MĚŘENÍ VLHKOSTI V ENERGOPLYNU

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

MĚŘENÍ VLHKOSTI V ENERGOPLYNU Ing. Marek Baláš, Ing. Martin Lisý V tomto článku je teoreticky popsán problém měření vlhkosti v energoplynu. Pro plyn generovaný zplyňovací jednotkou Biofluid 100 je zde vybrána metoda a navržena měřící trať, která mimo měření vlhkosti řeší i znečistění plynu dehty, prachem a dalšími nečistotami. Dále jsou zde vzorce pro zjištění obsahu vody v plynu, kterých použijeme pro kontrolní výpočty a tak provedeme kontrolu měření. Klíčová slova: biomasa, měření, vlhkost plynu, zplyňování ÚVOD Zmenšující se zásoby ušlechtilých fosilních paliv a zvyšující se zátěž atmosféry uvolňovaným CO2 ze spalovacích procesů vedou ve světě k maximálnímu šetření primárních energetických zdrojů a k jejich náhradě alternativními palivy. Perspektivním energetickým zdrojem v České republice jsou různé formy obnovitelné biomasy a odpady. I když v budoucnosti nemohou být u nás tyto zdroje dominantní, počítá se s nimi jako s doplňkovými regionálními zdroji užitné energie tj. tepla nebo tepla a elektřiny. Výhodou této koncepce je vedle energetického efektu též ekologická likvidace těchto alternativních paliv. Nejrozšířenější možností využití alternativních paliv je jejich spalování s přímým využitím tepla nebo s použitím parní turbíny s výrobou elektrické energie. Druhou možností je zplyňování biomasy a odpadů a následné využití generovaného plynu v plynových motorech nebo plynových turbínách. Možnosti využití plynu vzniklého zplyňováním biomasy pro následnou výrobu elektrické energie brání především problémy související s čištěním tohoto produktu. Zplyňovací generátor na zplyňování biomasy a pevných odpadů používaný k pokusným účelům na OTJEZ EÚ je atmosférického fluidního typu. Používá se pro zplynování různých druhů odpadních materiálů z komunální sféry, dřevozpracujícího průmyslu nebo zemědělské výroby. Výsledkem zplyňovacího procesu je plyn, v němž jsou jako hlavní složky zastoupeny H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, vyšší uhlovodíky, případně H2S a NH3. Složení a výhřevnost plynu jsou závislé na složení biomasy, vlhkosti, způsobu zplyňování, granulometrii biomasy a na dalších faktorech. Pro jejich určení existují různé výpočtové modely, jejichž přesnost se dá ověřit pouze měřením. Výhřevnost tohoto plynu se mění v rozmezí od 5 do 7 MJ/mn3. Vyšší obsah H2O a CO2 ve vyrobeném plynu způsobuje pokles jeho výhřevnosti. Čištění a úprava plynu je velkým problémem při energetickém využití generátorového plynu ve spalovacích turbínách a motorech. URČENÍ VLHKOSTI V PLYNU Důvodů, proč zjišťovat obsah vody v plynu je několik. Vlhkost plynu má na následný proces zplyňování negativní vliv – snižuje výhřevnost plynu, kondenzuje na stěnách potrubí a zařízení, takže způsobuje korozi a společně s dehty a prachem zařízení zanáší. Obsah vody v plynu také určuje teplotu rosného bodu. Dále potřebujeme vlhkost znát kvůli celkové bilanci zplyňovacího generátoru. V dalším výzkumu na OTEZ EÚ se budeme věnovat přidáváním vodní páry do zplyňovacího procesu a zkoumat její vliv na výhřevnost. Při těchto pokusech bude přímo nutné vlhkost plynu měřit. Určování vlhkosti v enegroplynu je problematické. Vlhkost můžeme buď teoreticky určit z prvkové bilance, nebo určit experimentálně. Oba tyto postupy mají své pro a proti…. MĚŘENÍ OBSAHU H2O V PLYNU Jak je napsáno výše, plyn tvoří nejen prvky přispívající ke kvalitě plynu (H2, CO, CH4, C2H6) a prvky snižující výhřevnost plynu (CO2, N2), ale i prvky a sloučeniny škodlivé: • H2O – nejen snižuje výhřevnost, ale také kondenzuje na stěnách zařízení a tak způsobuje korozi • vyšší uhlovodíky (dehet, benzen, toluen, xylen,…) – asi 2% • amoniak Ing. Marek Baláš, Ing. Martin Lisý, VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství,Technická 2, Brno, [email protected]

