tepla. V tomto projektu proto nebude uvaţován ţádný prodej tepla. Celkové investice a roční náklady a výnosy uvádí následující tabulka. Hodnoty jsou uvedeny v tisících Kč. Tab. 2 Náklady a výnosy bioplynové stanice Investiční náklady Prodej elektřiny Údrţba techniky Údrţba stavebních těles Roční náklady Výroba kukuřičné siláţe Pojištění Ostatní náklady Roční výnosy

60 000 15 490 1 440 120 6 210 300 300

Ekonomické hodnocení projektu Ekonomické hodnocení je provedeno metodou čisté současné hodnoty, metodou vnitřní výnosové míry a určením doby návratnosti. U čisté současné hodnoty se vyţaduje kladná hodnota, doba návratnosti do 10 let je přijatelná. Tab. 3 Výsledky ekonomického hodnocení Kritérium Čistá současná hodnota NPV [tis. Kč] Vnitřní výnosová míra IRR [%] Doba návratnosti Tn [roky]

Hodnota 21 640 14,1 9

Z výpočtu uvedených kritérií je, ţe z ekonomického hlediska je vhodné takový projekt realizovat. V tomto případě byl jako jediný výnos uvaţován prodej elektřiny, a to za cenu 4 120 Kč/MWh. Minimální výkupní cena elektřiny, aby projekt byl ještě výhodný, tj. NPV = 0, je 3 450 Kč/MWh. V reálném případě by bylo moţno zvýšit výnosy vyuţíváním odpadního tepla. Moţnosti prodeje tepla jsou ale vzhledem k umístění zemědělských podniků většinou značně omezené. Odpadní teplo je vyuţíváno hlavně pro potřeby zemědělského podniku. Další výnosy by tak mohly tvořit úspory za elektřinu pro ohřev teplé uţitkové vody, za uhlí nebo plyn pro vytápění objektů, za plyn pro sušení obilí apod. Také by mohlo dojít ke sníţení investičních nákladů podniku vyuţitím dotací. V současné době to umoţňuje hlavně Program rozvoje venkova, který platí do roku 2013. POUŢITÁ LITERATURA 1 KÁRA, J, PASTOREK, Z, PŘIBYL, E (2003): Výroba a vyuţití bioplynu v zemědělství, Praha. 2 KAZDA, R (2009): Projekt bioplynové stanice pro zemědělský podnik (bakalářská práce), Praha, 43 s.

/55 /


Brno 2009

/56 /


Brno 2009

DÔLEŢITOSŤ DRUHU LISOVANÉHO MATERIÁLU PRI BRIKETOVANÍ A PELETOVANÍ Peter Kriţan, Miloš Matúš Cieľom príspevku je poukázať na fakt, aký je dôležitý v procese zhutňovania druh materiálu. Druh materiálu svojim chemických zložením a charakteristickými vlastnosťami výrazne ovplyvňuje proces zhutňovania a parametre ovplyvňujúce výslednú kvalitu výliskov. V príspevku popisujeme výsledky analýzy vplyvu druhu lisovaného materiálu a čiastkové výsledky výskumu realizovaného na našom pracovisku v tejto oblasti. Kľúčové slová: druh lisovaného materiálu, zhutňovanie, lisovací tlak, lisovacia teplota, hustota výlisku ÚVOD Aby sme mohli drevnú odpadovú biomasu (štiepka, kusový odpad, piliny, tenčina, hrubina, pne, korene, kôra, atď...) energetický zhodnotiť musíme ju spracovať do vhodnej formy. To isté platí aj pre materiály, ktoré nepatria do skupiny drevnej odpadovej biomasy, napr. rôzne fytomasy, kakaové šupky, rašelina, kal z ČOV, papier, textil, bavlna, miešaný komunálny odpad, atď.. Prečo sme spomenuli aj tieto druhy materiálov? V dnešnej dobe sa uţ pri získaní tepelnej energie nemôţeme orientovať len na drevnú odpadovú biomasu, pretoţe jej potenciál nie je postačujúci. Rôzne druhy materiálov so sebou nesú rôzne materiálové charakteristiky, chemické zloţenie a špecifikácie pre spracovanie a zhodnotenie. Ak chceme energeticky zhodnocovať tieto materiály musíme poznať dokonale materiál s ktorým pracujeme. V tomto príspevku popisujeme dôleţitosť druhu lisovaného materiálu a experimenty vykonané v tejto oblasti na našom pracovisku. VLASTNOSTI LISOVANÉHO MATERIÁLU Určite si vie kaţdý predstaviť rozdielne materiálové charakteristiky napríklad medzi drevom a textilom. Avšak dokáţeme si uvedomiť aké sú rozdiely medzi ihličnatým a listnatým drevom z pohľadu kvality procesu zhutňovania? A čo tak napríklad rozdiely medzi borovicovým a smrekovým drevom z pohľadu kvality procesu zhutňovania? Preto sme sa rozhodli popísať charakteristické vlastnosti materiálov, ktoré vplývajú na kvalitu procesu zhutňovania a ktorými sa jednotlivé materiály odlišujú, na drevných materiáloch. Pri rôznych druhoch materiálov a pri rôznych podmienkach na vstupe dostávame na výstupe rôzne vlastnosti výliskov (výhrevnosť, obsah vody, popolnatosť). Medzi základné vlastnosti materiálov zaraďujeme: ► chemické zloţenie materiálu ► hustota materiálu ► hmotnosť materiálu ► vlhkosť materiálu ► stavba a štruktúra materiálu ► veľkosť frakcie materiálu ► pórovitosť frakcie ► výhrevnosť materiálu ► a iné Chemické zloţenie biomasy resp. dreva sa medzi jednotlivými rastlinnými druhmi líši, v priemere rastliny obsahujú asi 25% lignínu a 75% uhľovodíkov alebo cukrov. Uhľovodíková zloţka pozostáva z mnohých molekúl cukrov spojených do dlhých reťazcov polymérov. Dve významné zloţky uhľovodíkov sú celulóza a hemicelulóza. Príroda vyuţíva dlhé polyméry celulózy na stavbu vlákien, ktoré dávajú rastlinám potrebnú pevnosť. Lignínová zloţka pôsobí ako lepidlo, ktoré drţí spolu celulózové vlákna. Rozdiel v chemickom zloţení je nielen medzi skupinou listnatých a ihličnatých drevín (Obr.1), ale aj medzi jednotlivými drevinami (Tab.1). Kaţdý druh materiálu má svoju špecifickú hustotu, rozdielnu od ostatných (Tab.2). Hustota významne ovplyvňuje mechanické a fyzikálne vlastnosti dreva. Vyššia merná hustota vstupného materiálu, predpokladá lepšie zhutnenie výsledného výlisku. Takţe môţeme povedať, ţe hustota dreva nadobúda na význame pri jeho Ing. Peter Kriţan ; ÚSETM, Strojnícka fakulta STU Bratislava ; Nám. Slobody 17, 81231 Bratislava; [email protected]/ 57 /


Brno 2009

mechanickom a chemickom spracovaní, kde sa kladie dôraz na hmotnostné mnoţstvo drevnej hmoty. Napríklad ťaţké drevo je pevnejšie, tvrdšie a odolnejšie proti opotrebovaniu a mechanickému spracovaniu neţ ľahké drevo.

Tab. 1 Chemické zloţenie niektorých domácich drevín [2] Komponent Celulóza Hemicelulózy Lignín

Smrek [%] 45,6 27,6 26,9

Borovica [%] 43,2 28 26,6

Buk [%] 39,2 35,3 20,9

Obr.1 Podiel výskytu hlavných organických látok v dreve ihličnatých a listnatých drevín [2] Tab.2 Hustota našich hospodársky najvýznamnejších drevín [2] Dreviny Smrek, jedľa, topole Limba, lipa, osika Borovica Smrekovec, dúgľaška, vŕba, jelša, breza Jaseň, javor, gaštan Brest, dub Buk Agát, hrab

Hustota v absolútne suchom dreve ρ0 (kg.m-3) 350 – 400 400 – 450 500 500 – 600 630 640 – 650 680 730 – 800

Hustotu dreva, a tým taktieţ aj hmotnosť dreva, ovplyvňuje predovšetkým vlhkosť, šírka ročných kruhov a podiel letného dreva, poloha v kmeni a vek stromu. Hustota a hmotnosť dreva sa zvyšuje s vlhkosťou, pričom hmotnosť a objem dreva sa nemenia rovnako. Zatiaľ čo hmotnosť dreva sa zvyšuje so vzrastajúcou vlhkosťou aţ do jeho úplného nasýtenia, objem dreva sa zväčšuje len do bodu nasýtenia vlákien. Pri ďalšom priberaní vlhkosti nad túto hranicu sa objem dreva nemení. Ak je vlhkosť lisovaného materiálu veľmi malá a naopak veľmi veľká, t.z. mimo určitého optimálneho intervalu (8-15%), častice materiálu nie sú súdrţné a výlisok sa rozpadáva. Pri nízkych vlhkostiach zasa nedochádza k spekaniu materiálu, čo zabezpečuje tieţ súdrţnosť častíc materiálu vo výlisku. Výskumy a experimenty dokázali, ţe vlhkosť má vplyv aj na plastifikáciu lignínu. Teplota mäknutia lignínu však závisí aj od druhu dreviny z ktorej je izolovaný a aj od metódy izolácie. Teplota fázového prechodu lignínu z tuhého do plastického stavu je priamoúmerná jeho molekulovej hmotnosti a nepriamoúmerná obsahu vlhkosti. S hustotou dreva súvisí aj pórovitosť dreva. Pórovitosťou rozumieme objem pórov v jednotkovom objeme dreva. Pórmi myslíme dutiny vytvorené lúmenmi, prípadne medzibunkovými priestormi s polomerom kapilár nad 100 μm, a dutiny, ktoré sa nachádzajú v bunkových stenách jednotlivých elementov dreva s polomerom kapilár do 100 μm.

/ 58 /


Brno 2009

Obr.2 Príklad kvádrových drevených brikiet vylisovaných pri rôznej vlhkosti materiálu (vľavo cca 18%, vpravo cca 10% ) Mechanické vlastnosti materiálov závisia aj od usporiadania tuhých častíc v priestore, teda od štruktúry materiálu. Štruktúra (vnútorná stavba) materiálu definuje charakter a geometrické usporiadanie pevných častíc a povahu väzieb medzi nimi. Tá závisí na počte a pevnosti kontaktných väzieb, ktoré sú dôsledkom veľkosti, tvaru, drsnosti a pevnosti tuhých častíc, povahy interakcie jednotlivých fáz, stavu partikulárnej látky, atď. Faktory, ktoré vymedzujú štruktúru materiálu moţno deliť do troch skupín: charakter tuhých častíc, geometrické usporiadanie častíc a povaha väzieb medzi nimi. Do prvej skupiny patria predovšetkým individuálne a skupinové charakteristiky tuhých častíc. Je to pevnosť, zloţenie a stavba tuhých častíc, ich veľkosť, tvar a drsnosť povrchu. Druhá skupina faktorov definuje geometrické usporiadanie tuhej fázy. Najjednoduchším z nich je priemerná objemová hmotnosť a z nej odvodená pórovitosť. Treťou skupinou štruktúrnych charakteristík sú väzby medzi pevnými časticami. Pri partikulárnych látkach moţno rozlíšiť dva typy väzieb: väzby vplyvom vonkajšieho zaťaţenia (vrátane vlastnej tiaţe), ktoré nazývame trecie väzby a väzby vyvolané vnútorným napätím, ktoré nazývame súdrţnými väzbami. Tieto vznikajú na základe rôznych väzbových mechanizmov. Z pohľadu lisovania je veľmi dôleţité poznať zloţenie materiálu, jeho štruktúru a veľkosti frakcie materiálu. Štruktúra a veľkosť frakcie výrazne vplývajú na väzbové mechanizmy, a tie svojou veľkosťou (silou) zasa vplývajú na samotné spojovanie – lisovanie. Ovplyvňujú plynulosť procesu zhutňovania a kvalitu výsledného zhutnenia. Častice materiálu sú v dôsledku pôsobenia vonkajších síl deformované a namáhané najmä v oblasti kontaktov. Z pohľadu zhutňovania je veľmi dôleţité, aby popísané mechanizmy silových väzieb medzi časticami vznikli. Čím je vstupná frakcia väčšia, tým je väčší aj výkon potrebný na zhutnenie. Výlisok má napriek tomu niţšiu homogenitu a pevnosť. S rastúcou veľkosťou klesajú väzobné sily, čo má za následok rýchli rozpad výlisku v procese horenia (výlisok rýchlejšie zhorí, čo je nevýhoda). Kvalita výlisku klesá a potrebný lisovací tlak rastie s nárastom veľkosti frakcie lisovaného materiálu. Pri lisovaní, ale hlavne pri lisovaní bez spojiva sa povrchové plochy zŕn majú dotýkať na najväčšej ploche. Veľkosť stykovej plochy zŕn rastie s rastúcou jemnosťou materiálu a lisovacím tlakom. Dôleţitá je aj výhrevnosť zhutňovaného materiálu, pretoţe čím vyššia je výhrevnosť vstupnej frakcie, tým je vyššia výhrevnosť zhutneného výlisku. Aby sme vedeli produkovať kvalitné výlisky z kaţdého druhu dreva resp. materiálu, musíme tieto zákonitosti rešpektovať a prispôsobiť sa situácií. Preto je veľmi dôleţité, aby sme vedeli povedať, aké technologické parametre je nutné zabezpečiť počas procesu lisovania, pre vylisovanie výlisku normou udávanej kvality. Keďţe kaţdý druh materiálu má iné mechanické, tepelné vlastnosti a iné chemické zloţenie, je nutné experimenty urobiť postupne pre všetky druhy materiálu. Všetky tieto popísané vlastnosti materiálov vplývajú na kvalitu procesu zhutňovania a kvalitu výlisku, ktorá je hodnotená hlavne hustotou. Na obrázku 5 si môţete všimnúť porovnanie niektorých hustôt brikiet z biologických aj nebiologických materiálov. Samozrejme, ţe nemôţeme hodnotiť kvalitu takýchto brikiet medzi sebou, však nakoniec kaţdý materiál má trošku odlišný spôsob zhodnotenia a vyuţitia. Pre niektoré brikety z určitých materiálov je hustota daná normami, pre iné kvalita výliskov vyplýva z poţiadaviek nasledujúcej operácie (doprava, transport, balenie, spaľovanie, ... ). Tento obrázok je pre ilustráciu, aké sú rozdiely medzi briketami z niektorých druhov materiálov. / 59 /


Brno 2009

Obr. 3 Priestorový obraz rezu ihličnatým drevom - borovice (vľavo) a borovicové piliny pripravené na lisovanie [2]

Obr. 4 Priestorový obraz rezu listnatým drevom - buka (vľavo) a bukové piliny pripravené na lisovanie [2] 1,4 1,205306

1,15468

1,2

1,18235

hustota brikiet (kg.dm-3)

1,050326 1

0,89780208

0,813594463 0,668019995

0,776600104 0,8

0,661715858 0,6 0,4 0,2 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

vzorka materiálu brikiet

Obr. 5 Porovnanie hustôt briket z rôznych druhov materiálov: 1 - namiešaný komunálny odpad (drevo 38%, papier 45%, PET fľaše 11%, textil 6% ); 2 - RDF s prídavkom 20% podrveného kartónového papiera; 3 - RDF s prídavkom 4% cementu; 4 - RDF s prídavkom 20 % drevných pilín; 5 - Čisté RDF; 6 - ihličnaté drevo; 7 kávové lúsky; 8 - listnaté drevo; 9 - obilná slama 1, 5 PARAMETRE OVPLYVŇUJÚCE VÝSLEDNÚ KVALITU VÝLISKOV A ZHUTŇOVACÍ PROCES Po podrobnej analýze vplyvu parametrov vieme, ţe na proces zhutňovania, resp. výslednú kvalitu výliskov vplývajú všetky nasledujúce parametre. Analyzované parametre sme rozdelili do troch skupín, pretoţe nie sú / 60 /


Brno 2009

rovnakého charakteru. Prvá skupina parametrov súvisí s druhom lisovaného materiálu, druhá skupina parametrov súvisí s technológiou lisovania a tretia skupina zahŕňa v podstate všetky konštrukčné parametre: 1.) lisovaný materiál: - druh, - veľkosť frakcie, - vlhkosť, - teplota,

2.) parametre lisovania: - spôsob lisovania, - teplota v lisovacej komore, - tlak v lisovacej komore, - rýchlosť lisovania, - doba výdrţe,

3.) konštrukčné parametre: - priemer, dĺţka a tvar (kuţeľov) lisovacej komory, - typ, priemer a tvar lisovacieho nástroja, - materiál, opracovanie (drsnosť plochy) a povrchová úprava lisovacej komory a nástroja, - protitlak pôsobiaci na zlisovanú zátku, - dĺţka chladiaceho kanála,

VÝSKUM PROCESU ZHUTŇOVANIA, EXPERIMENT A VÝSLEDKY Samozrejme nie je moţné navrhnúť a vykonať experimenty pre všetky uvedené parametre naraz a preto sme museli urobiť selekciu parametrov. Podmienky výberu boli jednoduché a jasné. Parametre, ktoré významne ovplyvňujú výslednú kvalitu výlisku a taktieţ parametre, ktoré je moţné reálne namerať. Podľa toho sme na našom pracovisku navrhli aj experimentálny stend. Na základe týchto podmienok sme zvolili z prvej skupiny jeden druh lisovaného materiálu s definovanou vlhkosťou a veľkosťou frakcie. Z parametrov lisovania sme zvolili, aj na základe podrobných analýz, lisovací tlak a teplotu v lisovacej komore. V prvej časti experimentu sme si zvolili borovicové piliny, ktoré sme na experimentálnom lisovacom stende lisovali do výliskov pri vopred nastavených podmienkach podľa navrhnutého experimentálneho plánu. Sledovali sme vplyv lisovacej teploty (rozsah 85-115 ºC), lisovacieho tlaku (rozsah 95-159 MPa), vlhkosti frakcie (rozsah 812%) a veľkosti frakcie (rozsah 1-4 mm) na hustotu výliskov. Experiment prebiehal v uvedených rozsahoch.

skúmané parametre

Namerané a vypočítané údaje hustôt sme podrobili spracovaniu za pomoci známych matematicko-štatistických metód, tak aby sme boli schopný kvantifikovať význam a vplyv skúmaných parametrov a navrhnúť matematický model procesu zhutňovania borovicových pilín v danom rozsahu. Na nasledujúcom obrázku môţeme vidieť veľkosť vplyvu jednotlivých parametrov, vyplývajúci z nameraných údajov. BD ACD ABD CD ABCD AD BCD AB AC ABC D A BC C B

A – lisovací tlak p (MPa) B – lisovacia teplota T (°C) C – vlhkosť materiálu wr (%) D – veľkosť vstupnej frakcie L (mm)

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

hodnota efektu parametrov

Obr. 6 Veľkosť vplyvu jednotlivých parametrov – Paretov diagram efektov [1] Následne sme navrhli matematický model procesu zhutňovania borovicových pilín pre daný rozsah. Týmto modelom sme získali nástroj pre efektívnu a rýchlu predikciu hodnôt výslednej hustoty výliskov, hodnôt lisovacích teplôt, hodnôt lisovacích tlakov, hodnôt vlhkosti vstupnej frakcie a hodnôt veľkosti vstupnej frakcie. Pomocou tohto navrhnutého matematického modelu sme boli schopný vytvoriť nasledujúce grafické závislosti hustoty / 61 /


Brno 2009

výliskov od sledovaných parametrov (lisovacieho tlaku, vlhkosti materiálu a veľkosti frakcie materiálu) pri rôznych teplotných hladinách (obrázky 7, 8 a 9). 1,3

1,3

115 °C

115 °C Hustota výliskov (kg.dm-3)

Hustota výliskov (kg.dm-3)

1,2

105 °C 1,1

95 °C

1

85 °C

1,2

105 °C 1,1

95 °C 1

85 °C

0,9

0,9

0,8 90

100

110

120

130

140

150

7

160

8

9

Obr. 7 Závislosť hustoty výliskov od lisovacieho tlaku pri rôznych lisovacích teplotách pre borovicové piliny (wr=10 %; L=20 mm) [1]

11

1,2

115 °C 1,2

12

13

Obr. 8 Závislosť hustoty výliskov od vlhkosti materiálu pri rôznych lisovacích teplotách pre borovicové piliny (p=155 MPa; L=20 mm) [1]

1,3

Smrek

1,1

105 °C



10 Vlhkosť materiálu (%)

Lisovací tlak (MPa)

95 °C 1,1

85 °C

Borovica

1

Dub 0,9

Buk 0,8

1 0,7

0,6

0,9 0,8

1,3

1,8

2,3

2,8

3,3

3,8

4,3

Veľkosť vstupnej frakcie (mm)

Obr. 9 Závislosť hustoty výliskov od veľkosti frakcie pri rôznych lisovacích teplotách pre borovicové piliny (wr=10 %; p=155 MPa) [1]

50

70

90

110

130

150

170

190


Obr. 10 Porovnanie závislostí hustoty výliskov z rôznych materiálov od lisovacieho tlaku pri lisovacej teplote 115ºC (wr=10 %; L=20 mm) [3]

