SPALOVÁNÍ BIOMASY A TVORBA SPEČENIN A SLITIN POPELA II. Zajištění kontinuálního odvodu popela v celém procesu hoření.

Transkript

1 SPALOVÁNÍ BIOMASY A TVORBA SPEČENIN A SLITIN POPELA II V této brožurce jsou uváděny podstatné výsledky práce z GRANTU o názvu: Zajištění kontinuálního odvodu popela v celém procesu hoření.

2 2

3 Obsah Úvod do problému 4 Výchozí stav 5 Představení společností 6 VERNER a.s. 7 Žlutická teplárenská a.s. 9 VŠCHT Praha 13 Zaměření zkoumání 14 Záznamy procesů spalování různých druhů biomasy 14 Postup při provozních zkouškách recyklace spalin u kotle K2 20 Protokol o zkoušce paliva (palivo: drcené seno, kompost) 30 Protokol o zkoušce paliva (palivo: koňský hnůj s podestýlkou - hoblina) 33 Protokol o zkoušce paliva (palivo: pelety ze sena) 36 Protokol o zkoušce paliva (palivo: kompost z travin) 38 Protokol o zkoušce paliva (palivo: sláma, hnůj, pelety) 40 Závěr 44 Poděkování 45 3

4 Úvod do problému Využití biomasy pro energetické účely je stále více aktuální a podporované prakticky celým světem. Do současnosti nejvýznamnějším zdrojem biomasy jako paliva bylo dřevo v různých podobách. S rostoucím rozvojem spotřebičů logicky došlo k hledání jiných zdrojů paliva nežli dřeva, možno také říci, že došlo k vyčerpání dostupnosti zdrojů dřeva a tak se začaly využívat další zdroje, jako sláma, seno, různé rostliny a další paliva rostlinného, nebo i živočišného původu. Společnost VERNER a.s. je společností, která dlouhodobě zaměřuje svůj vývoj na spalování biomasy v topidlech o výkonu od 5 do kw. Společnost tento program buduje 20 let a jako první uvedla na náš trh pyrolytické kotle na spalování dřeva, první české kotle na spalování slámy, první kotle na spalování obilí a byla u zrodu výroby briket i pelet v naší republice. S tím úzce souvisí problém uvedený v nadpisu této práce, to je problém odvodu popela z procesu spalování, který hlavně u jiných paliv, nežli dřevo, brzdí jejich rozvoj v plošném používání. Letecký pohled města Žlutic 4

5 Výchozí stav Spalování dřeva z pohledu tvorby popela, jeho spékání a odvodu z topeniště je bezproblémové. Problémy začínají při spalování dřeva (pelet) s větším obsahem kůry a zvyšují se při spalování slámy a sena. Společnost VERNER dodala mimo jiné technologii kotelny centrální výtopny ve Žluticích, kde jsou instalovány tři kotle o výkonu kw na spalování slámy a jeden o výkonu kw na spalování dřeva, spalování dřeva je mimo zájem této práce. Proto veškeré snažení bylo zaměřeno na kaskádu kotlů kw. Při spalování slámy docházelo k tavení popela a dále usazování této taveniny na keramiku spalovacího a dohořívacího prostoru kotle, kde tvořil lávovité usazeniny a při jejím odstraňování docházelo k poškozování keramické vyzdívky a také k problémům vynášení popela šnekovými dopravníky do kontejnerů. Proto vzniklo sdružení VERNER, Výtopny Žlutice a VŠCHT Praha, které si vzalo za úkol vyřešit, nebo alespoň značně omezit, tento jev. 5

6 Představení společností 6

7 VERNER a.s. VERNER a.s. je českou moderní společností, která se již od svého vzniku v roce 1992 specializuje výhradně na vývoj a výrobu technicky nadstandardních topných systémů pros spalování biomasy. Výrobní program zahrnuje celou řadu produktů - od krbových kamen a interiérových kotlů, přes kotle na kusové dřevo a automatické kotle na obilí a pelety až po kotelny na vytápění velkých provozů a celých obcí. Průmyslové kotle značky VERNER Spalování biomasy je zcela odlišné. Aby bylo možné z biomasy získat energii s co nejvyšší účinností, je nutné k jejímu spalování použít speciálně zkonstruované kotle. Biomasové kotle pracují na principu zplynění paliva v prostoru hořáku. Uvolněné hořlavé plyny následně dohořívají v plamenci umístěném uvnitř kotlového výměníku tepla. Velká teplosměnná plocha kotlového výměníku zajišťuje vysokou účinnost kotle. Ta se pohybuje až okolo 85%. Za účelem zplynění paliva je do hořáku nasáván z prostoru kotelny tzv. primární vzduch. Uvolněné hořlavé plyny následně dohořívají v plamenci umístěném uvnitř kotlového výměníku tepla. K dohoření těchto plynů je potřebný tzv. sekundární vzduch, který je nasáván z prostoru kotelny obdobně jako primární vzduch. Kotle spalují dřevní biomasu, což mohou být dřevní štěpky, piliny, hobliny nebo naštěpkované klestí po lesní těžbě. Dalším druhem paliva je rostlinná biomasa, což je sláma zbylá po sklizni zrna. Především sláma z pšenice, ječmene a žita. Do budoucna bude též spalována cíleně pěstovaná biomasa z tzv. energetických rostlin. Rostlinná biomasa je dodávána v obřích hranatých balících. Kotelna ročně spotřebuje okolo t paliva. Biomasa je palivem s nízkým obsahem popela. Kotelna ho ročně vyprodukuje asi 100 t. Popel je používán jako pomocné minerální hnojivo a je vracen zpět do půdy. Ve žlutické výtopně jsou osazeny teplovodní nízkotlaké kotle s horizontálními kotlovými výměníky tepla. Uvnitř těchto výměníků se nachází plamenec obložený tvarovkami odlitými ze speciální žárobetonové směsi. Pro zajištění dokonalého spálení směsi uhlovodíků vzniklých zplyněním paliva v hořáku, jsou uvnitř plamence osazeny přepážky, které rozdělují plamenec na dohořívací komory. Přepážky zajišťují dostatečnou dobu zdržení spalin ve spalovacím prostoru. Příjem a doprava paliva: Drcená biomasa je nakládána do sila s hydraulickým vyhrnováním, na výstupu dochází k třídění nadrozměrných kusů. Ze sila je palivo dopravováno utěsněnými šnekovými dopravníky do hořáku. Z důvodu použití šnekové dopravy nesmí rozměry paliva ukládaného do sila překročit 30 x 30 x 60 mm. Dopravní cesty jsou osazeny vodní sprchou a turniketem proti zpětnému prohoření paliva. Balíkovaná sláma je pokládána na zásobní dráhu a dále rozdružována. Paliva je možné na vstupu do kotle míchat a tím spalovat i nestandardní paliva. Zásobník paliva silo: Silo má pohyblivé dno, které zabraňuje klenbování paliva a zaručuje jeho rovnoměrnou dodávku. Může být umístěno na stávající podlaze, zapuštěno pod zem nebo mít podobu nadzemní věže. Na výstupu ze sila instalujeme třídění paliva pro separaci nadměrných kusů. U kotlů o výkonech do 2 MW je třídění paliva technicky, energeticky a pro dokonalejší řízení spalování výhodnější, nežli umožnění vstupu velkých kusů do topeniště. 7

