VŠB-TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta strojní Katedra energetiky

Transkript

1 VŠB-TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta strojní Katedra energetiky VÝZKUM KVALITATIVNÍCH PARAMETRŮ VEDLEJŠÍCH PRODUKTŮ PO TERMICKÉ DEGRADACI S PRIORITOU ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ Studijní program: Studijní obor: Školitel: Doktorand: P Strojní inženýrství 2302V006 - Energetické stroje a zařízení Prof. Ing. Dagmar Juchelková, Ph.D. Ostrava 2016

2 Tímto děkuji všem, kteří mi podali pomocnou ruku při psaní této disertační práce. Především mé díky patří prof. Ing. Dagmar Juchelkové, Ph.D. za podporu, motivaci, názory a mnoho zkušeností, které jsem získal v průběhu svého doktorského studia pod jejich vedením. Rovněž děkuji doc. Josefu Trnkovi DrSc. a doc. RSDr. Milanu Bačiakovi PhDr. za praktické rady a pomoc při testech. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat pracovníkům firmy Wastech za trpělivost při našich testovacích měřeních a ladění jejich zařízení. Poslední díky patří mé rodině za trpělivost a podporu během mého studia. 2

3 Abstrakt Předmětem této disertační práce je získání databáze vybraných produktů z pyrolýzy na konstrukčně unikátním pyrolýzním zařízení, na kterém jsem se konstrukčně podílel. Specifikum tohoto zařízení představuje šnekový pyrolyzér s nepřímým ohřevem pomocí tlakových hořáků. Při testování byly sledovány změny a degradace vstupního materiálu v závislosti na změnách nastavených technických parametrů. je rozdělena do několika spolu souvisejících částí. Problematice pyrolýzního procesu a stručnému zhodnocení specifik užitého pyrolýzního zařízení, se věnuje první část disertace. Druhá část práce zahrnuje výsledky a rozbory vstupních materiálů a výstupních produktů. Konkrétně pak shrnuje výsledky z výzkumu pyrolýzní plynné, kapalné a pevné fáze a výsledky získané v průběhu několika měsíčních provozních zkoušek s cílem poznat vlastnosti pyrolýzního systému a vymezit možnosti získání co největšího množství plynných, kapalných a pevných složek využitelných pro konverzi na elektrickou energii. Poslední část práce je zaměřena na možnosti využití kapalné a plynné frakce v duálním motoru a budoucímu výzkumu v oblasti spalování produktů z pyrolýzy v energetických zařízeních a nastíněné možné cesty budoucího vývoje. Klíčová slova: pyrolýza, polymery, pyrolýzní plyn Annotation The subject of this dissertation is to provide a database of selected products from pyrolysis structurally unique pyrolysis equipment, in which I have participated in design. The uniqueness of this device is a screw pyrolyzer with indirect heating using pressure burners. When testing were monitored for changes and degradation of the input material in response to changes in the set of technical parameters. The thesis is divided into several interrelated parts. Issue pyrolysis process and a brief assessment of the specifics of applied pyrolysis facility, dedicated the first part of the dissertation. The second part includes results and analysis of input materials and output products. Specifically, summarizes the results of the research pyrolysis gaseous, liquid and solid phases and the results obtained during operational testing of several months in order to identify characteristics of the pyrolysis system and to define the possibility of obtaining the greatest possible quantity of gaseous, liquid and solid components for conversion to usable electrical energy. The last part is focused on the possibilities of liquid and gaseous fraction in a dual motor and future research in the field of combustion products of pyrolysis energy facilities, and outlined possible ways of future development. Keywords: pyrolysis, polymers, pyrolysis gas 3

4 Motivace Účelem této disertační práce bylo ověření možnosti využití depolymerizačního procesu v oblasti zpracování vybraných druhů organických materiálů a odpadů na zařízení firmy Wastech, s cílem získání nových poznatků o vlastnostech vybraných vstupních materiálů, jejich chování při depolymerizačním procesu v konstrukčně originálním zařízení a získání poznatků o hmotnostních bilancích výstupních produktů v závislosti na změnách teploty procesu a času procesu. Současná geopolitická situace ve světě, nás nutí hledat náhradní energetické zdroje a kvalitativně využívat odpady. Velké možnosti jsou v kvalitním zpracování odpadů pomocí depolymerizace organických materiálů a lépe využít energetický potenciál všech výstupních produktů po termické depolymerizaci. Velké množství odpadů dnes končí skládkováním, které se má dle nového odpadového plánu MŽP snižovat. Neméně významnou skutečností je, že tyto procesy eliminace odpadů umožní získat užitečné suroviny využitelné materiálově i energeticky, jak při výrobě různých produktů, tak pro získávání tepla a elektrické energie. Na základě těchto skutečností byla iniciována má práce s cílem ověřit vybrané druhy materiálů depolymerizačním procesem na provozní jednotce a zjistit, zda je tento proces k racionálnímu využití vybraných materiálů účelný. 4

5 Obsah Uvedení do problematiky Úvod Cíle disertační práce Pyrolýza Princip pyrolýzního rozkladu Dělení pyrolýzního procesu Reakce pyrolýzního procesu Metodika určení vybraných parametrů jednotlivých fází depolymerizace Popis technologické linky Wastech Popis prototypové jednotky Wastech Studie Odpady vhodné k experimentu na depolymerizační jednotce Prach z pelet slupek slunečnicových semen - SLP Obaly od krmiv (Alufolie + PE) - ALPE Drcené směsné plasty - DSP Odpad z papírenské výroby- rozvlákněný tetrapak-tt PET drcený - PET Pelety z digestu BPS - PELDI Nemocniční odpad po parní sterilizaci - NO Lignin - LIG Výsledky provozních zkoušek Metodika odběru reprezentativního vzorku kapaliny Metodika odběru reprezentativního vzorku pevného zbytku Plynová analýza Řízení jednotky a dávkování produktů Metodika měření emisí na polní fléře Vybrané materiály a popis testů Základní analýzy vstupů