- 151 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

• pevné částice (popeloviny, nedopal) – vytváří nánosy na stěnách zařízení, zanášejí ložiska atp. • sloučeniny síry, dusíku, chlóru (většinou kyseliny) • alkalické kovy, křemík UNIVERZÁLNÍ METODA MĚŘENÍ VLHKOSTI Většina běžných metod měření vlhkosti, je pro naše účely nepoužitelná právě pro znečištění plynu (hlavně prachem a dehty). Jednou z měřících metod, která se pro náš plyn může použít, je univerzální metoda měření vlhkosti. Jde o obdobu Gravimetrické metody. Tato metoda umožňuje měřit vlhkost za různých tlaků a teplot. Princip metody spočívá v kondenzaci veškeré vody v odlučovácích při vychlazení plynu na 0 °C a výpočtu relativní vlhkosti ze známého množství vody a protečeného plynu [ 1 ]. Celá měřící aparatura (obr. 1) se skládá ze sondy (děrovaná trubka) (1), škrtícího ventilu (2), odlučováků vody(3 a 5), chladiče (4), ohříváku (6), tlakoměru (7), psychrometru (8), plynoměru (9) a odsávací ventilátor (10).

Obr. 1 - Aparatura pro univerzální měření vlhkosti plynu Při měřeni se seřídí ventily tak, aby absolutní tlak p1 před psychrometrem byl blízký atmosférickému. Dále se vyreguluje chladič , popř. ohřívák tak, aby vlhký teploměr psychrometru udával teplotu τi > 0 °C. Zařízeni se takto nechá v provozu po dobu asi 10 min, přičemž se v intervalech 0,5 až 1 min odečítají hodnoty p1, t1, τ1 a měří absolutní tlak p i teplota t v kanále, kde zjišťujeme vlhkost. Po skončeném pokusu určíme vážením množství vody G [kg], které se zachytilo v odlučovácích a z údajů počitadla plynoměru zjistíme objem protečeného plynu V [m3]. Z odpočtu údajů na ostatních přístrojích vypočítáme aritmetické průměry a relativní vlhkost ϕ vypočítáme z empirické rovnice (1) podle lit [ 1 ].

p p ′′ (1) ϕ= p1 − p1′′ 1+ G  47,1 ⋅ (t1 + 273,15) ⋅  − ϕ1 ⋅ ρ1′′ V  kde

p// a p1// jsou tlaky syté vodní páry pro teploty t a t1 ρ1// je hustota syté vodní páry při teplotě t1 φ1 je relativní vlhkost určená psychrometrem t1 teplota plynu v měřící trati

- 152 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

Výhodou této metody je značná univerzálnost a přesnost měření, nevýhodou je delší trvání pokusu a nemožnost zjištění okamžité hodnoty vlhkosti. Zjištěná vlhkost je průměrnou hodnotou a v případě rychlých změn vlhkosti nevystihuje skutečnost. ÚPRAVA MĚŘÍCÍ TRATI K aplikaci této metody na měření musíme trať upravit. Jak již bylo dříve napsáno, plyn vzniklý v našem fluidním zařízení obsahuje velké procento dehtů a prachu, které by zanesly a ucpaly celou trať. Proto je třeba na začátek trati umístit filtr pro odstranění těchto nečistot. Filtr však musí plnit několik podmínek: • • • • •

nesmí absorbovat ani uvolňovat žádnou vlhkost nesmí do plynů uvolňovat své exhalace a prach nesmí plyn zchladit pod teplotu rosného bodu musí filtrovat hlavně dehty a prach, případně amoniak, sloučeniny síry, dusíku a chlóru nesmí být filtrovány hlavní prvky plnu (H2, CH4, CO)

Zvolili jsme kombinovaný filtr s olejem a aktivním uhlím. Jako olej jsme použili metyl-ester řepkového oleje (základní vlastnosti obsah vody 0,01% hm., bod vzplanutí 180 °C). Důležitou vlastností oleje je jeho minimální těkavost, aby jeho výpary neovlivňovali složení plynu. Úkolem olejového filtru není jen filtrace od prachu, dehtů a jiných nečistot, ale také ochlazení plynu na pracovní teplotu aktivního uhlí. Vzhled Sypná hmotnost po setřesení Maximální použitelná teplota Průměr granulí Obsah vody (při balení) Specifický povrch Průtočné množství

tvarované uhlí, granule 450 +/- 25 kg/m3 90 °C cca 4 mm max. 6 % cca 1100 m2/g 19 m3/h

