VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE

PROJEKT NÁHRADY PLYNOVÉHO ZDROJE BIOMASOU THE PROJECT TO REPLACE GAS RESOURCE BY BIOMASS

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. PETR LOCHMAN

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2015

Ing. MAREK BALÁŠ, Ph.D.

VUT v BRN FSI EÚ

Diplomová práce Projekt náhrady plynového zdroje biomasou

Bc. Petr Lochman 2014/2015

Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá návrhem a výpočtem teplovodního kotle na biomasu, který by m l být použit k vytáp ní administrativních budov zem d lského podniku. Prvkový rozbor paliva byl určen podle doporučené literatury. Pro dané složení paliva byly zpracovány stechiometrické výpočty. Dále byl určen pot ebný výkon kotle a srovnán s původním výkonem plynového kotle, který byl doposud využíván k vytáp ní. Dále byly provedeny tepelné výpočty a návrh vým níku tepla.

Abstract This master’s thesis describes the design and calculation of the biomass hot water boiler which should be used for heating of office buildings in a collective farm. Fuel composition was determined by recommended literature. Stoichiometric calculations were processed for the fuel composition. The required boiler heat output was determined and compared with the original gas boiler, which was previously used for heating. The thermal calculation of the boiler and the design of the heat exchanger was also performed.

Klíčová slova Biomasa, kotel, voda, spalovací komora, rošt, vým ník tepla,

Keywords Biomass, boiler, water, combustion chamber, grate, heat exchanger

-4-

VUT v BRN FSI EÚ



Bibliografická citace LOCHMAN, P. Projekt náhrady plynového zdroje biomasou. Brno: Vysoké učení technické v Brn , Fakulta strojního inženýrství, 2015. 61 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Marek Baláš, Ph.D..

-5-

VUT v BRN FSI EÚ



Čestné prohlášení Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval samostatn bez cizí pomoci. Vycházel jsem p i tom ze svých znalostí, odborných konzultací a literatury uvedené v seznamu. V Brn dne 24.5.2015

Podpis: ……………………………........ Petr Lochman

-6-

VUT v BRN FSI EÚ



Poděkování D kuji panu Ing. Marku Balášovi, Ph.D., vedoucímu diplomové práce, za cenné rady, podn ty a čas v novaný konzultacím. Rovn ž d kuji firm Tenza, a.s. a panu Ing. Stanislavu Kramlovi za pomoc p i získávání pot ebných podkladů a za čas v novaný konzultacím.

-7-

VUT v BRN FSI EÚ



Obsah 1.

ÚVOD .................................................................................................................... 10

2.

Pojem Biomasa.......................................................................................................11 2.1

Výhody a nevýhody biomasy .............................................................................. 12

2.2

D evní št pka ...................................................................................................... 12

2.3

Náhrada alternativních druhů paliv biomasou...................................................... 13

2.4

Vliv vlhkosti na výh evnost ................................................................................ 13

2.5

Vlastnosti popele ................................................................................................ 14

2.6

Chemické složení ho laviny ................................................................................ 15 Št pkovače ............................................................................................................. 16

3. 3.1

Rozd lení št pkovačů ......................................................................................... 16 Konstrukce kotlů na biomasu .................................................................................. 18

4. 4.1

Kotle s manuálním p ikládáním Ěručníě ............................................................... 18

4.2

Poloautomatické kotle ......................................................................................... 19

4.2.1

Topeništ se spodním p ívodem paliva......................................................... 20

4.2.2

Topeništ s p íčným p ívodem paliva ........................................................... 21

4.2.3

Topeništ se shazováním paliva ................................................................... 22

4.2.4

Topeništ s otočným válcovým roštem......................................................... 23

Zanášení teplosm nných ploch ............................................................................... 24

5. 5.1

Způsoby čišt ní teplosm nných ploch ................................................................. 24

5.1.1

Manuální mechanické čišt ní ....................................................................... 24

5.1.2

Ofukovač nánosů ......................................................................................... 24

5.1.3

Vodní tryska ................................................................................................ 25

5.1.4

Sprchový čistící systém ................................................................................ 25

5.1.5

Oklepávací systém ....................................................................................... 26

5.1.6

Brokový čistící systém ................................................................................. 27

Stechiometrické výpočty ........................................................................................ 27

6. 6.1

Minimální objem vzduchu a spalin ...................................................................... 28

6.2

Objemy vzduchu a spalin .................................................................................... 29

6.2.1 6.3

Množství vzduchu a spalin ........................................................................... 29

Entalpie vzduchu a produktů spalování ............................................................... 31 Tepelná bilance ...................................................................................................... 33

7. 7.1

Teplo p ivedené do kotle ..................................................................................... 33

7.2

Ztráty kotle a tepelná účinnost ............................................................................ 33

7.2.1

Ztráta ho lavinou v tuhém zbytku ................................................................ 34

7.2.2

Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků ......................................................... 34

7.2.3

Ztráta fyzickým teplem spalin ...................................................................... 35 -8-

VUT v BRN FSI EÚ



7.2.4

Ztráta sdílením tepla do okolí....................................................................... 35

7.2.5

Ztráta ho lavinou ve spalinách ..................................................................... 36

7.2.6

Tepelná účinnost kotle ................................................................................. 36

Určení tepelného výkonu zdroje .......................................................................... 36

7.3

7.3.1

Prům rná spot eba zemního plynu ............................................................... 36

7.3.2

Prům rné množství tepla za rok ................................................................... 37

7.3.3

Tepelný výkon zdroje .................................................................................. 37

Množství paliva ..................................................................................................38

7.4

Výpočet spalovací komory ..................................................................................... 38

8.

Tepelný výpočet ohništ ..................................................................................... 39

8.1

8.1.1

Určení adiabatické teploty v ohništi ............................................................. 39

8.1.2

Pom rná teplota spalin ................................................................................. 40

8.1.3

Součinitel M ................................................................................................ 41

8.1.4

Boltzmanovo číslo ....................................................................................... 41

8.1.5

Součinitel tepelné vodivosti st n .................................................................. 42

8.1.6

Stupeň černosti ohništ ................................................................................ 42

8.1.7

Množství tepla odevzdaného v ohništi do st n .............................................. 43

8.1.8

Znázorn ní spalovací komory ...................................................................... 44

Výpočet teplosm nných ploch ................................................................................ 44

9.

Výpočet žárotrubnatého vým níku tepla ............................................................. 46

9.1

9.1.1

Součinitel p estupu tepla konvekcí pro podelné proud ní ............................. 47

9.1.2 sebou

Součinitel p estupu tepla p i spalování tuhých paliv s uspo ádáním svazku za 47

9.1.3

Pot ebná ideální plocha pro vým ník ........................................................... 47

9.1.4

St ední logaritmický spád ............................................................................ 48

9.1.5

Výrobní teplosm nná plocha ........................................................................ 48

9.1.6

Výpočet velikosti retortového ho áku........................................................... 48

9.1.7

P epočet teploty spalin na výstupu z vým níku tepla ....................................48

10.

Návrh na zpracování paliva .................................................................................... 49

10.1

Návrh dopravy paliva do spalovací komory ..................................................... 50

10.2

Výpočet velikosti zásobníku paliva kotle ......................................................... 51

10.3

Určení p ebytku či nedostatku biomasy ........................................................... 52

11.

Záv r ...................................................................................................................... 53

-9-

VUT v BRN FSI EÚ



1. ÚVOD Význam obnovitelných zdrojů energie a průmyslových surovin stále stoupá. Zásobování energií na sv t se stává strategickým problémem trvale udržitelného způsobu života. S tím souvisí nezbytnost redukce skleníkových plynů. ešení situace je nutné hledat v obnovitelných zdrojích energie, z nichž nejvýznamn jší je biomasa. Její význam spočívá nejen v nejv tším podílu ze všech obnovitelných zdrojů energie a v možnosti jejího skladování, ale zejména ve zlepšení bilance tolik nebezpečných emisí CO2, neboť jejím spalováním vzniká pouze takové množství CO2, které bylo spot ebováno k jejímu růstu. Mluvíme tedy o nulovém procesu z hlediska bilance CO2. V energetice se biomasa hojn používá obzvlášt kvůli dotacím a výhodám plynoucím z jejího využití. Mezi jeden ze způsobů energetického využití biomasy pat í spalování d evní št pky v topeništích, konkrétn v teplovodním kotli, jimž se zabývá tato diplomová práce. Tento teplovodní kotel je určen pro vytáp ní administrativních budov a p ilehlé strojírny zem d lského podniku.

-10-

VUT v BRN FSI EÚ



2. Pojem Biomasa Biomasa je veškerá organická hmota v kolob hu živin v biosfé e. Jsou to všechny organismy Ěživočichové, rostliny, houby, bakterie a siniceě, živé i mrtvé, od nejv tších po mikroskopické. Energie biomasy má původ ve slunečním zá ení a lze ji na rozdíl od energie z fosilních paliv obnovovat, proto pat í mezi obnovitelné zdroje energie. V rámci energetických účelů se využívá p stovaná rostlinná biomasa Ětzv. energetické plodinyě a zem d lské odpady lesní, nebo potraviná ské produkce. Biomasa může být využita pro výrobu elekt iny a tepla, může také sloužit k pohonu vozidel. Energie z biomasy lze získat chemickými, pop . biochemickými procesy. Základní technologií je spalování. Doplňují ho další technologie, jako jsou zplyňování, pyrolýza, zkapalňování, esterifikace, fermentace, lisování, kvašení. Biomasu d líme dle p ílohy č. 1 k vyhlášce č. 4Ř2/2005 Sb., o stanovení druhů, způsobů využití a parametrů biomasy p i podpo e výroby elekt iny z biomasy v platném zn ní, na t i hlavní druhy: 





Lesní biomasa ĚDendromasaě o Biomasa získávaná v sektoru lesního hospodá ství Zem d lská biomasa ĚFytomasaě o Biomasa získávaná z jednoročních rostlin Zbytková biomasa o podstatná část potenciálu energetické biomasy o zbytky, vedlejší produkty a odpad ze zpracování primárních zdrojů rostlinné nebo živočišné biomasy

Lesní biomasa Za Lesní biomasu považujeme palivové d evo a veškeré zbytky dendromasy z lesnického d evozpracujícího průmyslu. Existuje n kolik technologií jak tyto zbytky zpracovat do p ijateln jší a skladn jší formy paliva Ěnap . hobliny, t ísky se zpracují do pelet, briketě. Zemědělská biomasa Zem d lská biomasa zahrnuje veškeré plodiny, které jsou p stovány cílen za účelem energetického využití. Všeobecn se hovo í o tzv. Energetických rostlinách. P stováním t chto rostlin se využívají p edevším rekultivované půdy a půdy nevhodné pro zem d lské účely. Z důvodu restrukturalizace lze energetické rostliny dob e začlenit i na zem d lské půdy. Jedná se o substituci potraviná ských plodin alternativními energetickými rostlinami. Tyto zem d lské oblasti se tak stávají energeticky sob stačné. Pod pojem Energetické rostliny spadají energetické trávy, byliny, jednoleté a víceleté plodiny. Dále sem pat í rychle rostoucí d eviny (topol, akát, vrbaě p stované na zem d lských půdách či seno z udržovaných travnatých ploch. Zbytková biomasa Zaujímá široký rozsah druhů biomasy vznikající sekundárn p i primárním zpracování zdrojů živočišné, nebo rostlinné biomasy. Nejv tší část odpadu zahrnují nevyužité zbytky z d evovýroby, výroby papíru a buničiny. Dalšími zdroji jsou potraviná ský a lihovarský průmysl. Tento odpad se dále zpracovává do p ijateln jší formy paliva Ěnap . hobliny, t ísky se zpracují do pelet, briketě. -11-

