Porovnání topných briket z různých druhů biomasy

Porovnání topných briket z různých druhů biomasy Mužík, O., Hutla, P., Slavík, J. Klíčová slova: biomasa, topné brikety, obnovitelné zdroje energie. Abstrakt: Příspěvek pojednává o výrobě a vlastnostech briket z různých druhů zbytkové biomasy vznikající jako vedlejší produkce v zemědělství. Pro výrobu topných briket byly využity tři různé materiály – seno, sláma a réví. Brikety byly vyrobeny za srovnatelných podmínek hydraulickým lisem s pevnou lisovací komorou. Následně byla provedena laboratorní analýza briket, zkouška mechanické pevnosti a spalovací zkouška. Energetické i mechanické vlastnosti těchto briket byly porovnány s vlastnostmi dřevních briket vyrobených ve stejných zařízeních. Zařazení: sekce č. 4 - Stroje a strojní zařízení k získání bioenergetických produktů Úvod V zemědělství je produkováno velké množství energeticky využitelné biomasy, která obtížně nachází své uplatnění přímo v zemědělství. Vzhledem k výraznému poklesu objemu živočišné výroby a zájmu o produkci z trvalých travních porostů (TTP) pro krmení, podobně jako slámy pro stelivo, se z této produkce stále častěji stává zbytková biomasa. Jednou z možností racionálního využití této biomasy je i výroba pevných biopaliv. Materiál a metodika Produkce zbytkové biomasy ze zemědělství Významným a ekonomicky příznivých zdrojem biomasy ze zemědělství pro výrobu pevných biopaliv je sláma (lépe zbytková biomasa po sklizni zrnin a olejnin) a TTP. Bilance produkce této biomasy a odhad jejího množství pro energetické využití je uvedena v tabulce 1. Plocha, sklizeň a výnos hlavního produktu znázorněné v tabulce jsou převzaty z údajů ČSÚ a produkce slámy je stanovena na základě průměrného výnosu hlavního produktu a koeficientu výnosu vedlejšího produktu. Tab. 1: Výměra, průměrný výnos a celková produkce slámy a TTP Plodina Pšenice ozimá

Pšenice jarní

Žito

Ječmen ozimý Ječmen jarní

M. j.

2005

2006

2007

Plocha [ha]

762 792

719 529

750 103

Sklizeň [t]

3 931 811

3 297 658

3 761 674

Výnos [t/ha]

5,15

4,58

5,01

P [ha]

57 647

61 991

60 884

S [t]

213 228

208 594

177 250

t/ha

3,70

3,36

2,91

P [ha]

46 903

22 481

37 504

S [t]

196 755

74 811

177 507

t/ha

4,19

3,33

4,73

P [ha]

124 804

102 509

129 514

S [t]

549 143

384 852

623 063

t/ha

4,40

3,75

4,81

P [ha]

396 723

425 633

369 177

S [t]

1 646 233

1 512 851

1 270 345

Produkce slámy Průměr 20052007 t/ha celkem (tis.t) 744 141 4,43 3 293 3 663 714 4,92 60 174 3,33 200 199 691 3,33 35 629 5,72 204 149 691 4,09 118 942 4,32 514 519 019 4,32 3,71 1 476 397 178 1 476 476

Oves Kukuřice na zrno Ostatní obiloviny OBILOVINY celkem Řepka Trvalé travní porosty celkem

t/ha

4,15

3,55

3,44

P [ha]

51 666

57 697

59 016

S [t]

151 054

154 906

159 408

t/ha

2,92

2,68

2,70

P [ha]

98 044

89 798

111 660

S [t]

702 933

606 366

758 781

t/ha

7,17

6,75

6,80

P [ha]

72 968

52 358

61 927

S [t]

268 694

146 040

224 833

t/ha

3,68

2,79

3,63

P [ha]

1 611 547

1 531 996

1 579 785

S [t]

7 659 851

6 386 078

7 152 861

t/ha

4,75

4,17

4,53

P [ha]

267 160

292 247

337 571

S [t]

769 377

880 172

1 031 920

t/ha

2,88

3,01

3,06

P [ha]

852 741

889 388

932 137

S [t]

