1/66. Biomasa. spalování spalovací zařízení emise navrhování ekonomika

Transkript

1 1/66 Biomasa spalování spalovací zařízení emise navrhování ekonomika

2 Přímé spalování fytomasy 2/66 spalování = oxidace C 6 H 12 O O 2 = 6 CO H 2 O + uvolněná energie vysoký obsah kyslíku O 2 nižší výhřevnost než u fosilních paliv (karbonizace, uhlovodíky, vysoká výhřevnost): vyšší potřeba paliva, větší objemy paliva vysoký obsah těkavých látek (70-80 % v sušině), uvolnění při teplotách > 200 C vícestupňové spalování: zplyňování + spalování plynů velké množství spalných plynů = podstatně delší plameny, prodlužování doby hoření: větší prostor pro spálení plynů obtížné pronikání spalovacího vzduchu do plamenů, zvýšená potřeba přívodu vzduchu pro spalování: vyšší součinitel přebytku spalovacího vzduchu λ nízký obsah popelovin (kromě stébelnin)

3 Spalovací zařízení na fytomasu 3/66 topeniště (3) sušení, zplyňování spalovací komora (10) spalování plynů keramická vyzdívka rovnoměrná teplota výměník tepla (12) odvod tepla přívod vzduchu primární (7) sekundární (9) odtah spalin ventilátor (15) odvod popela (4)

4 Přímé spalování fytomasy (endotermické) 4/66 ohřev paliva (do 100 C) teplem od odhořívajícího paliva, zvyšování jeho teploty sušení paliva (100 až 150 C) odpařování vody vázané v palivu, odchází jako vodní pára pyrolytický rozklad (150 až 230 C) bez přístupu kyslíku složité uhlovodíkové řetězce se rozkládají (degradují) na jednodušší: plynné uhlovodíky, dehty, CO pyrolytický rozklad nevyžaduje přítomnost kyslíku

5 Přímé spalování fytomasy (exotermické) 5/66 zplyňování suchého paliva (230 až 500 C) za přístupu kyslíku tepelný rozklad paliva, nad teplotou vznícení (230 C) v topeništi, kyslík dodáván v primárním spalovacím vzduchu, uvolňuje se teplo působení na pevné a kapalné produkty pyrolýzy (uhlík, dehet) - oxidace zplyňování tuhého uhlíku (500 až 700 C) za přispění CO 2, H 2 O, O 2 se tvoří spalitelný CO: viditelný plamen oxidace spalitelných plynů (700 až 1400 C), optimum 900 C spálení plynů vzniklých v předchozích fázích přívod sekundárního spalovacího vzduchu pro dokonalé spálení teploty nad 1200 C: zátěž konstrukce topeniště a výměníku, tvorba NOx

6 Součinitel přebytku spalovacího vzduchu 6/66 nedokonalé spalování nárůst komínové ztráty kotle na pelety 1.7 běžné kotle do 2.0 krby do 3.0

7 Spalovací zařízení - požadavky 7/66 jednoduchá obsluha a snadná údržba zavážení paliva, odstraňování popela vysoká kvalita spalování, nízké emise CO, C x H y, NO x vysoká účinnost široký rozsah regulovatelnosti výkonu při zachování kvality hoření dlouhá životnost bezpečnost provozu nízké náklady investiční, provozní

8 Spalovací zařízení - typy 8/66 malá zařízení pro rodinné domy kusové dřevo, brikety krby, kamna, zplyňovací kotle pelety automatický provoz střední zařízení (školy, domovy důchodců,...) nutné individuální posouzení: pelety x štěpka velká zařízení (výtopny, teplárny) teplovodní, parní kotle možnost spalování méně kvalitních paliv s vlhkostí nad 30 %, sypký materiál nízká cena vyvažuje tepelné ztráty v rozvodech