8 Spalování: Spalování probíhá v prostoru s vodou chlazeným dnem. Hoření je regulováno počítačem na základě dosažené teploty vody, údajů z lambda sondy a teplot a podtlaku v topeništi. Paliva je možno během spalování libovolně míchat nebo střídat. Popel je v hořáku posouván hrablem k drtiči popela a následně vynášen do kontejneru nebo popelnice. Regulace: Regulace a provoz kotle jsou řízeny počítačem. Řízeno je zapalování kotle, odstávky kotle a dodržování nastavené teploty vody nebo tlaku páry. Spalovací proces je možné řídit i podle požadovaného výkonu (hlavně u technologií sušení apod.), na základě dodržení kvality spalin, odpopelnění kotle a hlášení poruch. Při výpadku elektrické energie je v kotlovém okruhu nainstalován vychlazovací systém nebo záložní systém pro zabránění přehřátí vody. Systém vyžaduje přívod užitkové vody o minimálním tlaku 0,2 MPa a přívodu 1. Průmyslový kotel značky VERNER 8

9 Žlutická teplárenská Provozovatelem centrální výtopny je společnost Žlutická teplárenská a.s., jejímž výhradním vlastníkem je Město Žlutice. Provoz je zajišťován prostřednictvím 5 zaměstnanců ve funkci topičů a vedením je pověřena ředitelka společnosti, paní Ing. Pavlína Voláková, Ph.D.. Na centrální výtopnu jsou napojena tři sídliště s téměř 700 byty a dále i veškeré ostatní městské objekty ve staré zástavbě, jako např. základní škola, zvláštní škola, mateřská školka, základní umělecká škola, střední lesnická škola, obchodní dům a další instituce jako pošta, lékárna, policie, farní úřad. Podél páteřních teplovodů jsou navíc i přípojky ke 47 rodinným domkům. Provoz výtopny je celoroční. Dodávaná tepelná energie je používána pro vytápění i pro ohřev teplé užitkové vody. Výroba tepelné energie se pohybuje okolo 37 TJ ročně. Tepelná energie je po městě rozvedena systémem teplovodního předizolovaného potrubí. Teplovod je složen z páteřních větví a tepelných přípojek rozvedených přímo k odběrným místům. Teplo je v odběrných objektech předáváno zákazníkům přes tlakově nezávislé výměníkové stanice. Provoz kotelny je řešen jako nepřetržitý. Vlastní výtopna se skládá z celkem čtyř průmyslových kotlů VERNER GOLEM o celkovém výkonu 7,9 MW. Jednotlivé průmyslové kotle VERNER GOLEM jsou o výkonech 2,5 MW a 3x 1,8 MW. Kotel o nejvyšším výkonu má dopravní cesty uzpůsobeny ke spalování dřevního odpadu, další kotel je kombinovaný a lze v něm spalovat dřevní odpad a balíky slámy. Zbývající dva kotle mají dopravní cesty jen pro spalování slámy. Výtopna používá jako palivo obnovitelné zdroje energie biomasu, a to především piliny, dřevní odpad, štěpku a zejména jakoukoli slámu. Výjimkou však nejsou i další alternativní paliva jako balíky tzv. energetického šťovíku apod. V kotelně se ročně spotřebuje cca. 4-4,5 tisíc tun paliva, z toho asi polovina slámy. Přínosy Žlutické výtopny Energické využívání biomasy má pro město Žlutice mnoho výhod. Největší přínos, který centrální výtopna městu přinesla, je přínos ekologický. Dále je přínosem také pro agrární sektor a celý mikroregion, protože palivo pro kotle se nakupuje z blízkého okolí od zemědělců a lesníků, tudíž práce i peníze zůstávají v regionu. Město samotné se nachází v údolí řeky Střely, pod hrází vodárenské nádrže. V zimním období jsou zde velice časté inverze a ty ve spojení se složením spalin z lokálních topenišť a blokových uhelných kotelen, vytvářely v minulosti ovzduší velice nezdravé. Změnou teplofikace města, kdy byla uhelná topeniště nahrazena centrálním zdrojem na spalování biomasy, došlo k razantnímu vyřešení čistoty vzduchu ve městě. Nyní není ve spalinách přítomen pevný úlet a oxid siřičitý. Oxid uhličitý, který vniká při spalování, má v případě použití biomasy takzvanou nulovou bilanci. To znamená, že při spalování se do ovzduší uvolní jen takové množství oxidu uhličitého, které přijímala původní rostlina z ovzduší v průběhu fotosyntézy. Popel je poté možné použít jako hnojivo. Již nyní se předpokládá, že biomasa bude pravděpodobně aspirovat na titul,,palivo budoucnosti. Tuto budoucnost město Žlutice předběhlo již před deseti lety. Doufáme, že budou i nadále inspirací pro další takovéto projekty. Emise [t] TZL CxHy SO2 NOx CO (tuhé znečišťující látky) (uhlovodíky) uhlí 275,08 148,61 25,19 270,09 81,00 biomasa 2,77 4,43 6,56 7,14 0,07 Tabulka, která srovnává stav emisí z dřívějšího vytápění města Žlutice uhlím se stavem nynějším, kdy je zde topeno biomasou. 9