6 Výstupy z testů- materiálová bilance Analýza plynu Analýza kapaliny Analýza pevného zbytku Výsledky měření emisí na polní fléře Shrnutí výstupů Databáze Využití pyrolýzního plynu a oleje v duálních motorech a teoretický přepočet duálních paliv na motor Tatra T NASTÍNĚNÍ DALŠÍHO VÝZKUMU CELKOVÝ ZÁVĚR ( THE OVERALL CONCLUSION OF WORK) Seznam použité literatury a zdrojů Seznam obrázků Seznam tabulek Seznam grafů Seznam příloh

7 Uvedení do problematiky S postupným vývojem lidské společnosti a s rostoucím životním tempem dochází neustále k enormní spotřebě energií, k úbytku fosilních paliv a k velké produkci různorodého odpadu. Závislost na fosilních palivech, jakož to hlavního zdroje energie vede k závažným energetickým krizím a má za následky problémy v oblasti životního prostředí (např. zvyšování emisí znečišťujících látek) a eskalaci válečných konfliktů. Neustále se zvyšující požadavky na energie urychlují vyčerpání konečných zásob fosilních paliv a navíc spalováním těchto paliv vzniká velké množství skleníkových a jedovatých plynů, jako je CO 2, SO 2, NO X a další znečišťující látky, které jsou příčinou globálního oteplování a kyselých dešťů. Takovýto růst životního tempa nepříznivě ovlivňuje životní prostředí a rovněž negativně působí na jeho jednotlivé složky. Z tohoto důvodu je nutné omezit tvorbu odpadů, využívat nových levnějších a obnovitelných zdrojů energie i vody a používání primárních surovin pozastavit s tím, že budeme využívat suroviny sekundárního původu, které budou na stejné materiálové úrovni. K významným alternativním zdrojům energie patří všechny druhy biomasy a zároveň i směsné plasty a jiné odpady, jejichž výhody a přednosti tkví v dostupnosti, rychlé obnovitelnosti a v energetické využitelnosti. 7

8 Seznam použitých zkratek a symbolů Značka Jednotka Veličina Zkratky ABS Acrylonitrile butadiene styrene ALPE Aluminiová folie BPS Bioplynová stanice BTX Benzen, toluen, xylen ČR Česká Republika ČSN Československá státní norma, Česká státní norma DJ Depolymerizační jednotka DTG Diferenční termické analýzy EO Ekvivalentní obyvatel ES Evropské společenství EU Evropská Unie FS Fakulta strojní HDPE Vysoko hustotní polyetylen LDPE Nízko hustotní polyetylen LIG Lignin (odpad s celulózové výroby) MSW (NO) Municipal solid wastenemocniční odpad MON Methanové číslo MŽP Ministerstvo životního prostředí PA Polyamides, Trade Name Nylons PAU Polyaromatické uhlovodíky PBS Požární bezpečnost staveb PC Polycarbonate PCDD Polychlorované dibenzo-pdioxiny PCDF Polychlorované dibenzofurany PE Polyetylen PET Polyetylentereftalát PELDI Pelety s digestátu bioplynových stanic Pelety S (SLP) Pelety ze slunečnicových slupek Plasty DSP Plasty dovezené směsné PP Polypropylen PTFE polytetrafluorethylene, Trade Name Teflon PU or PUR Polyurethane PS Polystyren PVC Polyvinilchlorid SKO Směsný komunální odpad 8

9 TG Termogravimetrická analýza TOC Celkový organický uhlík TZL Tuhé znečišťující látky TT Rozvlákněný tetrapak VŠB TUO Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava VUCHZ Brno Výzkumný ústav chemických zařízení ŽP Životní prostředí Symboly A [%] Obsah popela a Analytický d Suchý W [%] Obsah vody Indexy ΔHr [kj/mol] Reakční teplo T0 [K] [ C] Teplota za standardních podmínek p0 [Pa] Tlak za standardních podmínek WSK [%] Obsah orogenetické vody SK [%] Obsah polokoksu GSK [%] Obsah plynu T [ C] Teplota TSK [%] Obsah dehtu T d. [ C] Počáteční teplota depolymerizace T max. [ C] Teplota maximální depolymerizace T k. [ C] Konečná teplota depolymerizace Qi [MJ/m 3 N] Výhřevnost složky Qi,i [MJ/m 3 N] Výhřevnost složky i Qs [kj/kg] Spalné teplo FC [%] Fixní uhlík M [%] Vlhkost daf Suchý, bezpopelnatý Vz [m 3 ] zdvihový objem válce Ws [MJ/m 3 ] Wobbeho číslo Chemické prvky C [%] Obsah uhlíku H [%] Obsah vodíku S [%] Obsah síry N [%] Obsah dusíku O [%] Obsah kyslíku SO2 Oxid siřičitý 9

10 NOx CO Cl Fl Al Zn Řecká abeceda Ωi N -oxy Oxid uhelnatý Chlor Flor Hliník Zinek podíl dané složky i v hořlavině pyrolýzního plynu Δ [mn 3.kg -1 ], [%] přírůstek, rozdíl ϕ relativní vlhkost ρ [kg.mn -3 ] měrný objem (hustota) ω objemový podíl ξ [%] ztráta 10

