Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
SPALOVACÍ ZKOUŠKY VYBRANÝCH TUHÝCH PALIV V KOTLI VERNER A25 Daniel Tenkrát, Ondřej Prokeš, Viktor Tekáč, Zbyněk Bouda, Jaroslav Emmer Otázka energetického využívání biomasy, přesněji řečeno rychle rostoucích energetických plodin, je v posledních letech stále populárnější. Výzkum se z větší části zaměřuje na „exotické“ energetické plodiny, u kterých jsou v laboratorních podmínkách dosahovány dobré výsledky, avšak v praxi vykazují tyto rostliny daleko nižší výnosy a mají větší nároky (škůdci, hnojení apod.). Otázkou tedy zůstává, zda není vhodné energeticky využívat přebytky plodin, které jsou v našich podmínkách adaptované, mají vysoké výnosy, zemědělci mají dostatek zkušeností s pěstováním těchto plodin a disponují vhodnou technikou. Tento příspěvek přináší výsledky a zkušenosti z praktických spalovacích zkoušek vybraných vzorků zemědělských plodin v kotli VERNER A25. Klíčová slova: biomasa, spalování, emise, malé zdroje znečišťování ÚVOD Všechna měření uvedená v tomto příspěvku byla součástí projektu řešeného Energetickou agenturou Vysočiny. V jejich rámci byly provedeny jednorázové emisní spalovací zkoušky 4 druhů tuhých paliv z obnovitelných zdrojů v automatickém kotli VERNER A25, který je určen pro spalování pelet a výrobcem je odzkoušen i pro spalování jiných alternativních paliv (obilí apod.). Cílem těchto zkoušek bylo porovnat testovaná paliva z hlediska emisí znečišťujících látek do venkovního ovzduší. Měřeny byly hmotnostní koncentrace a hmotnostní toky základních znečišťujících látek – oxidu uhelnatého, oxidů dusnatého a dusičitého vyjádřených sumárně jako NO2, oxidu siřičitého, organických sloučenin vyjádřených sumárně jako celkový organický uhlík (TOC) a tuhých znečišťujících látek (TZL). S ohledem na orientační rozsah prováděných měření nebyly určeny měrné výrobní emise. Z tohoto důvodu jsou zjištěné emisní charakteristiky semikvantitativní povahy umožňující navzájem porovnat testovaná paliva při jejich spalování v uvedeném kotli. Nelze jich použít pro absolutní bilanční emisní výpočty. Spalovací zkoušky byly prováděny v sériovém automatickém teplovodním kotli VERNER A25 o jmenovitém tepelném výkonu 25 kW instalovaném v rodinném domku v Hněvkovicích u Humpolce. Jedná se o typickou instalaci bez vybavení měřicí tratí umožňující provádět souběžné měření všech veličin nutných pro on-line měření emisí. Proto byl kouřovod spojující kotel se zděným komínem dodatečně opatřen otvory pro vzorkování spalin a měření jejich fyzikálně chemických parametrů. Umístění měřicího průřezu z velké části odpovídá požadavkům příslušných technických norem pro měření emisí zdrojů znečištění ovzduší. V této souvislosti je nutno podotknout, že měření emisí spalovacích energetických zařízení s jmenovitým tepelným výkonem do 200 kW není vyžadováno zákonem, a proto technické nedostatky zvoleného měřicího místa nijak nezpochybňují naměřené hodnoty, pouze zvyšují nejistotu výsledků měření nad úroveň zaručenou příslušnými mezinárodními technickými normami. Byly testovány celkem čtyři typy pevných paliv: -
alternativní pelety,
-
pšenice,
-
oves,
-
bílé pelety.
Oves a pšenice byli hlavním testovaným palivem a alternativní pelety (směs zemědělských rostlinných zbytků) a bílé pelety sloužily spíše jako referenční palivo.
