Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší Technická 5, 166 28 Praha 6
Vliv topného režimu na emise krbových kamen spalujících dřevo Semestrální projekt
Vypracovala: Jiřina Čermáková Školitel: Ing. Martin Vosecký
Praha, duben 2006
Na úvod této práce bych chtěla poděkovat mému školiteli Ing. Martinu Voseckému za podporu po celou dobu vytváření práce, dále pak Doc. Ing. Bohumilu Koutskému, CSc. a Ing. Jiřímu Malechovi, CSc. za technickou pomoc při sestavování aparatury a za cenné rady.
Souhrn
Spalovací procesy představují nejvýznamnější antropogenní činnost způsobující znečištění ovzduší. Nejvíce uhlí se spaluje v zařízeních o výkonech od jednotek kW až po stovky MW, kterými je získáváno velké množství energie. V domácnostech se získává teplo spalováním zemního plynu, uhlí či dřeva. Semestrální projekt je zaměřen na vliv topného režimu na emise krbových kamen spalujících březové dřevo, borové dřevo či dřevěné brikety. V teoretické části je popsán spalovací proces tuhých paliv a přehled znečišťujících látek, které vznikají při hoření v lokálních spotřebičích. Též je diskutován jejich vliv na ekosystém a lidské zdraví. V experimentální části jsou popsány použité přístroje, vybavení a stanovení odebraných vzorků. Je podán přehled metod stanovení znečišťujících látek ve spalinách stacionárních zdrojů emisí. Jsou zde řešeny tři hlavní úkoly. Prvním úkolem bylo zjištění vlivu různých typů paliv na emise znečišťujících látek. Dále posouzení vlivu velikosti přílože na změnu emisí znečišťujících látek, tento pokus byl prováděn pouze u borovice. Posledním úkolem bylo zjistit vliv teploty v komíně na emise znečišťujících látek. Výsledkem práce je rozsáhlý soubor experimentálních dat jednotlivých paliv při jejich spalování v lokálních spotřebičích s výkonem do 10 kW. Bylo zjištěno, že za obvyklých provozních podmínek, je vliv velikosti přílože paliva a druhu paliva na tvorbu sledovaných znečišťujících látek zanedbatelný. Nejvyšší koncentrace znečišťujících látek vznikají při rozhořívání a dohořívání paliva, kdy teplota v komíně dosahuje nejnižších hodnot. Z rozboru provedeného měření vyplývá, že optimálního režimu spalování ve sledovaném lokálním spotřebiči lze dosáhnout především rovnoměrným přikládáním paliva.
Obsah 1
ÚVOD...................................................................................................................2
2
TEORETICKÁ ČÁST ...........................................................................................4
2.1
Spalování tuhých paliv .................................................................................................4
2.2 Významné znečišťující látky vznikající při spalování ..............................................5 2.2.1 Oxid uhelnatý .........................................................................................................6 2.2.2 Oxid siřičitý ............................................................................................................7 2.2.3 Oxidy dusíku ..........................................................................................................8 2.2.4 Tuhé znečišťující látky .........................................................................................10 2.2.5 Organické látky.....................................................................................................10 2.3
Základní pojmy v ochraně ovzduší ...........................................................................11
2.4
Vlastnosti tuhých paliv...............................................................................................12
3
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST.................................................................................15
3.1 Použité přístroje a vybavení ......................................................................................15 3.1.1 Stanovení kyslíku .................................................................................................17 3.1.2 Stanovení oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a oxidu siřičitého.........................19 3.1.3 Stanovení oxidů dusíku ........................................................................................20 3.2
Zpracování naměřených výsledků ............................................................................21
3.3 Stanovení odebraných vzorků ...................................................................................22 3.3.1 Stanovení hrubé a zbylé vody...............................................................................22 3.3.2 Stanovení popela ..................................................................................................23 3.3.3 Stanovení prchavé hořlaviny ................................................................................23 4
VÝSLEDKY A DISKUSE ...................................................................................24
4.1
Vliv teploty v komíně na koncentrace znečišťujících látek ....................................24
4.2
Srovnání koncentrace oxidu uhelnatého u použitých paliv ....................................27
4.3
Vliv velikosti přílože na oxid uhelnatý......................................................................28
5
ZÁVĚR ...............................................................................................................29
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ...........................................................................30 SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................31 SEZNAM TABULEK .................................................................................................32 SEZNAM PŘÍLOH.....................................................................................................33 1
1 Úvod Spalování je nejstarším technologickým procesem využívaným lidstvem od samého počátku jeho existence, tj. po více než 1 milion let. Spalováním převážně fosilních paliv se získává teplo a energie. Historicky nejstarším spalovacím zařízením je otevřené ohniště, které v podobě otevřených krbů přetrvává až do současnosti. Nevýhodou byla nízká teplota plamene a nízká koncentrace prchavé hořlaviny uvolňující se ze dřeva. Průlomem do otevřených ohnišť byl vynález uzavřeného roštového topeniště. Omezený a řízený přístup spalovacího vzduchu s uzavřeným vyzděným spalovacím prostorem výrazně změnil podmínky spalování. Reakční teplota daná teplotou plamene je nejen vyšší, ale také rovnoměrnější v prostoru topeniště. Koncentrace prchavé hořlaviny je rovněž díky pouze dvojnásobnému přebytku vzduchu příznivější, i když je stále nehomogenní v prostoru topeniště. Průmyslová revoluce přibližně před 200 lety přinesla objevení a využívání fyzikálně chemických zákonů hoření, vznikly nové technologie spalování, které nejenže dokázaly spálit používané palivo dokonaleji a s vyšší účinností, ale vyšší spalovací teplotou umožnily využití dalších paliv, které byly pro původní technologie spalování nepoužitelné. Spalování má také nepříznivé dopady na všechny složky životního prostředí, především na znečišťování ovzduší toxickými látkami a skleníkovými plyny. Znečišťující látky mohou způsobit degradaci ekosystémů a mohou mít významný dopad na lidské zdraví. Proto je důležité věnovat se možnostem snižování emisí při spalování fosilních paliv. Jako nejjednodušší způsob snižování emisí malých energetických zdrojů je přechod na plynná, případně kapalná paliva. V České republice proběhla v letech 1991 - 2000 intenzivní plynofikace. I nadále jsou statisíce domácností odkázány na vytápění lokálními topidly na tuhá paliva zejména na venkově. Změnu skladby vytápění bytů mezi lety 1991 a 2004 ukazuje Tab. I. Tab. I Změnu skladby vytápění bytů v r. 2004 oproti r. 1991.1 Roky
Způsob otopu [%] Pevná paliva
Centrál. vytápění
Plynná paliva
Elektrický otop
Ostatní
1991
44
36
18
1
1
2004
19
37
37
6
1
2
Jedním z rozšířených typů tuhých paliv spalovaných v lokálních topeništích je dřevo. Dřevo je palivem zejména v menších sídlech dobře dostupným, cenově přijatelným, nezanedbatelnou předností z hlediska životního prostředí je i jeho obnovitelnost. Dřevo lze spalovat ve formě polen, polínek, štěpky, pilin, hoblin i briket. Práce je věnována měření emisí majoritních znečišťujících složek (CO, NOx a SO2) při spalování dřevní hmoty v krbových kamnech malého výkonu určených pro vytápění rodinného domu. Emise uvedených látek byly sledovány v šestihodinových blocích v závislosti jak na druhu dřeva (bříza, borovice, pilinové brikety), tak na velikosti přílože (malá a velká polena) a jejich vlhkosti. Dále byl sledován vliv teploty v komíně na koncentraci znečišťujících látek. Naměřené hodnoty byly přepočteny na normální stavové podmínky a referenční obsah kyslíku pro dřevo.