11 1. Úvod Při promýšlení filozofie své disertační práce jsem vycházel z následujících informací. Zvyšující se životní tempo a konzumní způsob života společnosti vyžaduje stále více energetických zdrojů, spotřeba energie závratně roste, přičemž stávajících fosilních zdrojů nezadržitelně ubývá. Současně společnost produkuje ohromné množství odpadů, přičemž podstatnou část tvoří biogenní odpady odpady živočišného a rostlinného původu a odpady organického původu (plasty, eleastomery, termoplasty, kaučuky, pryže, brusné kaly, kaly z ČOV, barvy, rozpouštědla, pryskyřice, ropné zbytky a směsi odpadů), pro které lze v současné době najít vhodnou metodu jejich zpracování. V souvislosti se zaváděním nové legislativy do praxe dochází k pozitivním změnám v oblasti ochrany životního prostředí, což s sebou na druhé straně přináší nárůst nákladů při nakládání s odpady. V současné době existuje statisíce hektarů málo využité či dokonce ladem ležící půdy. Navíc celá EU má vysokou nadprodukci zemědělských komodit, kterou se snaží řešit různými kvótami, omezeními a podobnými nepopulárními a málo úspěšnými opatřeními. Tomu pak odpovídají ceny např. obilí a řepky olejné, které často ani nepokrývají náklady, což vede k tomu, že zemědělci nemají disponibilní finanční prostředky a ve skladech leží neprodejné miliony tun obilí, řepky a dalších produktů. V oblasti obnovitelných zdrojů energie se nabízejí možnosti využití vodní a větrné energie v oblastech, kde je potenciál. Výstavba těchto zařízení na daném území je závislá na větrné a vodní studii o vhodnosti umístění této technologie do dané lokality. Solární elektrárny zaznamenávají v současnosti veliký boom, avšak nikdo neřeší, co bude za patnáct-dvacet roků, kdy sluneční kolektory dožijí. Kdo a jak je bude likvidovat? Kdo bude likvidaci hradit a z jakých prostředků. Dalším problémem je to, že jak větrné, tak zejména solární elektrárny jsou závislé na počasí. Jakmile však přestane foukat vítr nebo přijde mrak, přestanou vyrábět. Při větším výkonu takového zařízení může vzniknout v síti ráz. Zafouká či vysvitne opět ráz. A vyrovnávání takových rázů v síti je pro energetiky problém. 11

12 Tabulka 1-1 Rozdělení odpadů do jednotlivých technologií pro EO [autor] Skládkování kg/rok na občana Odpadní štěrk a kamenivo 0,16 Odpadní keramické zboží 13,56 Olověné akumulátory 0,08 Beton 1,36 Zemina a kamení 9,44 Demoliční odpad 4 Rozpouštědla 0,01 Barvy, lepidla, rozpouštědla 0,71 Baterie a akumulátory 0,03 Zemina a kameny 20,10 Jiný biologicky nerozložitelný odpad 9,65 jemný podíl odpadů 36,4 Celkem 95,5 kg/rok na občana Pyrolýza kg/rok na občana Uliční smetky 11,19 Odpad z čištění kanalizace 1,10 Plasty 25,55 Obaly obsahující zbytky nebezpečných látek 0,06 Pneumatiky 2,22 Papír a lepenka 143,32 textil 21,12 nebezpečné složky 3,48 minerální odpad 2,68 Plasty 90,08 Spalitelný odpad 8,6 Papír a lepenka 47,27 jemný podíl odpadů 40 Celkem 396,66 kg/rok na občana 12

13 Bioplynová stanice kg/rok na občana Biologicky rozložitelný odpad 194,64 Biologicky rozložitelný odpad 25,06 Jemný podíl odpadů 24 Olej a tuk 0,09 Celkem 243,79 kg/rok na občana Další zpracování - jiní odběratelé kg/rok na občana Sklo 29,72 Kovy 16,28 Sklo 24,36 Kovy 2,80 Celkem 73,16 kg/rok na občana Dalším stále vzrůstajícím společenským problémem je stále se zvyšující produkce různorodých odpadů. Tyto odpady jsou časovanou bombou. Přitom si ještě podstatná část společnosti stále neuvědomuje, že v těchto odpadech se skrývá velký energetický potenciál, který lze využít. Stávající způsoby likvidace těchto odpadů jsou stále ekonomicky náročnější. Správným využitím těchto odpadů jsme schopni nejen získat tolik potřebnou energii, současně jsme schopni efektivně tyto nebezpečné odpady zpracovávat a snížit negativní dopady na životní prostředí. Data, se kterými jsem pracoval, vychází ze studie Technická pomoc při zpracováníí studie řešení odpadového hospodářství pro modelové sídlo a) obyvatel b) obyvatel Zpracovatel autor + kolektiv. Modelové město obyvatel vybrány data města Opava viz tab. 1-1, modelové město obyvatel data z odpadového hospodářství města Hradec nad Moravicí. V době zpracování studie město o obyvatel nemělo centrální ČOV, což již v současné době neplatí. 13