VUT v BRN FSI EÚ



Výhody a nevýhody biomasy

2.1 Výhody      

pom rn nízká cena biomasy využití odpadu Ězbytek po spalování = hnojivoě uzav ený cyklus CO2 využití půdy nevhodné pro p stování potraviná ských plodin dostupnost nízký obsah škodlivin

Nevýhody  nižší výh evnost  pot eba skladovacích prostor  velký vliv vlhkosti na spalovací procesy  v tší rozm ry skladu a p íslušenství  složit jší manipulace v porovnání s elekt inou a plynem

2.2

Dřevní štěpka

D evní, resp. lesní št pka je strojn nakrácená a nadrcená d evní hmota na částice o možné délce od 3 do 250 mm. Je získávána z odpadů lesní t žby a průmyslového zpracování d eva, nebo rychle rostoucích d evin. Podle kvality št pky a dalších p ím sí ji můžeme d lit na:  



zelená štěpka (lesní) – Št pka získaná ze zbytků po lesní t žb . Lze v ní nalézt nejen části drobných v tví, ale také listí, p ípadn jehličí Ěproto zelená št pkaě. Tím, že se zpracovává čerstvá, je vlhkost této št pky vysoká. hnědá štěpka – Št pka získaná ze zbytkových částí kmenů, pila ských od ezků apod. Sjednocujícím prvkem je obsah kůry. D íví totiž nebylo p ed zpracováním odkorn no (d evorubecký úkon, p i n mž se pokácené kmeny zbavují kůry k rychlejšímu vysychání d eva a k jeho ochran p ed napadením hmyzem a houbamiě, lze tedy na jednotlivých št pkách rozpoznat části kůry. bílá štěpka – Št pka získaná z odkorn ného d íví, obvykle od ezků p i pila ské výrob . Ani na jednotlivých št pkách se již nenachází kůra Ěnarozdíl od št pky hn déě. Využívá se p edevším pro výrobu d evot ískových desek.

-12-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 1 D evní štěpka [7] Pro skladování d evní št pky pot ebujeme díky její nízké objemové hmotnosti prostorn jší sklady, velkoobjemová sila, nebo haly. Ve skladu musí být p edevším zaručeno nezbytné prov trávání. Palivová št pka má vyšší obsah vody, je náchylná k plesniv ní a zapa ování, což by mohlo v uzav ených místnostech vést k riziku samovznícení. Dostatečné prov trávání skladu nám zajistí i dosoušení št pky b hem skladování. Uskladn ní p ímo ve vytáp ných obytných budovách bez účinného prov trávání skladu se nedoporučuje. [7]

2.3

Náhrada alternativních druhů paliv biomasou

Jedna tuna d evní hmoty na vstupu do tepelného zdroje Ěo daném obsahu vody W %ě je schopna nahradit následující paliva, viz tabulka 1. Tab. č.1 Jedna tuna d evní hmoty je schopna nahradit [5]

2.4

Dřev í h ota W [%]

Výhřev ost dřev í h oty [MJ/kg]

Náhrada h ědého uhlí [kg]

Náhrada čer ého uhlí [kg]

Náhrada LTO [kg]

Náhrada ze ího plymu [m3]

10

16,4

982,62

643,13

400

482,35

20

14,13

846,6

554,12

344,63

415,59

30

11,87

711,2

465,49

289,51

349,12

40

9,6

575,2

376,47

234,14

282,35

50

7,33

439,2

439,18

178,78

215,49

Vliv vlhkosti na výhřevnost

Vlhkost biomasy má záporný dopad na výh evnost. Se vzrůstající vlhkostí se rapidn snižuje výh evnost. Dle obsahu vody rozlišujeme biomasu na suchou, mokrou a speciální. Vlhkost v d ev způsobuje ztrátu energie, která se spot ebuje na vysušení a odejde ve form páry. Následující tabulka vystihuje daný problém. Požadované vlhkosti 20 % dosáhneme po roce skladování. [6]

-13-

VUT v BRN FSI EÚ



Tab. č.2 Vliv vlhkosti d eva a d evní štěpky na výh evnost a měrnou hmotnost [6] Druh paliva

Pole o ěkké dřevo

Dřev í štěpka

Obsha vody [%]

Výhřev ost [MJ/kg]

Obje ová h ot ost vol ě lože á [kg/ 3]

0

18,56

355

10

16,4

375

20

14,28

400

30

12,18

425

40

10,1

450

50

8,1

530

10

16,4

170

20

14,28

190

30

11,87

210

40

10,1

225

Graf č. 1: Závislost výh evnosti na obsahu vody v biomase [6]

2.5 Vlastnosti popele Dalším velmi důležitým parametrem paliva je obsah popela, respektive jeho teplota tavení. Popel je podíl paliva, který vznikne jeho dokonalým spálením. Vzniká z minerálních složek obsažených ve spalovaném palivu nazývané popeloviny. P i spalování paliva se popeloviny teplem rozkládají v oxidační atmosfé e a t kavé složky p echázejí do spalin. Popel stejn jako voda je nežádoucí složkou paliva, jak z hlediska výh evnosti, tak z hlediska chování paliva. Je-li teplota tavení popele nižší než teplota plamene p i ho ení, pak dochází k zanášení a zastruskování roštu ohništ . Tento nežádoucí jev způsobuje značné problémy p i samotném spalování. Zastruskováním pohyblivých roštů, pop ípad šamotové vyzdívky, se velmi razantn snižuje funkčnost kotle. Palivo dokonale neproho í, čímž se nejen snižuje účinnost kotle, ale roste i obsah škodlivých látek ve spalinách, které odcházejí. Nánosy popelovin na st nách topeništ difundují do vyzdívky, která se následn po tenkých vrstvách odlupuje. -14-

VUT v BRN FSI EÚ



Proto je snaha tomuto problému p edcházet takovým způsobem, že teplota na roštu by m la být nižší, než je teplota tavení popele spalované biomasy. Obecné se dá íci, že obsah popela ve d ev je ve srovnání s ostatními pevnými palivy velmi nízký. Ve d ev se hodnota obsahu popele pohybuje v rozmezí 0,6 – 1,6 %, u kůry může ojedin le p ekročit 3 %. Vyšší obsah popela v ků e stromů než ve d ev je z ejm dán jejím v tším znečišt ním. Obsah popela v černém uhlí je v mezích 20 – 30 %, u hn dého uhlí může být toto množství i daleko v tší. [12]

2.6 Chemické složení hořlaviny Chemické složení ho laviny různých druhů d evní hmoty je uvedeno v tabulce níže. Pro možnost porovnání je v tabulce uvedeno i složení b žného hn dého uhlí a obsah popelovin v sušin As. Jak je z této tabulky patrno, je prvkové složení různých druhů d evní hmoty a kůry prakticky shodné. Vzhledem k tomu bude i výh evnost různých druhů d evní hmoty, pro danou vlhkost W, prakticky shodná. Z tohoto důvodu je nutno odstranit i b žný názor, že tvrdé d evo má vyšší výh evnost než d evo m kké. Tato domn nka je založena pouze na tom, že tvrdé d evo má vyšší m rnou hmotnost než d evo m kké, což v podstat znamená, že p i použití stejného objemu paliva jsme dodali nap . do kotle rozdílnou energii ve vstupním palivu v pom ru m rných hmotností porovnávaných paliv.[5] Tab. č. 3 Chemické složení ho laviny [5] složka [%]

dřevo

kůra

h ědé uhlí

50,5

51,4

69,5

6,15

6,2

6,1

5,5

42,2

43,25

42,7

42,2

23

S

--

--

--

--

1

N

0,6

0,6

0,6

0,3

1

As

1,0

1,0

1,0

2,3 - 5,0

25

jehlič até

list até

s íše é

C

51

50,0

H

6,2

O

Z tabulky č.3 je patrno, že p i spalování d evní hmoty prakticky nevzniká žádná emise SO 2 a obsah popelovin a dusíku je velmi nízký nap . v porovnání s hn dým uhlím. Z tohoto důvodu jsou i emise Nox p i spalování d evní hmoty na p ízniv nízké koncentraci.[5] Pokud p i spalování paliva nevzniká plynná emise SO2 je teplota rosného bodu spalin pouze funkcí vlhkosti spalovaného paliva a hodnoty součinitele p ebytku spalovacího vzduchu alfa. Výše teploty rosného bodu spalin pak ovlivňuje tepelnou účinnost kotle a to v důsledku komínové ztráty. P i spalování d evní hmoty je teplota rosného bodu spalin pom rné nízká a to cca 60 °C, což pro porovnání s hn dým uhlím p edstavuje snížení teploty rosného bodu minimáln o 50 %.[5]

-15-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 2 Závislost teploty rosného bodu spalin na vlhkosti d evní hmoty [5] Z obrázku č.2 je patrno, že teplota rosného bodu spalin leží v oblasti pom rn nízkých teplot, které odpovídají cca spalování zemního plynu. P i dostatečném ochlazení spalin vystupujících z kotle je možno docílit i vyšší tepelnou účinnost kotle.[5]

3. Štěpkovače Št pkovače produkují št pku, která má relativn malou plochu a proto se nehodí ke kompostování. Jedna z nevýhod št pkovačů jsou jeho pracovní orgány, které jsou mnohem citliv jší vůči cizím t lesům a snadno se poškodí. Výhodou št pkování je, že výsledný produkt vzniká bezt ískovým d lením d eva a jednotlivé částice mají relativn velmi podobnou velikost a tvar. Proto je št pka vhodná na energetické využití a p ípadn i k dekorativnímu využití. [9]

3.1







Rozdělení štěpkovačů Podle energetického zdroje o Elektrické o Se spalovacím motorem o P ipojitelné k dopravnímu prost edku Podle typu konstrukce o Ruční o Nesené o Tažné o Samojízdné Podle p íkonu o Malé Ědo 40 kWě o St ední Ě40 – 110 kW) o Velké Ěnad 110 kWě

-16-

VUT v BRN FSI EÚ 





Podle typu podávání materiálu o Ruční o Mechanické  Podávání materiálu zajišťuje obvykle hydraulická ruka nebo podávací dopravník Ě et zový, válcovýě Podle druhu pracovních orgánů o Diskové Ěkotoučovéě  Jedná se o nejrozší en jší typ št pkovače. Materiál je posouván kolmo na rotor (disk, kotoučě, na kterém jsou p ipevn ny nože. Mezi jeho výhody pat í schopnost št pkovat d evní materiál s prům rem až 500 mm. Samotný rotor ud lí št pkám dostatečnou kinetickou energii a není tedy pot eba metač. Nevýhodou je, že na relativn malý vstupní otvor je pot eba velký prům r rotoru. Tento typ se tedy nehodí na chaoticky uspo ádaný d evní materiál. o Bubnové  Rotor se skládá z ocelového válce, na kterém jsou p ipevn ny nože. Výhodou je možnost snadno zv tšovat vstupní otvor, a to buď prodlužováním válce, nebo zv tšováním jeho prům ru. V kombinaci s podávacími válci se tedy tento typ hodí na št pkování v tví, klestu a podobných materiálu. Št pka obvykle nemá dostatečnou kinetickou energie a pro její transport se tedy musí využít metač nebo n jaký typ dopravníku. Tato provedení št pkovačů dokáží zpracovat kmeny s prům rem až 900 mm [8] o Spirálové  Pracovním orgánem je rotor ve tvaru spirály.