10 Žlutická výtopna v číslech zahájení výstavby: únor 2001 uvedení do zkušebního provozu: prosinec 2001 kolaudace zhotoveného díla: květen 2002 instalovaný výkon: délka teplovodů: teplotní spád: tlaková pásma teplovodů: rozvodná síť: 7,9 MW 11,6 km 105 /65 C 0,4 MPa, 0,9 MPa teplovodní 10

11 11

12 12 Nákres rozvodné sítě

13 VŠCHT Praha Představovat tento institut není zapotřebí. Snad jen konstatujeme, že vysoká škola poskytla zázemí se svými laboratořemi a dále poskytla své hluboké znalosti v teoretické rovině, které razantně pomohly k řešení problému, proto touto cestou vyjadřujeme i svoje poděkování. 13

14 Zaměření zkoumání Zkoumání a ověřování teorií bylo stanoveno těmito směry: 1. Získání dostatečně veliké databáze rozborů popela z různých paliv, popřípadě stanovit závislosti tvorby a spékání popela na druhu paliva (rostlin) a jeho složení 2. Prozkoumat chemické složení paliv a sestavit pravidla pro výběr a ovlivnění poměrů jednotlivých prvků obsažených v biomase. 3. Vytipovat stabilizační paliva a přísady do paliva, odzkoušet jejich vliv na spalování (hlavně emise) a na vlastnosti popela. 4. Nalézt a odzkoušet separační materiály, které by chránily keramiku kotle proti napékání popelovin. 5. Změnit průběh spalování konstrukcí spalovacího prostoru a teplosměnných ploch a jiným rozložením přívodu spalovacího vzduchu v průřezu spalování a tak ovlivnit usazování a napékání popela. Záznamy procesů spalování různých druhů biomasy Sláma (Babiš) Sláma (Babiš1) Průběh hoření slámy (Babiš) Graf - výsledky měření (sláma - Babiš) 14

15 Pelety Košice - seno 1. Graf - výsledky měření (pelety Košice seno) 2. Graf - výsledky měření (pelety Košice - seno) Stav popela v kotli po dohoření Žito 1. Průběh hoření (žito) 2. Průběh hoření (žito) Graf - výsledky měření (žito) 15

16 Ječmen Průběh hoření ječmen 1. Graf - výsledky měření (Ječmen) 2. Graf - výsledky měření (Ječmen) Otruby Průběh spalování (otruby) Průběh spalování (otruby) Detail popela (otruby) 16

17 Detail popela v kotli (otruby) Popel v kotli (otruby) Koňský hnůj Graf - výsledky měření (koňský hnůj) Pelety - Golem Průběh hoření - Golem (pelety) Stav popela po dohoření: Golem (pelety) Stav popela po dohoření: Golem (pelety) 17

18 Stav popela po dohoření: Golem (pelety) Stav popela na stěnách kotle (Golem - pelety) 1. Grah - výsledky měření (Golem-pelety) 2. Grah - výsledky měření (Golem-pelety) Průběh zkoušení: Hlavní ověřování a zkoušky byly prováděny na kotlích ve Žluticích a ve společnosti VERNER o výkonech kw a 900 kw, posléze byl přiřazen ke sledování kotel ve Vřescích 600 kw, kde se spalují slupky z ovsa a plevy z pšenice, dále k tomu byly přiřazeny zkoušky a spalování na kotlích A 501 o výkonu 50 kw, kde byly prováděny modelové zkoušky s menším množstvím paliva. Ve Žluticích byla instalována recyklace spalin a také sestaven a odzkoušen řídící program pro recyklaci. Byl vyroben prototyp nového spalovacího prostoru s přívodem recyklovaného vzduchu v Č. Kostelci. Byl vyroben pokusný dohořívací prostor, který má cyklonový efekt a čistí spaliny ještě před vstupem do výměníku. Tato myšlenka má zásadní vliv na velikost pevného úletu a tím i plnění jedné z nejsledovanější složky emisí a zároveň usnadňuje odvod popela z procesu hoření v místech, kde to je energeticky málo náročné (na rozdíl od tkaninových filtrů na výstupu u jiných řešení. Zkoušky dále byly děleny na provozní a testovací. Provozní zkoušky byly prováděny v normální topné sezóně (hlavně odběr vzorků), testovací byly prováděny mimo sezónu a to z důvodu, aby průběh a potřeby provozu byly podřízeny výhradně testům a ne provozu. Zpráva v oblasti zkoumání popela, jeho složení a chování: Dodavatel paliva Solitera Provozní cyklus kotle: , celkem 559 hod. Spáleno: cca 290 t (518 kg/hod.) Dřevní štěpka, smrk (jehličnany) Lokalita: Plzeňsko, Letkov 18