Ing. Daniel Tenkrát, Ph.D.; Ing. Ondřej Prokeš, Ph.D. Ing. Viktor Tekáč, Ph.D.; VŠCHT Praha, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, Technická 5, 166 28 Praha,
[email protected] Ing. Zbyněk Bouda; Ing Jaroslav Emmer; Energetická Agentura Vysočiny, Jiráskova 65, 58601 Jihlava.
/ 115 /
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
V průběhu zkoušky bylo dávkováno vždy 10 kg testovaného paliva, režim spalování odpovídal maximálnímu dosažitelnému tepelnému výkonu kotle za daných podmínek. Vzhledem ke zvolenému množství paliva a časovým prodlevám mezi jednotlivými spalovacími zkouškami lze předpokládat, že při všech testech bylo dosaženo srovnatelného tepelného výkonu a lze proto i navzájem porovnat zjištěné emisní charakteristiky jednotlivých paliv. Pro výpočet měrných výrobních emisí znečišťujících látek by bylo nutno na jedné straně provádět kontinuální měření tepelného výkonu kotle, jednak kontinuálně měřit spotřebu paliv a dále provést jejich úplný palivový rozbor. Nastavení kotle (množství a frekvence dávkování paliva, intervaly roštování) bylo provedeno individuálně pro jednotlivá paliva dle doporučení výrobce kotle.
A- kotel, B- vyhřívaný filtr, C- vyhřívaná odběrová trať, D- TOC analyzátor, E- CO, CO2, O2, NOx, SO2, analyzátor, F- stanovení TZL, G- oddělovač kondenzátu, H- membránové čerpadlo, I- CO, CO2, O2, NOx, SO2, analyzátor, J- kouřovod1- měření tlaku spalin, 2- měření rychlosti spalin, 3- měření teploty spalin, 6- plynoměr
Obr. 1 Celkové schéma měření
POUŽITÉ PŘÍSTROJE A POSTUPY S ohledem na technické možnosti měřicího stanoviště bylo měření emisí provedeno jednak kontinuálně pracujícími přístroji (obsah plynných složek spalin), jednak tzv. manuálními metodami (prašnost a fyzikální vlastnosti proudících spalin). Stanovení fyzikálních parametrů plynů Teplota proudících spalin byla měřena termočlánkem NiCr-Ni s vyhodnocovací jednotkou GMH-3250 (výrobce Greisinger Electronic, SRN). Rychlost proudících spalin byla měřena Prandtlovou trubicí (Airflow) a elektrickými membránovými diferenčními tlakoměry (Greisinger Electronic a Ahlborn). Pro kontrolu ustáleného průběhu spalovacího procesu bylo použito kontinuálně pracujícího vysokoteplotního titanového vrtulkového anemometru HOENTZSCH, který byl rovněž využit pro řízení vzorkovacího zařízení DESAGA GS 312 (viz dále). / 116 /
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