14 Graf 1-1 Vyjadřuje procentuální zastoupení odpadů jednotlivých navrhovaných technologií pro město o EO [autor] 14

15 2. Cíle disertační práce Cíle disertační práce je vytvoření databáze vybraných parametrů plynu a kapaliny po termické separaci z vybraných druhů biomasy a odpadů, jejich analýzy a rozbory pro potřebu využití k energetickému zpracování na motoru pro dualní paliva. Cíle bude dosaženo experimentálním měřením na prototypové termické jednotce, měřením spalin na experimentálním hořáku a výpočtovým aparátem na daném motoru T-928. Vybranná paliva 1.Prach z pelet slupek slunečnicových semen - SLP 2.Obaly od krmiv (Alufolie + PE) - ALPE 3.Drcené směsné plasty - DSP 4.Odpad z papírenské výroby-rozvlákněný tetrapak - TT 5.PET drcený - PET 6.Pelety z digestátu BPS - PELDI 7.Nemocniční odpad po parní sterilizaci - NO 8.Lignin - LIG Konkrétní postupy a zaměření pro dosažení cíle disertační práce: Sestavení, zprovoznění depolymerizační jednotky v areálu Dubenec u Příbrami. Odzkoušení funkčnosti zařízení pro výzkum a realizaci experimentálních zkoušek na vybraných druzích materiálů. Na základě rozborů a analýz vstupních surovin, prováděných dle platných českých technických norem, charakterizovat obecné a specifické vlastnosti zkoumaného materiálu a předpovědět jeho chování při procesu termické depolymerizace. Provedení experimentálních zkoušek na depolymerizační jednotce. Stanovit hmotnostní bilance výstupních produktů v závislosti na změně teploty procesu a charakterizovat základní vlastnosti výstupních produktů Měření emisí a imisí na polním hořáku u vybraných materiálů. Transformace vybraného více palivového motoru T-928 na duální palivový systém Vytvoření databáze vybraných parametrů u jednotlivých frakcí výstupu z depolymerizace. 15

16 3. Pyrolýza Pyrolýza je termickým procesem, který se jako technologický proces používá v petrochemickém průmyslu už více jak padesát let. Na rozdíl od zplyňování a spalování je však založena na termickém rozkladu organických materiálů (odplyňování), bez přístupu oxidačních médií, jimiž jsou kyslík a vodní pára. Běžně se pro pojem odplynění používá výraz pyrolýza, ačkoliv se takto přesně vzato označuje pouze chemický postup při přeměně. V chemických postupech jsou takové procesy označovány jako suchá destilace, termický cracking, nízko tepelná karbonizace nebo koksování. Avšak tyto postupy jsou obtížně použitelné pro nehomogenní směsi odpadů. V případě tuhých odpadních materiálů a bioodpadů lze pyrolýzní postupy považovat za alternativu spalování. Například, při likvidaci pneumatik lze hovořit o ekologicky přijatelném procesu, který vede k jejich množstevní minimalizaci, a vzniklé produkty se mohou použít pro jiný účel, než byl používán původní materiál Princip pyrolýzního rozkladu Při termickém rozkladu dochází k uvolňování prchavé hořlaviny z tuhého materiálu. Podstatou pyrolýzy je ohřev materiálu nad mez termické stability přítomných organických sloučenin, což má za následek štěpení vysokomolekulárních látek s uvolňováním látek nízkomolekulárních viz. obr. č Tento termický rozklad probíhá v oblasti teplot C. Obrázek 3-1 Zjednodušený reakční model pyrolýzy dřeva.[16] 16

17 Pyrolýza je proces, při němž roste míra neuspořádanosti systému (entropie). Proces samovolně, avšak pomalu probíhá i v přírodě. Tento fakt platí obecně pro všechny organické látky, bez ohledu na to, zda vznikly "přírodním" procesem jako biomasa nebo procesem syntetickým (umělým) jako plasty, či pryže. Zásadní výhodou tohoto postupu je, že k rozkladu dochází při nedostatku kyslíku a tím je omezena tvorba polychlorovaných dibenzo - dioxinů resp. furanů a dalších nebezpečných látek. Reakčními produkty procesu jsou plyny, plynné uhlovodíky, stejně jako pevné zbytky s inertními materiály. Proces pyrolýzy ovlivňuje tlak a teplota. Obecně je možné konstatovat, že se stoupajícím tlakem probíhá štěpení uhlovodíkových molekul symetričtěji a místo štěpení v řetězci se se stoupající teplotou posouvá na konce molekul, takže dochází k tvorbě plynných uhlovodíků a v konečné fázi vodíku. Se stoupající teplotou dochází ke štěpení silnějších vazeb. V závislosti na teplotě, jsou proto různé výtěžky pyrolýzních produktů, jako jsou pyrolýzní oleje, plyny a pevný zbytek viz tabulka č. 3-1 a obrázek. č Obrázek 3-2 Varianty pyrolýzy [ 17

18 Tabulka 3-1 Srovnání různých technologií pyrolýzy [17] Technologie Pomalá pyrolýza Rychlá pyrolýza Blesková pyrolýza Rozmezí teplot [ C] Doba zdržení [s] < < 1 Procentuální až 81 až zastoupení pyrol. plynu [%] Procentuální 0-5 až zastoupení pyrol. kapaliny [%] Procentuální zastoupení pyrol. koksu [%] až Dělení pyrolýzního procesu Pyrolýza neboli odplyňovací proces probíhá obecně ve třech fázích: Sušení Karbonizace Tvorba plynu Z technologického hlediska lze pak pyrolýzní procesy dělit dle dosahované teploty na: Pyrolýzní procesy nízkoteplotní s teplotou < 500 C Pyrolýzní procesy středně teplotní s teplotami C Pyrolýzní procesy vysokoteplotní s teplotami > 800 C Obecná rovnice pyrolýzního procesu: C ah bx c + teplo H 2O + CO 2 + H 2 + CO + CH 4 + C 2H 6 + CH 2O + dehet + koks [16] nebo C 8H 10O 5 + teplo 8H 2O+2CO+2CO 2+CH 4+H 2+7C+C 6H 8O [160] V průběhu pyrolýzního procesu, probíhá celá řada chemických reakcí, které jsou závislé na jednotlivých teplotních meznících [95] : 18

