SPALOVACÍ ZKOUŠKY PALIV NA BÁZI ODPADNÍHO PAPÍRU

Energie z biomasy IV – odborný seminář

Brno 2005

SPALOVACÍ ZKOUŠKY PALIV NA BÁZI ODPADNÍHO PAPÍRU Daniel Tenkrát, Ondřej Prokeš, Čížek Štěpán, Tekáč Viktor Příspěvek volně navazuje na práci publikovanou na semináři Energie z biomasy III, která se zabývala produkcí (výrobou) alternativních paliv z odpadního papíru, biomasy a hnědého uhlí. Shrnuje výsledky spalovacích zkoušek několika typů pevných paliv na bázi odpadního papíru v kotli o výkonu 24 kW. V příspěvku jsou diskutovány základní vlastnosti těchto paliv a především průběh a výsledky spalovacích zkoušek s vyhodnocením emisních faktorů základních polutantů (NOx, CO, SO2 a CxHy) a jejich porovnání s emisními faktory dřevěných briket, které jsou běžně komerčně dostupné na českém trhu. Klíčová slova: energie, odpadní papír, spalování, emise, emisní faktor ÚVOD Výroba a spotřeba papíru a papírových výrobků v České republice vykazuje každoročně nárůst v řádu několika procent. V roce 2003 činil sběr použitého papíru v České republice 470 tis. tun, což je přibližně 45 % z celkové spotřeby papíru. V roce 2004 spotřeba papíru v České republice překonala hranici 100 kg na osobu a rok. Nezbytnost a význam recyklace papíru a s ní spojený sběr použitého papíru není třeba zdůrazňovat. Je třeba ovšem upozornit na skutečnost, že na rozdíl od sběru průmyslového, ať už se jedná o zbytky z tiskáren, ořezy z různých výrob, neprodané tiskoviny či kartony z obchodních domů, je problematický především sběr papíru na komunální úrovni. Právě na komunální úrovni vzniká značné množství směsného odpadního papíru, suroviny z hlediska recyklace nejnižší kvality, jehož výkupní cena je velmi nestálá a silně kolísá dle aktuálních potřeb odběratelů. Nejnepříjemnější je ovšem skutečnost, že velmi často dosahuje záporných hodnot. To představuje problém především pro obce, které jsou nuceny směsný papír ze separovaného sběru odpadů, pro který nemají odběratele, deponovat. Kromě vysokých nákladů obcí na skládkování přestavuje anaerobní rozklad papíru významný zdroj skleníkových plynů (CH4) a navíc zůstává nevyužitý jeho energetický obsah. V první části tohoto projektu [1] bylo vyrobeno a několik typů pevných paliv ze směsného odpadního papíru s přídavky hnědého uhlí čí dřevných štěpků. V druhé části pak byly stanovovány jejich emisní charakteristiky. CHARAKTERISTIKA PALIV Elementární rozbor použitého směsného papíru a ostatních směsí použitých pro produkci pevný paliv byl proveden v centrálních laboratořích VŠCHT Praha. Stanovení C, H a N bylo provedeno na přístroji Elementar vario EL III (fy ELEMENTAR) a výsledky jsou uvedeny v Tab. 1. Nízké obsahy síry (spalitelné) a chlóru byly stanoveny na přístroji Mitsubishi TOX-100. Vzorky byly spalovány v atmosféře O2/Ar. Stanovení celkového obsahu síry bylo provedeno metodou Eschka. Obsahy vody, popela, prchavé hořlaviny byly stanoveny dle příslušných norem. Hodnoty spalných tepel byly určeny kalorimetricky pro jednotlivé složky. Spalná tepla směsných paliv byla stanovena výpočtem z hodnot Qsp pro jednotlivé jejich složky (viz Tab. 2). Tab. 1 Elementární složení surovin pro výrobu paliv

Popis

Cdaf

Hdaf

směsný papír papír - dřevo papír - uhlí

45,1 46,2 50,7

6,2 6,1 6,0

Hořlavina Odaf (hm. %) < 0,1 48,4 0,1 47,3 0,2 42,4 Ndaf

Sdaf

Cldaf

0,06 0,05 0,2

0,02 0,02 0,02

Ing. Daniel Tenkrát, Vysoká škola chemicko technologická v Praze, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, Technická 5, 166 28 Praha 6, e-mail: [email protected]

Scelk Ad (Eschka) prům. (hm. %) 0,3 17 0,2 15 0,4 17

/117/


Brno 2005

Tab. 2 Charakteristika spalovaných paliv Popis

Složení

papírové brikety brikety papír-uhlí brikety papír-dřevo papírové pelety pelety papír-uhlí dřevěné brikety