Atmosférický tlak byl měřen elektrickým barometrem. Atmosférická teplota byla měřena elektrickým teploměrem. K určení vlhkosti ovzduší bylo použito kapacitního elektrického vlhkoměru (Greisinger Electronic, SRN). Stanovení CO, NO+NO2, SO2, O2, CO2 a vodní páry Pro stanovení obsahu anorganických plynných znečišťujících látek a některých majoritních složek spalin byl použit kontinuálně pracující multikomponentní analyzátor Horiba PG 250. Odběr vzorku pro analýzu byl proveden přenosnou jednotkou úpravy vzorku PSS-5 (výrobce M&C, Rakousko). Jednotka je tvořena vyhřívaným vstupním filtrem, vyhřívanou teflonovou hadicí, teflonovým membránovým čerpadlem plynů a Peltierovým chladičem spalin s příslušnou řídící elektronickou jednotkou. Teplota chladiče byla nastavena na +2°C. Parametry analyzátoru Horiba PG 250 jsou uvedeny v Tab. 1. Naměřené objemové zlomky všech složek jsou průběžně zobrazovány na displeji a současně mohou být ukládány do dataloggeru nebo mohou být přímo zpracovávány připojeným PC. K nastavení měřicího rozsahu bylo použito vzduchu (nulovací plyn pro plynné anorganické znečišťující látky a CO2) a certifikovaných kalibračních plynných směsí (Technoplyn Linde a Messer Griesheim). Tab. 1 Charakteristika analyzátoru HORIBA PG 250 Analyt O2
Měřicí princip paramagnetický
Jmenovité měřicí rozsahy 0% až 5 %, 0% až 10 % a 0% až 25 %
CO
nedisperzní infračervená absorpční (0 ÷ 200) ml/m3, (0 ÷ 500) ml/m3, (0 ÷ 1000) ml/m3, (0 ÷ 2000) ml/m3 spektroskopie (NDIR) a (0 ÷ 5000) ml/m3
CO2
NDIR
0 % až 5 %, 0 % až 10 % a 0 % až 20 %
SO2
NDIR
(0 ÷ 200) ml/m3, (0 ÷ 500) ml/m3, (0 ÷ 1000) ml/m3, (0 ÷ 3000) ml/m3
NO
chemiluminiscence
(0 ÷ 25) ml/m3, (0 ÷ 50) ml/m3, (0 ÷ 100) ml/m3, (0 ÷ 250) ml/m3, (0 ÷ 500) ml/m3, (0 ÷ 1000) ml/m3 a (0 ÷ 2500) ml/m3
NO2
chemiluminiscence s předřazeným (0 ÷ 25) ml/m3, (0 ÷ 50) ml/m3 konvertorem Relativní nejistota měření Pro všechny analyty a rozsahy ± 2 % z naměřené hodnoty
Manuální stanovení obsahu vodní páry v proudících spalinách bylo provedeno přístrojem TESTO 350 XL s přídavnou sondou určenou pro měření relativní vlhkosti plynu o teplotě až 180 °C s nejistotou ± 2 % (absolutní nejistota relativní vlhkosti). Tohoto přístroje (osazen elektrochemickými senzory) bylo rovněž použito pro kontrolní měření složení spalin vystupujících ze vzorkovacího zařízení pro měření hmotnostní koncentrace tuhých znečišťujících látek. Parametry přístroje jsou shrnuty v Tab. 2. Stanovení celkového organického uhlíku
Ke kontinuálnímu stanovení celkového obsahu organických látek vyjádřených jako celkový organický uhlík (TOC) bylo použito analyzátoru M145 (VAMET, Satalice). Přístroj je určen ke kontinuálnímu měření obsahu organických látek v plynných médiích. K určení celkového obsahu organických spalitelných látek vyjádřených jako celkový organický uhlík využívá plamenového ionizačního detektoru (FID). Přístroj udává obsah organických látek v analyzované vzdušině jako objemový zlomek kalibrační složky (propanu) v kalibračním plynu. K nastavení měřicího rozpětí bylo použito nulovacího plynu a certifikované referenční plynné směsi obsahující (80,8 ± 1,7) ml/m3 propanu v syntetickém vzduchu (Linde Technoplyn).