19 Štěpka z klestí, smrk (jehličnany) Lokalita: Plzeňsko, Holýšov Štěpka z náletových dřevin: bříza, javor, vrba (listnáče) Lokalita: Sokolov Popel bez jakýchkoliv problémů manipulovatelný a bez nápeků. Dodavatel paliva Konvalinka Směs štěpek, pilinoštěpka + lesní štěpka + náletová štěpka v poměru: 1 : 1 : 2. Spáleno cca: 168 t (cca 600 kg/hod) Pozn.: dno kotle K2 bylo po vyčištění vysypáno pískem Popel byl bez spékání dobře sypký a bez problému odstranitelný. Dodavatel paliva LUKRA Spáleno cca: 210 t (cca 600 kg/hod) Žitná sláma Pozn.: dno kotle K4 bylo po vyčištění vysypáno směsí vápna a kaolínu v poměru 1:1, část dna byla zkušebně vysypána jen pískem Dodavatel paliva LUKRA Pšeničná sláma, vzorek SL4 Pracovní cyklus kotle K4 byl: = 215 hod. Spáleno cca: 86 t (cca 400 kg/hod) Pozn.: na dně kotlového výměníku kotle K4 byla po vyčištění před zkoušením testována separační vrstva: podélně ve dvou polovinách: a. směs: vápno + kaolín, výsledek: vznikl skelný nápek, ale sklo bylo touto vrstvou odděleno od povrchu žárobetonu a k přilepení ke keramice nedošlo b. písek (bílý, stavební), výsledek: vznikl skelný nápek, sklo bylo i touto vrstvou bezpečně zachyceno nad povrchem žárobetonu Pozn.: na základě výsledku testování separačních vrstev bylo dno dohořívací komory a výměníku po vyčištění kotle před uvedením kotle do provozu vysypáno již jen pískem (stavebním, bílým) v tloušťce vrstvy 3 4 cm. Spečeniny při spalování slámy na separační vrstvě 19

20 Dodavatel paliva Nepraš, Solitera, Treneko Topol, javor, křoviny vrby) a lesní štěpky (borovice, smrk klest) vše cca v poměru 1:1:1 Pracovní cyklus kotle hod. Spáleno cca: 167 t směsi štěpky. Tvorba spečenin byla velmi malá a opět je zachytila separační vrstva. Odběr vzorků: dne Všechny vzorky byly odebrány z kotle K3, spalovala se žitná sláma. Tentokrát již recyklace částečný přívod spalin odebíraných za filtrem, umístěným za cyklónem, dále byly tyto sapliny míchány podle řídícího programu se vzduchem a poté vedeny do hořáku jako spalovací vzduch. Dodavatel paliva LUKRA Pracovní cyklus kotle K3 byl: , tj.: cca 111 provozních hodin. Spáleno cca: 50t žitné slámy. Měření emisí: :00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45: :00:00 O2 TSpal. CO NO Stav popela po spálení série na separační vrstvě. Spalování žitné slámy, provoz bez "recyklace" spalin se separační vrstvou - písek 20

21 1. sláma řepka ( ), dodavatel: LUKRA 3. pelety ze sena z lokality: Chodová Planá. Stav dohořívací komory se separační vrstvou po spálení slámy a pelet ze sena. Dne: : Spalovala se štěpka, dodavatel: SOLITERA (Brťka), lokalita: Plzeňsko. Provoz kotle: s použitím recyklace částečný přívod spalin odebíraných za filtrem, umístěným za cyklónem. Pracovní cyklus kotle K2 Počet pracovních hodin 135 Stav výměníku a obratových komor s recyklací spalin. Usazuje se velmi jemný povlak na kovových částech kotle, který je novým jevem při takovémto spalování. 21

22 POSTUP PŘI PROVOZNÍCH ZKOUŠKÁCH RECYKLACE SPALIN U KOTLE K2 zapalování kotle kontrola Rozvod stav klapek recyklace počítač Nastavení parametrů - způsob spalování - 0 zapnutí kotle po přejití kotle do provozu spuštění recyklace regulace stav klapek recyklace počítač nastavení parametrů - způsob spalování - 1 Zpráva v oblasti zkoumání konstrukčního řešení spalování: Zde jsme se zaměřili na tři oblasti: Recyklace spalin Stabilizační palivo Čištění výměníku Cyklonový odlučovač pro spaliny vystupující z hořáku Recyklace spalin: Byl konstrukčně navrhnut systém odebírání spalin za cyklonovými odlučovači kotlů (z komínu) přes ventilátor a filtraci. Za touto filtrací byly kouřové plyny míchány se vzduchem v komoře se systémem klapek na požadovanou koncentraci. Řídící program vycházel z veličin: 22

23 Teplota spalin Teplota recyklovaného spalovacího vzduchu Množství primárního i sekundárního vzduchu Množství paliva přiváděného do hořáku Přebytek vzduchu ve spalinách na výstupu z kotle Průběh teplot v celém procesu hoření od hořáku po vstup do komína. Takto připravený spalovací vzduch byl veden do primárního i sekundárního rozvodu vzduchu kotle. Konstrukční řešení viz níže. Celkový pohled Filtr po zkouškách Odběrný ventilátor 23