Na základe zobrazených závislostí tvrdíme, ţe 4 sledované parametre majú veľký vplyv na výslednú kvalitu výliskov hodnotenú ich hustotou počas procesu zhutňovania. Z obr. 7 vyplýva, ţe hustota výliskov rastie s rastúcim lisovacím tlakom a s rastúcou lisovacou teplotu. Zobrazená závislosť ukazuje zmenu hustoty výliskov v oblasti lisovacích tlakov od 95 do 159 MPa a v intervale lisovacích teplôt od 85 do 115 °C. Lisovacia teplota a lisovací tlak sú parametre, ktoré sa navzájom výrazne ovplyvňujú a tým ovplyvňujú výslednú hustotu. Pri niţších lisovacích teplotách potrebujeme na vylisovanie výlisku danej hustoty vyššie lisovacie tlaky. Ak zvýšime hodnotu lisovacej teploty, na vylisovanie výlisku danej hustoty nám stačia niţšie tlaky. Závislosť na obr. 7 je toho jasným dôkazom. Potom je to len otázka pre konštruktérov zhutňovacích strojov, či sa vo svojich návrhoch vydajú smerom niţších lisovacích tlakov a vyšších lisovacích teplôt alebo naopak. Pretoţe, ale lisovacia teplota má väčší vplyv na hustotu výlisku ako lisovací tlak, pri konštrukcií stroja by sme sa mali zamerať na reguláciu teploty lisovania. Na obr. 8 je zobrazená závislosť hustoty výliskov od vlhkosti vstupného materiálu pri rôznych lisovacích teplotách. Opäť je nutné poznamenať, ţe závislosť ukazuje zmenu hustoty výliskov v oblasti vlhkosti výliskov od 8 do 12 % a v intervale lisovacích teplôt od 85 do 115 °C. Závislosť nám hovorí o tom ako vplýva vlhkosť vstupného materiálu v kombinácií s lisovacou teplotou na výslednú hustotu výliskov. Vidíme, ţe s klesajúcou hodnotou vlhkosti materiálu a so stúpajúcou lisovacou teplotou rastie aj výsledná hustota výliskov. Súvisí to s lepšou plastifikáciou lignínu pri vyšších teplotách a plynulejším previazaním plastifikovaného lignínu s časticami materiálu počas pôsobenia lisovacieho tlaku. / 62 /


Brno 2009

Vplyv zmeny veľkosti frakcie v kombinácií so zmenou lisovacej teploty na výslednú hustotu výliskov je zobrazený na obr. 9. Závislosť ukazuje zmenu hustoty výliskov v oblasti veľkosti vstupnej frakcie od 1 do 4 mm a v intervale lisovacích teplôt od 85 do 115 °C. Vidíme, ţe so zmenšujúcou sa veľkosťou vstupnej frakcie a so stúpajúcou lisovacou teplotou rastie aj výsledná hustota výliskov. Menšia vstupná frakcia napomáha počas zhutňovania k lepšiemu previazaniu tuhých častíc materiálu s lignínom. Tuhé častice materiálu sa vzájomne dotýkajú. Preto so zmenšujúcou sa vstupnou frakciou sa zvyšuje veľkosť povrchu a počet atómov a tým aj dotyková plocha častíc. Zmenšovaním vstupnej frakcie, zmenšujeme póry medzi tuhými časticami a zniţujeme pohybovú autonómiu častíc. Zhutňovaním takejto frakcie zvýšime pevnosť, tuhosť a hustotu výliskov. Aj z týchto výsledkov je zrejmé, aký dôleţitý je druh materiálu pri procese zhutňovania – či uţ je to briketovanie alebo peletovanie. Dokazuje to aj kvantifikovaná významnosť parametrov – lisovacia teplota a vlhkosť materiálu vplývajú najvýraznejšie. Lisovacia teplota síce priamo nie je parameter materiálový, ale výrazne vplýva počas zhutňovania na zmenu niektorých materiálových vlastností a ovplyvňuje aj štruktúru materiálu a chemické zloţenie. Po vyhodnotení experimentov pre borovicové piliny sme začali podobné experimenty aj s pilinami smrekovými, bukovými a dubovými. Porovnanie získaných závislostí hustoty výliskov z rôznych materiálov od lisovacieho tlaku pri určitej lisovacej teplote je zobrazené na obrázku 10. Závislosť na obr. 10 nám jasne dokazuje vplyv lisovacieho tlaku. Lisovací tlak je faktor, ovplyvňujúci hlavne pevnosť výliskov. Pevnosť výlisku je vyššia pri zhutňovaní kde pôsobia vyššie tlaky. Rastie aţ do medze pevnosti zhutňovaného materiálu. Pevnosť výliskov vplýva na trvanlivosť výliskov, pretoţe s nárastom pevnosti klesá náchylnosť na nasávanie atmosférickej vlhkosti pri dlhšom skladovaní. Taktieţ je tu vidieť zreteľný vplyv druhu materiálu. Pri materiáloch s vyšších obsahom lignínu a celulózu – ihličnatých drevinách (smrek, borovica), boli dosiahnuté viditeľne vyššie hustoty ako pri listnatých drevinách (dub, buk).

1,1

115 °C

BOROVICA

SMREK

1,2

115 °C

1

0,9


Hustota výlisku (kg.dm-3)

1,1

0,8

100 °C

0,7

85 °C

0,6

0,5

1

100 °C 0,9

0,8

85 °C 0,7

0,4

0,6 50

70

90

110

130

150

170

190

50

70

90


130

150

170

190


1

0,9

0,8

100 °C

115 °C

0,7

85 °C

0,6

DUB 0,9


BUK Hustota výliskov (kg.dm-3)

110

115 °C

0,8

100 °C

85 °C

0,7

0,6

0,5

0,5 50

70

90

110

130

150

170

50

190

70

90

110

130

150

170

190



Obr. 11 Závislosť hustoty výliskov z rôznych materiálov (borovica, smrek, buk, dub) od lisovacieho tlaku pri rôznych lisovacích teplotách (wr=10 %; L=20 mm) [3] Ak sa pozrieme na podobné závislosti (obr. 11) a porovnáme ich medzi sebou, jasne dokazujú vplyv lisovacej teploty na rôzne druhy materiálov. Vidíme, ţe kaţdý materiál sa správa inak. Preto je veľmi dôleţité nastaviť také podmienky pri zhutňovaní, aké si materiál vyţaduje. Čím vyššia je lisovacia teplota, tým menší lisovací tlak je nutné pouţiť na zlisovanie výlisku normou udávanej kvality. Tlak a teplota idú v procese zhutňovania „bok po / 63 /


Brno 2009

boku“, ak zvýšime veľkosť tlaku môţeme si dovoliť mierne zníţiť teplotu, a naopak ak zvýšime teplotu môţeme zníţiť tlak. Pri náraste lisovacej teploty, klesá potrebný lisovací tlak a naopak.

Obr. 12 Výlisky z rôznych druhov materiálov, ktoré boli pouţité pri experimentoch (borovica, smrek, buk, dub) [4] ZÁVER Na základe prezentovaných vykonaných analýz a získaných výsledkov z experimentov sme jasne dokázali dôleţitosť druhu lisovaného materiálu v procese zhutňovania. Parametre, ktoré ovplyvňujú a vstupujú do lisovacieho procesu, vyplývajú nielen zo samotného procesu lisovania, ale aj z procesov ktoré predchádzajú lisovaniu. Z procesov spracovania a prípravy materiálu – drvenia, triedenia a sušenia. Preto je veľmi dôleţité poznať optimálne hodnoty parametrov, ktoré ovplyvňujú výslednú kvalitu výliskov pre rôzne druhy materiálov.

POĎAKOVANIE „Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“ POUŢITÁ LITERATÚRA 1 KRIŢAN, P.: Proces lisovania drevného odpadu a koncepcia konštrukcie lisov, Dizertačná práca, SjF STU v Bratislave, ÚSETM, Bratislava, júl 2009, s.150 2 POŢGAJ, A.; CHOVANEC, D.; KURJATKO, S.; BABIAK, M.: Štruktúra a vlastnosti dreva, Vydavateľstvo Príroda a.s., Bratislava, 1997, ISBN 80-07-00960-4, s.485 3 KRIŢAN, P., MATÚŠ, M.: Vplyv druhu lisovaného materiálu pri zhutňovaní, In.: Zborník z Medzinárodnej konferencie Energetika Ţivotní prostredí 2009, 07. – 08.09.2009, Ostrava, VŠB-TU v Ostrave, ISBN 97880-248-2061-3, str. 47-52, 4 KRIŢAN, P.; VUKELIĆ, Dj.: Vlastnosti niektorých druhov materiálov pri lisovaní, In.: Zborník z Medzinárodnej konferencie TOP 2009, Častá-Papiernička, 17.-19.06.2009, ISBN 978-80-227-3096-9, str. 289-296 5 KOLLÁTH, Ľ.; KRIŢAN, P.; a kol.: Stanovenie parametrov vyrábaných brikiet pre EVPÚ a.s. Nová Dubnica, HZ č. EOU - 001 - 806/09, SjF STU v Bratislave, august 2009, s.16

/ 64 /


Brno 2009

ANALÝZA KONŠTRUKČNÝCH PARAMETROV VPLÝVAJÚCICH NA VÝSLEDNÚ KVALITU VÝLISKU Miloš Matúš, Peter Kriţan, Monika Kováčová Potreba zhutňovania materiálov sa vyskytuje v každom odvetví priemyslu. Či už sa výlisky využívajú na zníženie nákladov na dopravu, alebo na následné materiálové či energetické zhodnocovanie, sú technológie zhutňovania nevyhnutné. Zároveň sa na výlisky kladú čoraz vyššie kvalitatívne požiadavky. Príspevok sa zameriava predovšetkým na analýzu konštrukčných parametrov ovplyvňujúcich dosahovanie kvalitatívnych požiadaviek na výlisky z biomasy. Opísané princípy však možno aplikovať na široké spektrum zhutňovaných materiálov. Klíčová slova: biomasa, biopalivo, výlisok, zhutňovanie, lisovanie, briketovanie, peletovanie KVALITA VÝLISKOV Z BIOMASY Kvalitu výliskov z biomasy ako alternatívneho biopaliva stanovujú normy. V súčasnosti ešte nie je v platnosti jednotná európska norma pre tuhé biopalivá. Z toho dôvodu pre stanovenie kvality výliskov z biomasy pouţívajú európske krajiny svoje normy. Tie najvýznamnejšie a najúplnejšie sú pre porovnanie uvedené v tabuľke 1. Uvedené normy sú v eroregióne významné preto, lebo krajiny, ktoré sa nimi riadia, sú najväčšími producentmi tuhých biopalív a zároveň aj ich najväčšími spotrebiteľmi. To znamená, ţe ak producent z inej krajiny chce predať biopalivo v danej krajine, musí toto biopalivo spĺňať národnú normu kupujúcej krajiny. Tabuľka 1: Porovnanie niektorých parametrov výliskov vymedzených normami európskych krajín

PARAMETER

DIN 51 731

Ö-Norm M 7135

Certifikácia DINplus

SS 18 71 20

Priemer

Od 4 do 10 mm

Od 4do 10 mm

Nie je určený

< 25 mm

Dĺţka

< 50 mm

<5xd

<5xd

<5xd

Hustota

> 1,0-1,4 kg/dm3

> 1,12 kg/dm3

> 1,12 kg/dm3

Nie je určená

Vlhkosť

< 12 %

< 10%

< 10%

< 10 %

Sypaná hustota

Nie je určená

Nie je určená

Nie je určená

> 500 kg/m3

Oter

Nie je určený

< 2,3 %

< 2,3 %

Nie je určený

Obsah popola

< 1,5 %

< 0,5 %

< 0,5 %

< 1,5 %

Výhrevnosť

17,5 - 19,5 MJ/kg

> 18 MJ / kg

> 18 MJ / kg

> 16,9 MJ / kg

Obsah síry

< 0,08 %

< 0,04 %

< 0,04 %

< 0,08 %

Obsah dusíka

< 0,3 %

< 0 ,3 %

< 0 ,3 %

Nie je určený

Obsah chlóru

< 0,03 %

< 0,02 %

< 0,02 %

< 0,03%

Obsah arzénu

< 0,8 mg / kg

Nie je určený

< 0,8 mg / kg

Nie je určený

Obsah olova

< 10 mg / kg

Nie je určený

< 10 mg / kg

Nie je určený

Obsah kadmia

< 0,5 mg / kg

Nie je určený

< 0,5 mg / kg

Nie je určený

Obsah chrómu

< 8 mg / kg

Nie je určený

< 8 mg / kg

Nie je určený

Obsah medi

< 5 mg / kg

Nie je určený

< 5 mg / kg

Nie je určený

Obsah striebra

< 0,05 mg / kg

Nie je určený

< 0,05 mg / kg

Nie je určený

Obsah zinku

< 100 mg / kg

Nie je určený

< 100 mg / kg

Nie je určený

Uvedené normy určujúce jednotlivé parametre kvality výliskov z biomasy sú pomerne prísne a nimi stanovené limity je moţné dosiahnuť v prevaţnej miere len lisovaním čistej drevnej hmoty. Ukazovatele kvality výliskov Ing. Miloš Matúš, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected] Ing. Peter Kriţan, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected] Mgr. Monika Kováčová, PhD., SjF STU v Bratislave, Nám. slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected] / 65 /


Brno 2009

zhrnuté v tabuľke 1 moţno rozdeliť na chemicko-termické a fyzikálno-mechanické. Chemicko-termické ukazovatele (obr. 1) stanovujú obsah jednotlivých chemických prvkov vo výliskoch, obsah popola, vlhkosť a výhrevnosť výliskov. Fyzikálno-mechanické ukazovatele (obr. 2) udávajú geometrické parametre výliskov, hustotu výliskov, oter a ich pevnosť v tlaku.

Obr. 1 Chemicko - termické ukazovatele kvality výlisku

Obr. 2 Fyzikálno - mechanické ukazovatele kvality výliskov Chemicko-termické ukazovatele kvality výliskov sú dané vlastnosťami lisovaného materiálu. Je moţné zniţovať vlhkosť na zvýšenie kvality, ale ostatné parametre sú pevne viazané na materiál (chemické prvky viazané v biomase, obsah popola, výhrevnosť,...). Aj na fyzikálno-mechanické ukazovatele vplývajú vlastnosti lisovaného materiálu (pevnosť materiálu), ale tieto ukazovatele môţeme pouţitou technológiou ovplyvňovať. Najvýznamnejšími fyzikálno-mechanickými ukazovateľmi kvality, ktoré môţeme pozitívne ovplyvňovať vhodnou voľbou technológie, je ich hustota a oter. Minimálnu hodnotu týchto dvoch ukazovateľov kvality stanovujú spomínané normy. Hustota výliskov ako biopaliva je ich najdôleţitejším ukazovateľom kvality. Je dôleţitá z hľadiska ich manipulácie. Výlisky musia byť súdrţné, aby nevznikali trhliny a neoddeľovali sa jemné častice. So zvyšovaním hustoty výliskov z drevnej hmoty sa úmerne zvyšuje aj ich pevnosť. Výlisky s vyššou hustotou majú dlhšiu dobu horenia, čo je vzhľadom na ich primárnu úlohu ako paliva najvýznamnejšia vlastnosť. Vyššia hustota priaznivo ovplyvňuje tieţ dlhotrvajúcu objemovú a tvarovú stálosť výlisku, ako aj zniţuje schopnosť výlisku absorbovať vlhkosť zo vzduchu. Oter sa beţne stanovuje len pre pelety, t.j. pre najmenšiu rozmerovú skupinu. To súvisí s poţiadavkou zamedziť vzniku prachových častíc v procese automatizovanej dopravy takéhoto paliva, prípadne zamedzeniu výbuchu prachových častíc. Meranie oteru brikiet sa beţne nepouţíva, existujú však aj na jeho stanovenie normy. Veľkosť oteru je závislá predovšetkým od dosiahnutej hustoty výlisku. KONŠTRUKČNÉ PARAMETRE V PROCESE ZHUTŇOVANIA Na základe hĺbkovej analýzy parametrov ovplyvňujúcich kvalitu výsledného výlisku môţeme tieto parametre rozdeliť na tri skupiny: a) Materiálové parametre / 66 /


Brno 2009

b) Technologické parametre c) Konštrukčné parametre Medzi majoritné konštrukčné parametre vplývajúce na kvalitu výliskov patria: • • • • • •

priemer lisovacej komory, dĺţka lisovacej komory, materiál lisovacích nástrojov a ich drsnosť (súčiniteľ trenia medzi nástrojmi a lisovaným materiálom), kuţeľovitosť stien lisovacej komory, typ lisovacieho nástroja, dĺţka ochladzovacieho kanála. VÝZNAM A VPLYV GEOMETRIE LISOVACEJ KOMORY A SÚČINITEĽA TRENIA

Po vykonanej analýze môţeme konštatovať, ţe matematických modelov popisujúcich proces zhutňovania, hlavne popisujúcich vplyv konštrukčných parametrov neexistuje veľa. Napriek tomu môţeme na základe teórie jednoosového lisovania v uzavretej komore analyzovať vplyv zmeny dĺţky lisovacej komory a vplyv zmeny súčiniteľa trenia medzi lisovaným materiálom a lisovacou komorou. Tento súčiniteľ trenia závisí od materiálu lisovacej komory a lisovaného materiálu a jeho stavu (vlhkosť, teplota, atď.). Priemer lisovacej komory má v súčinnosti s jej dĺţkou významný vplyv tak na samotné vlastnosti výlisku ako paliva ako aj na opotrebenie nástrojov. Pri výliskoch platí, ţe pre pomalé vyhorenie, čo je u paliva ţiaducou vlastnosťou, musí byť pomer povrchu k objemu čo moţno najmenší. Rovnako pri lisovacích nástrojoch (matrica, hubica, piest, závitovka, kladka,...) je predpoklad, ţe čím je menší pomer povrchu k objemu, tým je opotrebenie nástrojov menšie. Preto je ţiaduce, ak je to moţné, hľadať i optimálne rozmery výlisku z rôznych hľadísk. Priemer lisovacej komory však býva väčšinou pevne stanovený na základe poţiadaviek tvaru a veľkosti výsledných výliskov z vonkajšíh podnetov (trh, účel pouţitia, atď.). Tlakové pomery vo valcovej lisovacej komore pri jednoosom lisovaní Tlakové pomery v uzavretej lisovacej komore pri jednoosom lisovaní, kde protitlak je vyvolaný zátkou, sú znázornené na obr. 3. Tlakové pomery v lisovacej komore medzi piestom a zátkou, moţno vysvetliť na elemente lisovaného materiálu dx, pričom sa jeho hmotnosť počas lisovacieho procesu zanedbá. pap – axiálny tlak piesta [MPa] pp – protitlak v lisovacom puzdre [MPa] pr – radiálny tlak [MPa] pa – axiálny tlak na zátku [MPa] dp – priemer lisovacieho puzdra [mm] μ – súčiniteľ väzbového trenia [-] Lp – dĺţka lisovacieho puzdra [mm]

Obr. 3 Tlakové pomery v lisovacej komore pri jednoosom lisovaní

/ 67 /


Brno 2009

Z tlakových pomerov v lisovacej komore moţno napísať rovnicu pre rovnováhu síl:

 pa   pa

 dp a 

d

2

4

  p r  d p dx  0

(1)

Pri lisovaní sypkých materiálov sa väčšinou vychádza z anizotropie tlaku (vyššie tlaky sú v smere kolmom). Pomer hlavných napätí (radiálnych σr / axiálnych σa) sa označuje ako zvyškový tlakový koeficient alebo horizontálny lisovací pomer λ. Pre disperzné materiály nadobúda λ hodnoty od 0 po 1.  

r a



pr



pa

pr   pa

(2)

p  p ap , x  L p , p a  p p Po dosadení vzťahu (2) do rovnice (1) a pre jej okrajové podmienky: x  0 , a dostaneme výsledný vzťah: 4 . .  . L p

p ap  p p .e

d

p

[Pa]

(3)

Táto rovnica (3) nám udáva vzťah medzi tlakom piesta a protitlakom pôsobiacim na lisovaný materiál. Tento vzťah moţno uplatniť aj pri lisovaní v otvorenej lisovacej komore, kde protitlak je tvorený statickým trecím odporom medzi uţ zlisovaným materiálom pretláčaným cez lisovaciu komoru a stenami tejto komory. Z tohto vzťahu moţno ďalej vychádzať pri určovaní veľkosti potrebného protitlaku na lisovaciu operáciu a určenie statického trecieho odporu pretláčaného stĺpca, ktorý uţ bol zlisovaný. Kombináciou súčiniteľa trenia a dĺţky lisovacej komory teda vieme zabezpečiť potrebný protitlak pri otvorených komorách. Vychádzajúc zo vzťahu (3) je zrejmé, ţe zväčšením koeficientu väzbového trenia exponenciálne rastie protitlak na lisovaný materiál. Rovnako exponenciálne narastá protitlak aj po kladnej zmene dĺţky lisovacej komory. Naopak, zmenšovaním priemeru lisovacej komory protitlak exponenciálne klesá. Konštatujeme, ţe súčiniteľ väzbového trenia medzi lisovaným materiálom a lisovacom komorou, dĺţka lisovacej komory a taktieţ jej priemer majú podľa matematického modelu výrazný vplyv na výslednú kvalitu výliskov. Preto je nutné uvaţovať o experimentálnom overení týchto výsledkov a hľadať ich optimalizáciu. VPLYV KUŢEĽOVITOSTI STIEN LISOVACEJ KOMORY Pri pretláčaní lisovaného materiálu cez kuţeľovú komoru dochádza k viacosovému lisovaniu, a teda aj k zvýšeniu kvality výliskov v podobe vyššej hustoty ako aj jeho mechanických vlastností, ale zároveň dochádza k vyššiemu opotrebeniu nástrojov. Z tohto dôvodu je potrebná podrobná matematická analýza ako ja experimentálna verifikácia a následná optimlizácia geometrie. Pre analýzu vplyvu zmeny kuţeľovitosti stien lisovacej komory vyuţijeme teóriu dopredného pretláčania ako základnú technológiu objemového tvárnenia kovov za studena. Rozloţenie síl a tlakov pri doprednom pretláčaní môţeme označiť za najbliţšie k technológii zhutňovania. Teóriu dopredného pretláčania a opis tlakových pomerov v lisovacej komore uvedieme pre najjednoduchší prípad pretláčania, kde prietlačnica (lisovacia komora) pozostáva z troch častí (obr. 4). Takýto typ lisovacej komory je často vyuţívaný aj v konštrukciách zhutňovacích strojov.