Obr. č. 3 Schéma diskového (kotoučového) štěpkovače [10]

-17-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 4 Schéma bubnového štěpkovače [11]

Obr. č. 5 Schéma spirálového štěpkovače [8]

4. Konstrukce kotlů na biomasu Kotle podle způsobu p ívodu paliva můžeme rozd lit na kotle. 



Manuální p ikládání Automatické p ikládání

4.1 Kotle s manuálním přikládáním (ruční) Klasickým a dosud nejrozší en jším konstrukčním ešením je velkoobjemové ohništ (se spodním odho íváním, nebo proho ívacíě, do kterého lze pro co možná nejdelší periodu p ikládání p iložit najednou velké množství paliva. U t chto kotlů se palivo dodává do topeništ p es horní nakládací dví ka, nebo nakládací dví ka umíst ná z čelní Ěp edníě strany kotle, p ičemž nakládání paliva čelními dví ky je pro obsluhu mén namáhavé než v p ípad horních dví ek. Čerstv p iložené palivo se postupn zah ívá, vysušuje, a poté se začíná uvolňovat prchavá ho lavina, jejíž zapálení p edstavuje počátek ho ení. Tento proces probíhá různou rychlostí, danou konstrukcí a kvalitou provedení kotle. -18-

VUT v BRN FSI EÚ



U kotlů s ruční obsluhou není možné regulovat jejich tepelný výkon a proces spalování dodávkou paliva. Proto u kotlů s ruční dodávkou paliva je možné použít regulování tepelného výkonu a procesu spalování pouze regulací množství primárního a sekundárního spalovacího vzduchu, resp. jejich správné p erozd lení. P ívod primárního vzduchu ovlivňuje uvolňování plynné složky paliva, a tím i výkon kotle. Sekundárním vzduchem se ovlivňuje vypálení ho lavých plynů.

Obr. č. 6 Kotel s ručním p ikládáním [14]

4.2 Poloautomatické kotle Moderní kotle na spalování pevných paliv používají systém kontinuálního p ívodu paliva do ohništ . Ve v tšin p ípadů se jedná o dopravu pomocí šnekových dopravníků. Automatická doprava paliva do kotle zajišťuje stabilitu spalovacího procesu, stabilitu požadovaného výkonu a komfort pro uživatele. Technicky má takové ešení jeden problém. Čím menší množství paliva je zapot ebí nep etržit dopravovat do ohništ , tím musí být jeho jednotlivé částice menší. Je dosti obtížné p edstavit si dopravní za ízení, které b hem minuty spolehliv dopraví do ohništ pouhých 15 dkg paliva. Je však možné palivo dopravovat p etržit , periodicky a celý proces automatizovat tak, že impulsem k spušt ní dopravníku bude výstupní teplota vody, nebo se bude dopravník spoušt t cyklicky s určenou dobou pln ní a prodlevy. [15] Automatické kotle na pevná paliva pro úst ední vytáp ní mohou využívat jak spalování na roštu, tak speciálních ho áků či ho ákového provedení spalovací komory, dále spodního p ívodu paliva, nebo zplyňování. Velice důležitá je ídicí jednotka, která všechny systémy koordinuje a zajišťuje komunikaci kotle s uživatelem. Stupeň a preciznost automatizace je hlavním důvodem odlišnosti cen u kotlů stejné výkonové úrovn .

-19-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 7 Kotel s automatickým p ikládáním paliva[16] Kotle s automatickým ízením se vyznačují tím, že krom regulace tepelného výkonu, resp. i procesu spalování, jsou schopny ídit p ívod paliva a to, buď kontinuáln , nebo stupňovit . Automatické dodávce paliva musí být p izpůsobena i samotná forma paliva. U zdrojů tepla s automatickým ízením se můžeme setkat s různými typy konstrukcí topenišť  Topeništ se spodním p ívodem paliva 





Topeništ s p íčným p ívodem paliva Topeništ se shazováním paliva Topeništ s otočným válcovým roštem

4.2.1 Topeniště se spodním přívodem paliva V topeništích se spodním p ívodem paliva (Obr. 8) se palivo dopravuje do spalovací pánve pomocí šnekového dopravníku. Primární spalovací vzduch se p ivádí do spalovací pánve pomocí otvorů a postupn dochází k vysušování paliva, pyrolytickému rozkladu, zplyňování paliva a ho ení. Uvoln né ho lavé plyny se okysličují sekundárním spalovacím vzduchem p ed vstupem do doho ívací komory. Odchozí spaliny na cest do komína p edávají teplo ve vým níku, kde se oh ívá teplonosné médium.

Obr. č. 8 Topeniště se spodním p ívodem paliva[17] -20-

VUT v BRN FSI EÚ



4.2.2 Topeniště s příčným přívodem paliva Do kotlů s topeništ m s p íčným p ívodem je palivo dodávané ze strany. P i tomto typu topeništ se používá buď spalování roštové, nebo bezroštové. Doprava paliva do topeništ se p i palivech s jemnozrnnou a rovnom rnou strukturou p evážn realizuje pomocí šnekového dopravníku. U roštového topeništ p evažují systémy s pevným roštem ĚObr. 9). P i vyšších výkonech lze použít topeništ s posuvným roštem, kde se palivo posouvá pohybem roštnic vp ed a vzad (Obr. 10).

Obr. č. 9 Topeniště s pevným roštem a p íčným p ívodem paliva[17]

Obr. č. 10 Topeniště s posuvným roštem a p íčným p ívodem paliva[17] Topeništ s posuvem paliva po pevném roštu mohou být realizována jako nechlazená (Obr. 11 vlevo), nebo chlazená vodou ĚObr. 11 vpravoě. Konstrukce vodou chlazeným topeništ m Ěpevné podlahyě jsou vhodné krom spalování št pky a pelet i pro spalování paliva s vysokým obsahem popela a paliva se sklonem k tvorb škváry Ěobilí, zrnoě.

-21-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 11 Topeniště s p íčným p ívodem paliva (nechlazené vlevo, chlazené v pravo)[17] Primární spalovací vzduch je vhodným způsobem p ivád n do prostoru primární zóny spalování paliva, a to buď p es rošt p ívodními vzduchovými kanály, nebo tryskami. U roštových konstrukcí splňuje primární vzduch také funkce roštového chlazení, což zmenšuje riziko tvorby škváry a p eh ívání materiálu. Sekundární vzduch se p ivádí do prostoru p ed vstupem do doho ívací komory. U paliv bohatých na popel se může popel pomocí šneku odvád t do velkého zásobníku popela.

4.2.3 Topeniště se shazováním paliva Topeništ se shazováním paliva, n kdy označováno jako horní p ívod, byla speciáln vyvinuta pro spalování d evních pelet. Tato konstrukce topeništ není vhodná pro spalování d evní št pky. Pelety se dopravují šnekovým dopravníkem do horní polohy tak, aby pelety padaly trubou, nebo šachtou shora do rozžhaveného roštu, který se může nacházet buď ve vym nitelné pánvi ohništ (Obr. 12), na p ekláp cím roštu ĚObr. 13), nebo ve spalovacím tunelu ĚObr. 14). P ívod primárního a sekundárního spalovacího vzduchu je zajišťován buď od spodu, respektive p es boční vzduchové trysky. Tento typ topeništ se používá pro malé tepelné výkony, p ibližn do 30 kW.

Obr. č. 12 Topeniště se shazováním paliva do pánevního ohniště[17]

-22-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 13 Topeniště se shazováním paliva na p eklápěcí rošt[17]

Obr. č. 14 Topeniště se shazováním paliva do spalovacího tunelu[17]

4.2.4 Topeniště s otočným válcovým roštem Topeništ s otočným válcovým roštem ĚObr. 15ě se oproti klasickým roštům liší v konstrukci otáčivého roštu, na kterém probíhá ho ení. Palivo se automaticky sesouvá z násypky na rošt, nebo je podáváno dávkovacím šnekem. Na roštu tedy ho í jen optimální množství paliva. Otáčivý pohyb roštu zajišťuje p ísun paliva ze zásobníku a odvod popela. U správn nastaveného krokování roštu musí být popel odcházející do popelníku do šeda vyho elý. Z komína by nem l vycházet tmavý kou . U moderních kotlů ídí spalování automatická regulace kotle a topný výkon je utlumován postupn . V p ípad snížení odb ru tepla je oheň v topeništi utlumený a doutná pouze n kolik uhlíků. Palivo v kotli nevyhasne ani v p ípad 12 hodinového výpadku elektrické energie a poté se bez zapálení a zásahu obsluhy automaticky spustí Doplňování paliva je buď ruční, mechanické, nebo šnekovými pop . pásovými dopravníky. Účinnost kotlů p esahuje 80 % a sv dčí o velmi dobré konstrukci a kvalitním spalování.

-23-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 15 Automatický kotel s otáčivým válcovým roštem[17]

5. Zanášení teplosměnných ploch Zanášení teplosm nných ploch se často objevuje v souvislosti s provozem všech teplosm nných aparátů. Jedná se o proces, jehož následkem dochází v první ad ke snížení výkonu a účinnosti za ízení. Dlouhodob jší vliv zanášení může omezit i životnost za ízení.

5.1 Způsoby čištění teplosměnných ploch Způsob čišt ní zanesených ploch za ízení na vým nu tepla má významný vliv na průb h a následky zanášení. Volba správné metody čišt ní sníží energetické požadavky procesu a také náklady na údržbu za ízení, použitím vhodných on-line metod lze zvýšit dobu mezi odstávkami výroby.

5.1.1 Manuální mechanické čištění Nánosy jsou odstraňovány pomocí kartáčů, škrabek, mechanických kladiv či vibrátorů. Manuální mechanické čišt ní je časov náročné a v tšinou nebývá dosaženo požadované čistoty ploch. Proto často následuje n která z dalších důkladn jších metod.

5.1.2 Ofukovač nánosů Ofukovač nánosů je trubka (viz obr.16ě zasunutá do oblasti pece či kotle vybavená tryskami, kterými sm uje proud čisticího média na zanesenou plochu. Čisticí médium naráží na nanesenou vrstvu vysokou rychlostí a odstraňuje ji působením smykového nap tí. Efektivita této metody je závislá na geometrii trysek a tlaku čisticího média. Nejčast ji se používá pára, nebo vzduch, n kdy obohaceny antikorozními a protizanášivými činidly. Ofukovače nánosů lze použít na různých místech procesní linky. Ofukovače st n jsou vhodné pro odstran ní škvárovitého nánosu na st nách spalovací komory, vyjímatelné ofukovače jsou používány na čišt ní trubek p eh íváku. Trubkový svazek ekonomizéru lze čistit rotačními ofukovači, které mohou být vzhledem k nízkým teplotám v této oblasti instalovány napevno. [18] -24-

VUT v BRN FSI EÚ



Ofukovače lze používat on-line i off-line, frekvence musí být kompromisem následujících faktorů: možné poničení trubek ofukováním, náklady na čisticí médium či zvýšení účinnosti p enosu tepla čistými plochami vým ny tepla. Tento druh čišt ní může způsobit erozi materiálu trubek a vede ke snížení účinnosti kotle kvůli užití páry na čišt ní. Výhodou je cena čisticího média.