100 % směsný papír 80% papír- 20% hnědé uhlí 80% papír - 20% dřevo 100 % směsný papír 80% papír - 20% hnědé uhlí 100% dřevo

W (hm. %) 7,4 7,6 7,5 6,5 6,4 9,0

Ad (hm. %) 17 17 14 17 17 2,5

Qi (MJ/kg) 13,50 15,00 14,20 13,50 15,00 17,20

Obr. 1 Spalovaná tuhá paliva Pro spalovací zkoušky bylo vyrobeno pět typů paliv. Brikety o průměru 50 mm z čistého papíru, ze směsi papíruhlí (8:2) a směsi papír-dřevo (8:2) a pelety z čistého papíru a ze směsi s hnědým uhlím (viz Obr. 1). SPALOVACÍ APARATURA Nejdůležitějším úkolem měření emisí stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší je stanovení hmotnostního toku a následně také měrné výrobní emise (emisního faktoru) znečišťujících látek emitovaných daným zdrojem. Cílem spalovacích zkoušek, prováděných v rámci tohoto projektu, nebylo stanovení přesných hodnot emisních faktorů (to není ani možné, neboť závisí především na použitém spalovacím zařízení a režimu spalování), ale porovnání emisních faktorů paliv na bázi papíru s jiným palivem na stejném zařízení a za shodných podmínek. Jako srovnávací palivo byly pro účely práce zvoleny brikety z dřevěných pilin. Spalování pevných paliv v lokálních topeništích malých výkonů, pro které je typické diskontinuální dávkování paliva, produkuje několikanásobně vyšší koncentrace škodlivin v kouřových plynech v porovnání se středními či velkými zdroji znečištění ovzduší. Konkrétně koncentrace organických látek a oxidu uhelnatého mohou dosahovat velmi vysokých koncentrací. Pro charakteristiku paliv, spalovaných během této práce, byly v souladu se zákonnými požadavky (vyhláška MŽP 356/2002 k zákonu 86/2002) zvoleny tuhé znečišťující látky (TZL), oxid uhelnatý, oxidy dusnatý a dusičitý (vyjádřené sumárně jako NOx), oxid siřičitý a plynné organické látky vyjádřené jako celkový organický uhlík (TOC). Metody měření průtoku spalin a hmotnostních koncentrací jednotlivých polutantů jsou poměrně detailně propracovány pro měření emisí zdrojů s výkonem nad 200 kW a jsou uvedeny v mezinárodních normách. Stejné měřící metody lze použít i pro měření emisí malých zdrojů znečišťování, avšak je nutné použít jinou metodiku. Pro vyhodnocení hmotnostních toků hlavních polutantů z použitého zařízení s diskontinuálním dávkováním paliva byla použita metodika navržená Tekáčem a Skácelem [2]. Stanovení tuhých znečišťujících látek bylo provedeno manuální gravimetrickou metodou, obsah ostatních plynných látek byl stanoven kontinuálně pracujícími analyzátory.

/118/


Brno 2005

Při sestavování aparatury a při provádění spalovacích testů se vycházelo ze zkušeností a výsledků získaných dřívějšími testy prováděnými na Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší [3,4,5,6,7]. Schéma spalovací aparatury je uvedeno na Obr. 2.

Obr. 2 Schéma spalovací aparatury A- kotel (24kW), B- vyhřívaný filtr, C- CxHy analyzátor a H2O analyzátor, D- CO analyzátor, E- CO,CO2, NOx, O2, SO2 analyzátor, F- stanovení TZL, G- oddělovač kondenzátu, H- membránové čerpadlo, I- CO,CO2, NOx, O2, SO2 analyzátor, J-spalinová klapka, K- ventilátor, L- tepelný výměník, M- čerpadlo

Spalovací zkoušky probíhaly v teplovodním kotli se spodním odhoříváním palivové vrstvy Dakon DOR 24 o výkonu 24 kW. Kotel DOR 24 je určen pro spalování pevných paliv, výrobcem předepsané palivo je hnědé uhlí, zrnění ořech I (20 až 40 mm), o výhřevnosti 16 MJ/kg a obsahem vody do 28 %. Spaliny vznikající při hoření odcházely ze spalovacího prostoru do kouřovodu vybaveného ventilátorem s plynulou regulací otáček. Kouřovod byl osazen měřením statického tlaku spalin, měřením rychlosti spalin a termočlánkem pro měření teploty. Vzorky kouřových plynů určené k analýze byly odebírány ze tří odběrných míst. První místo bylo opatřeno vyhřívaným filtrem za kterým byl umístěn analyzátor organických látek a obsahu vodní páry. Druhé odběrové místo bylo rovněž opatřeno vyhřívaným filtrem, za kterým byl umístěn oddělovač kondenzátu následovaný analyzátorem CO (INFRALYT) a multikomponentním analyzátorem HORIBA. Třetí odběrové místo sloužilo ke stanovení tuhých znečišťujících látek. Za odběrovou sondou byl zařazen odlučovač kondenzátu a membránové čerpadlo za kterými následoval analyzátor TESTO 350 XL vybavený elektrochemickými detektory, který sloužil ke kontrolnímu měření. Teplovodní okruh kotle byl vybaven dvěma teploměry, průtokoměrem a vyhodnocovací jednotkou, která umožňovala on-line sledování a záznam okamžitého výkonu kotle. Toto umožňovalo během měření udržovat kotel při maximálním výkonu.