/ 68 /


Brno 2009 1 – lisovací piest

2 – valcová časť

3 – záchytná kuţeľová časť

4 – kalibračná časť

Obr. 4 Základné časti a rozmery kuţeľovej lisovacej komory Valcová časť (2) je vstupný zásobník pre proces lisovania. Do tejto časti je privádzaný materiál, ktorý sa vplyvom vonkajšej sily vyvodenej lisovacím piestom (1) začína zhutňovať. Záchytná kuţeľová časť (3) nazývaná tieţ redukčná je časť lisovacej komory, v ktorej prebieha základná deformácia východiskového materiálu, dochádza tu vplyvom vonkajšej sily a vplyvom kuţeľového tvaru k viacosovému zhutneniu. Vo výpustnej valcovej časti, nazývanej tieţ kalibračná je výlisok drţaný určitú dobu pod tlakom. Doba výdrţe je nutná súčasť lisovacieho procesu, kvôli zmenšeniu vplyvu vznikajúcich dilatácií. Kalibračná časť dáva výlisku konečný tvar a udrţuje ho ešte pod tlakom a teplotou, čo je vhodné kvôli zamedzeniu rýchleho rozpadu výlisku po opustení kuţeľovej časti. Výlisok, ktorý vychádza cez valcovú kalibračnú časť komory sa uţ mení veľmi málo. Výsledný vzťah pre výpočet tvárniaceho (lisovacieho) tlaku pre lisovaciu komoru je uvedený ako súčet lisovacích tlakov jednotlivých častí lisovacej komory. Pri opise tlakových pomerov v lisovacej komore podľa základnej teórie dopredného pretláčania začneme pri valcovej kalibračnej časti (4). Potrebný pôsobiaci tlak na priereze valcovej kalibračnej časti komory (4) p4   k 4

4 . f 4 .l

[MPa]

(4)

d

kde: f4 – súčiniteľ trenia pre časť(4) [-] σk4 – medza klzu materiálu, pri doprednom pretláčaní kovov; protitlak na lisovaný materiál d – priemer kalibračnej časti (4) [mm] l – dĺţka kalibračnej časti (4) [mm]

[MPa]

Pre rozloţenie tlakov v kuţeľovej záchytnej časti (3) platí nasledujúca rovnica (5). Táto rovnica však platí iba pre lisovacie komory s malými uhlami γ (pre γ ≤ 30°).

p3  

K3

f  0 ,5   S . ln . 1  3  p4 2 . s  

[MPa]

(5)

kde: f3 – súčiniteľ trenia pre časť (3) [-] σk3 – medza klzu materiálu pri doprednom pretláčaní kovov; protitlak na lisovaný materiál [MPa] / 69 /


γ – kuţeľovitosť steny časti (3) S – plocha prierezu valcovej časti (2) s – plocha prierezu valcovej časti (4)

Brno 2009

[°] [mm2] [mm2]

Tlak na lisovacom pieste pôsobiaci vo valcovej časti (2) sa vypočíta nasledovným vzťahom: p2  p3  

K3

.

2 .L D

[MPa]

(6)

kde: L – vzdialenosť medzi piestom a spodným koncom valcovej časti (2) [mm] D – priemer valcovej časti (2) [mm] Výsledný vzťah pre výpočet tvárniaceho (lisovacieho) tlaku pre lisovaciu komoru na obr. 11 získame, keď dosadíme do rovnice (6) hodnotu p3 z rovnice (5) a p4 z rovnice (4)  f  0 ,5  S 2 .L 4 . f 4 .l . ln p   K 3 . 1  3   K 3.   K 4. 2 . s D d  

[MPa]

(7)

Tento jednoduchý postup nám umoţňuje navrhnúť vhodný, optimálny tvar lisovacej komory. Taktieţ nám dáva moţnosť vypočítať pôsobiaci lisovací tlak v lisovacej komore. Nakoľko tvar lisovacej komory má rozhodujúci vplyv na výslednú kvalitu výlisku, je dôleţité zaoberať sa optimalizáciou lisovacej komory. Z uvedeného vyplýva, ţe vyššie uvedené konštrukčné parametre majú výrazný vplyv na výslednú kvalitu výliskov, a preto bude potrebné sa v blízkej budúcnosti zaoberať experimentmi na zistenie ich vplyvu. Verím, ţe naše teoretické tvrdenia sa potvrdia aj výsledkami experimentov. Následne však výsledky experimentov chceme overiť v praxi na zhutňovacích strojoch. VPLYV DRUHU LISOVACIEHO NÁSTROJA NA KVALITU VÝLISKOV V prípade zhutňovania biomasy pre energetické účely moţno rozdeliť technológie na briketovanie a peletovanie. V prípade peletovanie je princíp takmer totoţný pri rôznych typoch peletovacích strojov. Materiál sa vţdy pretláča cez otvory v matrici prostredníctvom po matrici sa odvaľujúcim nástrojom. Vzhľadom na malé rozmery peliet je zbytočné rozoberať ich vnútorné poruchy v závislosti od typu peletovacieho stroja. V prípade technológie briketovania je situácia odlišná. Výlisky sú väčšie, a teda ich vnútorné poruchy sú výraznejšie a značne ovplyvňujú kvalitu, t.j. pevnosť a mechanické vlastnosti týchto výliskov. Pri briketovaní môţeme princíp lisovania rozdeliť na tri skupiny, pričom kaţdý princíp má svoj špecifický lisovací nástroj a iný vplyv na kvalitu výliskov. Lisovací piest hydraulického lisu Pri briketovaní biomasy na hydraulickom lise dochádza k lisovaniu v uzavretej komore celého objemu materiálu potrebného na vytvorenie jedného výlisku naraz – na jeden zdvih piesta (obr. 5). Pri tomto princípe briketovania je moţné vytvárať rôzne tvary výliskov. So zväčšovaním dĺţky výlisku materiál prestáva byť homogénne zhutnený v celom objeme a vznikajú poruchy v štruktúre výlisku, čo nepriaznivo pôsobí na jeho kvalitu. Vznikajú vo výlisku trhliny (obr. 6) a nie je dosiahnutý vysoký stupeň zhutnenia v celom objeme, a teda nielen hustota, ale predovšetkým mechanická pevnosť výlisku sa výrazne zhoršuje.

/ 70 /


Brno 2009

Obr. 5 Výlisky vytvorené na hydraulickom lise

Obr. 6 Štruktúra výlisku - poruchy

Lisovací piest mechanického lisu Tvorba výlisku na mechanických lisoch s lisovacím piestom prebieha v otvorenej lisovacej komore, kde je materiál lisovaný a pretláčaný cez lisovaciu hubicu prostredníctvom lisovacieho piesta. Týmto princípom je biomasa zhutňovaná do plného valcového nekonečného výlisku, ktorý je následne delený na poţadovanú dĺţku (obr. 7). Výlisok je tvorený lisovaním materiálu prostredníctvom priamočiareho vratného pohybu piesta, čím je pri kaţdom zdvihu piesta vytvorená istá tenká časť výlisku – jeden plát. Súdrţnosť jednotlivých častí zabezpečuje špeciálne tvarovaný koniec piesta, ktorý preráţa jednotlivé časti a vytvára tak medzi nasledujúcimi časťami výlisku spoj tvarovým stykom. Keďţe výlisok vzniká spájaním jednotlivých častí, vznikajú poruchy súdrţnosti (trhliny) práve na rozhraní jednotlivých častí výlisku (obr. 8), čo zniţuje kvalitu výlisku – najmä jeho mechanickú pevnosť.

Obr. 7 Výlisky vytvorené piestom na mechanickom lise

Obr. 8 Štruktúra výlisku - poruchy

Lisovacia závitovka Briketovaním biomasy prostredníctvom lisovacej závitovky sa dosahuje najlepšia kvalita výliskov. Je moţné vytvárať rôzne tvary výliskov, od valcových cez n-uholníkové, s dierou alebo bez nej (obr. 9). Materiál nie je zhutňovaný po častiach, ale kontinuálne, čím nevznikajú poruchy v štruktúre výliskov. Výlisok vzniká ako nekonečný, ktorý sa následne delí na poţadované dĺţky. Kontinuálne lisovanie materiálu zabezpečuje vysoký stupeň zhutnenia a vysokú úroveň mechanických ukazovateľov kvality výliskov (obr. 10).

Obr. 9 Výlisky vytvorené lisovacou závitovkou

Obr. 10 Štruktúra výlisku – bez porúch / 71 /


Brno 2009

Kaţdý princíp briketovania vyuţívajúci iný typ lisovacieho nástroja má svoje výhody aj nevýhody. Nie vţdy je pri výbere typu princípu briketovania rozhodujúca kvalita výlisku. Producenti musia zváţiť aj výrobné a investičné náklady na jednotku zhutneného materiálu, aby boli na trhu s biopalivami konkurencieschopní. Preto sa ja my snaţíme o výskum v tejto oblasti, aby sme vedeli posunúť kvalitu výliskov vyššie, ktorá však nesmie ísť na úkor ceny, ak majú byť biopalivá úspešne vyuţívané a postupne konkurencieschopné fosílnym palivám. VPLYV DĜŢKY OCHLADZOVACIEHO KANÁLA NA KVALITU VÝLISKOV Aj dĺţka ochladzovacieho kanála má vplyv na výslednú kvalitu výliskov z biomasy. Podstata vychádza so samotného procesu lisovania biomasy, kde za vysokého tlaku (okolo 120 MPa) a pomerne vysokej teploty (90 aţ 120 °C) je tento materiál lisovaný pretláčaný cez lisovaciu komoru. Pri pôsobení tlaku a teploty lignínová zloţka obsiahnutá v biomasy plastifikuje, je vytláčaná z bunečných štruktúr, obaľuje pevné častice a tvorí medzi nimi spojivo. Po pretlačení výlisku z lisovacej komory je výlisok horúci, plastický, lignínová zloţka nestuhnutá. Je nevyhnutné vytvoriť podmienky na jej vychladnutie a stuhnutie pod tlakom, aby nedošlo k rozpadu výlisku. Túto podmienku zabezpečuje ochladzovací kanál, ktorý drţí tvar výlisku pod miernym tlakom (omnoho niţším ako je v lisovacej komore), aţ kým výlisok neochladne a lignín nestuhne. Len vtedy je moţné dosiahnuť kvalitný výlisok. Ochladzovací kanál ako samostatne stojace zariadenie je pouţívaný pri technológii briketovania. Pri peletovaní je tento kanál súčasťou matrice, cez ktorú je materiál pretláčaný a tvorí pokračovanie otvoru v matrici za lisovacou časťou otvoru. Veľkosť prierezu kanála je daná veľkosťou prierezu výlisku – je mierne zväčšený oproti prierezu lisovacej komory, kvôli zníţeniu trenia a miernej dilatácii výlisku po vytlačení z lisovacej komory. Dĺţka ochladzovacieho kanála je závislá od intenzity chladnutia výlisku (teplota prostredia, veľkosť prierezu výlisku, lisovacia teplota). ZÁVER Zhutňovanie je technológia, na ktorú vplýva mnoţstvo faktorov. Najviac premenných do procesu zhutňovania prináša samotný materiál, jeho druh, štruktúra, chemické zloţenie, mechanické vlastnosti, vlhkosť. Pre kaţdý druh zhutňovaného materiálu je potrebné hľadať a nastavovať vhodné technologické parametre pre dosiahnutie poţadovanej kvality výliskov. Rovnako s kaţdým druhom lisovaného materiálu je potrebné hľadať a upravovať aj konštrukčné parametre produkčných strojov. Správna voľba konštrukčných parametrov je podmienkou vzniku výliskov vysokej kvality. Preto je potrebné sa zaoberať hĺbkovou analýzou týchto parametrov, experimentálnymi skúškami a následne verifikáciou návrhov opatrení. Pre kaţdý druh zhutňovaného materiálu bude potrebné opakovať celý výskum, avšak postupným napĺňaním databázy výsledkov a ich aplikovaním v praxi bude moţné výrazne prispieť k progresii vo výrobe výliskov nielen z biomasy pri zniţovaní výrobných a investičných nákladov.

POĎAKOVANIE: „Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“ POUŢITÁ LITERATÚRA: [1] ŉ-Norm M 7135:2000 Presslinge aus naturbelassenem Holz oder naturbelassener Rinde. Pellets und Briketts; Anforderungen und Prűfbestimmungen. [2] DIN 51731:1996 Prüfung fester Brennstoffe. Presslinge aus naturbelassenem Holz. Anforderung und Prüfung. [3] KRIŢAN, P.: Výskum konštrukčných parametrov v procese zhutňovania. In.: Zborník z konferencie Strojné inžinierstvo 2008, Bratislava, ISBN 978-80-227-2987-1, str. IV – 26. [4] HORRIGHS, W. Determining the dimensions of extrusion presses with parallel-wall die channel for the compaction and conveying of bulk solids. In Aufbereitungs-Technik : Magazine. Duisburg, 1985, no. 12. [5] STOROŢEV, M.V.; POPOV, J.A.: Teória tvárnenia kovov. Alfa Bratislava, SNTL Praha, 1978, 63-560-78, str. 488.

/ 72 /


Brno 2009

IDENTIFIKÁCIA VÄZBOTVORNÝCH MECHANIZMOV V PROCESE ZHUTŇOVANIA BIOMASY A ICH VPLYV NA KONŠTRUKCIU ZHUTŇOVACÍCH STROJOV Miloš Matúš, Peter Kriţan

Príspevok sa zaoberá technológiou zhutňovania biomasy ako obnoviteľného zdroja energie. Zameriava sa predovšetkým na analýzu a opis procesu premeny odpadu z biomasy na ušľachtilé tuhé biopalivo. Hlavným cieľom je analýza a rozbor prevládajúcich mechanizmov silových väzieb medzi časticami biomasy v procese zhutňovania. Poznanie týchto mechanizmov dáva základ pre rozvoj nových technológií využívania odpadu z biomasy ako zdroja energie. Pochopenie týchto väzbotvorných mechanizmov je tiež rozhodujúce pre návrh nových zhutňovacích strojov. Príspevok by mal napomôcť k lepšiemu poznaniu možností využívania biomasy ako obnoviteľného zdroja energie a tým prispieť k diverzifikácii energetických zdrojov. Kľúčové slová: biomasa, biopalivo, výlisok, zhutňovanie, obnoviteľný zdroj energie ÚVOD V dobe hľadania nových energetických zdrojov vo svete sa nastoľuje otázka moţností a metód vyuţívania biomasy ako najvýznamnejšieho obnoviteľného zdroja energie. Vyuţívanie biomasy by mohlo byť odpoveďou na túto otázku. Biomasa je v podstate jediný dlhodobo skladovateľný obnoviteľný zdroj energie. Ešte sofistikovanejším riešením sa javí transformácia inak nevyuţiteľného odpadu z biomasy do ušľachtilého tuhého biopaliva. Pre vyuţívanie biomasy pre energetické účely ako významného obnoviteľného zdroja energie vo forme tuhých ušľachtilých biopalív je nevyhnutné prekonať technické prekáţky zhutňovania biomasy. Práve pochopenie samotnej technológie zhutňovania biomasy a identifikácia prevládajúcich mechanizmov silových väzieb v procese zhutňovania je základom pre návrh nových progresívnych konštrukcií zhutňovacích strojov pre túto technológiu. MECHANIZMUS ZHUTŇOVANIA BIOMASY Biomasa je „ţivá“ hmota, ktorej vlastnosti sa druh od druhu líšia. Ak sa chceme venovať problematike zhutňovania odpadu z biomasy pre energetické vyuţitie, musíme túto biomasu najskôr definovať, poznať jej mechanické a chemické vlastnosti, geometriu jednotlivých častíc a jednotlivé silové väzby pôsobiace medzi časticami v procese zhutňovania. Biomasou nazývame materiál rastlinného a ţivočíšneho pôvodu, vhodný na priemyselné a energetické vyuţitie. Zahrňujeme sem aj odpady a druhotné suroviny, ktoré vznikajú pri jej pestovaní a spracovaní, ako aj príslušnú časť komunálnych odpadov. Biomasu moţno rozdeliť na dve zloţky. Rastlinnú biomasu tvorí dendromasa (dreviny) a fytomasa (jednoročné rastliny) a ţivočíšnu biomasu (zoomasa) predstavujú exkrementy hospodárskych zvierat. Biomasa v podobe rastlín je chemicky zakonzervovaná slnečná energia. Je to súčasne jeden z najuniverzálnejších a najrozšírenejších zdrojov energie na Zemi. Pre riešenie danej problematiky zhutňovania biomasy pre energetické vyuţitie budeme ďalej uvaţovať len s rastlinnou zloţkou biomasy. V súčasnosti sa zhutňuje do formy biopaliva najmä dendromasa, teda odpad z drevnej biomasy, čo je zapríčinené najmä prísnymi normami určujúcimi kvalitu takéhoto paliva, a to nielen z hľadiska fyzikálnomechanických ukazovateľov kvality, ale predovšetkým z hľadiska chemicko-termických ukazovateľov. V poslednej dobe sa však čoraz viac do popredia prediera zhutňovanie fytomasy do formy biopaliva. Je to spôsobené najmä tým, ţe z drevného odpadu, pred niekoľkými rokmi ešte odpadu v pravom zmysle slova, sa stala surovina a jeho cena stúpla. Oproti tomu fytomasa ako surovina pre pevné biopalivo je pomerne lacná, je jej dostatok, ale jej širšiemu rozvoju bránia práve prísne normy a problematika jej spaľovania.

Ing. Miloš Matúš, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. Slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected] Ing. Peter Kriţan, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. Slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected]

/ 73 /


Brno 2009

Partikulárna látka z biomasy Ako uţ bolo spomenuté, na priemyselné zhutňovanie biomasy do formy paliva je nevyhnutné materiál dezintegrovať na jemnú a pomerne homogénnu frakciu. Takto upravený materiál, či uţ ide o dendromasu, alebo fytomasu, má charakter a vlastnosti partikulárnej látky. Partikulárna látka z biomasy je zloţená zo vzájomne sa dotýkajúcich pevných častíc (pevnej fázy), z fázy kvapalnej a plynnej. Kvapalná a plynná fáza zaplňuje póry skeletu tvoreného pevnými časticami. Mnoţstvo kvapaliny môţe byť veľmi malé a môţe pozostávať iba z absorbovanej vodnej pary na povrchu tuhých častíc. Nakoľko sú pevné častice biomasy značne porézne, existujú popri týchto tzv. vonkajších póroch aj póry jednotlivých častíc povrchové (otvorené) a vnútorné (uzavreté). Povrchové póry zväčšujú povrch pevnej fázy, vnútorné ovplyvňujú niektoré základné fyzikálne vlastnosti, ako je hustota, pevnosť atď. V tejto definícii sa kladie dôraz na vzájomný dotyk častíc a na skutočnosť, ţe veľkosť častíc je zanedbateľná vzhľadom k sledovanému objemu partikulárnej látky. Pevné častice sa vzájomne dotýkajú. Existencia kontaktov obmedzuje voľnosť pohybu jednotlivých pevných častíc, t.j. ich pohybovú autonómiu, a tým podmieňuje pevnosť a tuhosť partikulárnej látky. Tá závisí na počte a pevnosti kontaktných väzieb, ktoré sú dôsledkom veľkosti, tvaru, drsnosti a pevnosti pevných častíc, povahy interakcie jednotlivých fáz, stavu partikulárnej látky atď. Tieto všetky činitele zahrňuje pojem štruktúra, jej heterogenita (striedanie vrstvičiek jemnejších a hrubších častíc, častíc rôzneho zloţenia, tvaru, orientácie) sa označuje ako textúra, niekedy označovaná ako makroštruktúra. Najvýznamnejším rysom partikulárnych látok vo všeobecnosti je ich pretváranie vzájomným posúvaním pevných častíc (intergranulárne pretváranie). Stupeň pohybovej autonómie PL z biomasy sa v deformačnom procese mení v závislosti od veľkosti napätia. S jeho zväčšovaním klesá stupeň pohybovej autonómie, aţ kým veľkosť napätia nepresiahne medzu pevnosti pevných častíc, kedy dochádza k ich dezintegrácii a následne rastu pohybovej autonómie. Partikulárnu látku z biomasy, moţno tieţ zaradiť do skupiny tzv. konsolidovaných látok, t.j. pevných látok, ktoré vzniknú spojením (väzbou, konsolidáciou) štruktúrnych prvkov – pevných častíc. Pri PL z biomasy sa procesom konsolidácie rozumie prepletanie, zhutňovanie a lisovanie častíc, nakoľko sa jedná prevaţne o ploché častice. Spojovanie partikulárnej látky z biomasy Spojovanie partikulárnej látky z biomasy je sled pochodov, pri ktorom dochádza k významnému posilneniu najmenej jedného mechanizmu väzieb medzi časticami tvoriacimi látku aţ do takej miery, ţe vznikne menší počet väčších pevných častíc. Spojovaním vzniká nová partikulárna látka – brikety, pelety, granule atď., ktorej geometrické a fyzikálne vlastnosti sa podstatne odlišujú od vlastností pôvodnej partikulárnej látky. Pochod spojovania treba usmerniť a riadiť tak, aby vlastnosti novej látky boli výhodné z hľadiska poţiadaviek na manipuláciu, spracovanie alebo jej aplikáciu. Pred samotným zhutňovaním biomasy do formy biopaliva je nevyhnutná jej úprava – triedenie, dezintegrácia a sušenie. Pre vytvorenie kvalitného výlisku z biomasy je potrebné zo suroviny triedením odstrániť všetky nečistoty (kamene, kovy, cudzie predmety...). Dezintegráciou je potrebné dosiahnuť poţadovanú veľkosť výslednej frakcie vstupujúcej do procesu lisovania. Tá závisí od veľkosti výliskov. Všeobecne však platí, ţe čím je jemnejšia a homogénnejšia frakcia, tým je výlisok kvalitnejší, súdrţnejší a má vyššiu pevnosť. Základnou podmienkou zhutnenia biomasy je jej relatívna vlhkosť. Relatívna vlhkosť suroviny z drevnej hmoty, pri ktorej je ešte moţné vytvoriť výlisok sa pohybuje do 18% v závislosti od druhu materiálu a technológie zhutňovania. Nakoľko má surovina takmer vţdy relatívnu vlhkosť vyššiu, je nevyhnutné ju sušiť. Ďalej je surovina s vyhovujúcou frakciou a vlhkosťou zhutňovaná vysokým lisovacím tlakom (aţ do 120 MPa) a pri pomerne vysokej lisovacej teplote (90 aţ 120°C), kedy plastifikuje lignínová zloţka biomasy a preberá funkciu spojiva. Následne musia byť výlisky ochladzované, triedené a dochádza k ich odprašovaniu. Chladnutím nadobúdajú pevnosť a zvyšujú sa ich mechanické ukazovatele kvality. Prevládajúce mechanizmy silových väzieb medzi časticami biomasy v procese zhutňovania Pri vzájomných kontaktoch fáz (pevná, kvapalná, plynná) v partikulárnej látke z biomasy vznikajú medzi časticami silové väzby na základe rozmanitých mechanizmov. Tieto väzby vplývajú na všetky mechanické vlastnosti takejto / 74 /


Brno 2009

látky. Kontaktná pevnosť častíc je súhrnom pevnosti elementárnych väzieb na plochách skutočného kontaktu. V reálnych partikulárnych látkach pôsobia prakticky vţdy všetky druhy väzbových mechanizmov súčasne. V rôznych druhoch partikulárnych látok ten či onen druh väzieb prevláda v závislosti od ich zloţenia, stavu, veľkosti zaťaţenia a deformácie. Lisovanie drevnej biomasy upravenej dezintegráciou na jemnú partikulárnu látku určenú na zhutňovanie do výliskov vyznačujúcich sa pevnosťou, tvrdosťou a stálosťou tvaru bez pridania spojiva moţno opísať šiestimi fázami. Celý proces lisovania tejto biomasy je rozdelený na jednotlivé fázy (farebne rozlíšené) a zobrazený na obrázku 2. Materiál vstupujúci do procesu lisovania je zbavený nečistôt (piesku, kameňov, kovov a cudzích predmetov), vysušený na poţadovanú vlhkosť, dezintegrovaný na vyhovujúcu veľkosť frakcie a tesne pred vstupom do samotného lisovacieho procesu je navlhčený (ak hovoríme o peletovaní, materiál je v kondicionéri naparený ostrou parou, a tým aj predhriaty). V jednotlivých fázach lisovania sú opísané len prevládajúce silové mechanizmy pôsobiace medzi pevnými časticami. Je však zrejmé, ţe všetky väzbové mechanizmy budú pôsobiť aj naďalej (ak nedôjde k ich premene na iný druh silovej väzby), ale hlavný význam nadobúdajú vţdy najsilnejšie, preto sa budeme pri analýze zaoberať predovšetkým nimi. Na obrázku 1 je znázornený priebeh tlaku a teploty v závislosti od času v jednotlivých fázach lisovania pri jednoosom lisovaní drevnej hmoty. Uvedené rozsahy maximálnych hodnôt teploty a tlaku závisia predovšetkým od druhu lisovaného materiálu a princípu práce lisu.