Obr. č. 16 Zásuvný ofukovač sazí[18]

5.1.3 Vodní tryska Čištění pracovních ploch vodním paprskem Ěviz obr. 17ě funguje na stejném principu jako ofukovač. Užívá se tam, kde jsou např. vlivem jiných charakteristik paliva vytvořeny tvrdší nánosy, které nelze odstranit vzduchem či párou. Hlavní oblast uplatnění tohoto druhu čištění jsou spalovací komory, na jejichž stěnách vznikají velmi odolné nánosy. Nutno počítat s poklesem teploty spalin.

Obr. č. 17 Odstraňovač nánosu vodní tryskou[18]

5.1.4 Sprchový čistící systém Sprchový čisticí systém Ěobr. 1Řě byl vynalezen v devadesátých letech minulého století a poprvé zaveden do praxe v roce 1řř7. Skládá se z hadice, která je vedena do prostoru -25-

VUT v BRN FSI EÚ



spalovací komory či kotle z vrchu a na konci je opat ena tryskou. Čisticím médiem je v tomto p ípad nízkotlaká voda, která proniká do pórů v usazené vrstv . P i vypa ování dochází ke zm n objemu a následnému praskání nánosu. Tento systém se používá p evážn v oblastech s radiačním p enosem tepla. Rozmezí mezi jednotlivými čistícími cykly jsou dny, p íp. týdny, rozhodujícím parametrem může být teplota spalin. Jedná se o efektivní metodu s nízkými náklady. Díky nízkým požadavkům na prostor se hodí i k čišt ní úzkých oblastí. Tento systém lze také využít pro se ízení teploty spalin vstupujících do konvektivní části kotle.

Obr. č. 1Ř Sprchový čistící systém[18]

5.1.5 Oklepávací systém Oklepávací čistící metoda využívá nárazové energie vyvolané působením mechanických kladiv nebo pneumatických válců na trubkové svazky v horizontální části procesní linky, tedy v oblasti p eh íváku, výparníku a ekonomizéru. Nárazy způsobí vibrace trubkového svazku a opadávání nánosu Ěviz obr. 1řě. Krom nárazové energie má na výsledek čišt ní velký vliv také frekvence nárazů a charakter nanesené vrstvy. Oklepávací čišt ní lze používat v různých intervalech, nejčast ji po n kolika hodinách. Nevýhoda tohoto systému je možnost mechanického poškození trubkových svazků a také omezená účinnost u velmi konzistentních a pevných nánosů. Zváženo musí být také vibrační chování trubkového svazku. Výhodou je provoz bez nutnosti užití ofukovacího média.

-26-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č. 19 Oklepávací systém[18]

5.1.6 Brokový čistící systém U tohoto čisticího systému jsou pneumaticky p ivád ny malé ocelové kuličky do vrchní části kotle a působením gravitačního pole padají dolů. P i průchodu p es trubkový svazek se nahodile odrážejí od trubek a t mito nárazy odstraňují nanesené vrstvy po celém obvodu trubek. V dolní části kotle dochází k separaci kuliček od odstran ných popelovin v tšinou pomocí sít. Tyto kuličky lze poté op t použít pro čišt ní. Tato metoda je používána pro odstraňování nánosů na trubkách ekonomizéru. Doba ob hu kuliček a frekvence jednotlivých cyklů je závislá p edevším na stupni zanášení procesní linky. Moderní kontrolní p ístroje zaručují bezproblémový chod nenáročný na údržbu. Výhodou je možnost využití jediného čisticího systému pro n kolik trubkových svazků v jednom spalinovém kanálu a také ekologické čišt ní bez produkce toxických odpadních látek. Tento systém je aplikovatelný pro provozní teploty až 1000 °C. Nevýhodou je p edevším velký hluk a porušení ochranných vrstev na povrchu trubek.

6. Stechiometrické výpočty

Pomocí stechiometrických výpočtů získáme objem vzduchu pot ebný pro spálení jednotkového množství paliva a objem spalin, který p i spalování vzniká. Ve výpočtech vycházíme z reakčních rovnic a bilance látkových množství. Z hlediska průb hu rozlišujeme spalování dokonalé a nedokonalé. Dokonalé spalování nedoprovází ztráty a veškerá ho lavina v palivu je spálena Ěteoretický p ípadě. P i nedokonalém spalování dochází k částečnému vyho ení paliva a vzniká nedopal. Tento nedopal je dále zahrnut do výpočtu jako mechanická či chemická ztráta p i spalování. Složení paliva C= 26 % H= 3 % O= 20,3 % N= 0,05 % S= 0,25 % Cl= 0,00 % W=30 % = ,

/

-27-

VUT v BRN FSI EÚ



6.1 Minimální objem vzduchu a spalin Minimální množství kyslíku ke spálení 1kg paliva

ℎ

≈

,

=

∙

,

=

+

,

∙(

+

,

+

,

+

,

ℎ

, ,

− −

,

[ ,

/

]

(6,1)

)= ,

/

Minimální množství suchého vzduchu ke spálení 1kg paliva ∙

=

=

∙ ,

= ,

/

(6,2)

P edpokládáme prost edí s b žnými klimatickými podmínkami s teplotou 20°C, čemuž odpovídá: φ = 70 % p“=2,34 kPa pc= 101,2 kPa Objem vodní páry na 1m3 suchého vzduchu " , = ∙ = , ∙ = , � " , − , ∗ , − ∙

%

(6,3)

Minimální množství vlhkého vzduchu ke spálení 1 kg paliva =

∙

Součinitel =

+

"

∙

= ,

∙ ,

=

+ , ∙

− " ∙ Objem CO2 ve spalinách �

=

�

=

,

,

∙ ∙

, ,

,

∙

,

ℎ

∙

[

+ ,

∙ ,

= ,

=

,

∙

,

/

, , − ,

+ ,

Objem SO2 ve spalinách =

= ,

,

= ,

/

∙ ,

(6,4)

= ,

]

(6,5)

(6,6) /

-28-

/

(6,7)

VUT v BRN FSI EÚ



Objem N2 ve spalinách ,

=

∙

,

=

,

, ,

∙

+ ,

∙

[

+ ,

∙ ,

= ,

Objem Ar ve spalinách �

= ,

∙

= ,

/

∙ ,

+

�

= ,

+ ,

+

+

[

�

+ ,

/

Maximální množství CO2 ve spalinách �

�

=

∙

=

Minimální objem vodní páry �

=

�

=

, ,

∙ ∙

+

,

+

,

, ,

,

,

∙ ∙

,

Minimální množství vlhkých spalin =

+

�

= ,

/ /

]

= , =

,

−

∙

+ +

(6,9)

(6,10)

+ ,

∙

,

(6,8)

= ,

Minimální množství suchých spalin =

]

,

/

(6,11)

[

−

+ ,

= ,

6.2 Objemy vzduchu a spalin

∙ ,

/

]

= , /

(6,12) / (6,13)

Pro dokonalé spálení paliva v ohništi nestačí p ivád t teoretický objem vzduchu, ale objem vzduchu zv tšený součinitelem p ebytku vzduchu α. Součinitel p ebytku vzduchu závisí na typu ohništ a druhu spalovaného paliva. Na základ odborné literatury jsem stanovil hodnotu součinitele p ebytku vzduchu α = 1,3. [2]

6.2.1 Množství vzduchu a spalin Skutečné množství vzduchu s přebytkem (α = 1,3) =

∙

= , ∙ ,

= ,

/

(6,14)

-29-

VUT v BRN FSI EÚ



Skutečné množství spalin s přebytkem (α = 1,3) =

∙

= ,

−

∙

∙

, −

[

∙ ,

/

= ,

]

(6,15) /

Objemové části tříatomových plynů +

= �

kde:

�

= =

�

=

,

,

=

+

+ ,

,

,

−

−

(6,17)

∙

∙

−

∙

, −

∙ ,

[

Součet objemových částí tříatomových plynů =

+

�

= ,

+ ,

Koncentrace popílku ve spalinách ∙

= =

,

∙ ,

∙

[ / ∙

(6,16)

= ,

= ,

,

+

�

= ,

�

�

/

]

(6,18)

= ,

/

= ,

(6,19)

(6,20)

]

= ,

/

Xp-procento popela v úletu volím 33% Ar- je procento popeloviny v původním stavu Tab. č. 4 Hodnoty spalování při různém přebytku vzduchu α

1

1,3

1,4

1,5

OVZ

2,473436301

3,215467191

3,462810821

3,710154451

OSP

3,152762172

3,894793062

4,142136692

4,389480322

rRO2

0,153622559

0,12435459

0,116928878

0,110340031

rH2O

0,236735136

0,194716359

0,18405558

0,174596253

OH2O

0,746369582

0,758379924

0,762383372

0,766386819

rSP

0,390357696

0,319070949

0,300984458

0,284936284

μ

3,663454257

2,965497734

2,788415945

2,631290985

-30-

VUT v BRN FSI EÚ



6.3 Entalpie vzduchu a produktů spalování Entalpie spalin vzniklých spálením 1 kg tuhého paliva. Volím teplotu 1500°C, p ebytek vzduchu α=1 a součinitel f=1,01645 =

=

,

+

+

−

−

∙

+

∙

(6,21)

[kJ/kg]

,

+

=

,

/

Jestliže procento popelovin popílku splňuje tuto nerovnost, musíme počítat i s entalpií popílku

>

, <

∙

, ∙ ,

=

∗

=

, ∙

(6,22)

,

nerovnost nebyla splněna →

=

Entalpie minimálního množství spalin pro α=1, t=1500 =

�

= , + ,

T [°C] 100

∙

�

∙ ∙

+

∙

+ , =

+ ,

∙

∙ [ /

+

]

+ ,

�

∙

∙

�

+

�

+ ,

∙

�

Tab. č. 5 Entalpie složek spalin a měrné teplo

E talpie složek spali N2 H2O SO2 CO2 [kJ/m3] [kJ/m3] [kJ/m3] [kJ/m3] 170 130 150 189

Ar [kJ/m3K] 93

(6,23) ∙

Měr é teplo Cs CH2O [kJ/m3] [kJ/m3K] 1,3 1,505

200

357

260

304

392

186

1,307

1,522

300

559

392

463

610

278

1,317

1,542

400

772

527

626

836

372

1,329

1,565

500

994

666

795

1070

465

1,343

1,59

600

1225

804

969

1310

557

1,356

1,615

700

1462

948

1149

1550

650

1,371

1,641

800

1705

1094

1334

1800

743

1,384

1,688

900

1952

1242

1526

2050

834

1,398

1,696

1000

2204

1392

1723

2305

928

1,41

1,723

1500

3504

2166

2779

3590

1390

1,462

1,853

2000

4844

2965

3926

4890

1855

1,453

1,963

-31-

VUT v BRN FSI EÚ



Entalpie minimálního množství vzduchu

kde:

=

=

−

= ,

∙ ∙

=

,

−

=

+ ,

�

�

�

∙

∙ ,

[ /

∙

, ,

∙

�

[ /

∙

,

∙

∙

+ ,

=

∙ ,

,

[kJ/kg]

(6,24)

(6,25)

] ,

pokud d > 10 g/kg suchého vzduchu, pak:

= ,

=

/

]

(6,26) = ,

/

m rné teplo suchého vzduchu Ěcs) a m rné teplo vodní páry Ě

�

) odečtu z tab. 5

Tab. č. 6 Tabulka vzduchu a produktů spalování T[°C]

c

IVZmin [kJ/kg]

ISPmin [kJ/kg]

ISP [kJ/kg]

100

1,3 1,4 1 1,324633963 322,3366708 443,3639919 443,3639919 540,0649932 572,2986603

200

1,331912221 648,2155266 897,942043

300

1,342239582 979,8624761 1367,293925 1367,293925 1661,252668 1759,238916

400

1,354616048 1318,530067 1850,697639 1850,697639 2246,256659 2378,109666

500

1,36902525

600

1,382434452 2018,411114 2856,492397 2856,492397 3462,015731 3663,856843

700

1,397860023 2381,088594 3381,266015 3381,266015 4095,592593 4333,701453

800

1,411629322 2748,049099 3916,483661 3916,483661 4740,898391 5015,703301

900

1,425760267 3122,502876 4462,610973 4462,610973 5399,361836 5711,612124

1000

1,438202205 3499,723875 5018,758312 5018,758312 6068,675475 6418,647862

1500

1,492330056 5447,158029 7917,222432 7917,222432 9551,36984

2000

1,485130545 7227,838766 10950,49583 10950,49583 13118,84746 13841,63134

897,942043 1092,406701 1157,228254

1665,694273 2350,513174 2350,513174 2850,221456 3016,790883

-32-

10096,08564

VUT v BRN FSI EÚ



Graf č. 2 I-t diagram vzduchu a spalin 16000

entalpie spalin [kJ/kg]

14000 12000 10000

α=1

8000

α=1,3

6000

α=1,4

4000

Ivzmin

2000 0

0

500

1000

1500

2000

2500

Teplota spalin [°C]

7. Tepelná bilance 7.1 Teplo přivedené do kotle =

+

=

+

,

=

,

kJ/kg

(7,1)

Fyzické teplo paliva počítám tehdy, pokud se palivo p edeh ívá mimo kotel nebo pokud platí podmínka: ≥

∙

,

=

30 ≥ 1Ř,ŘŘ6 → ip ≠ 0

∙

,

=

(7,2)

,

Fyzické teplo paliva =

∙

= ,

∙

+

∙

=

,

Měrná tepelná kapacita paliva =

= ,

∙

∙

+ , ∙

−

−

/ [ /

= ,

(7,3)

]

(7,4)

/

7.2 Ztráty kotle a tepelná účinnost Tepelná účinnost kotle se stanoví na základ výpočtu tepelných ztrát. P i výpočtu kotle lze tepelné ztráty rozd lit do 5 základních okruhů. -33-

VUT v BRN FSI EÚ 











ztráta ho lavinou v tuhém zbytku Ěmechanický nedopalě ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků ztráta fyzickým teplem spalin Ěkomínová ztrátaě ztráta sdílením tepla do okolí sáláním a vedením ztráta ho lavinou ve spalinách Ěchemický nedopalě

7.2.1 Ztráta hořlavinou v tuhém zbytku Ztráta mechanickým nedopalem je způsobena zbytkovým obsahem tuhého uhlíku ve všech formách tuhých zbytků, jeho energie tedy není využita. =

� �

�

+

= ,

��

+ ,

− ztráta ve strusce nebo �kvá�e

��

− ztráta v �letu

�

=

�

=

��

=

��

=









∙

− − �

−

∙ �

∙

∙

�

∙

−

∙

∙ ∙

∙

= ,

%

(7,5)

(7,6)

[%]

,

,

[%] ,

∙

,

= ,

= ,

%

(7,7)

%

Ci je podíl ho laviny v uvažovaném druhu tuhých zbytků Xi je podíl popela z celkového množství v palivu Ar je celkové procento popela v palivu

je teplo p ivedené do kotle jedním kilogramem paliva kJ/kg

7.2.2 Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků = �

+

�

= ,

+ ,

− ztráta ve strusce nebo �kvá�e

= ,

− ztráta v �letu

-34-

%

(7,8)

VUT v BRN FSI EÚ = = �

=

�

=











− − �

−

Diplomová práce Projekt náhrady plynového zdroje biomasou ∙

∙

,

∙ �

∙

∙

∙

−

∙

,

(7,9)

[%] ∙ ,

, ∙

∙

= ,

% (7,10)

[%] ∙ ,

,


∙

= ,

%

Ci je podíl ho laviny v uvažovaném druhu tuhých zbytků Xi je podíl popela z celkového množství v palivu Ar je celkové procento popela v palivu

je teplo p ivedené do kotle jedním kilogramem paliva kJ/kg C je m rná tepelná kapacita sušiny

7.2.3 Ztráta fyzickým teplem spalin Tato ztráta je považována za nejvýznamn jší ztrátu z hlediska vlivu na účinnost kotle. Roste s teplotou spalin a p ebytkem vzduchu za kotlem. Ztráta zohledňuje teplo, které uniká z kotle ve spalinách. �

=

−

�

=

− ,

−

∙

�

[%] ,

∙

(7,11)

−

,

,

= ,

%

ISP - entalpie spalin za kotlem p i teplot TSP = 161 °C a daném p ebytku vzduchu αk = =

,

+ ∝− +

∙

, −

∙

[ / ,

]

(7,12)

=

,

/

IVZ – entalpie vzduchu za kotlem p i teplot okolí 20 °C a daném p ebytku vzduchu αk =

∙

=

,

∙ , =

,

7.2.4 Ztráta sdílením tepla do okolí

/

(7,13)

Velikost této ztráty závisí na druhu kotle, kvalit izolace, teplot a velikosti povrchu st n, p es které teplo bez užití prostupuje ven. U v tších kotlů se používá hliníkový nát r a -35-

VUT v BRN FSI EÚ



oplechování. Vzorec na výpočet této ztráty je spíše dimenzován na vyšší výkony kotle, proto jsem na základ konzultace výslednou ztrátu vyd lil dv mi. =

− , ý

∙

= ,

=3,074 %

∙ ,

− ,

= ,

%

(7,14)

7.2.5 Ztráta hořlavinou ve spalinách Ztráta chemickým nedopalem je výsledkem nedokonalého spalování. Důkazem t chto ztrát je p ítomnost nespálených plynů ve spalinách. Jedná se zejména o CO a uhlovodíky. Na základ literatury [1] jsem zvolil ZCO = 0,5 %.

7.2.6 Tepelná účinnost kotle Σ =

�

Σ = , �

=

+

+

�

+

+ ,

−Σ =

+

−

+ , ,

�

[%]

+ , =

(7,15)

,

+ , = %

,

%

(7,16)

7.3 Určení tepelného výkonu zdroje Prům rné množství tepla Q za rok, které pot ebují administrativní budovy zem d lského družstva pro vytáp ní se určí z prům rné spot eby zemního plynu mZP.

7.3.1 Průměrná spotřeba zemního plynu Tab. č. 7 Spot eba plynu za jednotlivé roky Spot eba plynu [m3] 22863 24280 27039 21761 24310

Rok 2009 2010 2011 2012 2013

= =

+

+

+

+

+

+

+

[

+

]

- prům rná roční spot eba plynu

-36-

(7,17)

=

,

VUT v BRN FSI EÚ



7.3.2 Průměrné množství tepla za rok =

∙

=

− ýℎ�

,

∙

, =

íℎ

,

7.3.3 Tepelný výkon zdroje ∙

= =

− −

=

− ∙ ,

∙

− ∙ ∙

∙

∙ ∙

∙ ∙ , − , ∙

(7,18) =

, (7,19)

[ ]

(7,20)

[ ]

, − − ∙ ∙

=

Q – prům rné množství tepla za rok

,

=

,

Q0p – prům rný tepelný výkon zdroje ti – st ední vnit ní teplota vzduchu budovy v °C te – nejnižší venkovní teplota v °C dané oblasti podle ČSN 06 0210 tes – st ední teplota venkovního vzduchu v topném období ve °C podle padesátiletého nebo t icetiletého prům ru Prům rný tepelný výkon zdroje bude stačit p i vytáp ní, kdy venkovní teplota bude dosahovat teploty tes- st ední teplota venkovního vzduchu v topném období. Aby tepelný výkon zdroje byl dostatečný i p i nižších teplotách, než je st ední teplota venkovního vzduchu v topném období, je nutno tepelný výkon zdroje navýšit. Teplotní rozdíl vnitřní a střední teploty venkovního vzduchu ∆

=

−

=

, − ,

∆

=

−

=(

, − −

∆

=

=

, °

(7,21)

Teplotní rozdíl vnitřní a nejnižší venkovní teplota

Poměr mezi ∆ ∆ ∆

=

a∆

)=

, °

(7,22)

, = , ,

(7,23)

∆

– rozdíl vnit ní teploty ti a st ední teplota venkovního vzduchu v topném období

∆

– pom r mezi ∆

∆

- rozdíl vnit ní teploty ti a nejnižší venkovní teplota dané oblasti a∆

-37-

VUT v BRN FSI EÚ


Hodnota pom ru ∆ =

∙∆

≅

W


íká, kolikrát se musí zvýšit prům rný tepelný výkon zdroje Q0p.

=

,

∙ ,

=

,

(7,24)

Qv- jmenovitý tepelný výkon zdroje Na základ odborné literatury a konzultace jsem tepelný výkon zdroje Qvyrj navýšil na hodnotu 200 kW. Oproti původnímu stavu, kdy byly použity 2 plynové kotle, každý o jmenovitém výkonu 400 kw je výkon zdroje 4 krát menší. Toto může být způsobeno tím, že zem d lské družstvo již nevytápí všechny prostory, které vytáp lo d íve a na které byl výkon zdroje dimenzován, nebo také n jaké budovy mohli projít rekonstrukcí zateplení. Dále je také možné, že druhý plynový kotel byl spíše jako záložní zdroj vytáp ní.