19 C Sušení materiálu, fyzikální odštěpení vody. 250 C Deoxidace, desulfurace, odštěpení vázané vody a CO 2, depolymerace, začátek odštěpování H 2S. 340 C Štěpení alifatických uhlovodíků, vznik metanu a jiných alifatických uhlovodíků. 380 C Karbonizační fáze. 400 C Štěpení vazeb uhlík-kyslík, uhlík-dusík C Přeměna bitumenových složek na pyrolýzní olej a dehet. 600 C Krakování za vzniku plynných uhlovodíků s krátkým uhlíkovým řetězcem, vznik aromátů. nad 600 C Dimerizace etylenu na buten, dehydrogenace na butadien, dienová reakce s etylenem na cyklohexan, termická aromatizace na benzen a výše vroucí aromáty. V teplotní oblasti do 200 C se zplyní fyzikálně vázaná voda. Tento proces spotřebuje cca 2250 KJ energie na 1 kg vody. V případě, že vstupní materiál má vysoký obsah vody (např. kaly z ČOV, kejda ap.), je účelné předřadit k reaktoru lis nebo agregát, jenž odstraní z materiálu přebytečnou vodu. Při teplotách 300 až 500 C dochází ke karbonizaci. Radikálové skupiny výše molekulárních organických látek jako celulóza, bílkoviny, tuky a plasty se odštěpí a tím vzniká plyn, kapalné uhlovodíky a pevný podíl pyrolýzní uhlík [16]. V plynné fázi nad teplotou 500 C se při karbonizaci vzniklé produkty dále štěpí. Přitom vznikají z pevného uhlíku a kapalných organických látek stabilní plyny jako vodík, oxid uhelnatý, oxid uhličitý a metan. Podle složení látek začíná pyrolýzní proces při různých teplotách. Průběh chemických reakcí při odplynění může být cíleně ovlivněn, protože závisí na mnoha dalších faktorech. Kvantitativní rozdělení a kvalitativní složení produktů určují následující faktory: chemické složení, obsah vody a velikost částic vstupního materiálu 19

20 provozní podmínky jako teplota odplynění, doba ohřevu, doba zdržení, tlak, plynná atmosféra, katalytické účinky přítomných látek typ reaktoru, ve kterém probíhá reakce jako - fluidní vrstva, šneková retorta, rotační pec, atd Reakce pyrolýzního procesu V pyrolýzním procesu probíhá celá řada chemických dějů, kde dochází k tepelnému štěpení struktury pyrolyzovaného materiálu za vzniku radikálů uhlovodíků a radikálů vodíku, které pak následně mezi sebou reagují za vzniku plynné nebo kapalné pyrolýzní fáze. Slabší vazby se trhají při nižších teplotách, pevnější při teplotách vyšších. Jelikož by se dalo říci, že pyrolýzní proces je vlastně určitým poddruhem zplyňovacího procesu, do kterého není záměrně dodáváno zplyňovací médium, musí za určitých podmínek platit stejné reakce jako u zplyňování. Podle elementárního složení pyrolyzovaného materiálu a podle obsahu vlhkosti v něm, se do pyrolýzního procesu může uvolnit prvkový kyslík, či jeho sloučeniny, anebo v druhém případě voda v podobě vodní páry. Tato skutečnost dělá z pyrolýzního procesu částečně proces zplyňovací, pro něž platí: Částečná oxidace pevného uhlíku [16]: 2 C + O 2 2 CO H = -246,4 kj/mol (1) Částečná oxidace pevného uhlíku: C + O 2 CO 2 H = -406,4 kj/mol (2) Částečná oxidace CO: 2 C0 + O 2 2 CO 2 H = -567,3 kj/mol (3) Částečná oxidace H 2: 2 H 2 + O 2 2 H 2O H = -482,2 kj/mol (4) Částečná oxidace CH 4: CH O 2 CO H 2O H = -801,1 kj/mol (5) 20

21 Budoardova reakce: C + CO 2 2 CO H = 160,9 kj/mol (6) heterogenní reakce vodního plynu: C + H 2O CO + H2 H = 118,6 kj/mol (7) heterogenní vznik metanu: C + 2 H 2 CH 4 H = -83,8 kj/mol (8) homogenní reakce vodního plynu: CO + H 2O CO 2 + H 2 H = -42,4 kj/mol (9) homogenní vznik metanu: CO + 3 H 2 CH 4 + H 2O H = -206,7 kj/mol (10) CO H 2 CH H 2O H = -165,2 kj/mol (11) 4. Metodika určení vybraných parametrů jednotlivých fází depolymerizace Produktem termické depolymerizace jsou 3 frakce a to plynná, kapalná a pevná. U kapalné a pevné složky lze pomocí elementárního základního složení určit předpokládanou výhřevnost frakce. U plynné frakce jsem použil molové složení plynu a dopočet výhřevnosti dle složení plynu. Spalování je nejjednodušší a také nejčastější způsob přeměny chemicky vázané energie paliva na energii tepelnou. Jedná se o rychlou exotermickou oxidaci paliva s kyslíkem (6). Za základní chemické reakce při spalování považujeme oxidaci uhlíku na oxid uhličitý a vodíku na vodu, které jsou spojené s vývinem určitého množství tepelné energie (7). Pro spalování v hořácích (pevná, kapalná a plynná frakce) vycházím ve své práci ze základních spalovacích rovnic pro pevná, kapalná a plynná paliva. Spalování je chemický pochod, při kterém se slučují hořlavé prvky, obsažené v hořlavině s kyslíkem [174]. 21