Obr. 1 Priebeh tlaku a teploty v jednotlivých fázach lisovania pri jednoosom lisovaní drevnej hmoty V prvej fáze je materiál voľne sypaný do lisovacieho priestoru. Nepôsobí na neho ţiaden lisovací tlak a má nízku počiatočnú teplotu. Vzhľadom na charakter tejto partikulárnej látky, prevládajúcimi príťaţlivými silami pôsobiacimi medzi jednotlivými pevnými časticami sú sily veľkého dosahu, a to van der Waalsove sily a Coulombove elektrostatické sily. Význam tu nadobúdajú aj kvapalinové mostíky, ale vzhľadom na nízku relatívnu vlhkosť tejto partikulárnej látky (wr = 14 – 10%) a veľkú vzdialenosť a malý počet kontaktov medzi jednotlivými časticami nevytvárajú pevnejšie väzby. Tvarové väzby medzi voľne sypanými, nezaťaţovanými pevnými časticami takéhoto materiálu taktieţ nenadobúdajú veľký význam. Druhá fáza lisovania je charakteristická postupným zvyšovaním lisovacieho tlaku pôsobiaceho na partikulárnu látku a zvyšovaním lisovacej teploty. Zvyšovaním vonkajšieho zaťaţenia sa medzi pevnými časticami zväčšuje počet kontaktov a častice sa pribliţujú. Paralelne narastá účinok van der Waalsových príťaţlivých síl. Na základe zmenšovania vzdialenosti medzi pevnými časticami a vlhkosti lisovanej látky obsiahnutej predovšetkým na povrchu častíc, sa začínajú vytvárať kvapalinové mostíky. Častice sa pribliţujú a na základe svojho tvaru sa navzájom prepletajú a vytvárajú tvarové väzby. So zvyšujúcim sa tlakom a zmenšujúcou sa vzdialenosťou medzi časticami nadobúda tvarová väzba stále väčší význam. Úmerne so zvyšovaním lisovacieho tlaku narastajú aj trecie väzby medzi časticami biomasy. / 75 /


Brno 2009

Tretiu fázu procesu lisovania charakterizuje maximálny lisovací tlak a maximálna teplota. V tejto fáze lisovania si oba lisovacie parametre vyţadujú určitú časovú výdrţ. Pri maximálnej hodnote lisovacieho tlaku a teploty plastifikuje lignín obsiahnutý v bunečnej štruktúre drevnej biomasy. Počas spomínanej časovej výdrţe pri maximálnom tlaku a teplote vylúčený lignín obaľuje jednotlivé pevné častice a vytvára väzby na základe síl adhézie a kohézie, nakoľko má pomerne vysokú viskozitu. Sily na základe tvarových a trecích väzieb dosahujú pri maximálnom tlaku najväčšiu hodnotu. Moţno teda povedať, ţe odhliadnuc od ostatných existujúcich väzieb v tretej fáze sú prevládajúcimi mechanizmami silových väzieb tvarové väzby, trecie väzby a väzby na základe síl adhézie a kohézie. Počas štvrtej fázy lisovací tlak poklesne na niţšiu hodnotu, ktorá je ďalej pribliţne konštantná. Táto fáza je pri lisovaní biomasy najdôleţitejšia. Dochádza k chladnutiu výlisku pod tlakom, aby sa zabránilo jeho rozpadu, pokiaľ sily adhézie a kohézie lignínu nevzrastú. Poklesom teploty sa začína zvyšovať viskozita lignínu, čo priaznivo ovplyvňuje väzby zaloţené na silách adhézie a kohézie. V dôsledku poklesu vonkajšieho zaťaţenia sa na rozdiel od tvarových väzieb, ktoré ostávajú trvalé, zniţuje význam trecích väzieb. V piatej fáze uţ na výlisok lisovací tlak nepôsobí, no teplota výlisku ešte stále klesá na teplotu okolia – výlisok chladne na teplotu okolia bez pôsobenia vonkajšieho zaťaţenia. Postupným chladnutím výlisku, chladne aj lignín, zvyšuje sa viskozita a zväčšujú sa sily adhézie a kohézie. Postupne začína lignín tuhnúť a vytvárať medzi časticami mostíky tuhého charakteru. Väzby zaloţené na silách adhézie a kohézie lignínu s klesajúcou teplotou výlisku ustupujú, respektíve sú nahradzované mostíkmi tuhého charakteru – krehkými väzbami. Tvarové väzby sa medzi pevnými časticami uţ nemenia, ostávajú stále a v tejto fáze majú hlavnú úlohu práve ony. V poslednej šiestej fáze na výlisok nepôsobí ţiadne vonkajšie zaťaţenie a jeho teplota je rovná teplote okolia. Vznikol hotový výlisok s poţadovanými mechanickými vlastnosťami. Hlavné mechanizmy silových väzieb medzi časticami hotového výlisku sú predovšetkým tvarové väzby a krehké väzby vzniknuté stuhnutím lignínu.

VPLYV MECHANIZMU ZHUTŇOVANIA BIOMASY NA KONŠTRUKCIU LISOV Existuje mnoţstvo efektívnych konštrukcií lisov zhutňujúcich biomasu do tvaru ušľachtilého tuhého biopaliva. Avšak či uţ sa jedná o technológiu peletovania alebo briketovania biomasy, konštrukcia lisu musí plne zabezpečiť mechanizmus zhutňovania biomasy, teda vytvorenie a uplatnenie prevládajúcich silových väzieb v jednotlivých vyššie opísaných fázach lisovania. Pri návrhu konštrukcie lisu pre zhutňovanie biomasy treba mať neustále na pamäti tento mechanizmus, ktorý zaručuje dosiahnutie kompaktného výlisku s vyhovujúcou kvalitou. Zhutňovanie biomasy sa na rozdiel od iných partikulárnych látok vyznačuje existenciou 4. fázy (tzv. fázy výdrţe), t.j. fázy chladnutia výlisku pod tlakom. Táto pre lisovanie biomasy špecifická fáza je nevyhnutná na dosiahnutie kvality výliskov, a je určujúcou pri návrhu a konštrukcii lisov. Jej vplyv je nenahraditeľný, a preto konštrukcia lisov pre biomasu sa líši od lisov pre partikulárne látky iných materiálov. Pri peletovacích lisoch rôznych konštrukcií sa vţdy PL z biomasy pretláča cez otvory matrice určitej hrúbky, kde dochádza k uplatňovaniu fázy výdrţe. Pri konštrukciách briketovacích lisov túto funkciu preberá briketovacia hubica (prípadne napomáha aj chladiaci kanál za hubicou), kde zlisovaná biomasa chladne pod tlakom vytvoreným trením v predĺţenej hubici alebo v chladiacom kanále (mechanické briketovacie lisy), alebo je tlak počas fázy výdrţe tvorený protitlakom od zátky (hydraulické briketovacie lisy). ZÁVER Pochopenie zloţenia a vlastností elementárnych častíc partikulárnej látky z biomasy a jednotlivých silových väzieb počas procesu zhutňovania je základom pre celú technológiu zhutňovania biomasy. Príspevok podrobne opisuje proces zhutňovania partikulárnej látky z biomasy. Cieľom príspevku bolo identifikovať prevládajúce mechanizmy silových väzieb vo výlisku z biomasy počas celého procesu lisovania. Tieto poznatky kladú základ pre vývoj nových technológií zhutňovania a vyuţívania odpadu z biomasy. Taktieţ je veľmi dôleţité poznať uvedené mechanizmy pri vývoji nových zhutňovacích strojoch pre tieto technológie. Príspevok by mal pomôcť pri hľadaní lepších spôsobov vyuţívania biomasy ako obnoviteľného zdroja energie a touto cestou prispieť k diverzifikácii energetických zdrojov.

/ 76 /


Brno 2009

POĎAKOVANIE: „Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“

Obr. 2 Prevládajúce mechanizmy silových väzieb medzi časticami

/ 77 /


Brno 2009

POUŢITÁ LITERATURA [1] [2] [3]

MATÚŠ, M. Nízkoenergetický zhutňovací stroj : písomná práca k dizertačnej skúške. Bratislava : ÚSETM SjF STU, 2008. KRÍŢIK, P. Environmentálny stroj na zhutňovanie tuhých organických materiálov : písomná práca k dizertačnej skúške. Bratislava : Katedra výrobnej techniky SjF STU, 2006. ŠOOŠ, Ľ. Drevný odpad … čo s ním?. Bratislava : Energetické centrum, 2000.

/ 78 /


Brno 2009

SESUVNÝ ZPLYŇOVAČ S ŘÍZENÝM PODÁVÁNÍM PALIVA Jan Najser Základem nové koncepce pilotní jednotky zplyňování dřeva se suvným ložem je systém podávání paliva v závislosti na zplyňovací teplotě . Parametry pilotní jednotky byly ověřeny při zkušebním provozu a naměřené hodnoty umožňují sledovat tendence změn jednotlivých hodnot v závislosti na změnách provozních parametrů zplyňovače. Kromě podrobné analýzy složení plynu byly zde rovněž určeny znečišťující látky v plynu (obsah dehtů a obsah tuhých znečišťujících látek), které jsou největší překážkou pro jeho další použití. Klíčová slova: zplyňování, zplyňovač s pevným loţem, biomasa ÚVOD Vyuţívání odpadního dřeva v dřevozpracujícím průmyslu je logicky vedeno snahou provozovatelů co nejlépe ekonomicky vyuţít veškerou dřevní surovinu. Zejména dřevařská prvovýroba – pily a truhlářské provozy mají poměrně velkou spotřebu energií – jak elektrické pro pohon strojů, tak tepelné, kde největší spotřebu představují sušárny řeziva. Zdroj potřebné suroviny a současná spotřeba elektrické i tepelné energie je ideální pro realizaci kogenerované výroby elektřiny a tepla zplyňováním dřeva. Na rozdíl od spalovacích technologií není na trhu ţádný typ komerční zplyňovací jednotky. Několik instalací, které vycházejí z koncepce zplyňovačů z druhé světové války se potýká s problémy, které kogenerace se zplyňováním dřeva přináší. Jedná se především o nestabilní výhřevnost a nedostatečnou čistotu vyrobeného plynu s ohledem na jeho pouţití v kogenerační jednotce s pístovým spalovacím motorem. Obecně lze říci, ţe v ČR neexistuje komerční technologie schopná dlouhodobého, spolehlivého a ekonomického provozu. Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj sesuvného zplyňovače s řízeným podáváním paliva v závislosti na zplyňovací teplotě a ověření jeho vlastností. Součástí řešení je návrh a ověření systému automatického řízeného podávání paliva tak, aby tento systém zaručoval stabilní zplyňovací reţim s vyrobeným plynem o konstantní výhřevnosti. Stanovení vlivu zplyňovací teploty na sloţení plynu a obsah dehtu bylo ovřeno na pilotním zařízení. Zde byl mimo jiné rovněţ stanoven obsah dehtu a prachu ve vyrobeném plynu a stanovena energetická bilance. NÁVRH REAKTORU Základem navrţené technologie zplyňování biomasy je sesuvný reaktor, do kterého je palivo přiváděno ze zásobníku pomocí dvou šnekových dopravníků viz. obr. 1. Systém zplyňování je podtlakový, kdy podtlak je dosaţen sáním motoru kogenerační jednotky, ale protoţe pilotní jednotka v prvé fázi není osazena kogenerační jednotkou je potřebný podtlak vytvářen odsávacím ventilátorem plynu. Vyrobený plyn je spalován v dopalovací komoře. Nasávaný zplyňovací vzduch je přiveden z důvodu rovnoměrné distribuce čtyřmi tryskami v jedné úrovni do spodní části reaktoru – nad rošt. Aby bylo moţno přesně regulovat teplotu zplyňovacího vzduchu je navrţen předehřev elektrickými topnými tyčemi s regulačním okruhem. Návrh základních rozměrů reaktoru vychází z fluidizačních rychlostí naměřených na studeném modelu při testování dřevěných pilin. Zde byl naměřen práh fluidace pro piliny 1,1 m.s-1 a vzhledem k tomu, ţe jako palivo budou pouţity dřevěné peletky je zřejmé, ţe jejich práh fluidace je výrazně vyšší a proto je průřez ve spodní části reaktoru navrţen tak, aby zde bylo dosaţeno rychlosti plynu 1,1 m.s-1. V případě, ţe při reakci zplyňování dojde k rozpadu peletek na menší částice (piliny) je v horní části reaktoru navrţená uklidňující zóna s rychlostí plynu třikrát menší, tedy 0,36 m.s-1, tak aby z reaktoru nebylo vynášeno velké mnoţství nezreagovaných částic. Z měření provedených na různých typech zplyňovacích reaktorů a z literatury se teploty zplyňování pohybují v rozmezí 800 aţ 1000 °C. Pro další výpočty nutné pro návrh zplyňovacího reaktoru bylo dále kalkulováno s teplotou 900 °C.

Ing. Jan Najser, Ph.D., VŠB Ostrava, VEC, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba, [email protected]

/ 79 /


Brno 2009

Obr. 1 Schéma navrţené technologie

výstup

vstup

Tab. 1 Provozní parametry navrţené pilotní jednotky [1] příkon v palivu výhřevnost paliva mnoţství paliva mnoţství zplyňovacího vzduchu tepelný výkon

kW -1 MJ.kg kg/h 3 m n/h

90,8 15 21,8 33,2

kW t

47

elektrický výkon mnoţství vyrobeného plynu výhřevnost plynu celková účinnost

kW e 3 m n/h -3 MJ.mn %

25 54,9 5,2 79,3

STANOVENÍ OBSAHU A SLOŢENÍ DEHTU Pro stanovení mnoţství a sloţení dehtu produkovaného zplyňováním biomasy byl pouţit plynový chromatograf Hewlett Packard HP6890 s hmotnostním detektorem Hewlett Packard MSD 5973 umístěný na Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší VŠCHT Praha. Závislost obsahu dehtovitých látek v plynu při různých teplotách v generátoru je patrna z obr. 2. Z látek získaných chromatografickou analýzou jsou do skupiny dehtu zahrnuty látky s bodem varu vyšším neţ toluen, narozdíl od dokumentu "Tar protocol", kde se toluen započítává [2]. Toluen a lehčí uhlovodíky nebyly zahrnovány do dehtu z toho důvodu, ţe jejich aktuální obsah v plynu byl podstatně menší neţ rovnováţná tenze par při 0 °C, takţe k jejich kondenzaci za těchto teplot a tak nízkých obsahů by nemělo docházet. Naopak tyto uhlovodíky společně s benzenem byly zahrnuty do skupiny „BTX“. Do dvou dalších skupin byly zařazeny i látky obsahující kyslík (fenoly, benzofurany) a dusík. Hlavním zdrojem dehtu v plynu je prchavá hořlavina uvolňovaná při pyrolýze paliva v generátoru. Zde ale zároveň probíhá částečná oxidace primárních produktů pyrolýzy a nastává tak jejich termochemická transformace. Největší vliv na vlastnosti a obsah dehtu v plynu měla bezpochyby teplota (viz. obr. 3). Obsah dehtu v plynu je závislý na teplotě uvnitř generátoru, s rostoucí teplotou celkové mnoţství dehtu v plynu klesá, je zde vidět zřetelná jednoznačná závislost. Výjimku tvoří obsah dehtu při teplotě 900 °C. Vzhledem k tomu, ţe při teplotě 900 °C se jednalo o první experiment, lze předpokládat, ţe během prvního experimentu stav vnitřních prostor a stěn generátoru mohl byt odlišný od podmínek při dalších experimentech a příznivě ovlivňovat (působit katalyticky) obsah dehtu v plynu.

/ 80 /


Brno 2009

Obr. 2 Závislost obsahu dehtu v plynu na zplyňovací teplotě VLIV ZPLYŇOVACÍ TEPLOTY NA SLOŢENÍ A VÝHŘEVNOST PLYNU V průběhu zkušebního provozu byly při kaţdém reţimu (při kaţdé teplotě) odebrány tři vzorky. Zároveň byla zejména s ohledem na zjištění stability procesu prováděna on-line analýza vybraných sloţek. Výsledky analýzy plynu (průměrné sloţení třech vzorků) z pilotní jednotky jsou patrny z obr. 2. Zplyňovací teplota má rozhodující vliv na vlastnosti plynu – jeho sloţení a spalné teplo. Sledován je zejména obsah hlavních sloţek plynu. Koncentrace oxidu uhelnatého se vzrůstající teplotou klesá a naopak vzrůstá koncentrace oxidu uhličitého, coţ je v tomto případě způsobeno postupně převaţujícími oxidačními reakcemi nad reakcemi redukčními. Je to dáno tím, ţe reaktor je autotermní a tudíţ pro dosaţení vyšších teplot v reaktoru se musí změnit zplyňovací poměr λ aby došlo ke spálení části paliva a tím ke zvýšení teploty, coţ se zákonitě projeví ve sloţení a tím i na velikosti spalného tepla vyrobeného plynu, jehoţ hodnota dle předpokladu s rostoucí teplotou klesá. Při teplotě 750 °C v generátoru hodnota spalného tepla produkovaného plynu přesahovala 8,7 MJ. mn-3, při maximální provozní teplotě 1100 °C byla skoro o polovinu menší (4,3 MJ. mn-3). Obsah metanu s rostoucí teplotou rovněţ klesá, obsah vodíku ale naopak vzrůstá, neboť díky vyšším teplotám v reaktoru dochází ke konverzi vodní páry dle rovnice CO + H2O  CO2 + H2, avšak po dosaţení teploty 900 °C pozvolna klesá, neboť pravděpodobně dochází k jeho částečné oxidaci.

/ 81 /


Brno 2009

Obr. 3 Sloţení plynu v závislosti na zplyňovací teplotě Pilotní reaktor pracoval v autotermním reţimu, proto s rostoucí teplotou výhřevnost plynu klesala z 6,27 MJ.mn-3 při 750 °C na 3,6 MJ. mn-3 při 1100 °C. Průtok vzduchu byl udrţován na konstantní úrovni, proto se změnou teploty v reaktoru se měnilo mnoţství paliva.

Obr. 4 Výhřevnost plynu v závislosti na zplyňovací teplotě

/ 82 /


Brno 2009

VLIV ZMĚNY TEPLOTY NA ZPLYŇOVACÍ POMĚR Zplyňovací poměr λ je jeden z nejdůleţitějších parametrů charakterizujících zplyňovací proces. V případě čistě autotermního procesu závisí na hodnotě λ také adiabatická teplota v reaktoru a rozloţení energie mezi hlavní produkty zplyňování. Na základě znalosti hodnoty zplyňovacího poměru můţeme orientačně stanovit sloţení a výhřevnost vyrobeného plynu. Znalost hodnoty zplyňovacího poměru je důleţitá pro návrh reaktoru. Mnoţství zplyňovacího vzduchu pro kaţdou zplyňovací teplotu vypočítáme z dusíkové bilance na základě analýzy plynu odebraného při dané teplotě. Zplyňovací poměr λ je pak podíl mnoţství zplyňovacího vzduchu při dané teplotě Vvz ke stechiometrickému mnoţství vzduchu Vvzt.  

V vz

[ ]

V vzt

Vypočtený zplyňovací poměr byl v závislosti na zplyňovací teplotě zanesen do následujícího grafu.