24 RECYKLACE SPALIN ŽLUTICE REGULAČNÍ STANICE RECYKLACE SPALIN ŽLUTICE SPALINOVÁ CESTA pohled z boku 24

25 Měření emisí u slámy vykazovalo neobvyklou stabilitu hoření při nízkých hodnotách CO, uhlovodíků i Nox. Ale při ponechání v rutinním provozu na štěpku se celý systém velice rychle zadehtoval a stal se neprovozuschopným. V této fázi jsme se snažili programově upravit odběr a míchání spalin tak, abychom kondenzaci předešli, ale nepodařilo se takovéto nastavení recyklace najít. Proto po pečlivém rozboru kondenzačních křivek a závislostí teplot na bodu kondenzace bylo od tohoto řešení upuštěno i přesto, že vykazovalo velice příznivé emisní hodnoty (při spalování slámy) a průběh teplot v topeništi, které slibovalo omezení tavení popela. Proto bylo rozpracováno nové řešení recyklace a to odběr nefiltrovaných spalin z druhé obratové komory, kde jejich teplota se pohybuje okolo 300 C. Odběr je zajištěn opět samostatným ventilátorem, který má na vstupu přimíchávání vzduchu závislé pouze na teplotě spalin. Takto upravené spaliny jsou vedeny do samostatného systému přívodu spalovacího vzduchu. Tím vzniklo spalování s třemi vzduchy a to: - Recyklace - Primár - Sekundár K tomuto byl navržen samostatný řídící program, který je připraven k provozním zkouškám na kotli 2 ve Žluticích. Souběžně s tímto řešením byl navrhnut nový model hořáku GOLEM, který je instalován v Červeném Kostelci. Má zcela jiné rozložení přívodu vzduchu, místo 1060 otvorů na bocích topeniště jsou voleny větší otvory 3 pro primár a 3 pro sekundár na každém boku topeniště a recyklace je přivedena do čela hořáku. Viz foto: Umístění na kotli Umístění 1 Přívod do topeniště Přívod z boku 25

26 RECYKLACE SPALIN KOTELNA VERNER BOČNÍ POHLED RECYKLACE SPALIN ŽLUTICE ČELNÍ PŘÍVOD SPALIN 26

27 Použití stabilizačního paliva: Jako stabilizační palivo bylo v počátku voleno dřevní, nebo i alternativní pelety. Byl instalován samostatný příjem pelet z big-bag a programově řízeno jejich přidávání do plnícího šneku hořáku. Takováto stabilizace velice rychle reagovala co do náběhu teplot a stability hoření, ale neměla potřebnou stáložárnost, dále finančně náročný provoz a také se projevovalo problematické přidávání do paliva o vlhkosti nad 50%, pelety se rozpadaly ještě před vstupem do hořáku. Dále jako stabilizační palivo bylo zvoleno hnědé uhlí hruboprach, nebo ořech. Uhlí pro svoji vyšší měrnou váhu propadá ve spalovacím prostoru na dno hořáku, kde je posouváno roštem a tím tvoří souvislou podložní vrstvu pod biomasou. Tato vrstva má u naší konstrukce velmi omezený přívod vzduchu a odhořívá velice pomalu, ale tvoří základ, který velmi stabilizuje hoření, dovoluje zcela jiné nastavení průběhu přívodu vzduchu a tím i regulaci průběhu teplot, což velice kladně působí na tavení popela. Stabilizace uhlím se razantně projevila jako kladný prvek při spalování ovesných odpadů při výrobě ovesných vloček. Stabilizace se pohybuje do 3 % váhového poměru a zcela změnila spalování a zamezila tvorbu dehtů a skelných napečenin na keramice. Stabilizace vstupní stanicfe - obrázek 1. Obrázek 2. Na základě těchto zkušeností byla stabilizace hoření hnědým uhlím instalována do Vřesců, kde se spalují ovesné odpady. Zde došlo k enormnímu zadehtování spalinových cest. Nyní s využitím stabilizace 3 % je tento problém 100% odstraněn. Čištění výměníku: Jakmile se zařadila do spalování recyklace, vzrostlo mnohokráte usazování prachových částí ve výměníku. Tento jev by značně zkomplikoval údržbu, účinnost i čištění výměníku. Proto bylo zkonstruováno víko výměníku, které umožňuje vymetání trubkovnic při provozu. Toto 27

28 řešení bylo využito na kotli ve Vřescích a ve Žluticích. Ve Žluticích ještě s tou výhodou, že obratové komory mají samostatné popelnice pro odvod popílku. Ve Žluticích se rozpracovává verze, kde bude výměník čištěn robotem. DVEŘE VÝMĚNÍKU S VYMETÁNÍM KUDT Žlutice VÝMĚNÍK V900 (VERNER) pohled zezadu 28

29 Hodnocení paliva: Palivo kompost k energetickému využití má poměrně vysokou měrnou hmotnost 250 kg/ m³. Není problém jej dopravit do kotle šnekovou dopravou. Palivo bylo zapáleno za 20 minut. Palivo se však rozhořívalo velmi pomalu, krátké plameny, než se prohřála vyzdívka tak nárůst výkonu kotle byl pomalý. Po 1 hodině hoření se prohřála vyzdívka a kotel začal dané palivo dobře spalovat. Hodnoty CO při spalování čistého kompostu vykazují průměrné hodnoty do 1000 mg/m³ spalin při 11% kyslíku (limit 650 mg/m³). Dalším seřízením kotle lze předpokládat i splnění limitu CO. V hořáku kotle se tvoří struska, roštovat bude třeba častěji. Struska se však rozpadá a není jí tolik, aby si s tím drtič popele a vynašeč popele neporadil. Popelnatost paliva se bude pohybovat (váhově) v hodnotách %. Při zkoušce bylo spáleno cca. 1200kg paliva, z tohoto množství bylo 350 dm³ popele, hmotnost 134 kg. Popelnatost je vysoká. Toto palivo lze spalovat samotně v kotlích VERNER- GOLEM. Vzorek paliva: Měrná hmotnost paliva 250kg /m 29