2 663 906

2 793 477

2 777 083

3,12

3,14

2,98

t/ha

3,71 56 126 155 123 2,77 99 834 689 360 6,91 62 418 213 189 3,37 1 574 443 7 066 263 4,48 298 993 893 823 2,98 891 422 2 744 822 3,08

3,05

171

6,22

620

3,37

210

6 688

3,88

1 159

3,08

2 747

Sláma obilovin pro materiálové a energetické využití (40%)

2 675

Sláma řepky pro materiálové a energetické využití (90%)

1 043

Traviny pro materiálové a energetické využití (30%) Celkem sláma a traviny ze zemědělské výroby

824 4 543

Další surovina vhodná pro výrobu topných briket je zbytkové dřevo po řezu vinic (tzv. réví). V ČR je v současné době zaregistrováno přes 19 000 ha vinic, z toho něco přes 16 000 ha ve stádiu plodnosti. Množství vyprodukovaného réví závisí na odrůdě, stáří a hlavně na typu vedení (počtu keřů na 1 ha). Průměrné hodnoty se pohybují v množstvích 0,45 – 1,20 kg na hlavu, což v průměru představuje asi 3,50 t.ha-1. Postup výroby a stanovování vlastností briket z biomasy Seno i pšeničná sláma použité pro tento pokus byly shodně rozdružovány kladívkovým šrotovníkem STOZA ŠV 15 s průměrem otvorů sít šrotovníku 15 mm. K pokusu bylo použito také réví získané ze čtyř různých odrůd v přibližně stejném poměru. Réví bylo štěpkováno diskovým štěpkovačem PEZZOLATO – 110MB. Zrnitost štěpky z réví, resp. velikost jejich částic se pohybovala v rozmezí od 1 mm do 32 mm s tím, že největší zastoupení měly částice o střední velikosti 7 mm. Poté byly rozdružené materiály lisovány do formy válcových briket lisem Briklis HLS 50. Jedná se o hydraulický lis s pevnou lisovací komorou s jmenovitým výkonem 50 kg.h-1 a elektrickým příkonem 4,6 kW. Lisovací tlak byl v průběhu lisování nastaven na 450 kPa. Brikety z tohoto lisu mají průměr 65 mm a jejich délka nepřesahuje 60 mm. Následně byly provedeny zkoušky mechanických vlastností briket na mechanickou pevnost a hustotu. Mechanické zkoušky byly provedeny na 10 vzorcích z každého materiálu. Pro měření mechanické pevnosti briket byl použit univerzální trhací stroj ZDM-5. Briketa se vloží mezi dvě rovnoběžné desky tak, že její osa je s těmito deskami rovnoběžná. Desky jsou poté k sobě přitlačovány, přičemž je odečtena síla nutná pro destrukci brikety. Tato síla je dále přepočítána na jednotku délky brikety. Postup stanovení mechanické pevnosti briket je zřejmý z obrázků 1 a 2. Hodnoty hustoty briket byly zjištěny výpočtem pomocí objemu a hmotnosti briket.

Dále byla provedena analýza briket v laboratoři VŠCHT (Ústav energetiky), při které byly stanoveny základní energetické vlastnosti briket. Obsah prvků v materiálu byl stanoven chromatograficky. Hodnoty spalného tepla a výhřevnosti byly stanoveny posle ČSN ISO 1928 a obsah popela podle ČSN ISO 1171. Spalovací zkouška briket byla provedena v typovém spalovacím zařízení (Akumulační kamna SK-2 RETAP 8 kW) v laboratoři VÚZT, v.v.i. Při této zkoušce byly stanoveny emise vznikající při spalování testovaných briket analyzátorem spalin GA 60 MADUR. Spalovací zkouška proběhla podle ČSN EN 13229 „Vestavné spotřebiče k vytápění a krbové vložky na pevná paliva“. Při měřeních byla průměrná koncentrace oxidu uhelnatého a dalších plynných emisí přepočtena na 13 % obsah kyslíku (O2).