22 Vzhledem ke stejnému charakteru hořlaviny tuhých a kapalných frakcí z termické depolymerizace platí následující vztahy na obě skupiny. C+O 2 CO 2 ΔH= -393 kj/mol (12) C + ½ O 2 CO ΔH= -110 kj/mol (13) H 2+1/2O 2 H 2O H = -285,9 kj/mol (14) S+O 2 SO 2 H = 297,89 kj/mol. (15) Výhřevnost pevné frakce primárně závisí na obsahu základních prvků organických látek. Dá se poměrně dobře odhadnout z elementární analýzy. Výhřevnost zásadně roste s procentním zastoupením uhlíku a vodíku, klesá s obsahem kyslíku. Používané vzorce vycházejí z typických naměřených dat, takže do jisté míry reflektují i odhad enthalpie, potřebné k rozkladu paliva na prvky. Pro odhad bylo navrženo několik vzorců, z nichž jeden z nejjednodušších navrhl Dulong: Q [kj/kg] = 337 C (H - O/8) + 93 S, (16) Zde je C hmotnostní procento uhlíku, H hmotnostní procento vodíku, O hmotnostní procento kyslíku (vzorec vyhovuje pro O<10) a S hmotnostní procento uhlíku. Spalovací rovnice Použitím molekulových hmotností jednotlivých prvků v hořlavině lze definovat vztahy pro chemické reakce při spalování Spalování C na CO 2 C+O 2 CO 2 ΔH= -393 kj/mol (17) 1 kmol C + 1kmol O 2 = 1 kmol CO 2 + teplo 12 kg C + 32 kg O 2 = 44 kg CO kj 1kg C + 32 kg O2 =44 kg CO kj Spalování H 2 na vodní páru H 2O 2H 2+O 2 2H 2O ΔH= -483,6 kj/mol (18) 2 kmol H 2+1 kmol O 2 = 2 kmol H 2O + teplo 22

23 4 kg H kg O 2 = 36 kg H 2O kJ Spalování S na SO 2 S + O 2 SO 2 H = -296,9 kj (19) 1kmol S + 1 kmol O 2 = 1 kmol SO 2 + teplo 32 kg S + 32 kg O 2 = 64 kg SO kj 1 kg S + 1kg O 2 = 2 kg SO kj Potřebné množství spalovacího vzduchu lze určit dvojím způsobem a to z chemického složení paliva anebo z výhřevnosti spalovaného paliva. Teoretické množství suchého spalovacího vzduchu dle složení paliva se vypočte podle vzorce: O t vzs = 22,4 0,21 ( C 12 + H 4 + S 32 O 32 )(m3 / kg) (20) Vzorec dle výhřevnosti paliva O t vzs=q r i*0,245+0,5 (m 3 /kg) (21) Skutečné množství spalovacího vzduchu se vypočítá na základě změřeného nebo předpokládaného přebytku vzduchu. O s vzs = O t vzs *n (m3/kg) (22) Na základě těchto poznatků jsem se rozhodl pro 8 druhů materiálů, které byly podrobeny vstupní analýze, drcení (jestliže to bylo potřeba) a testování na depolymerizační jednotce v Dubenci u Příbrami. Vyhodnoceny byly všechny tři složky a to kapalina, pevný zbytek a plyn. U tří vybraných materiálů byly provedeny emisní a imisní testy na spalování u polního hořáku. V průběhu experimentálního měření se na základě svých zkušeností a s rešerší zaměřuji na dobu zdržení v retortě 60 a 45 min, při teplotách 500 C a 600 C. 23

24 5. Popis technologické linky Wastech 5.1. Popis prototypové jednotky Wastech Obrázek 5-1 Základní popis [autor] Vlastní technologické zařízení je navrženo jako šneková retorta pro posun materiálu. Materiál je dávkován pomocí násypky o objemu cca 80 l v horním patře technologické budovy. Materiál je cyklicky dávkován do retorty pomocí dávkovacího mechanizmu, který se skládá ze dvou válců, které se protiběžně otáčejí, pomocí el. motoru, který je ovládán z velína technologie. Pod válcovým dávkovacím mechanizmem, je umístěna klapka, která je poháněna lineárním pohonem. Lineární pohon je ovládán z velína technologie. Pro ohřev jednotky jsou zvoleny vysokorychlostní hořáky Eclipse o výkonu max. 45kW,115kW. Palivo zemní plyn. Spaliny jsou řízeny pomocí spalinového ventilátoru. Spalinový ventilátor je řízení pomocí PLC. Materiál za klapkou vstupuje do zóny ohřevu v retortě. Po termické degradaci je materiál rozložen na tři frakce plyn 24