30 PROTOKOL O ZKOUŠCE PALIVA Palivo : drcené seno, kompost Popis paliva: sypká hmota Dodavatel paliva : Žid Čelina Dodané množství : kamion Požadavky na měření : U paliv je třeba zjistit kvalitu hoření (obsah CO,NO X ve spalinách), tvoření strusky, příp. měrnou hmotnost paliva, popele, spotřebu paliva/h, aj. parametry. Tabulka naměřených hodnot. Měření č.1. Přiložené mn. paliva kg Doba zkoušky hoření 10 hodin hod. Průměr. tep. výkon kotle 25o až 550 kw kw Teplota spalin za kotlem 179 C C Nastavení kotle typ : H900 Interval plnění : 1,5 s plníme 40s pauza v plnění Interval roštování: po 15 min Interval odpopelení: po 30 min Otáčky ventilátorů: Prim. vent. 42 Hz : Sekun. vent. 21 Hz Měření č.2. Emise CO (ø), mg/m 3 (6% O 2 ) 95 mg/ m 3 Emise CO 2 (%) 6,7% O 2 13 % NO X mg/m 3 (6% O 2 ) 528 mg/ m 3 Výhřevnost paliva MJ/kg ---- Účinost kotle % cca 80 % 30

31 Poznámky, popis měření: Zkouška spalování byla provedena na kotli VERNER GOLEM 900 kw. Kotel při provozu první dvě hodiny hořel velmi dobře, vyhovující byly emise CO a NO x. Poté po dosažení provozních teplot se v kotli začala tvořit struska z popele a spečené útvary začínaly vyjíždět po bocích hořáku nahoru. Struska na bocích po další hodině zastínila fotočidla, paprsek fotozávory, který po jeho přerušení struskou zastaví plnění kotle palivem a ani roštování v krátkých časových intervalech tento nežádoucí jev v topeništi neodstraní. Pro stabilizaci hoření byly použity rostlinné pelety Hodnocení paliva: U tohoto paliva je problém v nízké teplotě tavení popele. U těchto paliv pomáhá spalovat paliva s větším přebytkem vzduchu, kdy dojde k ochlazení plamene a spékaní popelovin se podaří dostat do přijatelných mezí. Emise: měřeno pouze CO, CO 2, NO x, Záznam každé 3 minuty,průměrné hodnoty uvedeny v tabulce a hodnoty byly ustálené po celou dobu měření. Deska strusky na boku hořáku. Pohled do topeniště -,,zastínění vzduchových otvorů při hoření 31

32 Pohled do topeniště, kde na bocích hořáku vidíme spečené popeloviny. Pohle do hořáku Pohled do topeniště po vychladnutí kotle, kde na bocích hořáku vidíme spečené popeloviny, za provozu je struska výš. 32

33 Měření emisí: :10:00 00:20:00 00:30:00 00:40:00 00:50:00 01:00:00 01:10:00 01:20: :30:00 O2 TSpal. CO NO PROTOKOL O ZKOUŠCE PALIVA v kotli G 900 Palivo: Koňský hnůj s podestýlkou - hoblina Popis paliva: (viz.foto vzorek paliva) Dodavatel paliva : Čičovice (zajistil Ing. Verner Vl.) Dodané množství : odhad 8 m³ (1,25 tuny) Datum zkoušky Měření na základě požadavku Ing. Vl. Vernera, posoudit možnost spalování v kotlích VERNER GOLEM. Nejlepší dosažené hodnoty emisí a teplot. CO 250 komín 170 C NO x 560 O % S0 2 Vzorky paliva a popele. Měrná hmotnost paliva 156 kg/m 3 Vzorek neodebrán Měrná hmotnost popele z hořáku Měrná hmotnost popele z pod cyklonů 755 kg/m 3 Vzorek odebrán hrubší popel 361 kg/m 3 Vzorek odebrán jemný popilek 33

34 Měření č.1, h, Zkouška snaha o roztopení kotle, topeniště není ohřáté :00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45: :00:00 O2 TSpal. CO NO Měření č druhá zkouška ukázala, že po dobu 1,5 hodiny se kotel a vyzdívka neohřály natolik, aby dohořelo CO. Po 1,5 hodině bylo přidáváno hnědé uhlí do 5% objemově, 2 ořech Ledvice (17,6 MJ/kg). Zvýšila se teplota spalin, Co dohořívá :00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45: :00:00. O2 TSpal. CO NO 34

35 Měření č Třetí - přidáváno uhlí do poloviny zkoušky, potom vypnuto dodávání uhlí a bylo přidáváno palivo s cílem udržet teploty spalin nad 160 C :00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45: :00:00 O2 TSpal. CO NO Hodnocení paliva: Palivo koňský hnůj (s hoblinou, poměr hoblin neuveden) má měrnou hmotnost 156 kg/ m³. Palivo není problém dopravit do kotle šnekovou dopravou. Palivo bylo zapáleno za pouhých 10 minut. Plamen v kotli však byl po dobu zkoušky při spalování pouze hnoje krátký a nedošlo tak k dostatečnému prohřátí vyzdívky kotle. Z tohoto důvodu nedochází k dohoření CO. Hodnoty CO při spalování čistého hnoje v prvních dvou měřeních vykazují průměrné hodnoty mg/m³ spalin při 11% kyslíku(limit 650 mg/m³). K podstatně lepšímu dohoření CO docházelo při přidání 5 10% hnědého uhlí, toto je zobrazeno v měření č. 2 a č.3. Pro spalování tohoto paliva v kotlích VERNER GOLEM bude třeba používat kvalitního stabilizačního uhlí k dosažení potřebných teplot pro dohoření emisí. Vzorek paliva Měrná hmotnost paliva 156kg /m³ 35