Obr. 5 Zplyňovací poměr λ v závislosti na zplyňovací teplotě Pro pokrytí energetických nároků generátoru se s rostoucí teplotou hodnota zplyňovacího poměru zvyšovala, hodnota λ se pohybovala od 0,4 při teplotě 750 °C po 0,51 při teplotě 1100 °C. ÚČINNOST VÝROBY STUDENÉHO PLYNU Vhodným kritériem hodnocení energetického obsahu vyrobeného plynu a zplyňovacího generátoru je účinnost výroby studeného plynu (ηCE). Poskytuje informaci o mnoţství chemické energie v plynu produkovaném zplyňováním a je vhodným ukazatelem účinnosti generátoru a obsahu energie vyuţitelné pro výrobu elektrické energie v plynových motorech. ηCE je definována poměrem chemické energie plynu na výstupu z generátoru k energii původního paliva na vstupu do generátoru vypočteným za referenčních podmínek (0 °C, 101,325 kPa) [3].Podklady pro stanovení účinnosti vycházejí z naměřených hodnot při šestihodinové bilanční zkoušce.

ηCE



Q pl Q pal



295 , 2

 0 ,937 [  ]

315 ,15

/ 83 /


Brno 2009

Vysoká účinnost výroby studeného plynu je dána zejména nízkými ztrátami sáláním do okolí, coţ svědčí o kvalitně provedené konstrukci reaktoru (vyzdívky a izolace) a dostatečné době setrvání paliva ve zplyňovacím prostoru. ZÁVĚR Vyvinuté zařízení na zplyňování biomasy zcela nové koncepce s pevným loţem a s řízeným procesem zplyňování je technicky plně provozuschopné. Obsah dehtu se pohyboval v rozmezí 10,5 aţ 0,3 g.mn-3 při teplotách v rozsahu 750 aţ 1100 °C. Výhřevnost plynu s rostoucí teplotou klesala z 6,27 MJ.mn-3 při 750°C na 3,6 MJ.mn-3 při 1100 °C, coţ přímo souvisí se změnou sloţení plynu v závislosti na zvyšující se teplotě. Za vyjmenovaných provozních podmínek vyrobí 54,4 mn3/hod plynu o výhřevnosti 5,43 MJ. mn-3, coţ zajistí spolehlivě produkci 25 kW elektřiny a 47 kW tepla. Nově vyvinutá pilotní jednotka byla provozována s velice kvalitním palivem – peletkami. Reálně, ale bude pouţito odpadní dřevo, respektive kontaminovaná biomasa (dřevotřísky, lamino, stavební dřevěný odpad apod.). Proto bude v pokračujícím výzkumu a vývoji sledován vliv takového paliva na sloţení a kvalitu plynu a jeho vhodnost pro pouţití v kogeneračních jednotkách. Výsledky analýz získané ze zkušebního provozu budou pouţity pro další řešení projektu „Kogenerovaná výroba elektrické energie a tepla zplyňováním biomasy“ řešeného v rámci programu MPO TANDEM ev.č. FT-TA3/122. POUŢITÁ LITERATURA 1 NAJSER J., (2009): Disertační práce „Zplyňování dřeva pro kogeneraci“, Ostrava. 2 SKOBLJA S., Malecha J., Koutský B., Buryan P., (2008) Sloţení plynu a obsah dehtu v plynu produkovaném generátorem s pevným loţem, VŠCHT Praha 3 Huisman G.H., (2000): Acceptance Test for Large Biomass Gasifiers, Huisman Thermal Engineer & Consultant,

/ 84 /


Brno 2009

VÝVOJ KONŠTRUKCIÍ BRIKETOVACÍCH A PELETOVACÍCH STROJOV Ľubomír Šooš, Peter Kriţan, Miloš Matúš Cieľom predkladaného príspevku je popísať výskumné aktivity v oblasti nových konštrukcií strojov realizované na ÚSETM Strojníckej fakulty STU v Bratislave. Kľúčové slová: briketovanie, peletovanie, ušľachtilé biopalivo, konštrukcia ÚVOD Výroba ušľachtilých biopalív je vhodnou cestou ako energeticky efektívne zhodnotiť biomasu a ďalší energetický odpad. Ušľachtilé biopalivo musí okrem energetických, environmentálnych a ekonomických kritérií spĺňať aj kritérium vysokého komfortu a bezpečnosti pri jeho spaľovaní. Moderný energonosič musí mať rovnomernú veľkosť frakcie, hustotu, vlhkosť a vhodný tvar. Technológiami transformujúcimi biomasu do biopalív s poţadovanými vlastnosťami sú technológie zhutňovania. ÚSETM sa uţ niekoľko rokov venuje materiálovému a energetickému zhodnocovaniu biomasy. V predchádzajúcich rokoch sme pozornosť zamerali na vývoj strojov určených na úpravu a briketovanie biomasy. Na katedre sme vyvinuli modulový drviaci stroj DZ 240, bubnový rotačný triedič TR 2000, modulový dopravný a skladovací systém. V poslednom čase, v súlade s celosvetovým trendom, venujeme zvýšenú pozornosť technológiám zhutňovania. Dôkazom toho je na katedre vyvinutý a komerčne úspešný mechanický briketovací lis BZ 50-250, (obr. 1). Z prebiehajúcich výskumných aktivít sú významné hlavne skúšky nového konštrukčného princípu peletovacieho stroja, vývoj multitechnologickej konštrukcie zhutňovacieho stroja, lisovania suroviny so zvýšenou vlhkosťou, či vývoj zhuťnovacieho stroja novej generácie, produktom ktorého bude úplne nový tvar výlisku. Často dostávame otázku, ktorá technológia je výhodnejšia, briketovanie alebo peletovanie? Podať jednoznačnú odpoveď na túto otázku je veľmi ťaţké, prakticky nemoţné. Výber technológie je závislý od finančných zdrojov, mnoţstva, druhu a kvality spracovávanej suroviny, od dodavateľsko - odberateľských vzťahov, atď.

Obr. 1 Briketovací lis BZ 50-250 a) konštrukcia lisu, b) reálny pohľad VÝSKUM Výskum, ktorý realizujeme na našom pracovisku v oblasti zhutňovania, môţeme rozdeliť do dvoch základných častí, na základný a aplikačný. Základný výskum zahrňuje samotných technológií zhutňovania, výskum a vývoj nových konštrukcií, (obr. 2). Obsahom aplikačného výskumu je projektová činnosť.

Prof. Ing. Ľubomír Šooš, PhD.; ÚSETM, Strojnícka fakulta STU Bratislava ; Nám. Slobody 17; [email protected] / 85 /


Brno 2009 VÝSKUM Z H U T Ň O V A N IA

ZH U TŇ O VA N IE NOVÝCH DRUHOV M A TER IÁ LU

VÝVOJ NOVÝCH K O N ŠTR U K CIÍ

H u m u s z K a lifo rn s k ý c h d a ž ď o v ie k

C e n o v o d o s tu p n á k o n š tru k c ia p e le to v a c ie h o s tro ja

O dpad z kakaa

M u ltite c h n o lo g ic k á k o n š tru k c ia z h u tň o v a c ie h o s tro ja

R a š e lin a

D v o jk o m o ro v ý b rik e to v a c í lis B L 2 -6 5 -7 0 0

O dpad z ČO V

N o v á k o n š tru k c ia z h u tň o v a c ie h o s tro ja – n o v ý tv a r a ro z m e r v ý lis k u

S la m a

P ro tib e ž n á k o n š tru k c ia z á v ito v k o v é h o lis u

H u m u s z V rtiv k y m e d ite rá rn e j

L is o v a c ia h u b ic a p re lis o v a n ie s u ro v in y s o z v ý š e n o u v lh k o s ťo u

Obr. 2 Výskumné aktivity v oblasti zhutňovania Výskum a vývoj nových konštrukcií zhutňovacích strojov moţno rozdeliť do nasledujúcich etáp: - analýza technológie, - analýza existujúcich konštrukcií, - návrh novej konštrukcie, - výroba prototypu a funkčné skúškyparametre ovplyvňujúce výslednú kvalitu výliskov a zhutňovací proces NOVÉ KONŠTRUKCIE LISOV Nové princípy konštrukčných uzlov a zhutňovacích strojov moţno zhrnúť do nasledovných reálnych výstupov, na: - cenovo dostupnú konštrukciu peletovacieho stroja - multitechnologickú konštrukciu zhutňovacieho stroja - dvojkomorový briketovací lis BL 2-65-700 – modulová stavba - novú konštrukciu zhutňovacieho stroja – nový tvar výliskov - protibeţnú konštrukciu závitovkového lisu - hubicu umoţňujúcu zhutňovať surovinu so zvýšenou vlhkosťou Väčšinu týchto výstupov máme dnes uţ patentovo chránené. Cenovo dostupná konštrukcia peletovacieho stroja Malé a stredne veľké zhutňovacie stroje by bolo moţné nasadiť v stolárskych a drevospracujúcich podnikoch rádovo v desiatkach a stovkách kusov. Tým by si viaceré firmy riešili problém s vykurovaním. Problémom je vysoká cena klasických peletovacích strojov. Jedným z moţných riešení novej cenovo dostupnej konštrukcie peletovacieho stroja je lis s axiálno – rotačnými valcami vyvinutý na našej katedre. Rez lisom je znázornený na obrázku 3. V súčasnosti sme dokončili výrobu funkčného prototypu lisu a začali sme realizovať prvé prevádzkové skúšky, obr. 4. Na funkčnom modeli sme dosahovali výkon 25 – 40 kilogramov, a príkon 250 Wattov. Je reálny predpoklad, ţe prototyp vo väčšom prevedení bude mať dostatočný výkon a bude cenovo prijateľný. / 86 /


Brno 2009

1 – násypka, 2 – dodávaný materiál, 3 – lisovacia matrica, 4 – lisovacia komora, 5 – guľa, 6 – pravý unášač, 7 – ľavý unášač, 8 – odvod peliet, 9 – lisovací kotúč

Obr. 3 Nová konštrukcia peletovacieho stroja s axiálno – rotačnými kotúčmi

Obr. 4. Pohľad na funkčný model novej konštrukcie peletovacieho stroja Multitechnologická konštrukcia zhutňovacieho stroja Našou snahou je, aby sme jednoduchou výmenou lisovacej hubice na briketovacom lise mohli vyrábať pelety. Princíp zmeny je zrejmý z obrázku 5. Máme vyrobenú špeciálnu peletovaciu hubicu na náš briketovací lis BZ 50 280 a v tomto období sme začali v Lehote pod Vtáčnikom a v spolupráci SDVÚ s realizáciou prevádzkových skúšok na konkrétnej surovine – slame. Dvojkomorový briketovací lis BL 2-65-700 V roku 2003 bol vypracovaný projekt dvojkomorového prevedenia lisu BL 2-65-700 pouţitím unifikovaných dielcov a podskupín z uţ existujúceho jednokomorového lisu BL 50-250, obr.6. Výkon stroja (kg.h-1) sa zdvojnásobí, príkon lisu (kW) ale nie je dvojnásobný. Konečný cieľ projektu je rozpracovať existujúcu konštrukciu briketovacieho lisu na modulovú stavbu s rôznymi priemermi produkovaných brikiet (50, 55, 60, 65 mm), v jedno alebo dvojkomorovom prevedení. Výrobné náklady na lis by sa pritom zníţili, pretoţe aţ 83% dielov nezávisí od priemeru vyrábaných brikiet a počtu lisovacích komôr. Podľa poţiadaviek zákazníka by sme potom vedeli navrhnúť stroj šitý na mieru tak z hľadiska výkonu ako aj z hľadiska poţadovaného priemeru brikety. V súčasnosti ukončujeme úpravu výkresovej dokumentácie pre výrobu lisu vo firme Vural, a.s. Ţilina.

/ 87 /


Brno 2009

Obr. 5 Briketovací lis BL 50-250 s vymeniteľnými lisovacími hubicami umoţňujúcimi vyrábať brikety i pelety.

Obr. 6 Briketovací lis BL 50-250 v samostatnom radeni, v paralelnom radeni a dvokomorove provedenie BL 250-250 lisu Nová konštrukcia zhutňovacieho stroja – nový tvar a rozmer výlisku Som presvedčený, ţe peleta nie je tvarovo a rozmerovo konečným riešením moderného energonosiča. Toto presvedčenie vyplýva z vysokých nárokov na kvalitu vstupnej suroviny a z vysokého opotrebovania lisovacích matríc pri výrobe peliet. Valec nie je optimálnym tvarom ani z hľadiska automatizovanej dopravy paliva. Preto uţ dnes dokončujeme výkresovú dokumentáciu pre výrobu funkčného modelu úplne novej konštrukcie zhutňovacieho stroja. Protibeţná konštrukcia závitovkového lisu U beţných jednostranných závitovkových lisov (napr. systém Pini & Kay) je nepopierateľný fakt extrémne vysokého axiálneho zaťaţenia loţísk závitovky a samotné vysoké opotrebenie závitovky. Závitovkové lisy majú celý rad výhod (kontinuálne vytláčanie brikety, vysoký stupeň zhutnenia), pre ktoré je dobré zaoberať sa ich ďalším vývojom. V roku 2002 bola preto na katedre vypracovaná prvá štúdia závitovkového briketovacieho lisu s protibeţným vytláčaním brikety (obr. 8). U protibeţného spôsobu závitovkového briketovania sa predpokladá eliminácia vysokého zaťaţenia loţísk závitovky. Kľúčom k úspechu riešenia celého problému bude vyriešenie extrémneho opotrebovania pracovnej závitovky lisu. Z uvedeného dôvodu kladieme zvláštny dôraz na / 88 /


Brno 2009

materiálovú, konštrukčnú a rozmerovú optimalizáciu pracovnej závitovky. Vývoj v tejto oblasti orientujeme na optimalizáciu rozmeru závitovky, na hľadanie vhodného materiálu, či povrchovej úpravy alebo na moţnosť návrhu skladanej konštrukcie závitovky (obr. 9), pri ktorej počítame s jednoduchou výmenou rýchlo sa opotrebovateľnej časti.

Obr.7 Prstencový lis a) rez lisom, b) 3D model. 1 – lisovací prstenec, 2 – vylamovač, 3 – kalibrovací segment, 4 – vnútorný lisovací kotúč, 5 – plniaci otvor, 6 – nosné kladky, 7 – pastorok

a) ideové riešenie

b) konštrukcia lisu

Obr. 8 Koncepcia odvrátenej konštrukcie závitovkového briketovacieho lisu.

a) reálna opotrebovaná

b) skladaná konštrukcia

Obr. 9 Rekonštrukcia závitovky peletovacieho lisu

/ 89 /


Brno 2009

Zhutňovanie suroviny so zvýšenou vlhkosťou V súčasnosti sa vo svete zhutňuje surovina, ktorá má menšiu relatívnu vlhkosť ako 18%. Klasické sušenie je pritom energeticky veľmi náročné. V tejto súvislosti sa zaoberáme sa dvomi moţnosťami výskumného bádania. Tou prvou je zvládnuť technologický proces zhutňovania pri vyššej hodnote relatívnej vlhkosti, ako je hraničná. Pre tento účel sme na katedre vyvinuli tzv. dýchaciu lisovaciu hubicu, ktorá umoţňuje odvod vody z lisovacej hubice. Experimentálne skúšky potvrdili, ţe môţeme dosiahnuť kvalitný výlisok aj pri vstupnej vlhkosti suroviny 25 %. Druhou cestou je náhrada technológie sušenia viacnásobným zhutnením suroviny. Keď zhutňujeme surovinu s vysokou vlhkosťou, výlisok sa po zhutnení opäť rozpadne. Dodaním tepla pri zhutnení sa zo suroviny v krátkom čase odparí veľké mnoţstvo vody. Pri viacnásobnom zhutňovaní dostaneme na vstupe do lisu poţadovanú vlhkosť lisovanej suroviny a na výstupe kompaktný výlisok. Laboratórne skúšky ukázali, ţe kvalitný výlisok je moţne dosiahnuť uţ pri treťom zhutnení. Meraná vlhkosť suroviny na vstupe do lisu mala hodnoty 50, 28 a 16 percent.

Obr. 10 Výkres dýchacej hubice, 1- teleso hubice, 2- lisovacie segmenty POĎAKOVANIE: „Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“ POUŢITÁ LITERATÚRA 1 Projekt vedy a výskumu číslo: 2003 SP 26 028 0C 04. Technológia výroby a zariadenie na výrobu modifikovaného energonosiča. Bratislava December 2003, 84 s. Zodpovedný riešiteľ: ŠOOŠ, Ľ. 2 ŠOOŠ, Ľ.: Briketovací alebo peletovací lis s vyššou odolnosťou závitovky. - , 2009. - Číslo úţitkového vzoru: SK 5222 Y1. - Dátum nadobudnutia: 1.7. 2009. 3 ŠOOŠ, Ľ.: Multitechnologická hubica briketovacieho lisu. - , 2009. - Číslo patentu: SK 286878. - Dátum udelenia: 4. 5. 2009. 4 ŠOOŠ, Ľ.: Skladaná hubica briketovacieho lisu. - , 2009. - Číslo patentu: SK 286889. - Dátum udelenia: 4.5. 2009. 5 ŠOOŠ, Ľ. - GRMAN, M.: Spôsob lisovania peliet zo sypkej organickej a/alebo anorganickej suroviny alebo surovinovej zmesi a lis na pelety. - , 2009. - Číslo patentu: SK 286877. - Dátum udelenia: 4. 5. 2009.

/ 90 /


Brno 2009

SPALOVÁNÍ PLYNU ZE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY Jan Škvařil Článek se zabývá energetickými trendy v oblasti využívání obnovitelného zdroje s největším potenciálem v České republice. Prezentuje výzkumnou práci prováděnou na Energetickém ústavu Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, který je realizován za účelem zvýšení využívání biomasy a odpadů, a posouzení vhodnosti jejich zplyňování ke kombinované výrobě elektřiny a tepla. Klíčová slova: obnovitelné zdroje, biomasa, zplyňování, spalování, nízkovýhřevný plyn, ÚVOD V dnešní době, kdy je svět znepokojen produkcí skleníkových plynů, především oxidu uhličitého, a ostatních škodlivých látek, je kladen důraz na obnovitelné zdroje, jejichţ vyuţívání má za cíl minimalizaci těchto emisí. V roce 2008 v České republice činila hrubá výroba elektřiny 83 468 GWh a hrubá spotřeba elektřiny 72 027 GWh. Bylo vyrobeno 5,2% elektřiny z obnovitelných zdrojů. Přibliţně 3 procentní body z toho činí výroba na vodních elektrárnách a přibliţně 1,5 procentního bodu činí výroba energie z biomasy a to zejména ze spalování celulózových výluhů. Méně neţ 1 procentní bod pochází z biomasy chápané v uţším slova smyslu, tedy jako dřevní materiál a energetické plodiny. Hlavní podíl tvoří její spoluspalování s uhlím v elektrárenských kotlích s poměrně malou účinností kolem 25%. Podíl na hrubé spotřebě elektřiny z obnovitelných zdrojů byl v roce 2008 přibliţně 5,5%. Česká republika se před vstupem do Evropské unie zavázala k plnění indikativního cíle ve výši 8% podílu elektřiny z obnovitelných zdrojů na hrubé domácí spotřebě v roce 2010. Dlouhodobější cíle Evropské unie stanovují zvýšení podílu energie z obnovitelných zdrojů na celkové spotřebě energie o 20% do roku 2020 a Česká republika se na tomto bude podílet zvýšením podílu energie z obnovitelných zdrojů ve výši 13%. Prioritou by však nemělo být pouze plnění indikativních cílu a závazků, ale především efektivita. Optimálním způsobem pro zvýšení vyuţití energie paliva a tedy i zvýšení efektivnosti se na základě teoretických výpočtů jeví kombinovaná výroba elektřina a tepla. STÁVAJÍCÍ VÝZKUM ZPLYŇOVÁNÍ Jiţ deset let probíhá na Energetickém ústavu výzkum zplyňování biomasy. Zplyňování je značně komplikovaná termochemická přeměna paliva za nedostatku kyslíku, při které vzniká plyn s nízkou výhřevností v rozsahu 4 aţ 10 MJ/mn3. Vzniklý plyn můţe být spalován například v pístových spalovacích motorech kogeneračních jednotek, nebo ve spalovacích turbínách. Zplyňování probíhá tak, aby se co největší podíl energie z paliva transformoval do energetického obsahu plynu. Výhodou zplyňování oproti přímému spalování je lepší vyuţitelnost technologie pro výrobu elektrické energie s větší účinností a niţšími emisemi. Spalování produkovaného plynu je také lépe řiditelný proces. Výzkum probíhá na experimentální jednotce fluidního zplyňování BIOFLUID 100. Schéma experimentálního zařízení je uvedeno na Obr. 1. Jedná se o atmosférický fluidní generátor plynu se stacionární fluidní vrstvou, který můţe pracovat ve spalovacím i zplyňovacím reţimu. Palivem je dřevní štěpka, případně tříděný komunální odpad. Palivo je šnekovým dopravníkem dopravováno do reaktoru. Do reaktoru je také přiváděn zplyňovací vzduch ve 3 stupních, primární vzduch je přiváděn pod rošt a udrţuje fluidní vrstvu. Zplyňování probíhá v rozmezí 750 aţ 900 °C, produkovaný plyn je následně zbaven úletu v cyklonu a před vstupem do spalovací komory je dále čištěn.

Ing. et Ing. Jan Škvařil, Fakulta strojního inţenýrství, VUT v Brně, Technická 2, 616 69 Brno, [email protected] / 91 /


Brno 2009

spalovací komora

zplyňovací reaktor zásobník paliva cyklon

další stupně čištění

horký katalytický filtr

Obr. 1 Schéma zařízení BIOFLUID 100 Na experimentální jednotce probíhal výzkum týkající se stanovování parametrů vybraných biopaliv ve vztahu k fluidnímu zplyňování, dále pak výzkumy spjaté s primárními a sekundárními metodami pro degradaci dehtu a čištění plynu a to hlavně s přispěním katalytických filtrů. Jmenované výzkumy však nejsou předmětem tohoto článku. NÍZKOVÝHŘEVNÝ PLYN Hlavními sloţkami plynu jsou: CO, CO2, H2, CH4, dále potom vyšší uhlovodíky, dusík a nečistoty. Moţné teoretické sloţení plynu je uvedeno na Obr. 2. Mezi nečistoty které plyn obsahuje, patří prach, alkalické sloučeniny, sloučeniny dusíku, síry a halogenů, a dehet. Průměrné hodnoty plynu generovaného zařízením BIOFLUID 100 jsou uvedeny v Tab. 1.