9 otevřené krby 9/66 Lokální spalovací zařízení na biomasu (RD) výrazná spotřeba spalovacího vzduchu, nízká účinnost < 20 % krbové vložky uzavřené topeniště, nízká teplota v topeništi (proudění vzduchu z místnosti) nízká účinnost < 40 % krbová kamna samostatně stojící interiérová topidla ventilátory, akumulační vložky, peletové hořáky účinnost (pro peletová kamna) až 80 % sálavá akumulační (kachlová) kamna akumulační hmota ve spalinových cestách, přenos tepla se zpožděním

10 10/66 Lokální spalovací zařízení na biomasu (RD) krbová kamna na kusové dřevo krbová kamna na pelety akumulační kamna

11 11/66 Centrální spalovací zařízení na biomasu (RD) klasické kotle na tuhá paliva (dřevo) palivo spalováno přímo v topeništi prohořívání na roštu omezená regulace výkonu omezením přívodu vzduchu, účinnost % zplyňovací kotle na kusové dřevo zplyňování v topeništi, spalování plynů ve spalovací komoře regulace výkonu % (přívod primárního vzduchu), účinnost % při nominálním výkonu automatické kotle na pelety (štěpka) zplyňování v topeništi, spalování plynů ve spalovací komoře bezoblužný provoz, podavač, hořák regulace výkonu %, účinnost % v regulačním rozsahu

12 Spalovací zařízení na kusové dřevo 12/66 požadavek na skladování obtížná regulace, emise

13 Spalovací zařízení na pelety 13/66 zásobník paliva horní přívod pelet

14 Spalovací zařízení na pelety 14/66 automatický přívod paliva automatický odvod popela

15 Spalovací zařízení na pelety 15/66 nástěnný kotel na pelety 2 7 kw (nízkoenergetické domy)

16 Integrace peletového hořáku 16/66 3,9 14 kw 800 l zásobník 100 l pelet

17 Spalovací zařízení na štěpku 17/66 nevhodné pro malé výkony skladování, sušení

18 Trh kotlů v ČR 18/ ks Kotle na dřevoplyn Kotle na pelety zdroj: Rosecký, MPO

19 Trh kotlů na tuhá paliva / uhlí biomasa Kusy Ocelové na tuhá paliva Litinové na tuhá paliva Automatické na pevná paliva Speciální na dřevo Automatické na biomasu Krby na dřevo zdroj: Rosecký, MPO

20 Dotace do kotlů pro domácnosti 20/66 trh v roce zplyňovacích kotlů na kusové dřevo 800 automatických kotlů na pelety (2600 v roce 2009) celkem 8300 kotlů SFŽP - Státní program podpořených instalací kotlů na biomasu v domácnostech SFŽP Zelená úsporám předpoklad projektů kotlů na biomasu (1,5 mld. Kč) zdroj: Rosecký, MPO celkem 8500 kotlů ročně

21 Spalovací zařízení na biomasu (CZT) 21/66 spalování na roštu (ve vrstvě) paliva s vysokou vlhkostí > 40 %, výkony do 50 MW, účinnost do 85 % několikanásobný přívod vzduchu (optimalizace), vícestupňové spalování fluidní spalování vznos částic paliva proudem spalin a vzduchu, vysoký přenos tepla a látky, cirkulační vrstva, účinnost % pouze 700 až 900 C, menší produkce NO x, rychlé spalování, vlhká biomasa cyklonové odlučovače

22 Roštové kotle na štěpku, piliny do 10 MW 22/66 oddělená spalovací komora velká spalovací a dohořívací komora velká akumulace šamot terciární vzduch

23 Roštové kotle na vlhkou biomasu 23/66 sekundární vzduch terciární vzduch předsušení paliva přívod a úprava paliva (hydraulický zavážecí lis) dohořívací komora odvod popela horkovodní kotel (trubkový výměník) 1 až 10 MW 95 až 100 C 0,3 až 0,6 MPa