3
2 Teoretická část 2.1 Spalování tuhých paliv Pevná paliva jsou všechna původem z organické hmoty a liší se od sebe dobou a podmínkami prouhelnění (tlak, teplota) této organické hmoty. Podle časové závislosti vzniku, můžeme pevná paliva rozdělit do skupin: •
dřevo (současné – proto ho neřadíme do fosilních paliv, ale do obnovitelných zdrojů energie)
•
rašelina (stáří cca 10 tisíc roků)
•
hnědá uhlí (stáří cca 1 milion roků)
•
černá uhlí ( stáří cca 3 miliony roků)
•
antracity ( stáří cca 5 milionů roků)2
Spalování probíhá ve čtyřech vzájemně se překrývajících se fázích. Po přívodu paliva do vyhřátého ohniště probíhá první fáze. V první fázi dochází k odpařování vody, palivo se vysouší a dochází k následnému uvolňování prchavé hořlaviny, které probíhá intenzivně při ohřátí nad 250 °C. Ve druhé fázi se prchavá hořlavina mísí se vzduchem a teplota se zvyšuje. Ve třetí plynné fázi nastává hoření prchavé hořlaviny. V poslední fázi probíhá při nejvyšších teplotách spalování tuhého uhlíku a dochází k uvolnění největšího množství tepla. Významným dějem této fáze je heterogenní reakce uhlíku s oxidem uhličitým probíhající na povrchu pyrolýzního zbytku. Vznikající CO se z povrchu okamžitě uvolňuje do plynné fáze a v případě dostatečně vysoké koncentrace kyslíku a příznivé teploty se dále oxiduje až na CO2. Spalování tuhého uhlíku je nejdelší ze všech fází spalování, trvá až 90% celkové doby. Poté probíhá dohořívání tuhých zbytků.3,4 Vznik a průběh spalovacího procesu je ovlivněn některými vlastnostmi paliv. K těmto vlastnostem patří zejména měrný tepelný obsah paliva (spalné teplo a výhřevnost), mez zápalnosti paliva, teplota vznícení paliva, rychlost plamene, spalovací teplota, vlhkost a také složení.
4
Pracovními látkami spalovacího procesu jsou: a) Palivo, což je obecně jakákoliv hořlavá látka s dostatečnou výhřevností a aktivitou okysličovacích pochodů. b) Okysličovadlo, což je látka obsahující kyslík. V praxi bývá nejčastějším okysličovadlem vzduch. Souhrnně palivo a okysličovadlo označujeme jako vstupní látky spalovacího procesu. c) Produkty spalovacího procesu vznikají jako výsledek chemické reakce mezi palivem a okysličovadlem. Patří k nim plynné spaliny a tuhý nebo kapalný zbytek po spalování.
2.2 Významné znečišťující látky vznikající při spalování Za znečišťující látky jsou považovány hmotné látky všech skupenství přítomné v ovzduší, které nepříznivě ovlivňují ovzduší a poškozují zdraví člověka nebo ostatních organismů, zhoršují jejich životní prostředí, nadměrně je obtěžují nebo poškozují majetek přímo, nebo po chemických změnách v atmosféře, nebo ve spolupůsobení s jinou látkou. Při spalování dřeva, vznikají znečišťující látky, které podle zákona O ovzduší č. 86/2002 Sb. patří mezi hlavní znečišťující látky. Jedná se o následující látky: •
Oxid uhelnatý – CO
•
Oxid siřičitý – SO2
•
Oxidy dusíku – NOx (suma NO + NO2, vyjádřená jako NO2)
•
Tuhé znečišťující látky (TZL) – tuhé částice ve spalinách
•
Organické látky (OL), vyjádřené jako celkový organický uhlík (TOC)
Tyto znečišťující látky jsou svým původem vzniku součástí paliva a ve výše uvedené formě se do ovzduší dostávají v důsledku uvolnění tepla obsaženého v palivu spalovacím procesem. Při měření byly sledovány pouze první tři znečišťující látky. Vývoj celkových emisí základních znečišťujících látek v České republice v letech 1990–2004 je uveden na Obr. 1. V letech 1990 – 1997 došlo k dlouhodobému poklesu emisí 5
oxidu siřičitého a tuhých látek.1 To je způsobeno snížením spotřeby hnědého uhlí, těžkého topného oleje a odsiřováním paliva i vzniklých spalin ze spalovacích procesů.
2000 celkové emise (1000t/rok)
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1990
1992
1994
1996
SO2
CO
1997
1998 1999 roky
NOx
2000
VOC
2001
2002
2003
2004
tuhé látky
Obr. 1 Celkové emise základních znečišťujících látek v České republice v letech 1990–2004.
2.2.1 Oxid uhelnatý Oxid uhelnatý je jedovatý plyn bez chuti a zápachu, omezeně rozpustný ve vodě. V atmosféře se velmi rychle rozptýlí, takže ve větší vzdálenosti od zdroje není nebezpečný. Zvýšený obsah oxidu uhelnatého ve spalinách je charakteristický pro střední a především pro malé zdroje znečišťování ovzduší. Technickou příčinou vzniku oxidu uhelnatého při spalování tuhých paliv je nedokonalý průběh spalování způsobený nedostatečným přívodem spalovacího vzduchu nebo nedostatečnou teplotou ve spalovacím prostoru. Oxid uhelnatý vzniká rovněž sekundárními reakcemi jakými jsou disociace CO2 při teplotě spalin převyšující 1500 °C nebo reakce CO2 s nespáleným uhlíkem při teplotách nad 950 °C. Vliv teploty na úplnost konverze CO na CO2 (při dostatečném přístupu kyslíku v palivu) je uveden na Obr. 2. Tyto vlivy však můžeme u většiny malých zdrojů zanedbat, protože teplota spalin nedosahuje tak vysokých hodnot.1 Oxid uhelnatý váže v krvi člověka krevní barvivo, a způsobuje proto při vyšších dávkách smrt udušením, protože zabraňuje funkci krve jako transportéru kyslíku v těle. Přesto 6
je působení oxidu uhelnatého na lidský organismus ze zdravotního hlediska kvalifikováno jako nejméně poškozující ze všech znečišťujících látek z energetických zdrojů.5 Výraznou a nebezpečnou vlastností CO jsou široké meze zápalnosti a tím také výbušnosti, které se pohybují v mezích 12,5 až 75 % objemové koncentrace ve vzduchu.
Obr. 2 Rovnovážný diagram reakce C + CO2 ↔ 2 CO.