H2 CO CH4

CO2 H2O

Obr. 2 Teoretická závislost sloţení plynu na zplyňovacím poměru / 92 /


Brno 2009

Tab. 1 Průměrné sloţení plynu ze zařízení BIOFLUID 100 podíl v [%] 17 28 9 2,4 52

sloţka CO CO2 H2 CH4 N2

Nejdůleţitějším parametrem plynu je jeho sloţení, výhřevnost a obsah nečistot, největší problémy při spalování mohou způsobovat tuhé nečistoty a dehet. SPALOVACÍ KOMORA Další fáze přeměny energie obsaţené v palivu, ve finální produkt, tedy k produkci elektrické a tepelné energie je spalování generovaného plynu. Spalování nízkovýhřevného plynu bude realizováno v nechlazené spalovací komoře válcového tvaru o vnitřních rozměrech: Ø 600 mm, délka 1 180 mm. Ke spalování plynu byl pro experiment zvolen vířivý hořák (Obr. 4). V zadní části komory je umístěn komín s klapkou pro regulaci odvodu spalin (Obr. 6), součástí spalovacího prostoru je také clona, která je umístěn pod vyústěním komína do spalovací komory (Obr. 5). Clona zajišťuje delší setrvání nevyhořelé směsi paliva a spalin ve spalovací komoře. Schéma spalovací komory je uvedeno na Obr. 3. sondy

spaliny

klapka

clona spalovaný plyn

hořák

průhledy 1°vzduch 2°vzduch

3°vzduch

Obr. 3 Schéma spalovací komory

/ 93 /


Brno 2009

Obr. 4 Hořák spalovací komory

Obr. 5 Clona

Obr. 6 Komínová klapka

Obr. 7 Obnaţená spalovací komora

PLÁNOVÁNÍ EXPERIMENTU Experiment spočívá v měření sloţení spalovaného plynu a průtoku jednotlivých stupňů spalovacího vzduchu před spalovací komorou a měření sloţení, teploty a průtoku spalin za spalovací komorou. Měření je provedeno pro různá sloţení plynu, v závislosti na druhu zplyňovaného paliva a také na teplotě zplyňování. Pro měření koncentrací CO, NOX, SO2 bude pouţita nedispersní infračervená spektrofotometrie (NDIR), tato metoda vyuţívá jevu zeslabení zářivého toku průchodem vrstvou plynu, které je závislé na kvalitativním i kvantitativním sloţení tohoto plynu. Celkový obsah organických látek bude zjišťován analyzátorem, který pracuje na principu plamenoionizační detekce (FID). Tato metoda vyuţívá jevu, při kterém dochází při hoření uhlovodíkových látek ve vodíkovém plamenu, k tvorbě volných iontů ionizací vazby C - H. Měření průtoku spalin bude realizováno Prandtlovou rychlostní sondou, teploty budou měřeny termočlánky. ZÁVĚR Během samotného měření lze očekávat určité komplikace související s charakterem spalovaného média a také s technologií pouţitého zplyňovače. Bude nutné se zaměřit na moţnou nestabilitu plamene, způsobenou proměnlivým sloţením generovaného plynu. V nestabilitu hoření můţe také vyústit kolísavý tlak na výstupu ze zplyňovacího zařízení. Očekává se také výrazné ovlivnění spalovacího procesu nečistotami obsaţenými ve spalovaném plynu, tedy prachem a dehtem. Snaha o eliminaci těchto negativních faktorů můţe v konečném důsledku vést k přehodnocení koncepce zařízení a následným konstrukčním změnám.

/ 94 /


Brno 2009

Výsledky měření spalování nízkovýhřevného plynu budou dále plně aplikované v dalším výzkumu vyuţití plynu ze zplyňování biomasy za účelem zvýšení podílu vyuţívání energie z biomasy a odpadů, pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v České republice. POUŢITÁ LITERATURA 1 BASU, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, LLC, 2006. ISBN 0849333962. 2 ŠKVAŘIL, J. Obnovitelné zdroje v České republice. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2008. 96 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jan Fiedler, Dr. 3 LISÝ, M. Čištění energoplynu z biomasy v katalytickém vysokoteplotním filtru. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2009. 148 s. Vedoucí dizertační práce doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc.

/ 95 /


Brno 2009

/ 96 /


Brno 2009

SUŠKA NA BIOMASU Tomislav Utěšil Abstract: Vzhledem k novému trendu využívat biomasu na energetické účely hlavně z důvodu dotací na výkupní cenu elektřiny, je nutné si uvědomit, že surová biomasa nemusí být vždy použitelná bez omezení. V mnoha případech musí být alespoň částečně předupravena či zpracována. Jedná se zejména o snížení její vlhkosti v instalovaných sušících zařízeních. Klíčová slova: Měrná odpařivost, biomasa, parní suška, ÚVOD: Při spalování biomasy s vysokým obsahem vody dochází k velkému uvolňování vodních par, které ochlazují kotlové těleso a zhoršují tak podmínky nezbytné pro funkční spalování. Zkondenzovaná pára navíc reaguje s uhlíkatými sloţkami, dehtuje a to má velmi negativní vliv na efektivní tepelnou výměnu jednotlivých teplosměnných ploch. Sniţuje tepelný výkon kotle, jeho účinnost a můţe ochladit kotlové těleso natolik, ţe se proces hoření zcela zastaví. Z těchto důvodů je velice výhodné biomasu před spálením zbavit části obsahu vody v sušicím zařízení, kde se mnoţství vlhkosti sníţí na přijatelnou mez. PŘÍNOS SUŠKY: V procesu sušení se jedná o sniţování podílu vlhkosti v palivu za pomoci přívodu tepla. Vlhkost je odstraňována vlivem vypařování nebo sublimací. Pokles vlhkosti v palivu má několik nezanedbatelných výhod, mezi které patří zejména zvyšování kalorické hodnoty paliva, schopnost lepšího vzněcování a snazší hoření dosahující vyšších teplot. Méně vlhkosti v palivu také představuje menší mnoţství spalin a nároky kladené na spalinový systém a výrazné zmenšení komínové ztráty, která je významným faktorem ovlivňujícím účinnost teplárny či závodu. Procesy probíhající uvnitř sušek jsou kombinací přenosu tepla (sušenému materiálu) a přenosu hmoty (odvod vlhkosti). Při výběru vhodného typu sušky, slouţí zejména informace o sušené látce, poţadované kapacitě, tepelném výkonu a reţimu provozu sušárny. Pro sušení biomasy určené ke spalování při centralizovaném zásobování teplem a elektrickou energií se dle existujících konstrukčních uspořádání jeví jako nejvhodnější varianta pouţití rotačních bubnových sušáren několika typů. Především se jedná o konduktivní a konvektivní uspořádání. Konduktivní: Jedná se o kontaktní způsob sušení, kde přenos tepla je umoţněn přímým kontaktem sušeného materiálu a kontaktní plochy, která je nejčastěji otápěna párou. U takto řešených sušáren je výrazně sníţen tepelný odpor oproti konvektivním sušárnám. Úkolem sušícího média je jen odvod vlhkosti od sušeného materiálu. Sušení u takto koncipovaných zařízení umoţňuje vyuţití i nízko potenciálního tepla za vyuţití podtlaku. I při vysoké relativní vlhkosti sušícího media můţe být dostatečný rozdíl parciálních tlaků vodní páry mezi povrchem materiálu a v sušícím mediu. Konvektivní: Přenos tepla a hmoty je zajištěn sušícím prostředím, kterým můţe být teplý vzduch nebo spaliny. Úkolem sušícího média je odvod vlhkosti od sušeného materiálu a zároveň slouţí jako teplonosné médium, které prochází vrstvou sušené biomasy. V teplárenských závodech, kde například úbytkem odběratelů klesla produkce páry, přináší zapojení sušky konduktivního typu do stávající koncepce závodu výhodu v moţnosti navýšit parní výkon kotlů, admisní páru co moţná nejvíce vyuţít na výrobu elektrické energie, a pak ji z regulovaného odběru u kondenzačních turbin nebo Ing. Tomislav Utěšil, ČVUT-v Praze, Technická 4, Praha 6, [email protected]

/97/


Brno 2009

na úrovni protitlaku u protitlakých turbin vyuţít jako teplonosné médium v sušce. Díky této koncepci instalace sušky přináší i nemalé ekonomické výhody. Moţnost navýšit výkon je moţné i v případě, ţe závod nedisponuje dostatečnou chladící kapacitou, neboť sušící zařízení slouţí zároveň jako kondenzátor a zkondenzovanou páru přes ventil potrubím vrací zpět do oběhu jako napájecí vodu. CHARAKTERISTIKA SPALOVANÉ BIOMASY Biomasou vyuţívanou pro spalování v teplárenských provozech se v tomto případě rozumí kůra a dřevní štěpka. Její vlhkost lze pak vyjadřovat jako hmotnostní procento vody k celkové hmotnosti vlhkého dřeva. V dřevařském průmyslu se však vlhkost dřeva a ostatních biopaliv například vyjadřuje jako hmotnostní procento vody k hmotnosti suchého dřeva. Při takovémto způsobu vyjádření pak můţe vyjít vlhkost i vyšší neţ 100%. Například při 60% vlhkosti (to je stále ještě reálně a běţně se vyskytující hodnota) vychází podle "dřevařského" vzorce hodnota vlhkosti 150%. Proto je nutné stanovit pravidlo, kterým bude vlhkost vyjadřována. Je stanoveno, ţe v energetickém průmyslu je vlhkost vyjadřována dle prvního způsobu. Na obrázku je znázorněna závislost výhřevnosti dřevní štěpky na její vlhkosti.

Obr. 1 Závislost výhřevnosti paliva na obsahu vody. V současné době není ţádná komerčně vyuţívaná suška na dřevní štěpku v provozu a nejsou dosud známy charakteristiky tohoto paliva. Nejsou známy například energie vazby mezi vodou a skeletem, fyzikálně mechanické a chemické vazby, jako například adsorpce molekul vody na povrch pórů ani difůze vody buněčnými stěnami. Není tedy moţné stanovit mnoţství tepla potřebného pro vysušení jednoho kilogramu vody obsaţené v biomase a tedy není moţné nadimenzovat sušku na vysušení potřebného mnoţství biomasy bez předešlého provedení měření na experimentálním zařízení. POČETNÍ NÁVRH SUŠKY Pro výpočet a následný konstrukční návrh bylo nutné provést měření umoţňující charakterizovat sušený materiál a experiment, na základě kterého by bylo moţno vyčíslit důleţité veličiny. Díky moţnosti provést experimentální měření ve školních laboratořích na Julisce, kde je umístěn prototyp kontaktní (konduktivní) válcové sušičky s parou vytápěnými a rotačně uloţenými trubkami, bylo moţné zjistit zejména měrnou odpařivost plošnou (mnoţství odpařené vody vztaţené na jednotku vyhřívané plochy), měrnou odpařivost objemovou (mnoţství odpařené vody vztaţené na objem rotačního bubnu) a měrné teplo potřebné k odpaření 1kg vody obsaţené v palivu.

/98/


Brno 2009

Prŧběh experimentu Před samotným započetím sušení bylo nutné odváţit mnoţství sušené biomasy. Pro zajištění dobrého promíchávání paliva uvnitř bubnu se zvolilo zaplnění 36% celkového objemu sušičky. Biomasa před úmyslným navýšením její vlhkosti obsahovala dle laboratorního měření jiţ 37% vlhkosti, dále pak přidáním vody a uplynutím doby potřebné pro její absorpci biomasou vzrostla vlhkost na 68%.Průběh měření a výsledky z něj se zaznamenaly po intervalech jedné a dvou hodin měření , viz. tabulka 1. Tab. 1 Vlastnosti biomasy v průběhu sušení

Hmotnost biomasy v sušce [kg] Mnoţství sušiny [kg] Mnoţství vody [kg] Vlhkost [%] Odsušeno [kg]

Počáteční stav 53 16,7 36,3 68 0

Po 1. hodině sušení 25,5 16,7 8,8 34 27,5

Po 2. hodině sušení 18 16,7 1,3 7,5 7,5

Z naměřených údajů a známé geometrie experimentální sušky se určila teplo-směnná plocha, sušící prostor a následně jednoduchým přepočítáním měrná odpařivost plošná a objemová. Tab. 2 Měrné odpařivosti

Měrná odpařivost plošná Ws .[kg.h-1.m-2] Měrná odpařivost objemová Wv .[kg.h-1.m-3]

Počáteční stav 5,54 48,63

Po 2. hodině sušení 1,51 13,26

Jak je z tabulky 2 patrné, měrné odpřivosti nejsou konstantami, nýbrţ v průběhu sušícího procesu klesají. Výpočet a dimenzování sušky Postup výpočtu byl sestavován tak, aby ze zadávaných geometrických rozměrů vnitřního prostoru sušičky a konstant zmíněných v předchozí části, bylo moţné dopočítávat mnoţství vysušené biomasy, které bylo zadavatelem stanoveno na mez 30-ti [tun/hod]. Zaplnění bubnu bylo uvaţováno do 50 % jeho objemu. Samozřejmě pokud by stávající technologie umoţňovaly postavit sušičku větší, mohlo by se uvaţovat niţší zaplnění bubnu a tím i vyšší vysušení stejného mnoţství paliva. Tím by se zvýšila kvalita a výhřevnost paliva. Tab. 3 Vstupní vlastnosti biomasy Šuška Vstupní vlhkost[%] Vstupní mnoţství[kg] Mnoţství sušiny[kg] Mnoţství vody[kg]

62 34500 13205 21546

/99/


Brno 2009

Tab. 4 Návrhové rozměry sušky Šuška Průměr [m] Délka[m] Plocha[m2] Objem[m3] Měrná spotř.en.[MJ/kg] Měrná odpař.[kg.h-1.m-2] Měrná odpař.[kg.h-1.m-3]

3,5 28 935 269,5 2,7 5,25 48,63

VYHODNOCENÍ Celková velikost sušičky byla navrhována přes dvě kritéria, kterými jsou, jak bylo jiţ dříve řečeno, plošná a objemová měrná odpařivost. Jak je z tabulky 4 patrné,na základě jejich rozdílných hodnot se i výstupní vlhkost vsázky výrazně lišila. Bylo nutné upravit vnitřní prostor sušičky tak, aby se hodnoty výstupních vlhkostí obou návrhů příliš nerozcházely. Toho bylo docíleno zvětšením vytápěné sušící plochy a to přidáním a optimalizováním promíchávacích lopatek uvnitř bubnu. Pro zajištění maximální funkčnosti zařízení nebylo moţné navyšovat výhřevnou plochu bez omezení. Zejména proto, aby se míchaná biomasa bez potíţí dostala do mezilopatkového prostoru a nevytvářela klenby. Tab. 5 Výsledné parametry biomasy po 1. hod sušení Měrné odpařivosti Biomasa na výstupu [kg] Sušina [kg] Voda v palivu [kg] Odsušeno [kg] Výstupní vlhkost[%]

Ws-plošná 29575 13205 16370 5176 55

Wv-objemová 21651 13205 8445 13100 39

I přes veškeré úpravy se nepodařilo obě varianty k sobě přiblíţit a jako výrazně účinnější se jeví varianta počítaná přes měrnou odpařivost objemovou. Díky těmto výrazným rozdílům ve schopnosti vysušení poţadovaného mnoţství biomasy je patrné, ţe experimentálně získaná kritéria nejsou na reálná mnoţství biomasy přenositelná. Není moţné přiklonit se ani na jednu z variant a je tedy zapotřebí dané výsledky zprůměrovat a částečně i odhadnout. Tím byla stanovena míra vysušení z 62% na 47 % vlhkosti při navrţených rozměrech sušky o průměru 3,5 metru a délce 28 metrů. Pro odsušení poţadovaného mnoţství biomasy pak bylo zapotřebí dodávat 14 tun/hod páry. POUŢITÁ LITERATURA 1 UTĚŠIL, T. (2009): Návrh vyuţití přebytku tepelného výkonu pro potřeby sušení biopaliva-Diplomová práce, Praha, 61 s. [2] IBLER,Zdeněk. Technický průvodce energetika 1. Vydání.Praha : BEN,2002.ISBN 80-7300-026-1.

/100/


Brno 2009

MĚŘENÍ TEPLOTNÍHO POLE UVNITŘ SPALOVACÍ KOTLE Rostislav Zbieg, Markéta Grycmanová Náš příspěvek se zabývá měřením teplotních polí uvnitř spalovací komory kotle termočlánky – stíněným a nestíněným. Naměřené hodnoty slouží k porovnání skutečných (reálných) teplot ve spalovací komoře s jevy, které jsou namodelovány za pomocí nejrůznějších počítačových programů. V příspěvku je popsána metodika měření teplotních polí a výsledky jsou pro názornost převedeny do plošných grafů. Klíčová slova: teplotní pole, stíněný a nestíněný termočlánek, chlazená sonda ÚVOD U velkých spalovacích zařízení je důleţitá znalost spalovacího procesu pro jeho řízení, optimalizaci a případnou rekonstrukci. Velmi důleţitý je matematicko-fyzikální popis probíhajících jevů, pro který byly vytvořeny různé počítačové software, které dokáţou stanovit průběh některých fyzikálních veličin např. tlaku , rychlosti, teploty, sloţení spalin a podobně. Tyto matematické modely velmi usnadňují práci projektantů zařízení při zvětšování velikosti nebo úpravě zařízení. Důleţitou podmínkou pro tvorbu těchto modelů je ověření okrajových podmínek, případně ověření jednoho stavu, zda odpovídá skutečnosti. Pro tyto účely jsou prováděna diagnostická měření, která mají potvrdit věrohodnost matematických modelů. K diagnostickým měřením ve spalovacích komorách kotlů patří mimo jiné měření teplot a teplotních polí, na které je náš příspěvek zaměřen. TECHNICKY POPIS A CHARAKTERISTIKY KOTLE Tab. 1 Charakteristické parametry kotle Jmenovitý výkon kotle Jmenovitá teplota páry Jmenovitý tlak páry Palivo

220 t/h 520°C 9 Mpa Plyn + topný olej

Tab. 2 Rozměry spalovací komory Šířka Výška Hloubka

8800mm 16000mm 6700mm v dolní části 4480mm v horní části

Obr. 1 Schéma měřících míst Ing. Rostislav Zbieg, VŠB – TU Ostrava, FS, 17.listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba, [email protected]/101/


Brno 2009

MĚŘÍCÍ ZAŘÍZENÍ Jak uţ bylo zmíněno v předešlé kapitole, měření jsme prováděli pomocí nestíněných a stíněných (aspirační pyrometr) termočlánků „K“, které byly umístěny v chlazené sondě a termočlánků „K“ nainstalovaných přímo do spalovací komory. Termočlánek: Termočlánky slouţí k měření teploty na principu termoelektrického jevu, jeho hlavní části je spoj dvou kovových vodičů, tzv. měřící spoj (teplý konec). Po termočlánku je poţadována co nejniţší tepelná vodivost – proto jsou termočlánkové dráty co nejtenčí (coţ vyhovuje i cenovým poţadavkům u drátů z ušlechtilých kovů). Tloušťka termočlánkových drátů je však omezena jejich vyrobitelností a trvanlivostí - u ušlechtilých kovů bývá průměr drátů 0,1-0,6 mm, u neušlechtilých kovů 0,5-4,0 mm. S ohledem na vedení tepla má být také vhodně upravena délka termočlánku. Mezi nejpouţívanější termočlánky v energetice patří termočlánek typu „K“. Tento termočlánek je levný, produkuje relativně vysoké termoelektrické napětí, a proto je moţné pouţití méně citlivých přístrojů pro jeho měření. Trvale se pouţívá do 900oC, krátkodobě aţ do 1200oC. Při teplotách nad 800oC dochází v důsledku oxidace k trvalému zvýšení termoelektrického napětí asi o 1-2 % pro teploty 200 - 400oC. Chlazená sonda: Účelem chlazené sondy pro měření teplot ve spalovací komoře je pouze drţet termočlánek v přímé poloze. Při teplotách, které jsou ve spalovacích komorách, by totiţ kovový plášť termočlánku změknul a termočlánek by se ohnul. Průměry chlazených sond se pohybují od 30-60mm a jejich operační délka je od 2-6m. Pokud se pouţívá keramika, je limitem její křehkost, proto maximální délka činí asi 1m.

Obr. 2 Sonda pro měření teplot fluidní vrstvy-kruhový průřez: 1-Vzdálenost asi 20mm, 2-Termočlánek v kovovém obalu, 3-Diagnostický otvor do fluidního loţe, 4-Kulový ventil, 5-Vstupní trubka, 6-Ucpávka, 7-Chlazená sonda, 8Výstup chladící vody, 9-Vstup chladící vody

Obr. 3 Celkový 3-D pohled na sondu, ¼ podélný řez – plochy řezu=červená barva Měření v oblasti ohříváků, výparníku a přehříváku páry se odehrává výhradně v plynných atmosférách, nehledě na typ kotle nebo palivo, do hry zde vstupuje významný faktor-radiace. Pokud bychom chtěli nechráněným termočlánkem měřit teplotu plynného prostředí, začal by si horký termočlánek radiací okamţitě vyměňovat teplo s okolními chlazenými stěnami. Při měření ve spalovací komoře bychom zaznamenali rozdíl od skutečné teploty nejčastěji mezi 30-80C (někdy aţ 200 oC), přičemţ chyba je ovlivňována: Rozdílem teplot spalin a chladných stěn spalovací komory, rychlosti proudění spalin, emisivitou termočlánku a chlazených stěn, emisivitou plamene a spalin, vzdáleností termočlánku a chlazených stěn. K odstranění těchto chyb v měření byl vyvinut tzv. prosávací pyrometer, který je kontrukcí podobný klasickým chlazeným sondám, s tím rozdílem, ţe teplé spojení termočlánku je stíněno keramickou hlavicí. Při měření /102/


Brno 2009

prosávacím pyrometrem má sonda i následující funkce: drţí keramickou hlavici ve správné poloze a umoţňuje odsávání plynu vnitřním kanálem.