24 Spalovací zařízení na slámu 24/66 kotel rozpojovač, rozdružovač balíků dohořívací komora rošt, popelník šnekový podavač

25 Spalovací zařízení na slámu (celé balíky) 25/66

26 Fluidní kotle spalování ve fluidní vrstvě 26/66 stacionární fluidní vrstva na roštu cirkulující fluidní vrstva, cyklon pro kotle menších výkonů spalování méně hodnotných paliv

27 ČSN EN /66 Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva (ruční, samočinné) do 300 kw terminologie, požadavky, zkoušení a značení minimální účinnost kotle (kategorizace do tříd) mezní hodnoty emisí CO, C x H y (TOC), prach (TZL) (kategorizace do tříd) minimální doba hoření biopaliva: 2 hodiny nejmenší výkon musí být < 30 % u ruční dodávky lze vyšší - v technické dokumentaci uvedeno jak odvádět přebytečné teplo (např. akumulační nádrž) min. velikost akumulační nádrže (pro < 300 l není nutná)

28 Účinnost 28/66 1 kategorizace do tříd podle minimální účinnosti třída 1 = nejlepší účinnost 2 3 výkon

29 Účinnost x regulace výkonu 29/66 snížení výkonu omezením přívodu spalovacího vzduchu kotle s ručním přikládáním nedokonalé spalování emise CO snížení účinnosti snížení výkonu omezením přívodu paliva automatické kotle na pelety, štěpku

30 Zásady správného spalování biomasy 30/66 spalování dřeva 2-3 stupňové: zplyňování dřevní hmoty - spalování vzniklých plynů (dřevoplyn) zplyňování v topeništi, částečný přívod vzduchu (primární vzduch), > 200 C spalování v dohořívací komoře, přívod vzduchu (sekundární, příp. terciární) předání tepla pro další využití (výměník), teplota spalin 150 C požadavky na účinné spalování dostatečný přívod vzduchu (přebytek vzduchu λ = 1,5 až 2,5) nízká vlhkost paliva (10 až 20 %) dostatečně vysoké teploty spalování (800 až 900 C) stabilita teplotních poměrů v kotli (akumulační vyzdívka, nízké tepelné ztráty) stabilita tlakových poměrů v kotli (vhodné dimenzování spalinové cesty) konstantní provozní podmínky

31 Špatné spalování 31/66 nedodržení zásad správného spalování biopalivo s nevhodnými vlastnostmi (vysoká vlhkost) nevhodný zdroj (např. kotel na uhlí použitý pro spalování dřeva), bez regulace výkonu výsledek nízká účinnost krátká životnost kotle vysoké emise znečišťujících látek

32 Emise ze spalování fytomasy 32/66 oxid uhličitý (CO 2 ) neutrální bilance, optimální spalování: obsah CO 2 okolo 12 % oxidy dusíku (NO x ) obsah dusíku ve fytomase 0,1 až 0,5 % (uhlí 1,4 %) oxidace dusíku ve spalovacím vzduchu závislá na teplotě spalování (udržet do 1200 C) tuhé částice (prach) popeloviny, nespálené saze, tvorba závisí na vlhkosti paliva obsah popela u dřevní hmoty je malý, u slámy významnou složkou

33 Emise ze spalování fytomasy 33/66 oxid uhelnatý (CO) produkt nedokonalého spalování, vlhké palivo, nedostatečný přívod vzduchu CO je energeticky bohatý, vysoký obsah = nízká účinnost ukazatel kvality spalování, doporučuje se pod 0,1 % uhlovodíky (C x H y ) důsledek pyrolytického rozkladu především při zatápění (pod 600 C), kouř oxidy síry (SO x ) stopové množství ve slámě 0,1 % (hnědé uhlí 1 %)