7.4 Množství paliva Množství paliva přivedeného do kotle =

∙

�

=

,

= ,

,

∙

(7,25)

/

Množství paliva skutečně spáleného =

∙( −

= ,

ℎ

=

∙

�

)[

∙( −

,

(7,26)

/ ] )= ,

= ,

∙

=

/

,

8. Výpočet spalovací komory

/ℎ

(7,27)

Prvním krokem výpočtu spalovací komory je navrhnout její rozm ry. Na základ konzultace vycházím z objemového zatížení ohništ . Objemové zatížení roštu voleno 2ř0 kW/m3. =

∙

=>

=

Rozměry spalovací komory

∙

=

,

∙

= ,

P ední strana Ěaě…0,705 m Boční strana Ěbě…0,98 m Výška Ěhě……….1,1 m -38-

(8,1)

VUT v BRN FSI EÚ



Povrch stěn ohniště � =

∙

� =

∙ ,

∙ℎ+ ∙ ∙ℎ+

∙

∙ , + ∙ ,

(8,2) ∙ , + ,

Účinná sálavá plocha ohniště

�� = � ∙

= ,

∙

∙ ,

= ,

= ,

(8,3)

� – Povrch st n ohništ včetn výstupního otvoru – úhlový součinitel st ny [1]

8.1 Tepelný výpočet ohniště Je založen na použití teorie podobnosti v tepelných procesech ve spalovací komo e. Vzorce pro výpočet zahrnují závislost pom rné teploty spalin na výstupu z ohništ s číslem Boltzmanna Bo, stupn m černosti ohništ ao a součinitelem M, který charakterizuje průb h teploty po výšce ohništ , a to pom rnou výšku ohništ , ve které se nachází maximální hodnota teploty plamene. [1]

8.1.1 Určení adiabatické teploty v ohništi Entalpie spalin ve spalovací komoře se určí ze vztahu + , ∙

�

=

=

,

,

Teplo dodané vzduchem �

=

�

∙

∙

Entalpie vzduchu �

= ∙ = ,

�

= ,

∙

=

+ ∙ ,

,

=

∙ , ,

,

∙

,

/ = ,

/

(8,4)

(8,5)

(8,6)

c – m rné teplo vzduchu p i teplot nasávacího vzduchu t – teplota nasávacího vzduchu Teplo vzniklé spálením paliva =

∙

= ,

∙

=

,

(8,7)

Pro výpočet entalpie spalin musíme znát procentuální složení spalin a p ebytek vzduchu v ohništi. P ebytek vzduchu v ohništi je roven 1,3. = �

=

= �

, ,

=

, ,

(8,8)

= ,

(8,9)

= , -39-

VUT v BRN FSI EÚ =

�

=

�

� �

= �


,

=

−

=

,

=

=

Bc. Petr Lochman 2014/2015 (8,10)

= ,

,

(8,11)

= ,

,

,

,

∙

(8,12)

= ,

�

, −

=

,

∙ ,

(8,13)

= ,

Abychom dokázali určit teplotu pro výše uvedenou entalpii, musíme vypočíst entalpie pro dv další teploty Ěpro výše uvedené složeníě, u kterých p edpokládáme, že počítaná entalpie bude v jejich rozmezí. Pomocí interpolace pak zjistíme hledanou teplotu. =Σ ∙ + °�

=

°�

= ,

°�

==

°�

= ,

∙

∙

�

(8,14) ∙

+ , ∙

∙

�

∙

+ , ∙

∙

+

�

∙

∙

=

+

+

∙

�

�

∙

∙

=

∙

�

�

+ , ,

∙ ∙

�

+ , ,

+

∙ + , / +

∙

�

∙

∙ + , /

+ + , ∙ �

+

+ , ∙

∙

�

+

�

∙ + , ∙

∙ + ,

+

∙ , �

�

(8,15)

∙ ,

Interpolací bylo zjišt no, že adiabatická teplota v ohništi je rovna tad=1820,161 °C

8.1.2 Poměrná teplota spalin Tato teplota se určuje na výstupu z ohništ . U velkoprostorových ohnišť se pro výpočet nejčast ji používá Gurvičův poloempirický vztah. =

=

(8,16) +

∙

,

T0 – teplota spalin na výstupu z ohništ Ta – teplota nechlazeného plamene Bo – Boltzmanovo číslo ao – stupeň černosti ohništ M – součinitel charakterizující průb h teploty po výšce ohništ -40-

VUT v BRN FSI EÚ



Odkud lze odvodit hledanou koncovou teplotu: � =

� +

,

+

−

,

,

(8,17)

[° ]

Teoretická teplota � [°C] vychází z užitečného tepla uvoln ného p i spalování Iu, které se rovná entalpii spalin p i teoretické teplot a součiniteli p ebytku vzduchu na konci ohništ α0. Jelikož jsou n které veličiny pot ebné k výpočtu závislé na teplot � , musíme nejprve tuto teplotu zvolit. Zvolil jsem teplotu � = ° . Na základ zvolené teploty se vypočítají neznámé závisle parametry, se kterými se dopočítá hledaná koncová teplota. Následn se porovná koncová teplota zvolená a teplota vypočtená. V konečném výsledku by se tyto teploty nem li lišit o více než ±20 °C. Pokud se teploty nevejdou do požadované tolerance musí se výpočet opakovat s použitím vypočtené teploty. � =

,

+ ,

+ , ,

,

−

,

,

=

,

°

Zvolená teplota se od vypočtené liší jen nepatrn a to o 0,027 °C. Vypočtenou tepotu tedy můžeme považovat za teplotu na konci ohništ .

8.1.3 Součinitel M = ,

− , ∙

= ,

− , ∙

= ,

(8,18)

– voleno pro roštová ohništ s tenkou vrstvou [1]

8.1.4 Boltzmanovo číslo = =

, ∙ , ∙

∙

−

,

−

∙ ̅̅̅̅̅̅̅ ∙� ∙ ∙� ∙ ∙ ,

∙ ,

(8,19)

∙ , ∙

∙ ,

Součinitel uchování tepla =

−

+

=

−

,

,

,

(8,20)

= ,

(8,21)

= ,

+ ,

Střední celkové měrné teplo spalin ̅̅̅̅̅̅̅ ∙� =

− = � −�

,

,

−

−

,

= ,

/

∙

(8,22)

Kde je teplo uvoln né v ohništi, � adiabatická teplota plamene, � teplota spalin na výstupu z ohništ a jí odpovídající entalpie . -41-

VUT v BRN FSI EÚ

=


−

∙

=

,

− −

�

�

�

−

+

[ /

− , − , − ,

∙

(8,23)

]

− ,

+

,

=

,

8.1.5 Součinitel tepelné vodivosti stěn =

∙

=

∙ ,


= ,

/ (8,24)

– úhlový součinitel, voleno z [1] – součinitel zanesení st n ohništ , voleno z [1]

8.1.6 Stupeň černosti ohniště Pro roštová ohniště = =

+

−

−

−

− ,

∙

,

−

+

=

∙

= ,

− ∙

Plocha hořící vrstvy

∙

∙ ,

(8,25)

�

∙

− ,

−

�

− ,

∙

∙

, ,

−

= ,

, ,

= ,

(8,26)

Efektivní stupeň černosti =

−

− ∙ ∙

=

−

− ,

Účinná tloušťka sálavé vrstvy = , ∙

�

= , ∙

,

,

= ,

= ,

∙

+

+ ,

= , ,

∙

+

+

= ,

= ,

(8,27)

(8,28)

= ,

Součinitel zeslabení sálání =

∙ , ∙ ,

∙

∙

∙

[ /

∙ ∙ , ∙ ,

voleno dle [1]

∙

= ,

-42-

]

(8,29) /

∙

]

VUT v BRN FSI EÚ



Součinitel zeslabení sálání tříatomových plynů ∙

=

∙

=(

∙

, + ,

= ,

∙√

∙

�

−

.

, + ∙ , , ∙√ , /

Parciální tlak =

∙

∙

− ,

∙

− )∙( − ,

∙

= , ∙ ,

∙ ∙

(8,3)

,

)∙ ,

= ,

(8,31)

Součinitel zeslabení sálání popelkovými částicemi ∙

=

√

∙

∙

=

√

,

∙ ,

∙

= ,

/ .

(8,32)

d – st ední efektivní prům r částeček popílku, voleno z [1]

8.1.7 Množství tepla odevzdaného v ohništi do stěn =

= ,

∙

−

∙

[ /

,

]

(8,33) −

,

=

,

-43-

/

VUT v BRN FSI EÚ



8.1.8 Znázornění spalovací komory

Obr. č. 20 Schéma spalovací komory

9. Výpočet teplosměnných ploch

Navrhovaný vým ník tepla je navržen jako souproudý. K zabrán ní p eh ívání vnit ní st ny spalovací komory je nutné st nu chladit. Z tohoto důvodu je vnit ní prostor st ny spalovací komory chlazen vodou. Zde dochází k částečnému p edeh evu teplosm nného media. Vým ník tepla je navržen jako žárotrubnatý a nachází se za spalovací komorou.

Obr. č. 21 Teplotní spád kotle -44-

VUT v BRN FSI EÚ



Parametry vody Vstupní teplota

Tv1 = 62 °C

Výstupní teplota

Tv2 = 85 °C

Tlak na vstupu

P1= 0,25 MPa

Tlak na výstupu

P2 = 0,20 MPa

Parametry spalin Vstupní teplota

Tsp1 = 1820,16 °C

Výstupní teplota

Tsp2 = 140 °C

Hmotnostní průtok vody výměníkem =

−

°�

=

�

∙

°�

,

→

�

−

°�

= ,

,

IŘ5°C = 355,95 kJ/kg

(9,1)

=

�

/

−

°�

I62°C = 259,523 kJ/kg I75,8°C = 317,32819 kJ/kg Výpočet výstupní teploty vody ze spalovací komory ( Isp140°C = 761,0017 kJ/kg

, �

)

Isp1Ř20,16°C = 11835,69711 kJ/kg Isp847,13 °C = 5051,232 kJ/kg

,

, �

=( =

, �

,

= (

− ,

, �

,

°� )

+

∙

)=

,

→

�

=

, °

, �

,

=

�

/

+

(9,2)

°�

Rozdělení výkonu mezi spalovací komorou a žárotrubnatým výměníkem (9,3) = ∙( − [ ] , , )∙ = , =

= ,

∙

∙

∙

,

−

,

,

∙

−

−

,

,

∙ ,

∙

,

=

=

– výkon spalovací komory – výkon žárotrubnatého vým níku – součinitel uchování tepla Ěpodle kapitoly Ř.1.4) - množství paliva skutečn spáleného -45-

,

,

(9,4)

VUT v BRN FSI EÚ



9.1 Výpočet žárotrubnatého výměníku tepla

Obr. č.22 Teplotní spád žárotrubnatého výměníku tepla

Parametry vody Vstupní teplota

Tv1 = 75,832 °C

Výstupní teplota

Tv2 = 85 °C

Tlak na vstupu

P1= 0,23 MPa

Tlak na výstupu

P2 = 0,20 MPa

Parametry spalin Vstupní teplota

Tsp1 = 847,13 °C

Výstupní teplota

Tsp2 = 140 °C

Střední teplota spalin �

=

+

=

,

+

=

Svazek trubek výměníku P íčná rozteč Podelná rozteč Počet trubek v ad Vn jší prům r Vnit ní prům r Délka trubek

(9,5)

, °

= ,

= , =

= ,

= ,

=

-46-

VUT v BRN FSI EÚ



Na základ odborné literatury a konzultace byla rychlost spalin proudících v trubkách určena na hodnotu wsp = 15 m/s.