/ 117 /
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
Stanovení tuhých látek Obsah tuhých znečišťujících látek v aerosolu vypouštěném do ovzduší byl stanoven gravimetricky v souladu s ČSN EN 13284-1:2002 a ČSN ISO 9096:1998. Aerosol byl odebírán titanovou sondou s plochým křemenným vláknitým filtrem umístěným přímo ve vzorkovacím průřezu (tzv. interní filtrace). Odebraná vzdušina byla vedena nejdříve do odlučovače vodní páry, odběrního čerpadla a regulátoru průtoku DESAGA GS 312. Toto zařízení umožňuje odběr vzorku za předem nastavených odběrních podmínek bez ohledu na kolísání tlaku v kouřovodu, dále umožňuje vysušení vzorku plynu prošlého filtry a konečně výpočet objemu vzorku plynu za stanovených podmínek (přístroj měří kontinuálně teplotu a tlak v elektronickém plynoměru a provádí přepočet na požadované podmínky). Celková hmotnost tuhých částic zachycených na filtru byla zjištěna gravimetricky. Tab. 2 Technické parametry přístroje TESTO 350 XL Veličina
Měřicí rozsah
Rozlišení
Nejistota Obsah analytů
ϕ (O 2 )
(0 – 25,0) %
0,1 %
ϕ (CO)
(0 – 500) ml/m3
0,1 ml/m3
ϕ (NO)
(0 – 300) ml/m3
0,1 ml/m3
ϕ (NO 2 )
(0 – 500) ml/m3
0,1 ml/m3
(0 – 100) %
0,1%
ϕ rel (H 2 O) teplota okolí teplota spalin přetlak, podtlak
přebytek vzd. účinnost spal.
± 2 ml/m3 pro hodnoty do 40 ml/m3 ± 5 % měřené hodnoty pro hodnoty nad 40 ml/m3 ± 2 ml/m3 pro hodnoty do 40 ml/m3 ± 5 % měřené hodnoty pro hodnoty nad 40 ml/m3 ± 5 ml/m3 pro hodnoty do 100 ml/m3 ± 5 % měřené hodnoty pro hodnoty nad 100 ml/m3 ± 2 % (absolutní nejistota relativní vlhkosti)
Ostatní měřené veličiny 0,1 °C ± 0,5 % z měřené hodnoty 0,1 °C ± 0,5 % z měřené hodnoty 1 Pa ± 0,1 % z měřené hodnoty Veličiny určené výpočtem
(- 20 až +60) °C (1 až 1200) °C ± 2000 Pa
ϕ (CO 2 )
± 0,8 % měřené hodnoty
0% až 20 %
0,01 %
-
1,0 až ∞ 0 % až 120 %
0,1 % 0,1 %
-
VÝSLEDKY MĚŘENÍ V tabulce 3 jsou uvedeny základní charakteristiky paliv a v tabulce. 4 jsou uvedeny veličiny, které podle příslušných technických norem charakterizují geometrii zvoleného měřicího průřezu. V tabulce 5 jsou shrnuty fyzikálně chemické parametry proudících spalin pro jednotlivá testovaná paliva. Údaje z této tabulky byly použity pro výpočet hmotnostního toku jednotlivých znečišťujících látek (viz dále). Pro posouzení emisí slouží údaje uvedené tabulkách 6, 7 a 8. Tab. 3 Charakteristika použitých paliv W (hm. %)
Ad (hm. %)
Nedopal (hm. %)
Qi (MJ/kg)
Oves
12,2
2,6
22
15
Pšenice
12,9
3,3
32
15
Alternativní pelety
11,8
8,2
4
15
Bílé pelety
7,5
0,28
0
19
/ 118 /
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
Tab. 4 Veličiny charakterizující měřicí průřez kouřovodu Průměr kruhového průřezu potrubí Hydraulický průměr potrubí Plocha vzorkovacího průřezu Délka přímého úseku potrubí Délka přímého úseku potrubí za průřezem Počet vzorkovacích bodů
d dH A L Lz n
[mm] [mm] [m2]
150 150 0,01767 0,8 0,4 1
[m] [m] [-]
Tab. 5 Fyzikálně chemické vlastnosti proudících spalin Veličina
Značka
Jednotka
Alternat. pelety
Pšenice
Oves
Bílé pelety
Průměrná teplota spalin
ϑ
[°C]
214
223
195
201
Průměrný statický tlak spalin
p ϕ ′(H 2O) ϕ m (O 2 )
[kPa]
95,38
95,38
95,58
95,58
[%]
7,2
4,8
7,7
9,1
[%]
15,5
14,4
15,8
14,6
[%]
4,8
5,9
4,5