34 Emise znečišťujících látek 34/66 Dodávka paliva Jmenovitý tepelný výkon [kw] Třída1 CO Třída2 Třída3 Mezní hodnoty emisí CxHy (TOC) mg/m3 při 10 % O2 Třída1 Třída2 Třída3 Třída1 prach (TZL) Třída2 Třída3 Ruční > > až > až Samočinná > > až > až vztahuje se k suchým spalinám, 0 C, kpa Ekologicky šetrný výrobek: 2000 mg/m 3 60 mg/m mg/m 3 malé zplyňovací kotle: bez problémů CO < 1000 mg/m 3 Německo, Rakousko, Švédsko: na trh smí pouze kotle 3. třídy (= nejlepší)

35 Zásady zapojení kotlů do soustav 35/66 rosný bod spalin (kondenzace) problematika kondenzace spalin, teplota rosného bodu spalin t rb = 50 až 60 C agresivní kondenzát, koroze zdroj: Trnobranský

36 Zásady zapojení kotlů do soustav 36/66 trojcestný termostatický směšovací ventil teplota vody na vstupu do kotle > 65 C předehřev vratné vody do kotle vložky v krbech (vysoký přebytek spalovacího vzduchu): není nutná ochrana, nízký rosný bod

37 Zásady zapojení kotlů do soustav 37/66 akumulátor tepla provoz kotle (kusové dřevo) při jmenovitých provozních podmínkách (plný výkon, teploty 80 až 90 C) vysoký výkon instalovaného zdroje (kotle na kusové dřevo > 15 kw) zvýšení provozní účinnosti kotle (až o 20 %) úspora paliva, úspora emisí akumulace snižuje nárok na instalovaný výkon kotle s ručním přikládáním: 50 až 70 l/kw instalovaného výkonu automatické kotle na pelety: do 25 l/kw instalovaného výkonu, není nutný

38 Zásady zapojení kotlů do soustav 38/66 výpočet objemu akumulátoru tepla po dobu τ = 2 hodin: provoz kotle na jmenovitý výkon (nebo na výkon umožňující účinné spalování) maximální teplota v akumulačním zásobníku t max = 85 až 90 C minimální teplota v akumulačním zásobníku = jmenovitá teplota přívodní otopné vody, např. t w1 = 55 C nabíjení zásobníku mezi tw1 a tmax bilance V ρ c ( t t ) = Q τ max w1 & k V = 6 3,6 10 ρ c Q& k [kw] τ [ h] ( t t ) max w1

39 Zásady zapojení kotlů do soustav 39/66 hydraulické oddělení zdroje od spotřebiče: akumulátor (kusové dřevo) nebo hydraulický zkrat (pelety) okruh zdroje tepla s ustálenými provozními podmínkami konstantní průtok, konstantní teploty otopná soustava s proměnlivými provozními podmínkami proměnlivý průtok (termostatické hlavice), proměnlivé teploty (ekvitermní regulace) m=konst m=konst m=konst

40 Zásady zapojení kotlů do soustav 40/66 akumulátor tepla pro překlenutí zátopu Příklad: Rodinný dům jmenovitá tepelná ztráta 10 kw (při t ev = -12 C, t iv = 20 C) průměr v otopném období 5 kw (při t ep = + 4 C, t ip = 20 C) kotel 15 kw, zásobník 900 l (50 70 l/kw) teplotní spád jmenovitý 90 / 70 C 75 / 60 C 45 / 35 C teplotní spád průměrný 60 / 50 C 52 / 44 C 34 / 29 C doba vytápění z akumulace 6-9 h 8-11 h h

41 Zásady zapojení kotlů do soustav 41/66 kombinace se solárními soustavami zdroje se vhodně doplňují z hlediska provozu, společný zásobník navržený podle kotle využití sluneční energie: letní a přechodové období (příprava TV), náhrada elektrického ohřevu využití spalování biomasy: zimní a přechodové období (vytápění, příprava TV) kotel na biomasu: zlepšení provozních parametrů, překlenutí zátopu, povinné pro udělení dotací solární soustava (kombinovaná): zlevnění instalace, zlepšení ekonomiky optimalizované zásobníky různé provozní podmínky obou zdrojů, stratifikace