/119/


Brno 2005

Výstupy ze všech kontinuálně pracujících přístrojů byly napojeny na datalogery, nebo přímo do počítače. Veškerá data byly ukládány v třicetivteřinových intervalech. Samotné spalovací experimenty byly prováděny vždy s 5 kg paliva, které bylo jednorázově nadávkováno do ohniště se zbytky rozžhaveného paliva z předešlého cyklu. Přídavek paliva byl prováděn při poklesu výkonu kotle pod cca 19 kW (doba odhořívání jedné dávky paliva činila přibližně 30 minut). Jedna spalovací zkouška se skládala celkem ze čtyř cyklů. Při přechodu na jiný druh paliva byl spalovací prostor řádně vyroštován a zbaven zbytků popela, načež bylo nadávkováno palivo nové. VÝSLEDKY Vzhledem k rozdílnému naředění spalin způsobenému kolísajícím poměrem spalovacího vzduchu nemohou být koncentrace porovnávány přímo a je třeba jejich přepočet na referenční obsah kyslíku ve spalinách. Protože pro paliva odvozená ze dřeva a biomasy je stanoven referenční obsah O2 ve spalinách na 11 % byl i pro paliva na bázi papíru zvolen tento referenční obsah O2. Výpočet průměrných hodnot objemových zlomků znečišťujících látek nelze provést jako aritmetický průměr1, nýbrž je nutno provést hmotnostní bilanci systému. Pro výpočet emisí neustáleného zdroje byly použity následující vztahy: τ

ϕ (ZL ) =

∫ ϕ (ZL ) ⋅ υ ⋅ (1 − ϕ´(H O ))dτ , Ń

2

0

τ

∫ υ ⋅ (1 − ϕ´(H O ))dτ , Ń

2

0

,

(1)

kde ϕ (ZL )

je střední hodnota objemového zlomku znečišťující látky (ZL) v suchých spalinách (SP),

ϕ (ZL )

okamžitá hodnota objemového zlomku ZL v SP,

υ Ń,

okamžitá rychlost proudění vlhkých spalin přepočtená na normální podmínky,

ϕ´(H 2 O )

objemový zlomek vodní páry,

τ

doba měření.

Průměrná hmotnostní koncentrace znečišťující látky v suchých spalinách za normálních podmínek s daným referenčním obsahem kyslíku byla určena jako: ρ N ,r ( ZL) =

pN ϕ (O ) − ϕ r (O2 ) ⋅ ϕ (ZL ) ⋅ M (ZL ) ⋅ amb 2 R ⋅ TN ϕ amb (O2 ) − ϕ m (O2 ) , (2)

kde je průměrná hmotnostní koncentrace ZL v suchých spalinách za normálních podmínek s udaným referenčním stavem kyslíku, ρ N ,r ( ZL )

Výpočet průměrných hodnot jako aritmetický průměr se připouští pouze u měření středních a velkých zdrojů a to v případě, že časové kolísání výkonu činní maximálně 10 % a hodnota objemového zlomku kyslíku se mění maximálně o 2 %. 1

/120/


Brno 2005

ϕ (ZL )

průměrný objemový zlomek znečišťující látky v suchých spalinách,

pN

je normální tlak (101,325 kPa),

R

plynová konstanta (8,315 J.mol-1.K-1)

TN

normální termodynamická teplota (273,15 K),

M (ZL )

molární hmotnost znečišťující látky,

ϕ amb (O2 )

objemový zlomek kyslíku ve spalovacím vzduchu,

ϕ r (O2 )

referenční objemový zlomek kyslíku (11 vol.%),

ϕ m (O2 )

průměrný objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách vypočtený z naměřených údajů.