2.2.2 Oxid siřičitý Oxid siřičitý je bezbarvý lehce zkapalnitelný jedovatý plyn nasládlé palčivé chuti a zápachu, silně dráždící sliznice a pokožku. Oxid siřičitý se velmi dobře rozpouští ve vodě (za normálních podmínek je molární zlomek oxidu siřičitého ve vodě roven 0,0606), přičemž vzniklý roztok obsahuje silně disociovanou kyselinu siřičitou. Oxid siřičitý je původcem tzv. kyselého smogu, který dříve často vznikal v oblastech spalování tuhých paliv s vyšším obsahem síry. Popílek s obsahem těžkých kovů a saze, způsobují katalytickou oxidaci oxidu siřičitého na oxid sírový, který se vzdušnou vlhkostí 7
vytváří aerosol kyseliny sírové. Tento aerosol je velmi stabilní s dlouhou dobou setrvání v přízemní vrstvě atmosféry. Oxid siřičitý patří do malé skupiny znečišťujících látek, jejichž výskyt ve spalinách je dán výhradně složením paliva a jejich obsah ve spalinách lze jen velmi omezeně ovlivnit průběhem spalovacího procesu. V palivu se síra vyskytuje v těchto základních formách : ve formě síranů (síra síranová), pyritu (síra pyritická) a dalších polysulfidů železa (síra sulfidická), vázaná v organických sloučeninách (síra organická) a někdy jako síra volná. Na tvorbě oxidu siřičitého se podílejí všechny uvedené sloučeniny síry s výjimkou síranů.3 Snižování emisí oxidu siřičitého lze v zásadě dosáhnout pouze dvěma způsoby: úpravou paliva před jeho spálením a odstraňováním již vzniklého oxidu siřičitého ze spalin. U malých zdrojů je teoreticky možný první způsob, druhý je velmi technicky a ekonomicky náročný. Obsah síry v palivu je různý pro různé druhy paliva, např. v uhlí se pohybuje od 1 % do 2%, v případě dřeva je zanedbatelný.
2.2.3 Oxidy dusíku Spalovacími reakcemi v ohništích vznikají tři různé oxidy dusíku, a to N2O, NO a NO2, z nichž pouze druhé dva řadíme mezi znečišťující látky. Podmínkou vzniku NOx při spalování je přítomnost atomárního dusíku a kyslíku v reakční zóně plamene. Oxid dusnatý a oxid dusičitý jsou jedovaté plyny intenzivně iritující sliznice a pokožku. Oba oxidy podporují vznik
fotochemického
smogu
a
přízemního
ozonu.
Fotochemický
smog
vzniká
fotochemickými reakcemi oxidů dusíku s těkavými organickými sloučeninami v přízemních vrstvách atmosféry, přičemž se vytvářejí agresivní jedovaté fotochemické oxidanty způsobující pálení očí, bolesti hlavy apod. Oxidy dusíku se rovněž účastní stratosférických řetězových reakcí poškozujících ozónovou vrstvu Země. Proto těmito znečišťujícími látkami je nutné se zabývat a hledat účinné metody jejich snížení nebo odstranění. Oxid dusičitý je termicky labilní, při teplotách nad 300 °C kvantitativně disociuje na oxid dusnatý. Z toho vyplývá, že v ohništi se vyskytuje oxid dusnatý, který se následně při nižších teplotách částečně oxiduje na oxid dusičitý. V současné době jsou známy čtyři základní mechanismy vzniku oxidu dusnatého:
8
• termický (Zeldovičův) NO - vzniká v oblasti teplot nad 1300 °C z dusíku přítomného ve vzduchu Mechanismus vzniku:
N2 + O → N· + NO
(1)
N· + O2 →NO + O·
(2)
N· + OH· →NO + H·
(3)
• promptní (Fenimorův) NO – vznikající při nejvyšších teplotách v počáteční fázi hoření (jejich podíl na celkových emisích NO2 je minimální) Mechanismus vzniku:
N2 + OH· → HCN + N· → NO
(4)
• palivový NO – vznikají v oblasti nejnižších teplot z dusíku obsaženého v hořlavině paliva. Důležitá při jeho je vzniku doba zdržení v kamnech a přebytek spalovacího vzduchu. Mechanismus vzniku:
RN → R + N·
(5)
N· + O2 → NO + O·
(6)
RN + O2 → NO + RO
(7)
• NO vzniklý z N2O
Vlivy na tvorbu NOx: •
teplota plamene (vliv složení paliva, bohatost směsi, předehřátí vzduchu, stupeň promíšení, konstrukce a tvar spalovací komory)
•
doba setrvání molekul v pásmu vysokých teplot (vliv výtokové rychlosti spalované směsi)
•
množství kyslíku v pásmu spalovacích reakcí (bohatost směsi a intenzita jejího promíšení)
Vliv teploty a součinitele přebytku vzduchu při spalování uhlí na tvorbu oxidů dusíku je uveden na Obr. 3.
9
Obr. 3 Vliv teploty a součinitele přebytku spalovacího vzduchu na tvorbu jednotlivých typů oxidů dusíku.5
2.2.4 Tuhé znečišťující látky Tuhé znečišťující látky patří mezi polutanty, jejichž výskyt ve spalinách je určen jak vlastnostmi paliva, tak typem ohniště, v němž je prováděno spalování. V ideálním případě dokonalého spalování jsou tuhé znečišťující látky tvořeny pouze popílkem (u velkých energetických kotlů), ve spalinách zařízení středních a malých výkonů jsou navíc přítomny nedohořelé částice paliva, anorganické sloučeniny (popeloviny) a produkty tepelného rozkladu uhlí (saze a jiné). Škodlivost tuhých znečišťujících látek je dána několika faktory. Díky svému velkému měrnému povrchu sorbují jiné toxické sloučeniny jakými jsou persistentní organické polutanty, těkavé fluoridy a chloridy toxických kovů. Dále mohou obsahovat kovy, které katalyzují nežádoucí reakce, např. přítomnost vanadu způsobuje přeměnu oxidu siřičitého na oxid sírový. Z podstaty vzniku tuhých znečišťujících látek vyplývá, že jejich vzniku, zvláště v topeništích malých výkonů, nelze prakticky zabránit.