42 42/66 Spalování dřeva zásady zapojení soustav ochrana proti přehřátí kotle s ručním přikládáním provoz kotle s omezenou regulací výkonu nelze pod % (přívod vzduchu zcela uzavřen), setrvačnost výpadek elektrické energie, výpadek oběhového čerpadla, natopení akumulátoru tepla TSV 95 C záložní zdroj elektrické energie (UPS) výškové situování akumulační nádrže nebo otopné plochy pro zajištění odvodu výkonu přirozeným oběhem přívod SV bezpečnostní chladicí smyčka s přímo ovládaným ventilem na přívodu studené vody

43 Zásobník paliva 43/66 velikost zásobníku paliva závisí na: typu biomasy, vlhkosti formě biomasy (rovnaná polena, sypký materiál štěpka, pelety) spotřebě tepla na vytápění Q p, spotřebě paliva P provozní účinnosti kotle η k výhřevnosti paliva H P = H Q p η k

44 Zásobník paliva 44/66 přepočtové vztahy plm, pm = plnometr, pevný metr = 1 m 3 plné dřevní hmoty prm, rm = rovnaný metr, prostorový metr = 1 m 3 rovnaných polen prms = sypný metr, prostorový metr = 1 m 3 volně ložené nezhutněné štěpky Pevné dřevo plnometr-pevný metr [plm], [pm] Složené dřevo prostorový-rovnaný metr [prm], [rm] Štěpkované (drcené) dřevo prostorový sypný metr [prms] [plm], [pm] 1 1,43 1,54 2,43 2,86 [prm], [rm] 0,65 0,70 1 1,61 1,86 [prms] 0,35 0,41 0,54 0,62 1

45 Zásobník paliva 45/66

46 Zásobník paliva 46/66

47 Skladovací prostory na pelety 47/66 pneumatická doprava paliva, sací hlavice ve skladu, pohotovostní zásobník u kotle s čidlem naplnění

48 Skladovací prostory na pelety 48/66

49 Skladovací prostory na štěpku 49/66 šnekový podavač ze skladu

50 Skladovací prostory na štěpku 50/66 šnekový podavač ze zásobníku

51 51/66 Skladovací prostory integrace do budovy

52 CZT s využitím biomasy 52/66 centralizované zásobování teplem emise mimo sídelní aglomeraci, žádné komíny na domech bezobslužné z hlediska uživatele výtopenský / teplárenský provoz: vysoké využití paliva citlivé na odpojování, snižování odběru zvyšuje se cena tepla, klesá efektivita teplárenského provozu (snížení účinnosti výroby elektrické energie) CZT na biomasu vícepalivové hospodářství: štěpka, piliny, sláma, traviny, energetická biomasa snížení rizikovosti dodávek paliv a výkyvů ceny regionální model: pěstování, zpracování, produkce, využití v místě

53 Zdroje tepla na biomasu pro CZT 53/66 sklad paliva skládka (zastřešené haly, bez zastřešení), pohotovostní sklad velikost podle typu paliva, objem minimálně na 7 dní (v zimě) doprava a manipulace s palivem nakladač (podle typu paliv, zrnitosti), mostový jeřáb s drapákem spalování, spalovací zařízení vlastní kotle (teplovodní, parní), rozložení výkonu do několika jednotek záložní kotel přívod spalovacího vzduchu, odvod tepla, spalin, popela šnekový podavač popela, filtry, cyklony (sláma), ohřev vzduchu, ventilátory teplosměnné plochy, napojení na CZT, předávací stanice, akumulátor

54 Provozní charakteristiky zdroje CZT 54/66 denní odběr tepla denní akumulátor měsíční a roční odběr tepla výkonová skladba kotlů, rozdělení instalovaného výkonu do více zařízení střídání provozu kotlů odběr elektrické energie povinný výkup, vyvedení výkonu