5,8
[kg/m3] [m/s]
0,67
0,68
0,70
0,69
2,8
2,8
2,4
2,4
[m3/h]
178
178
153
152
[m3/h]
49,6
57,7
40,0
47,8
Průměrná vlhkost spalin Průměrný obsah O2 v suchých spalinách
Průměrný obsah CO2 v suchých spalinách ϕ m (CO 2 ) ρ′ Průměrná hustota spalin Průměrná rychlost proudění spalin v′ Průměrný průtok spalin za provozních q ′ V podmínek Průměrný průtok suchých spalin s referenčním obsahem kyslíku 11 % za q VN, r normálních podmínek
Tab. 6 Průměrné přepočtené objemové zlomky oxidu uhelnatého v suchých spalinách s referenčním obsahem kyslíku 6 % (limit. hodnota podle přílohy č. 7 k nařízení vlády č. 352/2002 Sb. činí COmax = 1000 ml/m3) Palivo
Změřený přepočtený objemový zlomek CO
Alternativní pelety
1 480 ml/m3
Pšenice Oves Bílé pelety
830 ml/m3 1 730 ml/m3 270 ml/m3
Tab. 7 Průměrné hmotnostní koncentrace znečišťujících látek (suché spaliny, normální podmínky a 11 %kyslíku) Palivo
ρ N,r (CO)
Alternativní pelety Pšenice Oves Bílé pelety
1230 690 1440 222
1100 1060 920 192
154 172 110 22
84 114 67 24
mg/m3 166 281 112 175
650
650
2 500
50
250
Limitní hodnota A) B) C) D)
mg/m3
D)
ρ N,r (NO 2 ) mg/m3
A)
ρ N,r (SO 2 ) mg/m3
ρ N,r (TOC) mg/m3
B)
ρ N,r (TZL) C)
celkový obsah oxidů dusnatého a dusičitého vyjádřených jako oxid dusičitý celkový obsah organických látek vyjádřených jako celkový organický uhlík TZL = tuhé znečišťující látky pro testovaný kotel nejsou s výjimkou uvedenou v Tab. VII stanoveny žádné zákonné emisní limity; uvedené hodnoty platí pro střední a velké zdroje znečišťování ovzduší spalující dřevo a biomasu a zde jsou uvedeny pouze pro ilustraci / 119 /
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
Tab. 8 Průměrné hmotnostní toky znečišťujících látek
A) B) C)
Palivo
qm (CO)
Alternativní pelety Pšenice Oves Bílé pelety
61,0 39,8 57,6 10,6
g/h
qm (NO 2 )
A)
g/h
qm (SO 2 ) g/h
54,6 61,2 36,8 9,2
7,6 9,9 4,4 1,1
qm (TOC) g/h 4,2 6,6 2,7 1,1
B)
qm (TZL)
C)
g/h
8,2 16,2 4,5 8,4
oxidy dusnatý a dusičitý vyjádřené jako sumárně oxid dusičitý nespálené organické látky vyjádřené jako celkový organický uhlík TZL = tuhé znečišťující látky
ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Je třeba připomenout, že zjištěné emisní hodnoty jsou semikvantitativní povahy, a to z důvodu nedefinovaného provozního stavu kotle. Neznalost míry ustálenosti neumožnila určit fundamentální emisní veličinu – měrnou výrobní emisi vztaženou na vyrobené užitečné teplo přenesené do okruhu ústředního vytápění domku. Jediná zákonem požadovaná emisní veličina pro dané zařízení je uvedena v Tab. 5. Zjištěné referenční objemové zlomky oxidu uhelnatého jsou prakticky rovny limitní hodnotě 1000 ml/m3. Překročení limitu v případě alternativních pelet a ovsa lze vysvětlit nedostatečným tepelným výkonem kotle v době měření emisí oxidu uhelnatého. Platná metodika měření podle nařízení 352/2002 Sb. vyžaduje, aby měření obsahu uhelnatého ve spalinách bylo prováděno vždy při jmenovitém výkonu kotle. To je ale v přímém rozporu s požadavky uvedenými například ve vyhlášce 356/2002. Ta pro střední, velké a zvláště velké spalovací zdroje vyžaduje, aby při jednorázovém měření emisí zdroje již uvedeného do trvalého provozu byl kotel provozován nikoliv