36 PROTOKOL O ZKOUŠCE PALIVA Palivo: pelety ze sena (Orlické Záhoří) Popis paliva: peleta 6mm Dodavatel paliva : Orlické Záhoří (přivezl Ing. Verner Vl ) Požadavky na měření : U paliva je třeba zjistit kvalitu hoření (obsah CO a NOx ve spalinách ), posoudit tvorbu strusky, příp, měrnou hmotnost paliva, popele, spotřebu paliva/h, Tabulka naměřených hodnot. Měření č.1. Přiložené mn. paliva kg 6000 Doba zkoušky hoření 21 hod. Průměr. tep. výkon kotle kw GOLEM 900 Teplota spalin C 180 Emise CO (ø), %, l=1, za normálních stav. podmínek (nás.k.6550) mg/m 3 (10% O 2 ) 540 Emise O 2 % Emise NOx mg/m 3 (10% O 2 ) Výhřevnost paliva MJ/kg 8 % 465 Účinnost kotle % 80% Odhad 14 Měření č.2. C x H y,(lehké úhlov.)l=1 ppm Hodinová spotřeba kg 288 Tep.energie z 1kg paliva kw/kg 3,19 Množství popele kg Popelnatost % 9% Měrná hmotnost paliva kg/m Hodnocení paliva: U tohoto paliva je problém v nízké teplotě tavení popele, na roštu se tvoří struska. Tato struska je lehká a teplém stavu se odlamuje. Po vychladnutí ztvrdne. Je nutné odzkoušet větší množství paliva na výkon 500 kw a lze předpokládat, že u tohoto paliva bude nutný zásah ze strany obsluhy 1 x za 24 hodin vyčištění v prostoru roštu. 36

37 Tepelná energie získaná z 1kg paliva(3,17 kw) je srovnatelná s dřevěnou peletou horší kvality.. Výhřevnost paliva se bude pohybovat kolem 14 MJ/kg Při spalování tohoto materiálu nevzniká zápach, který by zatěžoval okolí. Emise: měřeno CO,NOx průměrné emise uvedeny - hodnoty jsou vyšší. Datum:

38 PROTOKOL O ZKOUŠCE PALIVA Zkouška spalování kompostu k energetickému využití Palivo : Kompost z travin (Bílina, Teplice) Popis paliva:(viz.foto vzorek paliva) Dodavatel paliva: Dovoz zajistil Ing. Verner Vl. Dodané množství : odhad 2 tuny Datum zkoušky Měření na základě požadavku posoudit možnost spalování v kotlích VERNER GOLEM. Průměrné hodnoty emisí a teplot. CO 3000 komín Max90 C NO x 300 O 2 16 S0 2 Hodnoty emisí v mg/m³ při 11 % kyslíku. Vzorky paliva a popele. Měrná hmotnost paliva 430 kg/m 3 Vzorek odebrán Měrná hmotnost popele z 815 kg/m 3 Vzorek odebrán hořáku 50% spečené kusy strusky, pevné. Měrná hmotnost popele z pod 550 kg/m 3 Vzorek odebrán cyklonů Hodnocení paliva: Palivo kompost z travin k energetickému využití má poměrně vysokou měrnou hmotnost 430 kg/ m³. Není problém jej dopravit do kotle šnekovou dopravou. Palivo bylo zapáleno za 20 minut. Palivo se však rozhořívalo velmi pomalu, krátké plameny.vyzdívka v kotli se během celé zkoušky neprohřála a kotel dával velmi malý tepelný výkon,teplota spalin vystoupala pouze na 90 C.(Optimum je 150 C).Zkouška trvala 5 hodin a pro zvýšení tepelného výkonu jsme přidávali hnědé uhlí (ořech 2) a přesto kotel nehořel v režimu blížícímu se běžnému provozu. V hořáku kotle se postupně tvoří struska,její poměr je velký a lze předpokládat, že v kompostu je velké procento nespalitelných látek. Do paliva se nedostává vzduch - kyslík, kotel nehoří. Toto je vidět i na přiložené fotografii,foceno 2 hodiny po vypnutí kotle.v hořáku Jsou velké útvary strusky nelze odsunout roštem i při opakovaném ručním roštování. Popelnatost paliva se bude pohybovat (váhově) v hodnotách nad 20 %. Toto palivo nelze samotné v kotlích VERNER- GOLEM spalovat. Můžeme doporučit přidávat max. 20% DO STANDARTNÍHO PALIVA např. dřevní štěpky. Závěr po rozboru popela: Při naskladnění se do kompostu dostala zemina, další topné zkoušky toto prokázaly. Popel se na keramiku netaví, proto je toto palivo zařazeno do dalšího zkoumání. 38