25 kapalina pevný zbytek Technologie je vybavena návarky popřípadě jímkami pro montáž snímačů teploty a tlaku, které jsou vyvedeny do velína technologie. Veškeré technologické zařízení je uloženo na ocelovém rámu Retorta Pro termické zpracování (odplynění) je určena šneková retorta. Tato retorta je vyrobena z žáruvzdorného nerezového materiálu. Materiál je posouván pomocí šnekovnice. Pohon šnekovnice je vyveden přes bronzové a litinové chlazené ložisko k pohonu šneku. Teplota procesu je snímána pomocí 2 drátových termočlánku v zádi retorty. Údaje jsou svedeny do teplotního přepojovače a velínu technologie. Na konci je retorta usazena v kluzném pouzdře. Součástí retorty je i opláštění pro rozvod horkých spalin z hořáků. Horké spaliny jsou vyvedeny přes klapku do komína. V případě ucpání retorty je zařízení vybaveno mechanickým propouštěcím ventilem 2,5 kpa. Chladící kolona Horký pyrolýzní plyn je z retorty vyveden do tří chladících věží. Mezi chladiči jsou umístěny návarky a jímky na teplotu a tlak. První chladič lze přihřívat pomocí propanového hořáku a malé plynové lahve na propan. Je to dáno technologickým postupem měření, při jakých teplotě se budou odebírat jednotlivé frakce kapaliny. Druhý chladič je čistě vzduchový, opatřený komínovou klapkou, která je osazena servopohonem. Tento je řízen z velína. Třetí chladič je vodní a je opatřen kulovým ventilem pro připojení chladící vody, která je vyústěna v laboratoři. I tento chladič je opatřen komínovou klapkou se servopohonem. Plyn je odsáván z pece pomocí dmychadla RD2, které v technologii udržuje slabý podtlak. Plyn je přes plynoměr G4 vyveden na polní hořák, který je umístěn ve venkovním prostředí. Pod jednotlivými chladiči se nachází sběrné nádoby. Pohon dávkovacího mechanizmu s frekvenčním měničem, pohon klapky, pohon hlavního šneku vybaveného frekvenčním měničem Hitashi S300, pohonem dmychadla s frekvenčním měničem, pohonem komínových klapek a ručními klapkami Albo DN100 a DN150 a pohonem ventilátoru ložisek chlazení. 25

26 Polní hořák-fléra Na spalování pyrolýzního plynu je určen polní hořák. K hoření je použito hořáku na ZP na věčný plamen. Hoření je vizuálně kontrolováno z místa dávkování materiálu. Zapalování ZP bude pomocí zapalovací automatiky. Hořák je vybaven hořákovou automatikou a proces hoření je indikováno na velíně technologie. Obrázek 5-2 Popis prototypové jednotky [autor] Na zařízení Pyromatik proběhly testy materiálu, který by mněl být primárně zpracováván v prototypové jednotce. Byla vypracována studie na základě testů a výpočtů Studie Hlavní body studie byly následující: 1. Vypracování koncepce termického rozkladu předpřipraveného materiálu s důrazem na jeho fyzikální vlastnosti, jakými jsou granulometrie a vlhkost. 2. Určení předpokládané doby zdržení v reaktoru a teploty potřebné k rozkladu materiálu 26

27 3. Vypracování předpokládaných hmotnostních bilancí s ohledem na rozklad vstupního materiálu 4. Schematický návrh reaktoru, chladiče pyrolýzního plynu a nádoby na sběr pevného uhlíkatého zbytku 5. Určení základních parametrů technologického zařízení, jakými jsou příkon hořáku, elektrické parametry pohonů unášečů a schéma měření fyzikálních veličin. 6. Vypracování předpokládaných hmotnostních bilancí s ohledem na rozklad vstupního materiálu. Hmotnostní bilance u laboratorního zařízení Wastech je dána zadavatelem, který požaduje zpracovávat pyrolýzní kapalinu. Počítá se tedy z nízkoteplotního rozkladu v pyrolýze při teplotě cca 500 C, jak naznačily testy a době zdržení 35 min. Při této kombinaci lze předpokládat větší zastoupení kapaliny cca 4-5 l/h, pevného zbytku cca 2-3kg/h a pyrolýzní plyn 3-4 m3/h. Na tyto hodnoty je nutno dimenzovat odběrové nádoby u chladící kolony, kde by měl být řešen kombinovaný chladič. Schematický návrh reaktoru, chladiče pyrolýzního plynu a nádoby na sběr pevného uhlíkatého zbytku Při řešení schematického návrhu reaktoru laboratorní pyrolýzní jednotky, jsme vycházeli ze zkušeností získaných na předcházejících laboratorních a poloprovozních jednotkách. Ukázalo se, že koncepce jedno šnekové pyrolýzní jednotky je lepší než kombinovaná tří šneková retorta, a to z důvodu zabezpečení dilatací materiálu a přepadů materiálu v peci. Pro laboratorní jednotku Wastech jsme předpokládali jedno šnekovou retortu z tlakovým plynovým hořákem o výkonu až 45kW. Ohřev je spalinami hořáku přes spalovací komoru. Spaliny jsou vedeny pomocí bezosého šneku do komína. Odběr pyrolýzního plynu pomocí dmychadla RD2- podtlakový systém. V konečné realizaci došlo ke změně na systém dvou hořáků o výkonu 115 kw a 44 kw. Změna byla dána navýšením max. teploty ohřevu retorty a rychlosti náhřevu. Schématický návrh reaktoru je součástí přílohy disertační práce. Určení základních parametrů technologického zařízení, jakými jsou příkon hořáku, elektrické parametry pohonů unášečů a schéma měření elektrických veličin Příkon hořáku byl dán novou koncepcí ohřevu tlakovým hořákem, kdy byl navržen hořák Eclipse Thermjet TJ0015 o výkonu 1,1-44kW. Dmychadlo vzduchu 0,3kW. V realizaci byl doplněn hořák Eclipce Thermjet TJ0040 o max. výkonu 115kW. 27

28 Hlavní pohon šnekové retorty je 2,2 kw, turniket 0,75kW, dmychadlo 0,37kW, čerpadlo pro vodní chladič 0,5kW a vynášecí šnek uhlíku 0,37 kw. Výpočet ohřevu ve studii K výpočtu byl použit software od Solid Works, nástroj SolidWorks FloXpress na kvalitativní analýzu. Výpočet ohřevu byl součástí práce studentů VŠB-TUO [107]. Zde ve studii je jen zjednodušený model, vytvořený autorem práce viz. obrázek 5-3. Zjednodušená simulace ukazuje pravděpodobnou trajektorii proudění horkých spalin od tlakového hořáku a jeho teplotní pole. Na základě práce studentů VŠB-TUO [107] bylo přistoupeno k provedení dvojhořákové retorty pro rychlejší ohřev celé jednotky. Obrázek 5-3 Průběh simulace proudění v retortě [autor] 28