2.2.5 Organické látky Organické znečišťující látky zahrnují velmi širokou skupinu sloučenin s velmi rozdílnými fyzikálně-chemickými a toxikologickými vlastnostmi. 10
Organické znečišťující látky lze zařadit do tří tříd: 1. těkavé organické látky (Volatile Organic Compounds - označované často mezinárodně používanou zkratkou VOC), tj. organická sloučenina nebo směs organických sloučenin, s výjimkou methanu, která při teplotě 293,15 K má tlak par 0,01 kPa nebo má odpovídající těkavost za konkrétních podmínek jejího použití a která může v průběhu své přítomnosti v ovzduší reagovat za spolupůsobení slunečního záření s oxidy dusíku za vzniku fotochemického smogu. 2. persistentní organické látky (Persistent Organic Pollutants - označované často mezinárodně používanou zkratkou POP's), tj. organické látky, které působí významným škodlivým vlivem na lidské zdraví a má škodlivé účinky na životní prostředí v místě i okolí jejího zdroje a její toxické vlastnosti jsou spojeny se schopností dlouhodobě přetrvávat v životním prostředí a schopností akumulace v biologických systémech. V případě analýzy odpadních plynů a kvality ovzduší se člení dále podle toxicity na tři kategorie : I. polychlorované dibenzodioxiny a dibenzofurany (PCDD/PCDF); II. polychlorované bifenyly (PCB); III. polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH); 3. methan.6
2.3 Základní pojmy v ochraně ovzduší Znečišťující látky v koncentrované podobě, tak jak vystupují ze zdroje znečištění, např. u kotelny z komína, označujeme jako emise a jejich maximální koncentrace je omezena podle nařízení vlády č. 350/2002 Sb. a navazujícími předpisy tzv. emisními limity. Znečišťující látky v ovzduší se tzv. přízemní vrstvě, tj. tam, kde jsou obsahem ovzduší, které dýcháme, označují jako imise a nejvyšší dovolené koncentrace těchto látek jsou opět omezeny zákonnou normou ve formě imisních limitů. Koncentrace emisí znečišťujících látek se vyjadřují buď hmotnostní koncentrací (mg. m-3, µg.m-3). Hmotnostní koncentrace je nutno uvádět a přepočítávat na normální podmínky
11
(p = 101,325 kPa a T = 273,15 K) a na referentní obsah kyslíku . Referentní obsah kyslíku je stanoven v závislosti na spalovaném palivu, např. pro dřevo je 6 %, pro uhlí 11 % atd. Spotřebiče malých výkonů patří mezi zdroje znečišťování, jejichž emisní limity nejsou určeny zcela jednoznačně. Pro správné zařazení spotřebiče do příslušné skupiny zdrojů je nutno znát jmenovitý tepelný výkon spotřebiče, vlastnický vztah provozovatele spalovacího zařízení k nemovitosti se spalovacím zařízením a v některých případech stanovisko stavebního úřadu k možnosti společného vypouštění spalin. Nejjednodušší situace nastává v případě, že součet jmenovitých tepelných výkonů všech spotřebičů na tuhá paliva je v daném objektu menší než 15 kW. Pak bez ohledu na ostatní skutečnosti platí, že pro provoz těchto spotřebičů není stanoven žádný emisní limit. Spotřebič může být uveden na trh, pokud autorizovaná zkušebna potvrdí dosažení předepsaných hodnot objemového zlomku oxidu uhelnatého.3
2.4 Vlastnosti tuhých paliv Palivo se skládá ze tří základních složek: hořlaviny, vody a popelovin, které tvoří tzv. hrubý rozbor paliva pro něž platí: h + W + A = 1 [kg.kg-1]
(8)
h je tzv. hořlavina (část palivové hmoty obsahující uvolnitelné teplo), W je voda obsažená v palivu, A jsou inertní popeloviny v palivu. Hořlavina paliva se dělí na prchavý podíl (hořlavina, která se uvolní zahřátím paliva v plynné formě) a uhlíkový zbytek (hoří v pevném stavu). Hořlavina je tvořena 5-ti prvky a to uhlíkem,vodíkem, sírou, dusíkem a palivovým kyslíkem. Dřevo tedy obsahuje tři základní prvky, které jsou zdrojem chemicky vázaného tepla - uhlík, vodík a síru. Voda obsažená v palivu se dělí na vodu hrubou (volná voda) a na vodu zbytkovou (chemicky v palivu vázanou).
12
Popeloviny v palivu se dělí na část, která po spálení paliva zůstane v plynné formě (prchavý podíl) a na popel, který zůstane v pevném stavu. Dřevo je organický materiál rostlinného původu. Největší podíl jeho složení zaujímá celulóza (cca 42%), dále hemicelulózy (cca 26%) a lignin (cca 25%). Zbytek tvoří acetyl (cca 2%), popeloviny (0,3 %), škroby a tuky (cca 1,8%), bílkoviny (cca 1%), třísloviny (cca 0,1%), pryskyřičné látky (cca 1,6%) a ve stopovém množství barviva, alkaloidy, glykosidy a ostatní složky. Poměrná množství prvků v sušině tuzemského dřeva jsou přibližně: uhlík: 50 % dusík: 0,04 až 0,2 % vodík: 6 % popeloviny: 0,2 až 0,6 % kyslík: 43 % Výhřevnost dřeva závisí na jeho vlhkosti. Všechna voda ve dřevě obsažená se při spálení odpaří a na tuto přeměnu kapalné vody na páru se spotřebuje část energie vzniklé spálením sušiny. Výhřevnost sušiny se u všech druhů dřeva pohybuje přibližně od 17 do 22 MJ.kg-1. Při běžné vlhkosti, tj. při 25 % vody, klesá tato výhřevnost na hodnoty kolem 15 MJ.kg-1.7 Bod zápalnosti, tj. nejnižší teplota, na kterou se musí dřevo zahřát aby se samovznítilo, je mezi 330 a 470 °C, kdežto bod vzplanutí, tj. nejnižší teplota, při níž se ve dřevě vyvine tolik plynů, že se vzduchem vytvoří směs, která se přiblížením k plameni vznítí, je pouze 180 až 275°C. Různé dřeviny mají rozdílnou výhřevnost a nehoří stejným způsobem. Obecně dáváme přednost tvrdému dřevu jako je dub, buk, jasan, habr a ovocné dřeviny. Hoří jasným plamenem a produkují hodně žhavých uhlíků, ze kterých dlouho vyzařuje teplo. Nejvíce rozšířené dřevo u nás je bukové, protože má nejvyšší výhřevnost z dostupných dřevin. Musí být uskladněno pod přístřeškem ihned po poražení, rozřezání a naštípání, v opačném případě velmi rychle trouchniví a ztrácí výhřevnost. Není důležité jaké dřevo spalujeme, ale skutečnost, že dřevo musí být dobře proschlé (podíl vody v suchém dřevu dosahuje zhruba 15%). Spalováním nevysušeného dřeva se 13
snižuje jeho výhřevnost, protože velká část energie je spotřebována právě na odpaření vody obsažené ve dřevu. To se projeví ve zvýšené spotřebě dřevní hmoty. Hořící vlhké dřevo produkuje velké množství kouře, spaliny mají vysoký obsah dehtu, málo plamenů, což způsobuje zanášení topeniště, skla průzoru u krbu, kotle i komínu. Dále spalováním vlhkého dřeva dojde ke zvýšení obsahu vodní páry ve spalinách a tím ke zvýšení jejich rosného bodu. To se může projevit kondenzací vlhkosti a zkrácením životnosti kamen, případně komínového tělesa. Z těchto důvodů vyplývá, že topení vlhkým dřevem je méně výhodné jak pro uživatele tak pro přírodu. Správné vysoušení dřeva přírodním způsobem nastane u měkkého dřeva u rozštípnutých polen po dvou letech, u tvrdého dřeva po třech letech.
14
3 Experimentální část 3.1 Použité přístroje a vybavení •
Kombinovaná krbová kamna Golemek 9/5 od firmy Verner.
Parametry stanovené výrobcem: celkový jmenovitý výkon 9 kW, účinnost 80% a objem přikládacího prostoru 45 l. Předepsaným palivem je dřevo o vlhkosti do 20 %, nebo dřevní brikety. V kamnech je možné spalovat polena délky 35 cm o průměru až 20 cm. Podle nařízení vlády č. 350/2002 Sb. spotřebiče o jmenovitém tepelném výkonu do 10 kW označované jako lokální spotřebiče (bez ohledu na provedení a účel použití spotřebiče). Výrobce těchto zařízení musí prokázat splnění technických požadavků, majitel není povinen dodržovat žádné emisní limity, může být pouze zákonným způsobem omezen ve volbě spalovaného paliva.3 •
Analyzátor Horiba PG 250 měřicí CO,CO2, SO2, NO2, O2.
Kyslík -byl stanovován paramagneticky. Oxid siřičitý, oxid uhelnatý a oxid uhličitý - byly stanovovány pomocí NDIR spektrometru. Oxid dusičný - byl stanovován pomocí chemiluminiscence.
Tab. II Složení certifikované plynné směsi použité pro nastavení měřícího rozsahu analyzátoru HORIBA PG 250. Analyt
Certifikovaná hodnota objemového zlomku kalibrační složky v kalibračním plynu
Relativní nejistota certifikované hodnoty
CO
100
2%
CO2
12 %
1%
NO
198
2%
SO2
199
2%
Směs CO, NO, CO2,, SO2 v dusíku ( Linde Technoplyn Praha).