při jmenovitém, ale při maximálním dosažitelném výkonu. Porovnáním naměřených hmotnostních koncentrací znečišťujících látek s limitními hodnotami pro střední a větší zdroje (Verner A25 je malým spalovacím zdrojem) lze dospět k závěru, že emise látek vznikajících při spalování biomasy ve výše uvedeném kotli jsou na přijatelné výši. V praxi je zcela běžné, že u velké části středních zdrojů starší konstrukce bývá emisní limit např. u oxidu uhelnatého a celkového organického uhlíku několikasetnásobně překročen. Z údajů o hmotnostních koncentracích i hmotnostních tocích vyplývá, že nejlepších výsledků bylo dosaženo v případě spalování bílých pelet – jedná se evidentně o palivo, pro které byl kotel A25 jeho výrobcem již „odladěn“. Podobně dobrých výsledků bylo pro většinu sledovaných znečišťujících látek dosaženo i při zpracování ovsa. Ani u jediné znečišťující látky není překročení hypotetického emisního limitu více než dvojnásobné. Proto provedená emisní měření potvrdila předpoklad, že z hlediska ochrany životního prostředí jsou všechny testované vzorky biomasy v kombinaci s automatickým kotlem Verner A25 racionálním zdrojem tepelné energie pro individuální domácnosti. Množství emisí ze spalování alternativních paliv lze u použitého kotle dále snižovat, a to především optimalizací provozních parametrů (dávkování paliva, roštování apod.) pro jednotlivá alternativní paliva.
/ 120 /
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
POUŽITÁ LITERATURA [1] ČSN EN ISO/IEC 17025 Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří, ČSNI Praha 2001. [2] ČSN EN 13284-1 Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hmotnostních koncentrací prachu – Manuální gravimetrická metoda, ČSNI Praha 2002. [3] ČSN ISO 9096 Stacionární zdroje emisí - Stanovení hmotnostní koncentrace a hmotnostního toku tuhých částic v potrubí - Manuální gravimetrická metoda, ČSNI Praha 1998. [4] ČSN ISO 10780 Stacionární zdroje emisí - Měření rychlosti a průtoku plynů v potrubí, ČSNI Praha 1998. [5] ČSN EN 12619 Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hodnot hmotnostní koncentrace celkového plynného organického uhlíku ve spalinách – Kontinuální metoda využívající plamenového ionizačního detektoru, ČSNI Praha 2000. [6] ENV 13005 Guide to the expression of uncertainity in measurement, CEN Brusel 1999. [7] Nařízení vlády č. 352/2002 Sb. ze dne 3. července, kterým se stanoví emisní limity a další podmínky provozování spalovacích stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší. [8] Vyhláška č. 356/2002 Sb. ze dne 11. července, kterou se stanoví seznam znečišťujících látek, obecné emisní limity, způsob předávání zpráv a informací, zjišťování množství vypouštěných znečišťujících látek, tmavosti kouře, přípustné míry obtěžování zápachem a intenzity pachů, podmínky autorizace osob, požadavky na vedení provozní evidence zdrojů ovzduší a podmínky jejich uplatňování. [9] Suchánek M. (Ed.) : Kvalimetrie – 11. Stanovení nejistoty analytického měření, Eurachem ČR, Praha 2001. [10] Zákon č. 86/2002 Sb. ze dne 14. února o ochraně ovzduší a změně některých dalších zákonů.
/ 121 /
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
/ 122 /