39 Vzorek paliva: Měrná hmotnost paliva 430kg /m³. Pohled do hořáku 2 hodiny po vypnutí kotle. 39

40 PROTOKOL O ZKOUŠCE PALIVA Zkouška spalování směsi ( sláma, hnůj, plevy) Palivo : Biomasa po fermentaci na volné ploše Popis paliva:(viz.foto vzorek paliva) Dodavatel paliva : Žid Čelina Dodané množství : souprava Datum zkoušky Měření posoudit možnost spalování v kotlích VERNER GOLEM. Průměrné hodnoty emisí a teplot. CO 4000 komín 150 C NO x 600 O 2 15% S0 2 Hodnoty emisí v mg/m³ při 11 % kyslíku. Vzorky paliva a popele. Měrná hmotnost paliva 114 kg/m 3 Vzorek odebrán Měrná hmotnost popele z hořáku Měrná hmotnost popele z pod cyklonů 730 kg/m 3 Vzorek odebrán hrubší popel 430 kg/m 3 Vzorek odebrán jemný popílek Měření č.1, nastavení dle tabulky :00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45: :00:00 O2 TSpal. CO NO 40

41 Měření emisí: :00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45: :00:00 O2 TSpal. CO NO Měření emisí: Přidávání 5-10 % uhlí :00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45: :00:00 O2 TSpal. CO NO 41

42 Hodnocení paliva: Palivo po fermentaci má palivo velmi malou měrnou hmotnost 114 kg/ m³. Přesto není problém jej dopravit do kotle šnekovou dopravou. Palivo bylo zapáleno za pouhých 15 minut. Plamen v kotli však byl po celou dobu zkoušky krátký a nedošlo tak k dostatečnému prohřátí vyzdívky kotle. Z tohoto důvodu nedochází k dohoření CO. Hodnoty CO při spalování čistého kompostu v prvních dvou měřeních vykazují průměrné hodnoty mg/m³ spalin při 11% kyslíku(limit 650 mg/m³). K podstatně lepšímu dohoření CO docházelo při přidání 5 10% hnědého uhlí, toto je zobrazeno v měření č.3. Pro spalování tohoto paliva v kotlích VERNER GOLEM bude třeba používat kvalitního stabilizačního paliva, pelet, štěpky do vlh,30 % nebo uhlí pro dosažení potřebných teplot pro dohoření emisí. Řešením se jeví i přidávat do kompostu materiály o vyšší výhřevnosti, štěpku, řepkovou slámu apod. Dalším řešením by bylo peletování této biomasy. Je třeba dosáhnout výhřevnosti přes 10 MJ a prodloužit plamen v kotli, aby se prohřála vyzdívka kotle. Vzorek paliva Měrná hmotnost paliva 114kg /m³. Nízká. Pohled do hořáku 1 hodinu po vypnutí kotle. Tvoří se struska, ale bez problémů pro odstranění. Ukázka rozborů popela z výše uvedených zkoušek. (těchto zkoušek bylo provedeno značné množství a mají již statistickou výpovědní hodnotu) Zde z přehledu je patrno, že popel tvoří tři hlavní prvky a to Si, Ca, K. Tyto prvky také mají zásadní vliv na vlastnosti popela a jeho bod tavení a měknutí. 42

43 palivo PSL1 PSL2 PSL3 PSL4 PSL5 PSL6 PSL7 PLN1 PSN1 PSN2 pšenice žito pšenice pšenice pšenice ječmen pšenicepelety len seno pelety ze sena prvek: (% hm.) (% hm.) (% hm.) (% hm.) (% hm.) (% hm.) (% hm.) (% hm.) (% hm.) (% hm.) Na Mg Al Si Px P Sx S Cl Ar K Ca Ti V < < Cr < < < Mn Fe Co < < Ni Cu Zn Ga < < Ge As Se Br < Rb < Sr Y < Zr Nb Mo Pd Cd Sb I < < Cs < < Ba La Lu Hf W < < < < < < Hg < < < Tl Pb < < < < Bi Ce

44 Závěr K problematice odstraňování popela je možné konstatovat, že záleží na těchto hlavních vlastnostech: 1. Vytváření separačních vrstev na keramice, tato zkušenost razantně chrání povrch keramiky, velice usnadňuje čištění spalovacího a dohořívacího prostoru, je finančně nenáročné a velice prospěšné. 2. Recyklace spalin. Recyklace podstatně ovlivňuje teploty v průběhu hoření, razantně snižuje teploty v hořící vrstvě paliva, u slámy stabilizuje hoření, čímž i usnadňuje regulaci spalování a tím i tvorbu nápeků. 3. Stabilizace hoření přídavným palivem. Hlavně stabilizace uhlím, cca 1 až 3 % váhového podílu značně stabilizuje hoření, vytváří podložní vrstvu v hořáku a je možno přívod vzduchu rozložit do větší délky a tím i zrovnoměrnit průběh teploty a omezit spékáni v hořící vrstvě. 4. Konstrukčním řešením čištění výměníku. Toto řešení usnadňuje provozní čištění při provozu kotle a několikanásobně zvětšuje prodlevu mezi potřebami čištění s odstávkou kotle. 5. Příprava rostlin a paliva na poli. Zde se jednoznačně prokázalo, že na spékání popela nemá vliv jen složení, ale i poměr jednotlivých prvků v palivu, zde bude vývoj a zkoumání ještě pokračovat hlavně v oblasti pěstování biomasy, neboť ovlivnění složení paliva již při růstu je novým prvkem v osevních postupech a výrobě biomasy pro spalování. Tento jev bude využit hlavně při výrobě energetického kompostu. 44

45 Poděkování Tímto bychom poděkovat všem autorům, kteří se na výzkumu včetně vytvoření této propagační brožury aktivně podíleli. Zejména panu Vladimíru Vernerovi za VERNER a.s., Pavlíně Volákové za Žlutickou teplárenskou a Martinu Mikovi za VŠCHT Praha. Grafická úprava, sazba, tisk a vazba: Tiskárna Resl Vytištěno v nákladu 100 ks 45