Obr. 4 Prosávací pyrometr (červené šipky:horký plyn, modré šipky: chladicí voda): 1-Vstup nasávaných horkých plynů, 2-Keramická stínicí hlavice, 3-Ucpávka z ţáruvzdorného materiálu, 4-Chlazená sonda, 5-Vývěva, 6-Zobrazení měřené teploty, 7-Termočlánek

Obr. 5 Detail upevnění keramické hlavice v sondě a řez vnějším pláštěm keramické hlavice Plyn je nasáván přes keramickou hlavici a střed sondy vývěvou, která v úzkém kanálu v okolí termočlánku vytváří proudění o rychlosti v řádu desítek metrů. Tím se uměle zvýší přestup tepla konvekcí jak mezi plynem a termočlánkem, tak i plynem a hlavicí. Hlavice je radiací ochlazována na vnějším povrchu, a protoţe se jí vevnitř termočlánek bezprostředně dotýká (pro zvýšení přesnosti můţe být fixován v ose hlavice bez dotyku teplého spojení), hlavice je stíněna dvojitě a plyn je prosáván i zmíněnými otvory mezi trubkami. Tento způsob měření teploty plynu je nejspolehlivějším a nejpřesnějším ze známých způsobů.

VÝSLEDKY SÍŤOVÉHO MĚŘENÍ TEPLOT 20- TERMOČLÁNKY „K“ UPEVNĚNÝMI K PŘEHŘÍVÁKU UVNITŘ SPALOVACÍ KOMORY Výsledky průběhu teplot měřených pomocí termočlánků uchycených k přehřívákové mříţi jsou uvedeny v grafech. Pro názornost byl vybrán graf zachycující průběh teplo při maximálním výkonu 220 t páry / hodinu. Pozn.: Tyto výsledky jsou bez korekcí. Rozdíl mezi měřením aspiračním (stíněným) a nestíněným termočlánkem v chlazené sondě je na základě měření určen dle vztahu: tskutečná = tměřená + 78,7 oC.

/103/


Brno 2009

Obr. 6 Průběh teplot při maximálním výkonu kotle 220t/h

VÝSLEDKY MĚŘENÍ TEPLO STÍNĚNÝM A NESTÍNĚNÝM TERMOČLÁNKEM V CHLAZENÉ SONDĚ Naměřené údaje pro všechny tři reţimy byly zpracování do tabulek, jako příklad je zde uvedena tabulka s hodnotami, které byly naměřeny při maximálním výkonu kotle (220t/h). Z naměřených hodnot se následně namodelovaly grafy v programu Surfer- první graf znázorňuje hodnoty teplot změřené nestíněným termočlánkem v chlazené sondě a druhý graf odpovídá hodnotám naměřeným stíněným termočlánkem v chlazené sondě. Tab. 3 Teploty naměřené při maximálním výkonu kotle

/104/


Brno 2009

Obr. 7 Teplotní pole naměřené nestíněným a stíněným termočlánkem při výkonu 220t/h Teplotní diference mezi naměřenými hodnotami pro nejniţší výkon 115t/h a pro střední výkon 171t/h v plošných diagramech vypadá následovně:

Obr. 8 Teplotní pole naměřené nestíněným a stíněným termočlánkem při výkonu 171t/h

Obr. 9 Teplotní pole naměřené nestíněným a stíněným termočlánkem při výkonu 115t/h ZÁVĚR Porovnáním obou grafů u kaţdého reţimu se zcela zřejmě ukázal vliv radiace, rychlosti proudění spalin, rozdíl teplot spalin a stěn spalovací komory a dalších průvodních jevů na naměřené hodnoty teplot. Rozdíl naměřených hodnot stíněným a nestíněným termočlánkem dosahoval v některých bodech diferenci aţ 100°C. Měřením se tak potvrdila nezbytnost pouţívání keramické hlavice v chlazené sondě a vliv výše zmíněných vlivů na přesnost měření. /105/


Brno 2009

POUŢITÁ LITERATURA 1 FELLIPA C.A., HAUGEN B. A unified formulation of small-strain corotational finite elements: I. Theory. In Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2005, Vol. 194, No. 21-24, p. 2285–2335. ISSN xxxx-xxxx 2 MOLNÁR, Zdeněk. Moderní metody řízení informačných systémů. Praha : Grada 1992, 347 s. ISBN 8085623-07-2 3 BEHÚLOVÁ, Mária. Nucleation in the undercooled melts. In CO-MAT-TECH 2001. Bratislava : STU, 2001, ISBN 80-227-1591-3, s. 23-28.

/106/


Brno 2009

ZKOUŠKA SPOLUSPALOVÁNÍ BIOPALIVA A ČERNÉHO UHLÍ Rostislav Zbieg, Markéta Grycmanová Jedním z možných způsobů využití biomasy je její spoluspalování s dnes nejvíce využívaným palivem v energetice – uhlím. Hlavním cílem spalovacích zkoušek bylo určit, zda je možné trvalé spoluspalování biopaliva s černým uhlím a proplástkem ve stávajících podmínkách teplárny. V příspěvku jsou obsaženy výsledky, kterých bylo při zkouškách dosaženo spolu s popisem možných problémů, které mohou při takovém provozu vzniknout. Klíčová slova: Spoluspalování, biopalivo, obilné otruby, černé uhlí, emise. ÚVOD Energetickým fenoménem se v posledních letech stalo energetické vyuţívání biomasy. Nejjednodušší metodou jak biomasu vyuţívat k energetickým potřebám je její spalování. Stávající spalovací zařízení jsou sice koncipována pro spalování uhlí, které se svým sloţením a vlastnostmi liší od biomasy, ale to nebrání provozovatelům tepláren v moţnostech vyuţívat biomasu při spoluspalování se stávajícím palivem. Tento příspěvek se zabývá spalovací zkouškou na reálném spalovacím zařízení, kde se standardně spaluje černé uhlí s proplástkem. Při spalovací zkoušce se k palivu přidávala biomasa – obilné otruby, v mnoţstevním poměru 90% černé uhlí s proplástkem a 10% obilných otrub. Při spalovací zkoušce se měřily plynné a tuhé emise, dále se kontrolovala dopravitelnost, míchání a mletí paliva a funkce zásobníků paliva. POPIS SPALOVACÍHO ZAŘÍZENÍ Spalovací zkoušky byly prováděny na granulačním kotli, konstruovaném v běţném dvoutahovém uspořádání (Obr. 1). Stěny spalovací komory jsou tvořeny trubkami o průměru 83 mm s roztečí 165 mm. Spalovací komora včetně výsypky má rozměr 6300 x 6300 x 15950 mm. V čele spalovací komory jsou zabudovány 3 nízkoemisní hořáky firmy Stork s trvale provozovanými stabilizačními hořáky na koksárenský, případně zemní plyn. Mlýnice je vybavena třemi krouţkovými mlýny s přímým foukáním paliva do jednotlivých pater proudových hořáků. Spaliny z kotlů jsou zavedeny do třístupňového elektrostatického odlučovače.

Ing. Rostislav Zbieg, VŠB – TU Ostrava, FS, 17.listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba, [email protected]/ 107 /


Brno 2009

Obr. 1 Schéma kotle Tab. 1 Základní parametry kotle K2 Typ Rok výroby Jmenovitý výkon Hmotnostní průtok Jmenovitý tlak páry Jmenovitá teplota páry Jmenovitá teplota napájecí vody

Vodotrubný, granulační 1942 49,7 MW 67 t/h 7,65 MPa 485°C 160°C PALIVO

Hlavním palivem pro kotel je černé uhlí s proplástkem (základní kvalitativní znaky viz Tab. 2). Tab. 2 Základní kvalitativní znaky hlavního paliva [1]

Výhřevnost Obsah vody Obsah popela Obsah síry

Černé uhlí 22,5 – 25,5 [ MJ/kg] 9,0 – 12,0 [ % ] 12,0 – 18,0 [ % ] max. 0,25 [ % ]

Proplástek 16,5 – 20,0 [ MJ/kg] 7,0 – 13,0 [ % ] 38,0 – 49,0 [ % ] max. 0,31 [ % ]

Přídavným palivem pro spalovací zkoušky jsou obilné otruby (základní kvalitativní znaky viz Tab. 3). Svým charakterem spadají obilné otruby do kategorie „biomasy“, která je vyhláškou 352/2002 Sb. definována jako rostlinný materiál, který lze pouţít jako biopalivo, pokud pochází ze zemědělství, lesnictví, nebo potravinářského průmyslu, z výroby buničiny a z výroby papíru z buničiny, ze zpracování korku, ze zpracování dřeva s výjimkou dřevního odpadu obsahující halogenové sloučeniny nebo těţké kovy. Čistá průmyslovým zpracováním neznečištěná biomasa je povaţována z hlediska termického vyuţití za účelem výroby tepla a elektrické energie za produkt rovnocenný palivu a není povaţována za odpad. Tab. 3 Základní kvalitativní znaky přídavného paliva [1] Obilné otruby Výhřevnost 15 - 16 [ MJ/kg] Obsah popela (sušina) 5-6[%] Obsah celkové vody 10 - 12 [ % ] Obsah síry (surový stav) 0,1 - 0,2 [ % ] Granulometrie do 1 mm SPALOVACÍ ZKOUŠKA Směs černého uhlí, proplástku a obilného šrotu byla namíchána ve hmotnostním poměru 90% k 10%. Zkouška probíhala po dobu 72 hodin při průměrném parním výkonu 52 t/h. Emisní měření při spoluspalování probíhalo po dobu 6 hodin. Základní mísení paliva proběhlo na uhelné skládce pomocí buldozeru (Obr. 2). K dodávce biopaliva o známé hmotnosti 12 tun se přihrnuly buldozerem cca 2 vagony černého uhlí a proplástku o hmotnosti cca 100 tun. Na volném prostoru bylo takto připraveno palivo o hmotnosti 120 tun. Následně byla směs dopravena do zásobníku příslušného kotle.

/ 108 /


Brno 2009

Obr. 2 Míchání biomasy a černého uhlí na skládce paliva Rozsah měření při spalovací zkoušce a) Kontinuální měření základních plynných emisí (CO, NOx, SO2, CxHy, O2 ) nezávislými měřicími přístroji VŠB – TU Ostrava pro kombinované spalování biopaliv, černého uhlí a proplástku. b) Měření emisí HCl a HF při jednotlivých zkouškách. c) Měření tuhých emisí gravimetrickou aparaturou dle ČSN ISO 9096. d) Sledování dopravitelnosti a homogenity směsi paliva do interních zásobníků a do kotlů. e) Sledování základních parametrů mlýnských okruhů. f) Rozbory paliva a vedlejších produktů po spalování. Výběr měřících míst Pro měření byla pouţita stávající měřicí místa na výstupu spalin z odlučovacího zařízení příslušného kotle do komína. Měřicí místo pro měření plynných emisí bylo vybráno na výstupu spalin z kouřového ventilátoru K2. Měření tuhých emisí bylo vybráno na výstupu spalin z elektroodlučovače kotle K2. Další sledované parametry při zkoušce          

manipulace s biopalivem od příjezdu do teplárny v kamionech a jeho vykládka manipulace s biopalivem v prostoru vnější uhelné skládky funkce hlubinného zásobníku a vyhrnovače pod hlubinným zásobníkem dopravitelnost směsi stávající pásovou dopravou funkce zásobníků surového uhlí (ZSU) na kotli K 2 dopravitelnost směsi ze zásobníků surového uhlí do mlýna mletí paliva v krouţkovém mlýnu doprava uhelného prášku s biopalivem do kotle funkce kotle při spalování směsi emise škodlivin ve spalinách na výstupu z kotle

Příprava paliva Doprava biopaliva - obilných otrub proběhla nákladními auty s vykládkou v prostoru vnější uhelné skládky. Obilné otruby jsou poměrně lehké s moţností rozfoukání silnějšími poryvy větru. Pro trvalé spalování bude nutno dodaný materiál překrýt plachtou nebo vrstvou uhlí. Manipulační prostor pro příjezd kamiónů není v teplárně nejvhodnější, severní prostor uhelné skládky je nezpevněný. Kamiony mají zhoršenou situaci pro vykládku na rovné ploše. Vykládka proběhla bez výrazných problémů a potíţí.

/ 109 /


Brno 2009

Chování materiálu v hlubinném zásobníku bylo stejné jako chování čistého uhlí. Suché otruby jsou nelepivé a sniţují vnitřní tření materiálu. Před nahrnutím materiálu do hlubinného zásobníku je však třeba smíchat tento materiál s uhlím, aby nedošlo k protečení biopaliva přes štěrbinu hlubinného zásobníku. Dopravitelnost paliva Dopravitelnost na pásu byla velmi dobrá a nedocházelo k lepení, avšak vlivem pohybu pásu došlo na přesypech k sfoukávání jemných částic biomasy z pásů na podlahu zauhlovacích tras. Zásobníky surového uhlí kotle K2 se směsí uhlí a biopaliva ve zvoleném hmotovém poměru byly provozovány bez problémů a bez sklonů ke klenbování paliva. Doprava směsi paliva ze zásobníků surového uhlí do mlýnů probíhala bez problémů, nikdy nedošlo k ucpání svodek paliva do mlýnů. Mletí paliva Mletí paliva probíhalo bez problémů. Poměr biopaliva byl vybrán záměrně 10% hmotnostních, protoţe při větším poměru můţe dojít k zamílání mlýna, překročení teploty za třídičem a přinejmenším k nutnosti odstavit mlýn. Ze záznamů a porovnání s čistě uhelným provozem došlo k nepatrnému nárůstu mlecí práce, zvýšení příkonu mlýna a k nárůstu tlakové diference mlýna. S ohledem na podíl 10% v surovém uhlí byly tyto změny velmi malé. MNOŢSTVÍ NEDOPALU Obsahy spalitelných látek v popílku na výstupu kotle se pří spalování biomasy pohybovaly kolem 10,54%. Tato hodnota je podobná jako při spalování čistého uhlí. Obsah spalitelných látek ve strusce byl 0,67%. Tato hodnota je běţně dosahována i s uhlím. EMISE Emise základních plynných škodlivin přepočtené na 6% O2, bezpečně splňují platné emisní limity. Číselné hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 4 Naměřené hodnoty emisí [1] Sloţka CO NOx SO2 CxHy TZL ClF-

Mnoţství [mg.m-3N] 42,7 429 559 2,3 15,54 10,66 1,53

NOx U emisí NOx nedošlo vlivem spalování biomasy s vyšším podílem palivového dusíku ke zvýšení emisí. Je pravděpodobné, ţe palivový dusík z biopaliva se na celkové tvorbě emisí NOx podílí minimálně. Maximální půlhodinová koncentrace byly 509 mg.m-3. Průměrná hodnota je 429 mg.m-3.

/ 110 /


Brno 2009

SO2 Při spalování směsi uhlí a obilných otrub došlo k částečnému poklesu tvorby SO2. V uhlí bylo 0,66 % spalitelné síry a v obilných otrubách 0,24 - 0,3 % síry. TZL Emise tuhých znečišťujících látek TZL (popílku) jsou dány parametry elektroodlučovače. Odpovídají hodnotám měřeným na uhlí. TOC Průměrná koncentrace TOC (celkový organický uhlík) se pohybovala při spalovacích zkouškách od 1,2 do 3,6 mg.m-3N při 6 % O2 ve spalinách. Vliv spalování biopaliva na tvorbu TOC je zanedbatelný. Emise TOC souvisí s obsahem CO ve spalinách bez ohledu na konkrétní palivo. HCl a HF Emise HCl a HF jsou závislé na primárním obsahu chlóru a fluóru ve vstupním palivu. Fluór se primárně vyskytuje a způsobuje potíţe pouze v méněhodnotném hnědém uhlí. Černé uhlí má minimální obsah fluóru. Chlór se vyskytuje v černém uhlí i v některých rostlinných zbytcích obilí a slámy. Obsah chlóru v obilné slámě a obalech zrn obilí se liší podle půdního sloţení a způsobu hnojení. Hodnoty jsou 0,1 – 0,6 % v sušině. Naměřená hodnota 0,06% odpovídá niţšímu výskytu chlóru v půdě a hnojivu. Obsah chlóru v surovém černém uhlí odpovídá pozůstatkům mořské vody, která v třetihorním období zaplavila současná loţisky hornoslezské uhelné pánve. Dominantním nositelem chlóru je černé uhlí. Průměrné emise Cl- byly 10,66 mg.m-3N. Průměrné emise F- byly 1,53mg.m-3N

Obr. 3 Grafické zobrazení průběhu naměřených koncentrací jednotlivých sloţek emisí (O2, CO, NOx, SO2, TOC) ZÁVĚR Spalovacími zkouškami bylo prokázáno, ţe v kotli K2 lze bez problému trvale spalovat směs uhlí a biopaliva v podobě rostlinných zbytků z potravinářské a rostlinné výroby v hmotnostním poměru 10% biomasy a 90% černého uhlí, proplástku. / 111 /


Brno 2009

Dosavadní pokusy se spalováním čistých energetických plodin a biomasy prokázaly a potvrdily moţnost kombinovaného spalování fosilních paliv a přídavných čistých biopaliv ve stávajících energetických spalovacích zařízeních, bez nutnosti výraznějších úprav a investic. V průběhu spalovacích zkoušek nebylo zaznamenáno zvýšené zanášení spalinových kanálů ani teplosměnných ploch kotle. Při spalování směsi uhlí-biomasa se teploty ve spalovací komoře kotle oproti spalování uhlí rovněţ zásadně nezměnily. Celkově lze spalovací zkoušky s obilnými otrubami na kotli K2 v teplárně hodnotit jako velmi úspěšné. POUŢITÁ LITERATURA 1 Technická zpráva katedry energetiky z měření na granulačním kotli, Ostrava.

/ 112 /


Brno 2009

EMISE JEMNÝCH ČÁSTIC PRACHU PŘI SPALOVÁNÍ TUHÝCH PALIV V MALÝCH SPALOVACÍCH ZAŘÍZENÍCH Ing. Jiří Horák, Ph.D.1), Ing. Michal Branc1), Ing. Helena Hnilicová2) 1)

VŠB – Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba, www.vsb.cz/vec, [email protected], [email protected] 2)

Český hydrometeorologický ústav, Na Šabatce 17, Praha 4 – Komořany, www.chmi.cz, [email protected]

Zdroje tepla v domácnostech, které spalují tuhá paliva jsou považovány za výrazné producenty tuhých znečišťujících látek (TZL, TSP). V roce 2005 cca 35 % z celkových emisí prachu PM10 (v ČR) pocházelo z vytápění domácností [1]. Článek prezentuje výsledky experimentálního stanovení emisí tuhých znečišťujících látek včetně rozdělení celkových TZL na frakce PM10 a PM2,5 v pěti typech spalovacích zařízení při spalování dřeva a hnědého uhlí. Klíčová slova: Hnědé uhlí, dřevo jemné částice, malé zdroje, vytápění ÚVOD Pevné částice v ovzduší patří k významným, lidské zdraví negativně ovlivňujícím, znečišťujícím látkám. Závaţnost působení částic na lidské zdraví je dána jejich velikostním spektrem, které determinuje depozici v dýchacím traktu, a chemickým sloţením, od něhoţ se odvozuje míra toxického působení deponovaných částic v organizmu. Částice větší neţ 10 μm jsou zachyceny v horních cestách dýchacích (nos, nosohltan, ústa). Částice, které projdou horními dýchacími cestami (menší neţ 10 μm), jsou nazývány thorakální frakcí. Hrubší částice thorakální frakce jsou dále zachyceny v dolních cestách dýchacích (hrtanu, průduškách atd.), a do lidských plic tak proniká širší spektrum částic. Uvádí se, ţe se jedná především o částice menší neţ 2,5 μm [2]. Tyto částice působí svými toxickými vlastnostmi přímo na plicní tkáň. Menší částice, které plíce nezachytí (<1 μm), jsou po vdechnutí opět vydechovány popřípadě procházejí membránou alveol a pronikají do krve [3]0. Z uvedeného vyplývá, ţe rizika depozice a následná zdravotní rizika s sebou nesou především částice pod 10 μm 0. Primární částice mohou vznikat různými mechanismy. Zdravotní riziko těchto látek spočívá v jejich chemickém sloţení. Přestoţe hmotu tuhých částic mohou představovat inertní látky, na povrchu těchto částic se mohou adsorbovat další látky, které mohou představovat váţné zdravotní riziko. Mezi látky, které se dále na prachové částice váţí patří např. kondenzované páry kovů, kyseliny, dehty, polyaromatické uhlovodíky (PAU), polychlorované di-benzo dioxiny a furany (PCDD/F) a polychlorované bifenyly (PCB). Tyto látky představují pro lidský organismus značné zdravotní riziko. EMISNÍ INVENTURY Spalování tuhých paliv v malých zdrojích produkuje podstatnou část emisí TZL, a jejich frakcí PM10 a PM2,5 v České republice. V současné době je odhad emisí ze spalování v domácnostech prováděn na základě meteorologických podmínek v topném období (následné stanovení spotřeby paliva) a emisního faktoru. Meteorologické podmínky jsou charakterizovány počtem dennostupňů v topném období a emisní faktor je pouţíván dle vyhlášky [4]. Pro spalování hnědého uhlí je definován vztahem 1*Ar v kg/t, kde Ar je obsah popela v palivu (v %). Zastoupení PM10 a PM2,5 v celkovém mnoţství prachu je dosud stanoveno na základě výsledků měření uskutečněného v Polsku [5] (podíl PM10 v TZL je 75 % a PM2,5 25 %). Pro spalování dřeva je emisní faktor vyjádřen nezávisle na obsahu popela a činí 5,2 kg/t. Podíl frakce PM10 je stanoven na 95 % a podíl frakce PM2,5 pak na 90 % z TZL. Emisní faktor je aplikován bez ohledu na stáří a druhovou skladbu vytápěcích zařízení, coţ se projevuje značnou nepřesností při odhadu emisí v této kategorii zdrojů. V současnosti se pracuje na zpřesnění bilance tak, aby odhad emisí reflektoval kvalitativní vývoj ve skladbě topných zařízení. Tento úkol představuje min. dvě samostatné oblasti: jednak poznání v oblasti emisních faktorů (např. obsah tohoto článku), ale také informace o skladbě spalovacích systémů provozovaných v jednotlivých domácnostech. Pro stanovení emisí ze spalování tuhých paliv v domácnostech se v EU pouţívají další tři sady emisních faktorů, viz Tab. 5 a Tab. 6. Ing. Jiří Horák, Ph.D., Ing. Michal Branc, VŠB Ostrava, VEC, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba Ing. Helena Hnilicová, Český hydrometeorologický ústav, Na Šabatce 17, Praha 4 – Komořany / 113 /