Obr.1: Průběh mechanické zkoušky briket Obr. 2: Příčné štípání topné brikety na tlak na trhacím stroji ZDM-5 Výsledky a diskuze Výsledky zkoušek na mechanickou pevnost a hustotu jsou uvedeny souhrnně pro všechny testované brikety v tabulce 2. U každé hodnoty je uveden průměr a rozptyl. Pro porovnání jsou v tabulce 2 uvedeny i mechanické vlastnosti dřevních briket. Tab. 2: Mechanické vlastnosti testovaných briket Brikety Hustota [kg.m-3] Sláma 600±150 Seno 840±80 Réví 760±10 Topol 750±10

Síla na porušení [N.mm-1] 9±3 19±5 25,5±5 46,5±3

Jak je patrné z tabulky 2, materiálové složení brikety má zásadní vliv na její mechanické vlastnosti. Vliv na mechanickou pevnost briket má i velikost vstupní frakce – zvýšení pevnosti briket ze slámy i sena bylo potvrzeno dalšími pokusy se sníženou velikostí síta šrotovníku. Obecně zle z provedených pokusů vypozorovat nižší kvalitu briket ze stébelnatých materiálů ve srovnání s briketami z dendromasy. Energetické vlastnosti a chemické složení testovaných briket jsou uvedeny v tabulce 3. Tab. 3: Energetické vlastnosti a chemické složení testovaných briket

Ukazatel Vlhkost Prchavá hořlavina Neprchavá hořlavina Popel C H N S O Cl Spalné teplo Výhřevnost Bod měknutí popela Bod tání popela Bod tečení popela

Jednotka %hm. %hm. %hm. %hm. %hm. %hm. %hm. %hm. %hm. %hm. MJ.kg-1 MJ.kg-1 °C °C °C

Sláma 4,65 72,86 17,48 5,01 42,85 6,20 0,57 0,08 40,64 0,25 17,04 15,58 1000 1050 1080

Seno 4,63 72,88 17,41 5,08 42,86 6,34 0,44 0,08 40,57 0,20 17,25 15,76 930 970 1070

Réví 8,33 69,19 19,24 3,24 43,88 6,22 0,61 0,04 37,68 0,18 17,85 16,30 1130 >1300 >1300

Topol 7,99 75,92 14,62 1,47 45,06 6,54 <0,1 0,023 38,92 0,014 18,27 16,66 >1300 >1300 >1300

Z tabulky 3 vyplývá, že nejvyšší rozdíly mezi briketami ze zbytkové biomasy a z topolové štěpky jsou v parametrech týkajících se popela. Obsah popelovin je zejména u briket ze slámy a sena výrazně vyšší než u dřevních briket. Problém představuje i tzv. spékání popele. Jedná se o vlastnosti, které jsou typické pro pevná biopaliva z nedřevnaté biomasy obecně a je třeba s nimi počítat už při konstrukci a provozu spalovacích zařízení. Zároveň je možné konstatovat, že všechny testované brikety splňují parametry normy ÖNORM M7135 pro topné brikety z kůry a to i u tzv. polutantních prvků jako jsou síra, chlor nebo dusík. Výsledky spalovacích zkoušek testovaných briket jsou uvedeny v tabulce 4. Tab. 4: Průměrné koncentrace CO a NOx při spalování testovaných briket Brikety Naměřené hodnoty Třídy podle ČSN EN 13229 -3 1) -3 1) 1) CO [mg.m ] NOx [mg.m ] CO2 [% obj.] CO Tepelně-technická účinnost Sláma 1153 162 7,55 Třída 1 Třída 3 Seno 2494 125 12,33 Třída 1 Třída 1 Réví 7074 187 6,06 Třída 2 Třída 3 1)

přepočteno na O2 = 13%

Sledování emisí CO2 je důležité nejen z hlediska emisí skleníkových plynů, ale také proto, že jde o významný parametr konverzního procesu. Hodnota koncentrace CO2 by se měla pohybovat mezi 8-12,5 %obj. Jak je patrné z tabulky 4 koncentrace CO2 pod spodní limitní hodnotou byla dosažena u briket ze slámy a z réví. Tyto brikety vykazovaly také nejnižší hodnotu tepelné účinnosti. Brikety ze slámy naopak vykazovaly velmi nízké koncentrace CO. Koncentrace CO ve spalinách je vzhledem k tomu, že uhlovodíky a další ne zcela spálené produkty se chovají stejně jako oxid uhelnatý, často používán jako indikátor kvality odhořívání. U briket ze sena korespondují správné koncentrace CO2 a CO s hodnotami tepelně-technické účinnosti. Tyto brikety ve všech ohledech splňují podmínky třídy 1 ČSN EN 13229. Velmi dobře lze hodnotit emise NOx. U používaného spalovacího zařízení s ohledem na nízký tepelný výkon sice není pro NOx stanovena limitní hodnota, podle Směrnice č. 13-2002 MŽP ČR s požadavky pro propůjčení ochranné známky „Ekologicky šetrný výrobek“ pro teplovodní kotle na spalování biomasy pro ústřední vytápění do 0,2 MW (ČSN 07 02 40 a