15
Naměřené objemové zlomky všech složek byly průběžně zobrazovány na displeji analyzátoru a ukládány do PC, připojeného k analyzátoru, ve dvacetisekundových intervalech. Pro nastavení měřících rozsahů tohoto analyzátoru byl použit certifikovaný referenční plynný materiál, jehož složení je uvedeno v Tab. II. Pro nastavení nulového bodu měřícího rozsahu byl použit okolní vzduch. Parametry analyzátoru jsou shrnuty v následující Tab. III: Tab. III Charakteristika analyzátoru Horiba PG 250. Analyt
Měřící princip
Jmenovité měřící rozsahy
O2
paramagnetický
(0 – 5)%, (0 – 10)% a (0 – 25)%
CO
NDIR
(0 ÷ 200) ml/m3, (0 ÷ 500) ml/m3, (0 ÷ 1000) ml/m3, (0 ÷ 2000) ml/m3 a (0 ÷ 5000) ml/m3
CO2
NDIR
(0 – 5)%, (0 – 10)% a (0 – 25)%
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, (0 ÷ 2500) ml/m3
NO2
Chemiluminiscence s předřazeným konvektorem
(0 ÷ 25) ml/m3, (0 ÷ 50) ml/m3
Relativní nejistota měření – pro všechny analyty a rozsahy ± 2 % z naměřené hodnoty
Naměřené objemové zlomky všech složek byly průběžně zobrazovány na displeji analyzátoru a ukládány do PC, připojeného k analyzátoru, ve dvacetisekundových intervalech. Pro nastavení měřících rozsahů tohoto analyzátoru byl použit certifikovaný referenční plynný materiál, jehož složení je uvedeno v Tab. III. Pro nastavení nulového bodu měřícího rozsahu byl použit okolní vzduch.
16
•
Dřevařský vlhkoměr – vyjadřuje vlhkost jako podíl hmotnosti vody ku hmotnosti sušiny ve dřevě.
•
Anemometr Testo 435 s vrtulkovou sondou – průtok byl měřen pouze orientačně.
•
Teplota v komíně byla měřena kontinuálně termočlánkem typu K a zaznamenávána dataloggerem
Schéma zapojení přístrojů je naznačeno na Obr. 4.
Analyzátor
Čerpadlo Chladič
Měřící sonda T
PC K O M Í N
Spotřebič Palivo
Obr. 4 Schéma aparatury.
3.1.1 Stanovení kyslíku Instrumentální metoda stanovení využívá pro stanovení kyslíku magnetických nebo elektrochemických vlastností molekuly.
17
Magnetické analyzátory využívají paramagnetických vlastností kyslíku, zatímco téměř všechny ostatní plyny jsou slabě diamagnetické. Pokud je paramagnetická látka vložena do nehomogenního magnetického pole, jsou její molekuly vtahovány do míst s největší intenzitou pole. Podle toho, jakým způsobem je využíváno tohoto vtahování, rozlišujeme několik metod paramagnetického stanovení kyslíku. Statické metody jsou založeny na přímém měření síly, která působí na těleso obklopené měřeným plynem umístěné v nehomogenním magnetickém poli. Dynamické nebo termomagnetické metody využívají proudění, které vzniká účinkem nehomogenního magnetického pole na nestejnoměrně ohřátý plyn. Při statické metodě, jejíž princip je znázorněn na Obr. 5, se měří síla, působící na dvojici skleněných baněk (3) naplněných diamagnetickým dusíkem a zavěšených na torzním vláknu (1) v magnetickém poli permanentních magnetů (2).
Obr. 5 Měřící systém magnetického analyzátoru – statická metoda.8
Na systém baněk působí otáčivý moment vychylující baňky z rovnovážné polohy. Toto vychýlení je sledováno elektroopticky pomocí zdroje světla (5), odrazného zrcátka (4) a systému fotobuněk (6). Výchylka světelného paprsku je úměrná obsahu paramagnetického kyslíku v plynu obklopujícím dvojici baněk a dále závisí na tlaku a teplotě. Měřicí cela proto bývá vyhřívána na vyšší teplotu a ta je udržována na konstantní hodnotě. Vliv tlaku je kompenzován před každým jednorázovým měřením nebo v průběhu kontinuálního měření periodicky v zadaných intervalech. Využívá se k tomu zpravidla nastavení konstantní hodnoty dané nějakým zkušebním normálem (např. atmosférickým kyslíkem).
18
3.1.2 Stanovení oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a oxidu siřičitého Nedisperzní infračervený spektrometr (NDIR spektrometr) využívá schopnosti molekul plynů aktivních v infračervené oblasti přeměňovat část absorbované energie elektromagnetického záření na energii tepelnou (kinetickou). Nachází-li se měřený plyn v uzavřeném prostoru, projevuje se tento vzrůst tepelné energie zvýšením tlaku (fotoakustický efekt). Typické uspořádání NDIR spektrometru je zobrazeno na Obr. 6.
Obr. 6 Schéma NDIR spektrometru.8 Klasická konstrukce sestává z dvojice termických zdrojů IČ záření (1), které emitují v širokém rozmezí vlnočtů. Jejich spojité záření je modulováno rotační clonou (3) poháněnou elektromotorem (3). Interferenční filtr (4) vyděluje z polychromatického záření svazek paprsků v úzkém rozsahu vlnočtů, který vstupuje do srovnávací (5) a měrné průtočné kyvety (6). Srovnávací kyveta je obvykle naplněna analytem nebo referenčním plynem (např. vzduchem, kyslíkem apod.). Detektor (7) – někdy je označován jako optopneumatický detektor- je tvořen uzavřenou komorou naplněnou plynným analytem. Vstupující monochromatické záření, odpovídající maximu absorbance molekul uvnitř komory, předává těmto molekulám kvanta energie, která způsobí jejich vibrační a rotační přechody a zintenzívnění translačních pohybů těchto molekul. To se projeví zvýšením tlaku uvnitř komory, které je úměrné množství pohlcené zářivé energie. Vhodným rozdělením komory a volbou vhodné membrány lze měřit i velice malé rozdíly absorbance. Vzhledem k tomu, že měření malých statických tlaků je problematické, je záření nízkofrekvenčně modulováno (3).
19
3.1.3 Stanovení oxidů dusíku Nejběžnější metodou instrumentálního stanovení oxidů dusíku vhodnou pro kontinuální analýzu plynných směsí je chemiluminiscence. Stanovení je založeno na následující reakci realizované v temné komoře analyzátoru: NO + O3 → NO2* + O2
(9)
Podíl molekul NO2 , které jsou touto reakcí uvedeny do excitovaného stavu (NO2*), je konstantní a činí asi 10 %. Tyto excitované molekuly rychle přecházejí do základního energetického stavu a uvolňují nabytou energii emisí luminiscenčního záření, jehož široký emisní pás vykazuje maximální hustotu zářivého toku v okolí vlnové délky 1200 nm : NO2* → NO2 + hν
(10)
Hustota zářivého toku je úměrná objemovému zlomku NO v měřeném plynu. Oxid dusičitý se nijak na odezvě přístroje nepodílí a je třeba jej stanovit nepřímo, po redukci na oxid dusnatý. Schéma přístroje je uvedeno na Obr. 7.