55 Provozní charakteristiky zdroje CZT 55/66 možnost využití akumulace: pro zimní špičky snížení instal. výkonu pro léto snížení cyklování kotle

56 Solar + biomasa v CZT 56/66 Kotelna na biomasu Akumulátor: pro snížení instalovaného výkonu v zimě pro omezení startů v přechodovém období

57 Pravidla úspěšných projektů (CZT) 57/66 dostupnost paliva v přijatelné ceně analýza trhu, předběžné smlouvy o dodávce paliva, dlouhodobé kontrakty velmi problematické najít stabilní zdroj biomasy pro větší výkony biomasa: včera odpad dnes strategická surovina dopravní vzdálenost max. do km (velké zdroje až 100 km) kvalitní projektová dokumentace náročná předprojektová a projektová příprava (nejsou k dispozici finance) příprava stavby, omezení víceprací efektivní kontrola provedení na stavbě

58 Pravidla úspěšných projektů (CZT) 58/66 ekonomicky efektivní podnikatelský záměr konkurenceschopnost v provozu, ekonomika provozu samotná dotace na instalaci kotelny na biomasu nic nevyřeší projekty velmi citlivé na změnu ceny paliva odhad rozvojového potenciálu obce, budoucí výstavba (odpojování od CZT x připojování k CZT) zajištění odběru, soustředěná výstavba kogenerace: snaha o maximální využití tepla lidský faktor místní autorita, která kotelnu prosadí spolehlivá obsluha

59 59/66 Ekonomické parametry investiční náklady lokální zdroje pro budovy kotel na kusové dřevo: 1 až 3 tis. Kč/kW t kotel na pelety: od 5 do 20 tis. Kč/kW t (v závislosti na kvalitě, původu, dodávce) kotel na štěpku: od 5 do 15 tis. Kč/kW t soustavy CZT, výtopny zdroj tepla: 5 až 10 tis. Kč/kW t včetně CZT: 15 až 25 tis. Kč/kW t náklady na CZT zhruba % celkových nákladů

60 Ekonomika využití biomasy (RD, CZT) 60/66 cena biomasy konkurence: stavebnictví, zemědělská výroba, vývoz biomasy do zahraničí malý trh = velké výkyvy, nabídka poptávka 2005: výkup elektřiny z biomasy, spoluspalování velkých množství biomasy s uhlím v kondenzačních elektrárnách (účinnost využití biomasy pouze 20 %) 2009: výstavba kondenzačních bioelektráren, vysoké zelené bonusy zvýšení ceny biomasy pro všechny subjekty (včetně RD) ekonomika, úspěšnost realizace dotace, ekologické daně garance kontraktů vývoj cen ostatních energetických komodit (zemní plyn)

61 Ekonomika využití biomasy (RD, CZT) 61/66 cena biomasy štěpka sláma dřevěné pelety rostlinné pelety dřevěné brikety krbové dřevo 1400 až 1800 Kč/t 600 až 1100 Kč/t 4200 až 4600 Kč/t 3300 Kč/t 5000 Kč/t 3100 až 3200 Kč/t hnědé uhlí černé uhlí 2700 až 2900 Kč/t 5000 Kč/t

62 62/66 Ekonomické parametry provozní náklady rodinný dům 6 kw (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh

63 63/66 Ekonomické parametry provozní náklady rodinný dům 6 kw (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh

64 64/66 Ekonomické parametry provozní náklady rodinný dům 6 kw (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh automatické kotle na uhlí 2010

65 65/66 Ekonomické parametry provozní náklady rodinný dům 6 kw (Praha), 4 osoby, roční potřeba tepla 52 GJ, 14,4 MWh automatické kotle na uhlí 2007/2008

66 Vytápění a chlazení biomasou 66/66 zdroj: Yazaki