Brno 2009

Tab. 5 Přehled emisních faktorů pro hnědé uhlí zdroj emisních faktorů GAINS[7]

kategorie spalovacích zařízení kotle na uhlí s výkonem <50kW kotle na uhlí s výkonem <50kW, nové kamna na uhlí kamna na uhlí (upravená) kamna na uhlí nová

zjednodušený zařízení pro vytápění domácností - černé i hnědé uhlí, <50 kW výpočet krb otevřený podrobný kamna výpočet kamna moderní kotle na uhlí s výkonem <50kW CEPMEIP[9] zařízení pro vytápění domácností - hnědé uhlí ČR[5]* zařízení pro spalování hnědého uhlí, <50 kW EIG[8]

*pro průměrné hodnoty hnědého uhlí používaného k vytápění domácností:

emisní faktor [g/GJ] PM10 PM2,5 TSP 350 315 280 210 189 168 600 540 480 420 378 336 300 270 240 444

404

398

350 500 250 400 350 387

330 450 240 380 140 290

330 450 220 360 70 97

obsah popela Ar=7% výhřevnost Qir=18,1 MJ/kg

Tab. 6 Přehled emisních faktorů pro dřevo zdroj emisních faktorů GAINS[7]

kategorie spalovacích zařízení kotle na dřevo s výkonem <50kW kotle na dřevo s výkonem <50kW, nové kamna na dřevo kamna na dřevo vylepšená kamna na dřevo nová krb

zjednodušený zařízení pro vytápění domácností - dřevo, <50 kW výpočet krb otevřený podrobný kamna výpočet kotle dřevo s výkonem <50kW kotle na pelety s výkonem <50kW CEPMEIP[9] zařízení pro vytápění domácností - dřevo, nízkoemisní zařízení pro vytápění domácností - dřevo, vysokoemisní ČR[5]* zařízení pro spalování dřeva, <50 kW EIG[8]

emisní faktor [g/GJ] PM10 PM2,5 TSP 250 240 233 52 49 47 750 672 651 259 249 241 140 134 130 750 720 698 730

695

695

900 850 500 80 150 300 356

860 810 475 76 143 285 338

860 810 475 76 135 270 320

výhřevnost Qir=14,62MJ/kg

* pro dřevo s uvažovanými parametry

POUŢITÁ SPALOVACÍ ZAŘÍZENÍ A PALIVO Experimentální stanovení TZL bylo provedeno na 5 spalovacích zařízeních představujících základní koncepce spalování, které jsou v dnešní době u nás pouţívány pro potřeby vytápění. Jedná se o automatický kotel, kotel prohořívací, kotel odhořívací a zplyňovací kotel a krbová kamna, viz. Obr. 1. Prohořívací kotel je zařízení s ručním přikládáním paliva. Dávka paliva prohořívá najednou, přičemţ spaliny procházejí celou vrstvou paliva. Spalinový trakt je tvořen jedním tahem. Odhořívací kotel přestavuje zařízení s ručním přikládáním paliva. Zespoda odhořívající palivo je doplňováno palivem, které se postupně v zásobníku sesouvá do ohniště. Spaliny neprocházejí vrstvou přiloţeného paliva. Spalinový trakt je tvořen třemi tahy. Kotel zplyňovací představuje zařízení moderní konstrukce s ručním přikládáním paliva a dvoufázovým spalováním. V první fázi je palivo zplyněno a v druhé fázi plyn hoří v samostatné spalovací komoře. Spalinový trakt je tvořen „jeden a půl tahem“ (horizontální výměník). Automatický kotel představuje zařízení moderní konstrukce. Palivo je přikládáno automaticky pomocí šnekového dopravníku do hořáku, následně hoří odhořívacím způsobem. Spalinový trakt je tvořen pouze jedním tahem, spaliny tak proudí pouze vzhůru, kotel je však opatřen deflektorem pro záchyt částic. Koncepce pouţitých krbových kamen vyuţívá prohořívacího systému spalování, a proto se koncepce shoduje s prohořívacím kotlem. Při zkouškách bylo pouţito hnědé uhlí a dřevo o parametrech, které shrnuje tabulka 3.

/ 114 /


Brno 2009

Obr. 4 Schéma prohořívacího, odhořívacího, automatického a zplyňovacího kotle a krbových kamen Tab. 7 Parametry pouţitého paliva Popis vzorku HU ořech 1 Dřevo (buk)

wtr Ar % % 27,48 4,18 9,58 0,83

Ad Cr Hr % % % 5,77 46,88 3,83 0,92 41,1 5,11

Nr Or Sr Vdaf % % % % 0,65 16,35 0,62 51,09 0,09 43,08 0,22 85,58

Qi r MJ/kg 19,06 15,68

PRINCIP ODBĚRU Spalovací zařízení byla před měřením umístěna na váţící most a osazena měřicí technikou, pro stanovení základních provozních parametrů a sloţení spalin za kotlem a v ředicím tunelu (ŘT). Schéma zapojení spalovacích zařízení, napojení na ŘT a umístění odběrových míst znázorňuje obr. 2. Stanovení PM bylo provedeno gravimetrickou metodou. Princip měřicí metody je zaloţen na „izokinetickém“ odsátí vzorku plynu z ŘT (odběrové místo č.2) a záchytu jednotlivých frakcí. K odběru tuhých látek a jejich rozdělení dle frakcí na PM10 a PM2,5 byl pouţit impaktor (obr. 3). Jedná se o sondu se zachycovačem, ve které se frakce separují odstředivými silami prostřednictvím soustavy trysek a následně se zachycují na filtrech. Odběr je proveden vţdy v ŘT o průměru 150 mm, ve kterém je díky naředění niţší koncentrace tuhých látek a stabilní rychlost spalin cca 5 m/s. Hubicí a sondou se prosávají spaliny pomocí odběrové trati, která umoţňuje nastavení poţadovaného průtoku a zároveň poskytuje údaj o odebraném mnoţství suchých spalin za normálních podmínek.

Obr. 5 Schéma ředicího tunelu

Obr. 6 Jednotlivé části impaktoru / 115 /


Brno 2009

VÝSLEDKY EXPERIMENTŦ U všech zařízení byly provedeny odběry při stabilním reţimu, který nebyl narušován zásahem obsluhy, jako je otevírání dvířek, prohrábnutí paliva, přiloţení, zaroštování apod. Zařízení byla provozována na jmenovitém výkonu a za podmínek doporučených výrobcem. U zařízení s manuálním přikládáním byly dále provedeny odběry po zásahu obsluhy, které jsou při skutečném provozu nezbytné, a to přiloţení a zaroštování. Obr. 7 prezentuje výsledky stanovení emisních faktorů tuhých znečišťujících látek vztaţených na hmotnost paliva. V rámci stabilních reţimů bez zásahu obsluhy byly stanoveny u jednotlivých zařízení a paliv rozdílné emisní faktory, rozdíly však nebyly příliš výrazné. Nejvyšší hodnoty bylo dosaţeno při spalování hnědého uhlí v prohořívacím kotli 2,22 kg/t paliva. Při spalování dřeva v prohořívacím kotli byla stanovena hodnota 0,618 g/t paliva. Naopak nejniţší hodnota byla stanovena při spalování hnědého uhlí v odhořívacím kotli 0,201 kg/t paliva. U tohoto kotle se projevil vliv způsobu spalování a tří tahů spalinové cesty, ve kterých jsou příhodné podmínky pro záchyt emitovaných částic z odhořívající vrstvy hnědého uhlí. U dřeva spalovaného v odhořívacím kotli však byl stanoven emisní faktor poměrně vysoký (1,75 kg/t paliva). Tento fakt svědčí o rozdílných vlastnostech částic emitovaným při spalování dřeva a hnědého uhlí a také o jiných vlastnostech vrstvy odhořívajícího dřeva a uhlí. U ostatních zařízení a paliv provozovaných ve stabilních reţimech byly stanovené emisní faktory poměrně vyrovnané a pohybovaly se mezi 1,22 a 0,81 kg/t paliva. 25

Stabilní režimy

Odběry po přiložení

Stabilní režimy

Odběr po Odběr po roštování přiložení

21,2

Emisní faktor frakce [kg/tpaliva]

Stabilní režim

Stabilní Odběr po režim přiložení

Úžívaný emisní faktor TSP pro daná paliva Hnědé uhlí r TSP = 1*A [kg/t] TSP = 4,18 kg/t

20 16,7

TZL PM 10 PM 2,5

Bukové dřevo TSP = 5,2 kg/t

15

9,60

10

5,2 5


Stabilní režimy

4,12

4,18 2,22

2,03

1,75 0,618

1,22

0,201

0,812

0,372

0,516

1,21

0,855

0 hnědé uhlí

dřevo

hnědé uhlí

prohořívací kotel

dřevo

hnědé uhlí

dřevo

hnědé uhlí

dřevo

odhořívací kotel

hnědé uhlí

dřevo

hnědé uhlí

zplyňovací kotel

dřevo

hnědé uhlí

automat. kotel

dřevo

dřevo

krbová kamna

Obr. 7 Emisní faktory frakcí tuhých částic při spalování hnědého uhlí a dřeva Výsledné emisní faktory u odběrů provedených po zásahu obsluhy do spalovacího procesu však vykazují výrazně odlišné hodnoty. Jak je z grafu patrné, nejvýraznější vliv na produkci TZL byl zaznamenán u kotle odhořívacího a kotle prohořívacího. U kotle prohořívacího se emisní faktor u hnědého uhlí zvýšil na 16,7 kg/t paliva, coţ představuje 7,5 násobné zvýšení, a u dřeva na 9,60 kg/t paliva, coţ představuje 15,5 násobné zvýšení oproti stabilnímu stavu. Nárůst emisních faktorů u prohořívacího kotle je dán tvorbou velkého mnoţství dehtových látek po přiloţení paliva. U kotle odhořívacího se emisní faktor u hnědého uhlí zvýšil na 21,2 kg/t paliva, coţ představuje cca 100 násobné zvýšení, a u dřeva na 4,12 kg/t paliva, coţ představuje 2,4 násobné zvýšení oproti stabilnímu stavu. Nárůst emisních faktorů u odhořívacího kotle po zásahu obsluhy je dán uvolněním tuhých částic zachycených ve vrstvě. U hnědého uhlí má vrstva dobrou schopnost zachytávat částice přes ni procházející, při zásahu do vrstvy se však velká část z nich uvolní. Naopak vrstva nad roštem při spalování dřeva nezachytává částice tak výrazně, a proto ani po zásahu do vrstvy se jich tolik neuvolní. U kotle zplyňovacího došlo po zásahu ke sníţení emisních faktorů. Při spalování hnědého uhlí se emisní faktor sníţil na / 116 /


Brno 2009

0,373 kg/t paliva, coţ představuje sníţení na jednu třetinu hodnoty ve stabilním reţimu. U dřeva došlo ke sníţení na 0,516 kg/t paliva, coţ představuje sníţení na dvě třetiny hodnoty ve stabilním reţimu. Vizuálně bylo pozorováno sesunutí vrstvy po přiloţení, coţ mělo pravděpodobně za následek zvýšený záchyt částic ve vrstvě. Uvolněné částice z vrstvy byly dále zachyceny ve spalovací komoře a dalších tazích, jelikoţ se neopakovala situace pozorovaná po zaroštování u odhořívacího kotle. Po přiloţení bukového dřeva do krbových kamen došlo k nárůstu emisního faktoru na 2,03 kg/t paliva, coţ představuje 2,4 násobné zvýšení. Podobně jako u prohořívacího kotle je tento nárůst dán tvorbou dehtových látek, díky menší dávce paliva a kvalitnějšímu rozvodu spalovacího vzduchu není tento nárůst tak výrazný jako u prohořívacího kotle.

Stabilní režimy


Stabilní režimy

Odběr po roštování

Odběr po přiložení

Stabilní režimy


Stabilní režim

Stabilní Odběr po režim přiložení

TZL PM10 PM2,5

100 90 80

Podíly z TZL [%hm.]

70 60 50 40 30 20 10 0 hnědé uhlí

dřevo

hnědé uhlí

prohořívací kotel

dřevo

hnědé uhlí

dřevo

hnědé uhlí

dřevo

hnědé uhlí

dřevo

hnědé uhlí

zplyňovací kotel

odhořívací kotel

dřevo

hnědé dřevo dřevo hnědé dřevo uhlí uhlí automat. užívaný emisní krbová kotel kamna faktor

Obr. 8 Podíly frakcí TZL při spalování hnědého uhlí a dřeva Z pohledu vlivu na zdraví ţivých organizmů je pozornost věnována malým (respirabilním) frakcím, viz. Obr. 8. Při srovnání stabilních reţimů lze vidět výrazně vyšší produkci jemných frakcí PM 10 i PM2,5 při spalování dřeva. Úroveň podílu jemných částic je dále ovlivněna pouţitým spalovacím zařízením. Nejvyšší podíly jemných frakcí byly stanoveny u kotle prohořívacího, kde se podíl PM10 u hnědého uhlí pohyboval okolo 88 % a u dřeva přes 98 %. U frakce PM2,5 se jednalo o 80 % u uhlí a téměř 96 % u dřeva. Výrazně niţší podíly jemných frakcí byly pozorovány u ostatních kotlů, a to především při spalování hnědého uhlí. Niţší podíl byl stanoven u odhořívacího kotle, další sníţení je patrné u zplyňovacího kotle a nejniţších podílů jemných frakcí bylo dosaţeno u automatického kotle (jen hnědé uhlí) - PM10 73 %, PM2,5 53 %. Niţší produkce jemných frakcí byla zjištěna i při spalování dřeva, i kdyţ pokles oproti prohořívacímu kotli není tak výrazný jako u hnědého uhlí. Nejniţší podíly jemných frakcí byly stanoveny při spalování dřeva v krbových kamnech - PM10 91 %, PM2,5 79 %. Zásahem obsluhy do spalovacího procesu došlo k výrazné změně ve velikostním spektru emitovaných částic. Při spalování hnědého uhlí došlo zásahem obsluhy vţdy k podstatnému nárůstu jemných frakcí, kdy podíly PM10 překročily 90 % a podíly PM2,5 se pohybovaly od 84 do 92 %. Opačný trend byl zjištěn při spalování dřeva, kdy byly po zásahu obsluhy stanoveny většinou menší podíly jemných frakcí. U všech kotlů došlo k poklesu podílů obou jemných frakcí řádově o 2 aţ 5 %. U krbových kamen došlo k mírnému nárůstu podílu jemných frakcí. POROVNÁNÍ VÝSLEDNÝCH EF S V SOUČASNOSTI V ČR UŢÍVANÝMI EF Při porovnání s emisními faktory uţívanými pro roční bilance produkce tuhých znečišťujících látek je patrná odlišnost (viz Obr. 7). Uţívané faktory (vodorovné čáry) jsou vyšší neţ zjištěné měrné emise u sledovaných / 117 /


Brno 2009

spalovacích zařízení a spalovaných paliv ve stabilních reţimech. Naproti tomuto v případě hodnot EF stanovených při nestabilních reţimech jsou v některých případech jejich hodnoty vyšší neţ pouţívaný EF. U prohořívacího kotle a kamen lze očekávat, ţe pokles produkce TZL po přiloţení nebude prudký, a reprezentativní emisní faktor se tak bude pohybovat kolem průměrné hodnoty. Váţený průměr emisních faktorů respektující délku jednotlivých odběrů určený z hodnot pro stabilní a nestabilní reţim u prohořívacího kotle je 9,59 kg/t paliva u uhlí a 3,42 kg/t paliva u dřeva, u kamen pak je 1,38 kg/t paliva. U kotle odhořívacího lze očekávat rychlý pokles k hodnotám zjištěným při stabilním reţimu, navíc má odhořívací kotel delší přikládací periodu a delší spalinovou cestu neţ kotel prohořívací. Z uvedených důvodů se reprezentativní emisní faktory budou pohybovat blízko hodnoty zjištěné pro stabilní reţim. U velikostního spektra lze nalézt výrazný rozdíl mezi uţívanými podíly pro jemné frakce a skutečně zjištěnými podíly. Podíl částic PM2,5 uţívaný pro kalkulace roční bilance emisí z malých zdrojů, který je v současné době pro uhlí 25 % z TZL, je dle zkoušek daleko vyšší, a to v průměru asi 3 krát. Obdobná situace je pozorovatelná i u podílu PM10. Pouţívaná úroveň 75 % podílu PM10 z TZL byla pozorována pouze u automatického kotle. Ostatní spalovací zařízení vykazují podíly větší cca o 15 %. Nutno podotknout, ţe za zvýšením podílů jemných částic lze vidět zásahy do spalovacích procesů, nicméně i stabilní reţimy dosud pouţívané podíly vysoce převyšují. U dřeva lze nalézt také rozdíly mezi uţívanými a stanovenými podíly, na rozdíl od hnědého uhlí však odchylky nejsou příliš velké a pohybují se v rozmezí -11 aţ +3 %, přičemţ jsou niţší podíly částic PM2,5. ZÁVĚR Cílem tohoto článku bylo prezentovat stanovené měrné emise tuhých znečišťujících látek a podílů jemných frakcí při spalování hnědého uhlí a dřeva ve spalovacích zařízeních odlišné koncepce spalování a dále upozornit na rozdíl mezi zjištěnými hodnotami a emisními faktory uţívanými pro bilance emisí z malých spalovacích zařízení. Jak ukázala měření, jednotlivé malé zdroje, byť spalují stejné palivo, vykazují velké rozdíly v měrných emisích TZL. Aţ na kotel prohořívací byly u všech kotlů stanoveny niţší měrné emise neţ je uţívaný EF. Průměrná hodnota emisního faktoru u kotle prohořívacího převyšuje uţívaný emisní faktor pro hnědé uhlí více neţ dvojnásobně, u dřeva se stanovená hodnota téměř shoduje s uţívaným EF. Podobné rozpory lze nalézt i u velikostního rozdělení částic. V současné době v ČR pouţívaný podíl PM 10 75 % a PM2,5 25 % vycházel z výsledku experimentů provedených na polských kamnech s polským uhlím [5] a je dnes pouţíván také pro kotle. U zkoušek bylo zjištěno, ţe na rozdíl od pouţívaného rozdělení je ve skutečnosti mnohem větší podíl jemných částic. Uţívané podíly částic PM10 95 % a PM2,5 90 % pro dřevo jsou naopak mírně nadhodnoceny, i kdyţ jsou u prohořívacího kotle překračovány. Jak ukazují prezentované výsledky, skutečnou bilanci emisí výrazně ovlivňuje druhová skladba spalovacích zařízení, přesto se při kalkulaci emisí z důvodu nedostatku informací nezahrnuje. Tento článek vznikl za podpory MŢP v rámci řešení projektu SP/1a3/148/08 „Stanovení chemických a toxikologických vlastností prachových částic a výzkum jejich vzniku“ a GAČR v rámci řešení projektu č. 101/06/P262 „Zpřesnění metodiky stanovení emisních faktorů pro malé zdroje spalující tuhá paliva“.

LITERATURA [1] Národní program sniţování emisí České republiky, Dostupné z http://www.env.cz [2] BRANIŠ, M. Tříděný odběr vzorků emisí, disertační práce, ČVUT Praha 2009 [3] HÄBERLE, G. a kol. Technika ţivotního prostředí pro školu i praxi, Praha: EUROPA – SOBOTÁLES cz, 2003. ISBN 80-86706-05-2 [4] Příloha č. 2, k vyhlášce č. 205/2009 Sb. [5] Hlawiczka S., Kubica K., Zielonka U., Wilkosz K., Wlasciwosci emisii pylu i metali ciezkich w procesie spalania wengla w paleniskach domowych, Archiwum ochrony srodowiska, 2001, PL ISSN 0324-8461 [6] http://gains.iiasa.ac.at/gains/EUR/index.login?logout=1 [7] http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-emission-inventory-guidebook-2009 [8] http://www.air.sk/tno/cepmeip/ [9] Nařízení vlády č. 597/2006 Sb.

/ 118 /


Brno 2009

/ 119 /


Brno 2009

/ 120 /


Brno 2009

Používání dat a informací publikovaných v tomto sborníku v dalších pracích, článcích, přednáškách a prezentacích bez uvedení zdroje, resp. autora je nepřípustné. Příklady způsobu citace článků uvedených ve sborníku: [1] KOLÝSKO, K. (2006): Úprava plynu produkovaného termickou konverzí biomasy. Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy V“. VUT v Brně. ISBN 80-214-3310-8 [2] A. Rudko, M. Rybníček a kol. Standardizace odběru vzorku plynu pro stanovení obsahu H2S. Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy V“, VUT v Brně, 2006, ISBN 80-214-3310-8 [3] Martínek, S. a Liška, P.: Vývoj spotřeby energie a perspektivy vyuţívání alternativních zdrojů. Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy V“. VUT v Brně (2006). ISBN 80-214-3310-8

/ 121 /


Brno 2009

/ 122 /


Brno 2009

editor: Jan Škvařil Publikace neprošla jazykovou úpravou.

ENERGIE Z BIOMASY X

Sborník příspěvků ze semináře Vydavatel:

Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inţenýrství

Tisk:

Tribun EU s.r.o., Gorkého 41, 602 00 BRNO

Vydání: Rok vydání: Náklad: Počet stran:

první 2009 25 123

ISBN 978-80-214-4027-2

/ 123 /

Energie z biomasy X. odborný seminář Brno editor: Jan Škvařil ENERGIE Z BIOMASY X. Sborník příspěvků ze semináře

Recommend Documents