Obr. 7 Schéma chemiluminiscenčního analyzátoru NO/NO2 model 955 (FisherRosemount).30
20
3.2 Zpracování naměřených výsledků Měření bylo prováděno kontinuálně pracujícím analyzátorem HORIBA PG 250 a proto je výsledek měření vyjádřen jako objemový zlomek příslušné složky odpadního plynu. Nejdříve byla provedena kalibrace přístroje plynem o složení uvedeném v Tab. II. Z naměřených hodnot kalibrace se vytvořili průměry hodnot jednotlivých znečišťujících látek a poté se naměřené hodnoty z jednotlivých měření nakalibrovali. Pro
přepočet takto získaných objemových zlomků
anorganických
plynných
znečišťujících látek na odpovídající hmotnostní koncentrace lze pro dané vztažné podmínky použít následující vztah. Vztažné podmínky jsou: Odpadní plyn je suchý, při normálních stavových podmínkách, přepočten na referenční obsah kyslíku. Referenční obsah kyslíku pro spalování dřeva je 11%.
ρ N ,r ( ZL ) =
pN ϕ (O ) − ϕ r (O2 ) ⋅ ϕ ( ZL ) ⋅ M ( ZL ) ⋅ air 2 R ⋅ TN ϕ air (O2 ) − ϕ m (O2 )
ρN,r(ZL)
je hmotnostní koncentrace znečišťující látky při vztažných podmínkách,
p
je normální tlak (101,325 kPa),
R
plynová konstanta (8,314 J.mol-1.K-1),
TN
normální teplota (273,15 K),
φ(ZL)
objemový zlomek znečišťující látky v suchém odpadním plynu zjištěný
kde:
měřením, M(ZL)
molární hmotnost znečišťující látky,
φair(O2)
objemový zlomek kyslíku v suchém spalovacím vzduchu,
φr(O2)
referenční objemový zlomek kyslíku pro vztažné podmínky,
φm(O2)
objemový zlomek kyslíku v suchém odpadním plynu zjištěný měřením.
21
Objemový zlomek kyslíku v suchém spalovacím vzduchu φair(O2) je roven objemovému zlomku kyslíku v suchém okolním vzduchu, což činí 20,9%. Spalování bylo prováděno v kombinovaných krbových kamnech, jejichž základem je roštové topeniště s bočními přívody sekundárního vzduchu. Vlastní spalovací experiment byl prováděn s různými typy dřev a jejich různou hmotností, které byli kontinuálně přiváděny do kamen. Každý spalovací experiment trval po dobu šesti hodin, kdy byla sledována teplota v komíně, množství znečišťujících látek, množství a vlhkost dřeva, teplota uvnitř vytápěné místnosti a venku. Byly řešeny tři hlavní úkoly: •
Posouzení vlivu jednotlivých druhů paliv na hmotnostní koncentraci znečišťujících látek. Jako paliva byla použita bříza, borovice a dřevěné brikety, kdy hmotnost jednotlivých příloží byl pod 1 kg.
•
Posouzení vlivu velikosti přílože na emise znečišťujících látek. Byly zvoleny kusy nad 2 kg a kusy pod 1 kg, Tento vliv byl sledován pouze u borovice
•
Posouzení vlivu teploty v komíně na hmotnostní koncentraci znečišťujících látek u jednotlivých druhů paliv.
3.3 Stanovení odebraných vzorků 3.3.1 Stanovení hrubé a zbylé vody Pro stanovení byl použit laboratorní vzorek zrnění pod 3 mm. Do hliníkových váženek bylo naváženo na analytických vahách asi 10 g s přesností na 0,002 g. Odkryté váženky byli umístěny do sušárny vyhřáté na 105 – 110 °C. Při této teplotě byla doba sušení minimálně 60 minut. Po ochlazení v exikátoru a vyrovnání teploty na teplotu váhovny byly zváženy. Kontrolní sušení bylo provedeno vždy po dobu 30 minut tak dlouho, až rozdíl mezi následujícími váženími byl menší než 0,1 % hm. Pro výpočet byla použita nejnižší hmotnost.
22
3.3.2 Stanovení popela Ke stanovení byl použit analytický vzorek, z něhož bylo odváženo do porcelánové misky 1 – 2 g dřeva s přesností na 0,0002 g. Misky byly umístěny do chladné muflové pece a teplota se zvyšovala tak, aby bylo dosaženo teploty 500 °C za 30 minut a za dalších 30 – 60 minut na 750 °C. Tato teplota se udržovala po dobu 90 minut. Po skončeném žíhání, 5minutovém chlazení na vzduchu a následném ochlazení na teplotu místnosti v exikátoru byly misky zváženy. Kontrolní žíhání bylo provedeno vždy po dobu 30 minut tak dlouho, až rozdíl mezi následujícími váženími byl menší než 0,1 % hm. Pro výpočet byla použita nejnižší hmotnost.
3.3.3 Stanovení prchavé hořlaviny Vzorek dřeva byl navážen do předem vyžíhaných a zvážených kelímků. Bylo naváženo 1,00 – 1,01 g vzorku s přesností na 0,0002 g. Kelímky byla opatřeny víčky, vloženy do stojánku a rychle zasunuty do pece, vyhřáté na teplotu 750 °C. Pokles teploty v peci musí být vyrovnán během 3 – 4 minut. Kelímky byly žíhány 7 minut, přičemž teplota nesmí být změněna o více než 20 °C. Po skončeném žíhání, vyjmutí z pece a 5minutovém ochlazení na vzduchu byly kelímky vloženy do exikátoru a nechaly se vychladnout na teplotu váhovny. Po vychladnutí byly zváženy.
23
4 Výsledky a diskuse Výsledky stanovení vody, prchavé hořlaviny a popele u jednotlivých druhů dřeva jsou uvedeny v Tab. IV. Z tabulky je patrné, že nejnižší obsah vody a popele je u briket, naopak nejvyšší u borovice, což má vliv na obsah prchavé hořlaviny v palivu. Tab. IV Výsledky stanovení odebraných vzorků paliva. Typy dřeva
Stanovení Voda*
Popel*
Prchavá hořlavina*
Bříza
20,0
0,47
79,5
Borovice
21,0
0,64
78,4
Brikety
17,0
0,26
82,7
* hmotnostní procenta
Primárním výsledkem měření emisí znečišťujících látek je soubor údajů zahrnujících objemové zlomky oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, oxidu dusíku, oxidu siřičitého a kyslíku. Vedle uvedených hodnot byly zaznamenány ještě teploty spalin v komíně. Konečným výsledkem měření emisí jsou průměrné půlhodinové hmotnostní koncentrace znečišťujících látek pro jednotlivé typy paliv. Soubor získaných dat je velice rozsáhlý, pro přehlednost jsou vybrány ty nejzajímavější. Nejdříve bude uveden vliv teploty v komíně na hmotnostní koncentrace znečišťujících látek u borovice, ostatní grafy paliv jsou podobné a proto jsou uvedeny v příloze. Dále bude provedeno srovnání koncentrací znečišťujících látek u jednotlivých druhů paliv, bude uvedeno pouze srovnání oxidu uhelnatého. Na závěr bude diskutován vliv velikosti přílože na koncentrace znečišťujících látek, tento vliv byl zkoumán pouze u borovice.