Hmotnost znečišťující látky uvolněné do venkovního ovzduší za dobu měření τ byla vypočtena podle vzorce: m(ZL ) =

τ

p ⋅ A ⋅ M ( ZL) ⋅ ∫ 1 T ⋅ ϕ (ZL ) ⋅ (1 − ϕ ′(H 2O )) ⋅ υ ′dτ , R 0

(3)

kde m(ZL )

je množství polutantu uvolněné za dobu spalování,

p

průměrný statický tlak spalin v měřícím průřezu,

A

plocha vzorkovacího průřezu,

T

okamžitá termodynamická teplota spalin v měřícím průřezu.

Hmotnostní tok znečišťující látky byl určen následujícím vztahem: q m (ZL ) =

m(ZL )

τ

,

(4)

kde qm (ZL )

je hmotnostní tok znečišťující látky.

Emisní faktory jednotlivých znečišťujících látek byly vypočteny takto: ζ m (ZL ) =

m(ZL ) m( fuel ) ,

(5)

ζ h (ZL ) =

ζ m (ZL ) Qir

,

(6)

/121/


Brno 2005

kde ζ m (ZL )

emisní faktor znečišťující látky vztažený na hmotnost spáleného paliva,

ζ h (ZL )

emisní faktor znečišťující látky vztažený na výhřevnost paliva,

m( fuel )

hmotnost paliva,

Qir

výhřevnost paliva.

Výsledné emisní faktory jsou průměry ze třech spalovacích zkoušek a jsou uvedeny v Tab. 3 a Tab. 4. Tab. 3 Emisní faktory vztažené na hmotnost paliva ( ζ m ) Označení papírové brikety brikety papír-uhlí brikety papír-dřevo papírové pelety pelety papír-uhlí dřevěné brikety

ζ m [g/kg] CO 8,1 9,8 23,0 95,0 140,0 34,0

NOx 0,9 1,2 0,6 4,7 1,2 0,7

SO2 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Tab. 4 Emisní faktory vztažené na výhřevnost paliva ( Označení papírové brikety brikety papír-uhlí brikety papír-dřevo papírové pelety pelety papír-uhlí dřevěné brikety

TOC 1,0 0,9 3,0 20,9 26,0 3,5

TZL 0,30 0,16 0,21 0,14 0,31 0,75

ζh) ζ h [g/MJ]

CO 0,60 0,65 1,62 7,04 9,33 1,98

NOx 0,07 0,08 0,04 0,35 0,08 0,04

SO2 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01

TOC 0,07 0,06 0,21 1,55 1,73 0,20

TZL 0,02 0,01 0,01 0,01 0,02 0,04

ZÁVĚR Během experimentů bylo spáleno pět různých paliv na vyrobených z odpadního papíru a výsledné emise byly porovnány s emisemi ze spalování briket z pilin, které jsou běžně dostupné na našem trhu. Z výsledků je zřejmé, že emisní faktory alternativních paliv na bázi papíru jsou velmi podobné a v některých ohledech i mírně příznivější, než u porovnávaných dřevěných briket. Pouze u pelet, spalovaných v daném zařízení, se projevila nevhodnost granulometrie paliva pro toto zařízení, což je patrné z několikanásobně vyšších emisních faktorů CO a TOC.

/122/


Brno 2005

POUŽITÁ LITERATURA [1]

Tenkrát D., Prokeš O., Tenkrát D., Prokeš O.; Možnosti energetického využití odpadní biomasy a papíru – vývoj produkce a spotřeby, Energie z biomasy III., 1. – 2.12.2004, Brno. ISBN 80-214-2805-8 [2] Tekáč V., Skácel F., Čížek Š., Šec K.; Main pollutants emissions from domestic stoves burning solid fuels, in Effective production, transmission and consumption of energy, 6th Int. Scientific Conference, Malá Lůčivná 28.9 – 1.10. 2004, SK, Acta Mechanica Slovaca, 8 (2004), 93-98, ISSN1335-2393. [3] Tekáč V.; Doktorská disertační práce, VŠCHT Praha, 2003. [4] Tenkrát D., Prokeš O., Ciahotný K., Tekáč V.; Využití černouhelných kalů pro energetické účely, in 50. let Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, 4.-5.9.2003, Praha. ISBN 80-7080-522-6. [5] Kordač J.; Diplomová práce, VŠCHT Praha, 2000. [6] Skácel F., Tekáč V., Buryan P., Machačová M., Ciahotný K.; in Emission Reduction for the Industrial Utilisation of Domestic Solid Fuels In Eastern European Countries. Final Report. IVD Stuttgart, EU Contract ERBJOU2CT930331, Stuttgart 1998. [7] Váňa R.; Diplomová práce, VŠCHT Praha, 1996.

/123/


Brno 2005

/124/

SPALOVACÍ ZKOUŠKY PALIV NA BÁZI ODPADNÍHO PAPÍRU

Recommend Documents