ČSN EN 303-5) jsou však limitní hodnoty pro NOx 250 mg.mN-3 při 11 % O2 a tyto hodnoty nebyly u žádné z testovaných briket překročeny. Závěr Výroba pevných biopaliv ze zbytkové biomasy je zajímavou možností energetického využívání vedlejších produktů ze zemědělství. Ve VÚZT provedená měření však dokazují, že brikety z těchto materiálů vykazují množství nedostatků. Proto je velmi důležitá optimalizace jejich užitných vlastností. Toho je možné dosáhnout mícháním různých materiálů nebo přidáváním aditiv. Vhodným aditivem může být uhlí, které např. řeší problém struskování briket na bázi pšeničné slámy a zlepšuje i jejich mechanické vlastnosti. I přes některé nedořešené problémy lze konstatovat, že energetické využívání vedlejších zemědělských produktů může být přínosné a že testované materiály jsou pro výrobu topných briket vhodné. Příspěvek vychází z výsledků řešení výzkumného záměru MZE 0002703101 „Výzkum nových poznatků vědního oboru zemědělské technologie a technika a aplikace inovací oboru do zemědělství České republiky. Literatura ŽUFÁNEK, J., ZEMÁNEK, P.: Bilance zdrojů biologických odpadů ve vinohradnictví a ovocnictví. Sborník mezinárodní vědecké konference „Ekologické aspekty výzkumu, vývoje a provozu zahradnické techniky“, Lednice 1998, str. 203 – 207. ISBN 80-7157-301-9 MUŽÍK, O., SOUČEK, J., ABRHAM, Z.: Utilization of waste wood after vineyard pruning via production of solid bio-fuels. In Advances in labour and machinery management for a profitable agriculture and forestry. Sborník přednášek z mezinárodní vědecké konference, Nitra 2007, s. 519-525. ISBN 978-80-8069-924-6 PLÍŠTIL, D., BROŽEK, M., MALAŤÁK, J., ROY, A., HUTLA, P.: Mechanical characteristics of standard fuel briquettes on biomass basis. In. Research in Agricultural Engineering. 51/2005. Praha, ÚZPI 2005. s. 66-72. ISSN 1212-9151 Mužík, O., Kára, J.: Biomasa – produkce a možnosti energetického využití v ČR. Nitra, AGRION a SKTC. Produkcia a možnosti využitia polnohospodárskej biomasy. Zborník prednášok z medzinárodného odborného seminára, 2004, s. 26-35. MUŽÍK, O., SCHEUFLER, V., PLÍVA, P., ROY, A: Kompostování vinného réví s travní hmotou. [Composting of vine cane with grass]. In Zemědělská technika a biomasa 2006 : Sborník přednášek z mezinárodního semináře s podporou MZe 21.11.2006, Praha. Praha : VÚZT, 2006, č. 4, s. 100–102. ISBN 80-86884-15-5 HUTLA, P., JEVIČ, P.: Porovnání emisních parametrů paliv na bázi rostlinných materiálů. In Zemědělská technika a biomasa 2006 : Sborník přednášek z mezinárodního semináře. Praha: VÚZT, 2005, s. 76-81. ISBN 86884-07-4 SLADKÝ, V., DVOŘÁK, J., ANDERT, D.: Obnovitelné zdroje energie – fytopaliva. Praha: VÚZT, 2002. ISBN 80-238-9952-X Kontaktní adresa Výzkumný ústav zemědělské technika, v.v.i., Drnovska 507, 16101 PRAHA, Česká republika E-mail [email protected], [email protected], [email protected]