4.1 Vliv teploty v komíně na koncentrace znečišťujících látek Závislosti všech sledovaných znečišťujících látek pro jedno palivo jsou ilustrovány na příkladu borovice. Závislost hmotnostní koncentrace oxidu uhelnatého na teplotě v komíně je uvedena na Obr. 8. Z obrázku je patrné, že vlivem přiložení paliva dojde k rychlému nárůstu hmotnostní koncentrace CO i teploty v komíně. Poté teplota pozvolna klesá a vše se po další příloži opakuje. Na konci měřící doby je patrné, že i po rychlých příložích paliva teplota v komíně pozvolna stoupá, což bylo zřejmě způsobeno pomalým rozhořením paliva. Závěrem 24
lze říci, že se snižující teplotou v komíně roste hmotnostní koncentrace CO. Odezva přílože paliva do kamen se na teplotě v komíně projeví s určitým zpožděním, protože nejprve dochází k vysoušení paliva, uvolňuje se prchavá hořlavina a pak teprve dochází k zapálení a hoření paliva. 25
Borovice
20
teplota v komíně/°C
160
15 140 10 120
5
100 0:00
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
180
0 1:00
2:00
čas/hh:mm
3:00 t
4:00 přílož
5:00 CO
Obr. 8 Závislost hmotnostní koncentrace CO na teplotě v komíně u borovice.
Závislost hmotnostní koncentrace oxidu uhličitého na teplotě v komíně znázorňuje Obr. 9. Z obrázku je vidět, že koncentrace CO2 se příliš s teplotou v komíně nemění, pouze při příloži paliva do kamen, kdy teplota v komíně je nejnižší, klesne i hodnota oxidu uhličitého a poté rychle vzroste. Borovice
240 hmotnostní -3 koncentrace/g.m
180
teplota v komíně/°C
160
220
140
200
120 100 0:00
180 1:00
2:00
čas/hh:mm
3:00 t
4:00 přílož
5:00 CO2
Obr. 9 Závislost hmotnostní koncentrace CO2 na teplotě v komíně u borovice.
Závislost hmotnostní koncentrace oxidů dusíku na teplotě v komíně je uvedena na Obr.10. Z obrázku je patrné, že po příloži paliva do kamen opět dochází k velkému nárůstu koncentrace a teploty v komíně. Poté teplota postupně klesá a klesá i koncentrace NOx, přičemž u oxidu uhelnatého byla pozorována opačná závislost. Platí tedy čím nižší teplota v komíně, tím méně vzniká oxidů dusíku.
25
Borovice
0,22
160
hmotnostní koncentrace/g.m -3
180
teplota v komíně/°C
0,18
140
0,14
120
0,1
100
0,06
0:00
1:00
2:00
čas/hh:mm
3:00
4:00 přílož
t
5:00 NOx
Obr.10 Závislost hmotnostní koncentrace NOx na teplotě v komíně u borovice.
Závislost poslední znečišťující látky, tedy oxidu siřičitého je zobrazena na Obr.11. Opět je zde vidět veliký nárůst koncentrace oxidu siřičitého i teploty po příloži paliva. Dále si můžeme všimnout, že pokud teplota v komíně nepoklesne pod 130 °C a nedojde k příloži, koncentrace oxidu siřičitého se příliš nemění. Borovice
180
0,35
teplota v komíně/°C
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
0,3 160
0,25 0,2
140
0,15 0,1
120
0,05 100 0:00
0 1:00
2:00
čas/hh:mm
3:00 t
4:00 přílož
5:00 SO2
Obr.11 Závislost hmotnostní koncentrace SO2 na teplotě v komíně u borovice. Následující grafy na Obr.12 znázorňují průměrné půlhodinové hodnoty hmotnostních koncentrací znečišťujících látek v různých palivech po dobu trvání experimentu, tedy po dobu šesti hodin. Bylo zjištěno, že emise oxidu uhličitého a oxidu dusíku jsou pro všechna paliva srovnatelné. Rozdílné hodnoty emisí oxidu uhelnatého u dřevěných briket jsou pravděpodobně způsobeny pozdější příloží do kamen během měření. Kamna téměř vyhasla a rozhoření nových kusů paliva trvalo delší dobu, což mělo za následek neúměrné zvýšení emisí oxidu uhelnatého. K této situaci došlo při nízké teplotě v komíně, jak znázorňuje graf Příloha 1. Hodnoty oxidu siřičitého jsou také rozdílné, nízká hodnota u borovice je způsobena nižším obsahem síry ve dřevě. I přesto jsou však tyto hodnoty zanedbatelné v porovnání s ostatními zdroji oxidu siřičitého. 26
25
10 x
-3
hmotnostní koncentrace/g.m
hmotnostní koncentrace/g.m
-3
0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02
20 15 10 5 0
0
CO
NOx BŘÍZA
CO2
SO2
BOROVICE
BŘÍZA
BRIKETY
BOROVICE
BRIKETY
Obr.12 Průměrné hodnoty hmotnostních koncentrací u jednotlivých druhů paliv.
4.2 Srovnání koncentrace oxidu uhelnatého u použitých paliv Srovnání hmotnostní koncentrace oxidu uhelnatého u všech použitých paliv je uveden na Obr.13. Z grafu je patrné, že koncentrace oxidu uhelnatého u borovice a břízy jsou srovnatelné. Vyšší koncentrace oxidu uhelnatého u briket je způsoben nižší teplotou v komíně a tedy větší tvorbou oxidu uhelnatého, výrazný vzestup koncentrace na konci grafu je způsoben již zmiňovanou pozdní příloží. CO
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
25 20 15 10 5 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
půlhodinové průměry doby měření briketa
břiza
borovice
Obr.13 Závislost hmotnostní koncentrace na půlhodinových intervalech doby měření. 27
4.3 Vliv velikosti přílože na oxid uhelnatý Velikost přílože byla sledována pouze u borovice, kdy jako rozdílné hmotnosti paliva byly zvoleny velikosti nad 2 kg a pod 1 kg. Vliv velikosti přílože na oxid uhelnatý popisuje Obr.14. Koncentrace oxidu uhelnatého klesá a roste v závislosti na době přílože paliva a její
hmotnostní koncentrace/g.m
-3
velikosti, v součtu jsou pro velkou i malou přílož koncentrace srovnatelné.
7 6 5 4 3 2 1
1
2
3
4 5 6 7 8 9 půlhodinové inetrvaly doby měření CO velká
10
11
12
CO malá
Obr.14 Vliv velikosti přílože u borovice na hmotnostní koncentraci CO.
28
5 Závěr Semestrální projekt je zaměřen na studium emisí hlavních znečišťujících látek vznikajících při hoření ve spotřebičích malých výkonů. Snahou bylo sledovat emise krbových kamen za obvyklých provozních podmínek v domácnosti při spalování borového a březového dřeva a pilinových briket. Ze stanovení odebraných vzorků z jednotlivých paliv vyplývá, že nejnižší obsah vody a popele je u dřevěných briket a naopak nejvyšší u borovice, což je způsobeno rozdílným podílem prchavé hořlaviny. Z měření provedených dřevařským vlhkoměrem vyplývá, že skutečná průměrná vlhkost borového a březového dřeva byla okolo 25%. Ze spalovacích experimentů provedených se všemi palivy, během nichž bylo kontinuálně měřeno složení spalin, vyplývá: •
vliv druhů dřeva na emise znečišťujících látek je velmi malý, pokud je zachováno rovnoměrné přikládání paliva a nedojde-li k vyhasnutí kamen. Hmotnostní koncentrace oxidu uhličitého, oxidu siřičitého a oxidu dusíku jsou srovnatelné, liší se pouze hodnoty oxidu uhelnatého v případě spalování briket. Tato skutečnost byla způsobena pozdní příloží do kamen během měření, která měla za následek pomalé rozhořívání dřeva. Tím došlo ke značnému nárůstu koncentrace oxidu uhelnatého ve spalinách, který významně ovlivnil celkové průměrné emise této látky.
•
vliv velikosti přílože paliva, sledovaného u borovice, je taktéž velmi malý. Hmotnostní koncentrace oxidu uhelnatého jsou srovnatelné, stoupají a klesají v závislosti na fázi hoření paliva.