9.1.1Součinitel přestupu tepla konvekcí pro podelné proudění = ,

∙

= ,

∙

=

,

,

∙

∙(

/

,

)

∙(

,

,

∙

∙

∙

∙ ,

,

[ / )

,

(9,6)

] ,

∙ ,

∙ ∙

- opravný koeficient, p i ochlazování spalin se bere hodnota – oprava na pom rnou délku se zavádí jen p i / =

=

,

Hodnoty , ,

,

→

= =

�

�

→

=

<

jsou brány pro st ední teplotu spalin

Určení obsahu H2O �

≮

∙

� �

, ,

=

∙

, °

= ,

=

/

= ,

�

a

�

= 19,472 % z [1]

%

(9,7)

∙

/

= ,

,

=1

Jelikož se jedná o žárotrubnatý vým ník tepla, součinitel p estupu tepla sáláním se zanedbává.

9.1.2Součinitel přestupu tepla při spalování tuhých paliv s uspořádáním svazku za sebou =

∙

= , ∙

,

=

Součinitel tepelné efektivnosti

,

/

(9,8)

volen z tabulky z [1]

9.1.3Potřebná ideální plocha pro výměník =

∙∆

=

,

∙

,

,

=

(9,9)

, -47-

VUT v BRN FSI EÚ



9.1.4 Střední logaritmický spád ∆ =

∆

−∆ ∆ ∆

=

∙ ∙

∙

,

− ,

=

,

(9,10)

°

9.1.5 Výrobní teplosměnná plocha =

∙

=

∙ ,

(9,11)

∙ ∙ ∙

=

,

Výrobní teplosm nná plocha p ijatelné.

se od ideální plochy pro vým ník liší o 1,795 %, což je

9.1.6 Výpočet velikosti retortového hořáku Na základ konzultace vycházím z plošného zatížení roštu, které je voleno q s = 1000 kW/m2. Výpočet plochy roštu =

=

(9,12)

= ,

Určení poloměru roštu (9,13) =

∗

=√

,

=√

→ = ,

9.1.7Přepočet teploty spalin na výstupu z výměníku tepla Celkové teplo odebrané z výměníku tepla =

=

,

(9,14)

Teplo spalin na výstupu =

−

=

,

=

Teplo spalin na vstupu

=

,

∙

∙ ,

[

,

− ]

=

Entalpie vstupních spalin

,

=

,

(9,15)

(9,16) ,

,

=

,

/ -48-

→ zjišt na dle tabulky 6

VUT v BRN FSI EÚ



Entalpie výstupních spalin =

∙

,

=

,

[ /

,

=

(9,17)

]

,

/

Teplota výstupních spalin =

=

= =

, +

+

,

/ −

,

/ −

�

∙

,

− −

(9,18)

∙

,

− −

,

=

,

°

Vypočtená teplota se od původn zvolené liší 1,15°C, což je p ijatelné.

10. Návrh na zpracování paliva Dispoziční palivo pochází z produkce zem d lského podniku. Jedná se o nekontaminované d evní palivo s relativn nízkou vlhkostí původem z 200 ha vinic a 100 ha ovocných sadů. Každý rok vznikne ezem vinic 270 t hmoty a ezem ovocných sadů 120 t hmoty. Palivo se skládá z tenkých prutů a siln jších kmínků vinice, tenkých v tví ezu ovocného sadu a mén často ze siln jších v tví a kmenů stromů ovocného sadu. Celkem je tedy k dispozici 390 t hmoty, kterou je nutné následn zpracovat ve št pkovači, protože palivo po vysušení lze št pkovat hů e. Obsah vody bezprost edn po t žb dosahuje cca. 60 % a objemová hmotnost se pohybuje okolo 300 kg/m3. Obsah vody po p irozeném dosoušení p es léto na slunném a v tru vystaveném míst zpravidla klesá na 30 % p i objemové hmotnosti kolem 250 kg/m3. [3] Pro účely zpracování paliva je nutné vybrat vhodný št pkovací stroj. Po zvážení ceny, výkonu, servisu atd. jsem jako nejvhodn jší variantu vybral št pkovač od firmy Bandit model 75 XP. Jedná se o výkonný kotoučový št pkovač v tví s jednoduchou obsluhou. Vstupní otvor s rozm ry 175 x 300 mm umožňuje pomocí tohoto stroje drcení rozložitých v tví a malých stromů do prům ru kmene 175 mm. Tento št pkovač lze snadno p emísťovat a může být tažen st edn velikým pickupem nebo podobným dopravním prost edkem. Odolná konstrukce standardu „heavy duty“ zajistí dlouhý bezproblémový provoz. Tato jednotka je vybavena otočným vyhazovacím kanálem a jízdní nápravou 1 t, nebo 1,6 t v závislosti na konfiguraci, která může obsahovat benzinové, nebo vzn tové motory do 44 HP. [13]

-49-

VUT v BRN FSI EÚ



Obr. č.23 Štěpkovač Bandit model 75 XP[13] Objem surové dřevní štěpky =

=

(10,1)

=

- objem surové d evní št pky [m3] - hmotnost surového paliva [kg] - objemová hmotnost surové d evní št pky [kg/m3]

Hmotnost relativně suché dřevní štěpky =

∙

=

∙

=

(10,2)

- hmotnost relativn suché d evní št pky [kg] - objemová hmotnost relativn suché d evní št pky [kg/m3] Objem paliva t sn po št pkování dosahuje 1300 m3. Aby docházelo k dokonalému p irozenému vysoušení paliva p es léto, je nutné mít dispoziční venkovní prostor o velikosti cca. 30 x 20 x 2,5 m, který by m l být nejlépe zast ešen. Výsledná hmotnost paliva po p irozeném sušení klesne o cca. 65 t na hmotnost 325 t.

10.1 Návrh dopravy paliva do spalovací komory Způsob dopravy paliva ze zásobníku št pky do spalovací komory bude zajišt n šnekovým mechanismem. Výhody šnekového mechanismu je jednoduchost, spolehlivost a relativn nízké po izovací náklady nap íklad oproti pneumatickému provedení. Doprava vyniklého popele bude zajišt na také šnekovým mechanizmem, jako tomu je u dopravy paliva.

-50-

VUT v BRN FSI EÚ



Rozměry šnekového mechanismu R1 = 0,04 m Ěmalý polom r) R2 = 0,08 m Ěvelký polom r) s = 0,05 m Ěstoupání šnekuě Mpv = 0,018532348 kg/s Ěmnožství paliva skutečn spálenéhoě ρp = 250 kg/m3 Ěhustota d evní št pkyě Objemové množství dopraveného materiálu za jednu otočku =

∙

=

−

∙ ,

∙

∙ [

−

∙ ,

[

/ ]

/ ]

∙ ,

(10,3) = ,

Množství paliva dopraveného za jednotku času =

∙

= ,

Čas otočení =

=

(10,4) ∙

,

,

/

= , =

/ (10,5)

,

Počet otáček za minutu =

=

= ,

,

(10,6)

/

10.2 Výpočet velikosti zásobníku paliva kotle Množství paliva, které kotel p i plném výkonu spálí je 66,708 kg/h. Aby byl zajišt n plynulý bezproblémový provoz alespoň po dobu 24 hodin, je nutné navrhnout dostatečn velký zásobník paliva kotle. Hmotnost paliva, které kotel spálí za 24 hodin =

ℎ

∙

=

,

∙

=

,

(10,7)

Objem paliva, které kotel spálí za 24 hodin =

=

,

(10,8)

= ,

- objemová hmotnost relativn suché d evní št pky [kg/m3]

– objem paliva, které kotel spálí za 24 hodin - Hmotnost paliva, které kotel spálí za 24 hodin -51-

VUT v BRN FSI EÚ



Velikost zásobníku paliva Zásobník paliva by m l vystačit na cca. 3 dny. Za 3 dny kotel p i plném výkonu spálí cca. 4,Ř tuny št pky o objemu 1ř,212 m3. Zásobník paliva tedy může být tvaru krychle o velikosti hran 2,7 m s posunovací vyhrnovací podlahou využívající hydraulického pohonu.

10.3 Určení přebytku či nedostatku biomasy =

∙

=

∙

,

=

(10,9)

- celkové množství tepla vzniklé z d evní št pky – výh evnost d evní št pky Prům rné roční množství tepla Q, které pot ebuje areál zem d lského družstva na vytáp ní dosahuje hodnoty 805,214088 GJ/rok. Poměr mezi teplem vzniklého z dřevní štěpky a průměrným množstvím tepla Q =

=

,

(10,10)

= , [−]

- Pom r mezi teplem vzniklého z d evní št pky a prům rným množstvím tepla Q Z výše uvedeného výpočtu vyplývá, že množství biomasy je 4,Ř krát v tší než spot eba, tudíž biomasa je v p ebytku. Každý rok by tedy m lo zbývat cca. 257 tun d evní št pky.

-52-

VUT v BRN FSI EÚ



11. Závěr Cílem této diplomové práce byl návrh teplovodního kotle na vytáp ní administrativních budov a p ilehlé strojírny zem d lského družstva. Palivem kotle je d evní št pka. V první části této práce je zpracována obecná rešerše o palivu, konkrétn ji o biomase, spalování a vlastnostech popele. Dále je zpracována diskuse o rozd lení št pkovacích strojů, rozd lení kotlů a různých způsobu podávání paliva do kotle. Na konci rešeršní části této práce jsou popsány způsoby čišt ní teplosm nných ploch. Pomocí svých znalostí, literatury a odborných konzultací byly dále provedeny stechiometrické výpočty a určena tepelná účinnost kotle. Následn byl proveden výpočet výkonu kotle a spalovací komory. Z prům rné roční spot eby plynu, které podnik pot eboval na vytáp ní a následných výpočtů vyplývá, že původní výkon plynových kotlů je cca. 4 krát p edimenzován. Tento rozdíl je nejspíš způsoben nevytáp ním všech budov, na které byl původní zdroj tepla navrhován a snížením tepelných ztrát budov jejich p ípadným zateplením. Z t chto výše uvedených důvodů je navrhovaný jmenovitý výkon kotle 200 kW. Dále byl proveden výpočet vým níku tepla, který byl navržen jako žárotrubnatý. V další kapitole byl vybrán vhodný št pkovací stroj na zpracování d evního paliva a byl proveden výpočet, zda množství št pky, které podnik získá každý rok ezem vinice a ovocných sadů je v p ebytku či nedostatku. Výpočtem bylo zjišt no, že množství št pky je v p ebytku.

-53-

VUT v BRN FSI EÚ



Seznam použité literatury [1] Budaj, Florián; Parní kotle: Podklady pro tepelný výpočet. 4. vydání Brno: VUT, 200 s. ISBN 80-214-0426-4.

1992.