Obr. 2 - Technická specifikace aktivního uhlí Silcarbon SIL 40 Aktivní uhlí bylo vybráno uhlí Silcarbon SIL40 firmy Silcarbon CZ. Jeho technická specifikace je v tabulce ne Obr. 2. Uhlí je v filtrační patroně od firmy KS Klima-service. Nádoba filtru je vyrobena z plechu a je na ni kladen požadavek, aby se teplota stěn pohybovala nad teplotou rosného bodu. Pak by na stěnách docházelo ke kondenzaci vody a dehtů a naměřená vlhkost by byla ovlivněna velkou chybou. Proto byla nádoba vyrobena jako dvouplášťová. Mezi dvěma stěnami je voda, jejíž teplota se blíží bodu varu. Celá nádoba je zaizolována buničitou tepelnou izolací a během pokusu neustále přihřívána, aby teplota stěn nepodkročila námi požadovanou teplotu. Odlučováky jsou dvě skleněné probublávačky naplněné skleněnými kuličkami pro větší chladící plochu kontaktu s plynem. Jsou chlazeny nasyceným roztokem vody a soli. Více odlučováků ani psychrometr nejsou v této trati potřeba. Původně byla zařazena ještě jedna probublávačka a psychrometr, ale v poslední probublávačče se již nekondenzovala žádná voda a nulová vlhkost měřená psychrometrem byla menší než je jeho měřící chyba udávaná výrobcem. Schéma naší trati je na Obr. 3. 1 –sonda a škrticí ventil, 2 – filtr pro odstranění dehtů (olejová lázeň a patrona s aktivním uhlím), 3 –chlazené odlučováky vody, 6 – mokrý plynoměr a odsávací ventilátor

- 153 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

Obr. 3 – Schéma měřící trati ROSNÝ BOD Největším problémem této trati je úzké teplotní pásmo použitelnosti. Jsme omezeni teplotou rosného bodu, aby se nám voda nezačala kondenzovat na stěnách trati před odlučováky vody, a maximální teplotou použitelnosti aktivního uhlí. Znalost teploty rosného bodu plynuje důležitá proto, aby vlhkost kondenzovala pouze v lapačích a ne před nimi na stěnách spojovacích trubek nebo ve filtru. Teplotu rosného bodu zjistíme tak, že z upravené rovnice ( 2 ) vypočteme parciální tlak syté vodní páry a v tabulkách vodní páry pro tento tlak odečteme teplotu. Měrná vlhkost pro výpočet rosného bodu můžeme získat z teoretického výpočtu.

x=

Měrná vlhkost

311 ϕ ⋅ p ′′ ⋅ 462 p − ϕ ⋅ p ′′

[ kg/kg ]

(2)

φ … relativní vlhkost vzduchu x … měrná vlhkost vzduchu p// … parciální tlak syté vodní páry, závislý na teplotě p … tlak plynu - pro nasycený vzduch φ=1 Teplota plynu [ °C ] 90 80 70 60 50 40 4

6

8

10

12

14

16

18

20

Měrná vlhkost plynu [ % ]

Obr. 4 – Závislost teploty rosného bodu na vlhkosti paliva

- 154 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

Podle Tuyena [ 3 ] se vlhkost plynu pohybuje v rozmezí od 9 do 16 % v závislosti na vlhkosti a druhu paliva. TEORETICKÝ VÝPOČET OBSAHU H2O V PLYNU Jak již bylo napsáno, druhou možnost získání obsahu vody v plynu je výpočet z hmotnostní a prvkové bilance. Nevýhodou výpočtu množství vody v plynu je nepřesnost měření množství jednotlivých složek plynu. Výpočet provádíme několikrát podle různých prvků. Nejpřesnější je bilance podle kyslíku, protože je v palivu a vzduchu obsažen poměrně ve stejném množství a jeho bilance není zatížena špatně vyčíslitelným nedopalem. Další výpočty podle jiných bilancí jsou kontrolní. Vodík je obsažen v obou složkách v malém množství a jen malá chyba jednoho bilančního toku způsobuje velkou chybu ve výsledku. Při bilanci podle uhlíku je výpočet závislý na přesnosti zjištění množství paliva, protože je v něm zastoupen ve velkém množství a ve vzduchu téměř vůbec, a na určení množství popele a přesnost množství uhlíku v něm (chemický nedopal). A při bilanci podle dusíku je problém opačný. Relativní složení plynu je nutno v několika krocích přepočítat na stav odpovídající vypočtenému množství vody (iterace). BILANCE O2 Schéma: O → CO, CO2, H2O

 r W r .M O2 M pal . O +  M H 2O  O= •

 •  W r .M O2  + M vzd ⋅  O2 +   M H 2O  

   −  CO ⋅ M O + CO2 ⋅ 2 ⋅ M O   M CO2 M CO  

•

M pl ⋅ V pl 22,4 BILANCE C A N Schéma:

N2 → N2 , C → CO, CO2, CH4, C2H6 •

M

W H 2O = 1 −

•

Nr ⋅

M N 2 ⋅ V Pl 22,4

pal

(

)

•

⋅ C r + N r + M vzd ⋅ N 2

(

+ CO r + CO2r + CH 4r + 2 ⋅ C 2 H 6r

M … molární hmotnost … kg/kmol Mvzd … hmotnostní tok vzduchu … kg/h Mpal … množství paliva … kg/h Xr … hmotnostní podíl j- té složky v palivu, vzduchu a plynu … % W … relativní vlhkost paliva, vzduchu a plynu … %

- 155 -

)

•

M ⋅ V Pl ⋅ C 22,4

•

 M pl .V Pl ⋅  22,4 

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

VÝSLEDKY MĚŘENÍ Na námi navržené trati proběhlo několik měření. Výsledky z prvních měření byly ovlivněny chybami, které vznikly drobnými nedokonalostmi trati. Největší problém byl s udržením teploty vnitřních stěn filtrační nádoby nad rosným bodem a udržení teploty filtračního oleje nad teplotou kondenzace dehtů, které mají v měřeném plynu největší zastoupení. Po dalších úpravách trati proběhly dvě měření, při kterých se dosáhlo požadovaných výsledků. Vlhkost paliva byla prováděna xylenovou metodou. V tabulce na Obr. 6 a 8 jsou výsledky měření a pro porovnání tam jsou i výsledky vypočtené pro daná paliva.

1. měření Složení paliva O

36,64 % hm

N

Složení plynu H

13,75 % obj

0,52 % hm

CO2

12,59 % obj

H

5,31 % hm

CO

16,63 % obj

C

38,98 % hm

CH4

2,51 % obj

Wr

14,5 0 % hm

C2H6

0,04 % obj

Ar

4,05 % hm

N2

54,48 % obj

Obr. 5 – Tabulka složení paliva a generovaného plynu pro první pokus vlhkost paliva naměřená vlhkost plynu vypočtená vlhkost plynu bilancí O2

% 14,50 13,40 13,06

vypočtená vlhkost plynu bilancí C a N

12,92

Obr. 6 – výsledky měření vlhkosti plynu pro první pokus

2. měření Složení paliva O

37,95 % hm

N

Složení plynu H

13,75 % obj

0,21 % hm

CO2

12,59 % obj

H

5,23 % hm

CO

16,63 % obj

C

44,65 % hm

CH4

2,51 % obj

Wr

11,34 % hm

C2H6

0,04 % obj

Ar

0,62 % hm

N2

54,48 % obj

Obr. 7 – Tabulka složení paliva a generovaného plynu pro druhý pokus vlhkost paliva naměřená vlhkost plynu vypočtená vlhkost plynu bilancí O2

% 11,34 13,20 12,31

vypočtená vlhkost plynu bilancí C a N

12,38

Obr. 8 – výsledky měření vlhkosti plynu pro druhý pokus - 156 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

ZÁVĚR Z výsledků našich pokusů je patrno, že námi navržená trať pro měření vlhkosti je pro měření energoplynu generovaného v jednotce Biofluid 100 je vhodná a výsledky měření jsou v námi požadované toleranci. Pro další zpřesňování metody a další ověření správnosti výsledků je třeba změřit vlhkost energoplynu ve větším rozsahu vlhkosti paliva (od 8 % do 35 %). Dalším krokem bude výměna filtru s aktivním uhlím a olejem horkým otápěným filtrem, kde filtračním mediem je kalcinovaný dolomit. POUŽITÁ LITERATURA [1]

BAŠUS V. a kol.: Příručka měřící techniky pro strojírenství a energetiku. SNTL, Praha, 1965.

[2]

Holoušek J. a kol.: Termomechanika. Nakladatelství VUT v Brně, 1992.

[3]

Tuyen N.V.: Experimentálví a teoretický výzkum vlastností plynu ze zplyňování biomasy v atmosférické fluidní vrstvě. Disertační práce VUT v Brně, 2003.

- 157 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

- 158 -