•
teplota v komíně, která přímo souvisí s teplotou v ohništi, má značný vliv na tvorbu znečišťujících látek. Je patrné, že s klesající teplotou v komíně, a tedy i ohništi, roste hmotnostní koncentrace oxidu uhelnatého.
Z výsledků měření vyplývá, že za obvyklých provozních podmínek je vliv velikosti přílože paliva a druhu paliva zanedbatelný. Nejvyšší koncentrace znečišťujících látek vznikají při rozhořívání a dohořívání paliva, tedy v době, kdy teplota v komíně dosahuje nejnižších hodnot. Optimálního režimu spalování lze dosáhnout především rovnoměrným přikládáním paliva do kamen, které zabrání nežádoucímu poklesu teploty v ohništi.
29
Seznam použité literatury 1. Ročenka ČHMÚ 2004 2. Bašta J., Brož K., Cikhart J., Štorkan M., Valenta V., Topenářská příručka - vybrané kapitoly, GAS s. r. o., Praha, 2001 3. Tekáč V., Snižování emisí znečišťujících látek při spalování tuhých paliv ve spotřebičích malých výkonů - disertační práce, Praha, 2003 4. Pospíšil, Spalovací procesy – přednášky, VŠCHT Praha, 2006 5. Hemerka J., Hrdlička F., Emise z kotelen a ochrana ovzduší, ČVUT Praha, 2004 (www.tzb-info) 6. Vejvoda J., Machač P., Buryan P., Technologie ochrany ovzduší a čištění odpadních plynů - vybrané kapitoly ze skript, VŠCHT Praha, 2003 7. Kafka E., Dřevařská příručka, SNTL Praha, 1989 8. Skácel F., Tekáč V., Analýza ovzduší - vybrané kapitoly ze skript, VŠCHT Praha, 2002 9. Bartovský T., Analyzátory emisí, VUSTE Servis, Praha, 1994
30
Seznam obrázků Obr. 1
Celkové emise základních znečišťujících látek v České republice v letech...............6
Obr. 2
Rovnovážný diagram reakce C + CO2 ↔ 2 CO. ........................................................7
Obr. 3
Vliv teploty a součinitele přebytku spalovacího vzduchu na tvorbu jednotlivých typů oxidů dusíku. ...............................................................................10
Obr. 4
Schéma aparatury. ....................................................................................................17
Obr. 5
Měřící systém magnetického analyzátoru – statická metoda. ..................................18
Obr. 6
Schéma NDIR spektrometru....................................................................................19
Obr. 7
Schéma chemiluminiscenčního analyzátoru NO/NO2 model 955 (Fisher-Rosemount). .................................................................................................20
Obr. 8
Závislost hmotnostní koncentrace CO na teplotě v komíně u borovice. ..................25
Obr. 9
Závislost hmotnostní koncentrace CO2 na teplotě v komíně u borovice..................25
Obr.10
Závislost hmotnostní koncentrace NOx na teplotě v komíně u borovice. ................26
Obr.11
Závislost hmotnostní koncentrace SO2 na teplotě v komíně u borovice. .................26
Obr.12
Průměrné hodnoty hmotnostních koncentrací u jednotlivých druhů paliv...............27
Obr.13
Závislost hmotnostní koncentrace na půlhodinových intervalech doby měření.......27
Obr.14
Vliv velikosti přílože u borovice na hmotnostní koncentraci CO. ...........................28
31
Seznam tabulek Tab. 1
Změnu skladby vytápění bytů v r. 2004 oproti r. 19911 .............................................2
Tab. 2
Složení certifikované plynné směsi použité pro nastavení měřícího rozsahu analyzátoru HORIBA PG 250.....................................................................15
Tab. 3
Charakteristika analyzátoru Horiba PG 250.............................................................16
Tab. 4
Výsledky stanovení odebraných vzorků paliva ........................................................24
32
Seznam příloh Příloha 1 Závislost hmotnostní koncentrace CO na teplotě v komíně u briket ........................34 Příloha 2 Závislost hmotnostní koncentrace CO2 na teplotě v komíně u briket.......................34 Příloha 3 Závislost hmotnostní koncentrace NOx na teplotě v komíně u briket.......................34 Příloha 4 Závislost hmotnostní koncentrace SO2 na teplotě v komíně u briket. ......................34 Příloha 5 Závislost hmotnostní koncentrace CO na teplotě v komíně u břízy. ........................35 Příloha 6 Závislost hmotnostní koncentrace CO2 na teplotě v komíně u břízy........................35 Příloha 7 Závislost hmotnostní koncentrace NOx na teplotě v komíně u břízy........................35 Příloha 8 Závislost hmotnostní koncentrace SO2 na teplotě v komíně u břízy. .......................35
33
Brikety
40
150
35 30
120
25 20
90
15 10
60
5 0
0:00
1:00
2:00 čas/hh:mm
3:00
4:00
5:00 přílož
t
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
teplota v komíně/°C
180
6:00 CO
Příloha 1 Závislost hmotnostní koncentrace CO na teplotě v komíně u briket Brikety
420 380
teplota v komíně/°C
150
340 120
300 260
90
220 60
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
180
180
0:00
1:00
2:00
čas/hh:mm
3:00
4:00
5:00 přílož
t
6:00 CO2
Příloha 2 Závislost hmotnostní koncentrace CO2 na teplotě v komíně u briket. Brikety
0,2
150
0,16
120
0,12
90
0,08
60
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
teplota v komíně/°C
180
0,04
0:00
1:00
2:00
3:00 čas/hh:mm
4:00
5:00 přílož
t
6:00 NOx
Příloha 3 Závislost hmotnostní koncentrace NOx na teplotě v komíně u briket.
Brikety
1,2
teplota v komíně/°C
150
0,8
120 0,4
90 60 0:00
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
180
0 1:00
2:00
čas/hh:mm
3:00
4:00 t
5:00 přílož
6:00 SO2
Příloha 4 Závislost hmotnostní koncentrace SO2 na teplotě v komíně u briket. 34
30 25
150
20 15
130
10
110
5
90 0:00
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
teplota v komíně/°C
Bříza 170
0 1:00
2:00
3:00 čas/hh:mm
4:00 t
5:00 přílož
6:00 CO
Příloha 5 Závislost hmotnostní koncentrace CO na teplotě v komíně u břízy.
Bříza
190
260 250 hmotnostní -3 koncentrace/g.m
teplota v komíně/°C
170
240
150
230
130
220 210
110
200
90 0:00
190 1:00
2:00
3:00 čas/hh:mm
4:00 t
5:00 přílož
6:00 CO2
Příloha 6 Závislost hmotnostní koncentrace CO2 na teplotě v komíně u břízy.
Bříza
190
0,35
teplota v komíně/°C
hmotnostní -3 koncentrace/g.m
0,3
170
0,25
150
0,2 130
0,15
110
0,1
90
0,05
0:00
1:00
2:00
3:00 čas/hh:mm
4:00 t
5:00 přílož
6:00 NOx
Příloha 7 Závislost hmotnostní koncentrace NOx na teplotě v komíně u břízy.
1,2 1
150
0,8
hmotnostní koncentrace/g.m -3
teplota v komíně/°C
Bříza 170
0,6
130
0,4
110
0,2
90 0:00
0 1:00
2:00
3:00 čas/hh:mm
4:00 t
5:00 přílož
6:00 SO2
Příloha 8 Závislost hmotnostní koncentrace SO2 na teplotě v komíně u břízy. 35