[2] JIROUŠ, František. Efektivní spalování paliv. Vyd. 1. Praha: Český svaz zam stnavatelů v energetice, c2013, 133 s. ISBN 978-80-260-5393-4. [3] VLADIMÍR a Holý TOMÁŠ. D evní št pka - zelená, hn dá, bílá: D evní št pka ze zbytků lesní t žby. [online]. [cit. 2015-03-1Ř]. Dostupné z: http://biom.cz/cz/odborne-clanky/drevnistepka-zelena-hneda-bila [4] greenheartenergy.com. [online]. 2011. vyd. [cit. 2013-04-26]. Dostupné z: http://www.greenheartenergy.com/biomasa [5] TRNOBRANSKÝ, Karel, Soňa KOUDELKOVÁ, Radek TRNOBRANSKÝ a . ešení centrálních kotelen na biomasu do výkonu 10 MW. 2007. [6] TZB [online]. Dostupné na: http://www.tzb-info.cz [7] STUPAVSKÝ, Vladimír, HOLÝ, Tomáš: D evní št pka - zelená, hn dá, bílá. Biom.cz [online]. 2010-01-01 [cit. 2015-05-04]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. [8] PLÍVA P.: Technika pro kompostování v pásových hromadách. Praha: Výzkumný ústav zem d lské techniky, 2005, 72 s. ISBN Ř0-86884-02-3 [9] VOMELA, T. Sroje pro drcení d evní hmoty a mulčování. Brno: Mendelova univerzita v Brn , Agronimická fakulta, 2013. 63 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jan Červinka, CSc. [10] Biom :: Zobrazení diskového št pkovače Ěšt pkovač Linddana 270 K, schéma, disk s nožiě. CZ BIOM - ČESKÉ SDRUŽENÍ PRO BIOMASU. Biom :: biomasa, biopaliva, bioplyn, pelety, kompostování, ... [online]. [cit. 2013-02-05]. Dostupné z: http://biom.cz/cz/obrazek/zobrazeni-diskoveho-stepkovace-stepkovac-linddana270-k-schema-disk-s-nozi [11] Biom :: Prů ez bubnovým št pkovačem (Jenz HEM 560) , detail rotoru (Bruks), bubnový štepkovač (Biber 70). CZ BIOM - ČESKÉ SDRUŽENÍ PRO BIOMASU Biom : : biomasa, biopaliva, bioplyn, pelety, kompostování, ... [online]. [cit. 2013-02-05]. Dostupné z: http:// http://biom.cz/cz/obrazek/prurez-bubnovymstepkovacem-jenz-hem-560-detail-rotoru-bruks-bubnovy-stepkovac-biber-70 [12] ZÁRYBNICKÁ, M. Návrh sušky na biomasu. Brno: Vysoké učení technické v Brn , Fakulta strojního inženýrství, 2011. Ř4 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Marek Baláš, Ph.D. [13] Ekobandit [online]. [cit. 2015-05-16]. Dostupné z: http://www.ekobandit.cz/produkt/oferta-bandit-model-75xp [14] Atmos [online]. [cit. 2015-05-16]. Dostupné z: http://www.atmos.eu/zplynovaci-kotle-nadrevo/ -54-

VUT v BRN FSI EÚ



[15] NOSEK, R., JURKECHOVA, J., PAPUCIK, S., JANDAČKA, J.: Influence of fluel supply to in small capacity boiler on efficiency and pollutant emisions, Experimental Fluid Mechanics 2010, Liberec 2010, p. 458, ISBN 978-80-7372-670-6 [16] Benekov [online]. [cit. 2015-05-16]. Dostupné z: http://www.benekov.cz/ cs/produkty/benekov-s-50 [17] KOLONIČNÝ, Jan, Ji í HORÁK a Silvie PETRÁNKOVÁ ŠEVČÍKOVÁ. Kotle malých výkonů na pevná paliva . 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2011, 105 s. ISBN 978-80-248-2542-7 [18] Keliš, M.: Modelování zanášení a jeho vlivu na technicko-ekonomické charakteristiky trubkových za ízení na výměnu tepla v linkách termického zneškodňování odpadů. Brno 2008. 100 s., 40 s. p íloh. Diplomová práce na FSI VUT v Brn . Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Zden k Jegla Ph. D.

-55-

VUT v BRN FSI EÚ



POUŽITÉ SYMBOLY A JEDNOTKY VELIČIN Značka , ,

�

c

� �� ℎ

∆

�

Jednotka [ ] [−] [−] [−] [−] [ / ] [ / ] [−] [−] [−] [ / ] [kJ/kgK] [ / ] [ / ] [−] [−] [ ] [ ] [ / ] [ ] [ ] [ ] [ ] [−] [ / ] [ ] [kJ/kg] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] − [ ∙ ∙

−

]

Význam rozm ry spalinového kanálu stupeň černosti ohništ efektivní stupeň černosti stupeň černosti povrchu st n Boltzmanovo číslo m rné teplo vlhkého vzduchu m rné teplo vodní páry oprava svazku na pom rnou délku oprava svazku podle druhu oh evu Maximální množství CO2 ve spalinách m rné teplo m rná tepelná kapacita m rné teplo suchého vzduchu m rné teplo spalin oprava svazku v závislosti na teplot oprava na pom rnou délku vn jší prům r trubky vnit ní prům r trubky množství vody v 1 kg suchého vzduchu ekvivalentní prům r povrch st n ohništ účinná sálavá plocha ohništ průtočný prů ez vody součinitel gravitační zrychlení výška spalovací komory bez dna fyzické teplo paliva entalpie spalin na konci ohništ entalpie vstupních spalin entalpie výstupních spalin entalpie spalin entalpie vstupních spalin entalpie výstupních spalin entalpie minimálního množství spalin užitečné teplo uvoln né v ohništi entalpie vzduchu entalpie minimálního množství vzduchu rozdíl entalpií součinitel prostupu tepla součinitel zeslabení sálání -56-

VUT v BRN FSI EÚ

Diplomová práce Projekt náhrady plynového zdroje biomasou [-] [ ∙

[ ∙ [ ∙

− −

−

[ ] [−] [ / ] [kg/ot]

ℎ

�

n n

� �

�

�

�

∙

∙ ∙

[ / ] [kg/h] [kg] [kg] [ / ] [m3] [kg] [-] [ot/min] [−] [ ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [ / ] [−] [ ] [ ] [ ]

− −

−

]

] ]


součinitel zeslabení sálání koksovými částicemi součinitel zeslabení sálání t íatomovými plyny součinitel zeslabení sálání svítivé části součinitel zeslabení sálání popelkovými částicemi délka trubky součinitel Ěvýpočet ohništ ě množství paliva množství paliva dopraveného za jednu otočku skutečné množství paliva Množství spot ebovaného paliva za hodinu hmotnost paliva, které kotel spálí za 24 hodin hmotnost relativn suché d evní št pky hmotnostní průtok vody prům rná roční spot eba plynu hmotnost surového paliva počet dnů topné sezóny počet otáček za minutu počet trubek obvod prů ezu kanálu minimální množství kyslíku p i spalování objem CO2 ve spalinách objem SO2 ve spalinách objem N2 ve spalinách objem Ar ve spalinách objem vodní páry objem vodní páry Skutečné množství spalin s p ebytkem minimální množství vlhkých spalin Minimální množství suchých spalin minimální objem suchého vzduchu minimální objem vlhkého vzduchu skutečné množství vzduchu s p ebytkem Prandtlovo číslo tlak tlak napájecí vody výstupní tlak vody -57-

VUT v BRN FSI EÚ

Diplomová práce Projekt náhrady plynového zdroje biomasou [-] [MPa] [kW] [kW] [kW] [ / ] ] [ / [W] [MJ]

Q

[kJ/kg]

�

R r �

�

�

[kW] [kW] [ ] [ ] [ / ] [ / ] [ ] [ / ] [kW] [m2] [m] [−] [−] [−] [m] [m] [ ] [m2] [%] [m2] [m2] [ ] [ ] [ ] [s] [°C] [°C] [ ] [℃]


pom r mezi teplem vzniklého z d evní št pky a prům rným množstvím tepla Q parciální tlak výkon spalovací komory výkon žárotrubnatého vým níku Teplo vyniklé spálením paliva celkové teplo p ivedené do kotle výh evnost paliva prům rné množství tepla za rok celkové množství tepla vzniklé z d evní št pky Množství tepla odevzdaného v ohništi do st n Teplo spalin na vstupu Teplo spalin na výstupu teplo dodané vzduchem prům rný tepelný výkon zdroje objemové zatížení roštu plošné zatížení roštu jmenovitý tepelný výkon zdroje teplo p ivedené do ohništ vzduchem teplo vyniklé spálením paliva Plocha ho ící vrstvy polom r ho áku objemová část vodní páry objemová část SO2 a CO2 objemová část t íatomových plynů p íčná rozteč podelná rozteč velikost výh evné plochy ideální plocha pro vým ník Obsah H2O plocha roštu Výrobní teplosm nná plocha efektivní tloušťka sálavé vrstvy absolutní teplota spalin na výstupu z ohništ teoretická teplota p i spalování čas otočení Vstupní teplota vody Výstupní teplota vody teplota vn jšího povrchu nánosu trubek teplota vstupních spalin -58-

VUT v BRN FSI EÚ

Diplomová práce Projekt náhrady plynového zdroje biomasou [℃] [℃] [℃] [℃] [℃] [kg/m3] [m3] [m3/ot]

̅̅̅̅̅̅̅ ∙� � �

�

��

�

�

;

Δ ; ∆ ∆ ∆

∆

�

;Δ

[m3] [m3] [kJ/kg.K] [ ] [ ] [%] [ / ] [−] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [−] [ / ] [ / ] [−] [%] [℃] [° ] [-]

[%] [ / ] [ / ] [ ]


teplota výstupních spalin st ední teplota spalin teplota vstupní vody teplota výstupní vody st ední teplota vzduchu objemová hmotnost relativn suché d evní št pky Objem paliva, které kotel spálí za 24 hodin Objemové mnžství dopr. mat. za jednu otočku objem surové št pky objemová hmotnost surové d evní št pky St ední celkové m rné teplo spalin objem sálající vrstvy objem ohništ Objem vodní páry na 1m3 suchého vzduchu rychlost spalin úhlový součinitel Ztráta ho lavinou v tuhém zbytku Ztráta ve strusce nebo ve škvá e Ztráta v úletu ztráta ho lavinou ve spalinách ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků ztráta ve strusce nebo škvá e ztráta v úletu ztráta citelným teplem spalin ztráta sdílením tepla do okolí p ebytek vzduchu součinitel p estupu tepla na stran spalin součinitel p estupu tepla konvekcí p írůstek p ebytku vzduchu st ední logaritmický spád teplotní rozdíl vnit ní a st ední teploty venkovního vzduchu rozdíl vnit ní teploty ti a nejnižší venkovní teplota dané oblasti pom r mezi ∆ a ∆ tepelná účinnost kotle součinitel tepelné vodivosti koncentrace popílku ve spalinách součinitel kinematické viskozity -59-

VUT v BRN FSI EÚ

� � �

�

�

�

�

Diplomová práce Projekt náhrady plynového zdroje biomasou [ / [−] [−] [℃] [℃] [℃] [ / [−] [%] [−] [-] [-] [-] [-] [-] [-]

]

]

m rný objem součinitel zanesení st n ohništ Ludolfovo číslo st ední teplota spalin teplota spalin na konci ohništ adiabatická teplota plamene hustota paliva součinitel uchování tepla relativní vlhkost součinitel zanesení st n ohništ procento N2 ve spalinách procento H2O ve spalinách procento CO2 ve spalinách procento Ar ve spalinách procento SO2 ve spalinách procento vzduchu ve spalinách

-60-


VUT v BRN FSI EÚ


Seznam příloh P íloha 1: Výkres kotle P íloha 2: Procesní schéma technologie P íloha 3: Výkres dispozičního uspo ádání jednotlivých částí technologie

-61-


VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN

Recommend Documents