29 6. Odpady vhodné k experimentu na depolymerizační jednotce Materiály, které byly experimentálně ověřovány v depolymerizační jednotce 1.Prach z pelet slupek slunečnicových semen - SLP 2.Obaly od krmiv (Alufolie + PE) - ALPE 3.Drcené směsné plasty - DSP 4.Odpad z papírenské výroby-rozvlákněný tetrapak - TT 5.PET drcený - PET 6.Pelety z digestu BPS - PELDI 7.Nemocniční odpad po parní sterilizaci - NO 8.Lignin - LIG Další druhy materiálu jsou dostatečně popsány v jiných pracích.[2,16,190] 6.1. Prach z pelet slupek slunečnicových semen - SLP Slunečnicové pelety Obrázek 6-1 Slunečnicové pelety a prach [autor] Pelety jsou ryze ekologickým topivem, převážně se vyrábějí z odpadních zbytků po dřevní, či zemědělské výrobě, stlačením dřevního, nebo rostlinného prachu, drtě či pilin. Lisují se do tvaru válečků o různých velikostech, v průměru od 6 do 25 mm a délce až do 50 mm. Díky této technologii obsahují minimální podíl vody a popele, hoří proto velmi dlouho. Zároveň během spalování nevzniká téměř žádný kouř. Malé množství popele, který 29

30 zůstane, se dá využít jako přírodní hnojivo. Pelety tedy v zásadě dělíme do dvou hlavních kategorií a to dřevní a rostlinné. Pro vytápění v domácnostech jsou využívány především pelety dřevní, v menší míře pak rostlinné. Rostlinné pelety jsou z větší části spalovány ve větších zdrojích teplárnách, elektrárnách, či větších výtopnách. Rostlinné pelety jsou nejčastěji produkovány ze slámy, slupek slunečnice, sena, řepkové slámy a digestu BPS. Surovinou pro dřevní pelety je nejčastěji měkké dřevo jehličnanů, méně často pak dřevo listnatých a tvrdších dřev. Tvrdé dřevo listnatých stromů je naopak hlavní surovinou pro výrobu briket. Slunečnicové pelety jsou vyráběny lisováním pod tlakem ze slupek slunečnic. Mají tvar granulí o kruhovém průřezu a průměru 8 mm. Slunečnicové pelety mají výhřevnost až 20 MJ/kg. Toto palivo (hlavně zbytky a prach po peletizaci je z hlediska ceny a výhřevnosti velmi kvalitní surovina pro termický proces depolymerizace Obaly od krmiv (Alufolie + PE) - ALPE Obrázek 6-2 Obaly od potravin a krmiv [Doc.Bačiak] Fólie (z lat. folium, list) je obvykle velmi tenká blána zpravidla vyrobená z kovu či plastu. Fólie se užívají v praxi k různým účelům, zejména pak k výrobě nejrůznějších druhů a typů obalů. Z fólií bývají vyrobeny i některé speciální oděvy apod. Polypropylenové plastové fólie jsou známy pod názvem igelit či mikroten. Z igelitu se běžně vyrábí např. pláště do deště (pršipláště) či deštníky, různé pytle a rozličné sáčky. Z tlustších igelitových fólií je možno postavit i jednorázový zahradní skleník či pařeniště, lidově přezdívaný fóliák. Celulózové fólie jsou běžné užívány pod obchodním názvem celofán. 30

31 Běžné kovové fólie jsou běžně používány pod názvem staniol - cínová fólie nebo alobal - hliníková fólie. Specializované kovové fólie se užívají například při pozlacování a zdobení předmětů nebo při výrobě galanterie a bižuterie. Obrázek 6-3 Potravinářské folie a obaly[www. alinvest.cz] Při pyrolýze HDPE, LDPE a PP vznikají hlavně oleje/vosky s dominancí alkanů, alkenů, alkadienů a plynů H2, alkany, alkeny a pouze malé množství tuhého pyrolýzního uhlíku. [32,56] Obecně při pyrolýze plastů platí, že maximální výtěžnosti kapaliny je dosaženo při nižší teplotě okolo 500 C, ke krakování plynných produktů dochází při teplotě vyšší. López et. al. (2010) a Onwundili et. al. (2010), ve své studii uvádí, že optimální teplota pro pyrolýzu plastů je 500 C, při teplotách nižších nedojde k úplnému rozkladu a při vyšších teplotách nedochází k výrazné změně při výtěžnosti produktů a změně jejich vlastností. [32,47,81,142,144,188,190] Buah W. K. et. al. došel k poznatku, že s ohledem na množství vázaného uhlíku a množství prchavé hořlaviny v pyrolyzním uhlíku, je vhodná teplota 600 C., kdy obsah prchavé hořlaviny je již téměř konstantní. 31

32 6.3. Drcené směsné plasty - DSP Obrázek 6-4 Směsné plasty [Doc.Bačiak] Drcené směsné plasty byly přivezeny v celku a pro potřebu testů byly drceny na drtičích laboratoře Wastech. Jedná se o směsný plast po vytřídění. Materiál se jeví jako velice vhodný pro termickou depolymerizaci a na základě známých výsledků ve světě [16], předpokládáme dobré výsledky. S tímto materiálem dále počítám pro vytvoření směsi s nemocničním odpadem, pro použití u vojenských kontingentů, humanitárních základen a jiné. 32

33 6.4. Odpad z papírenské výroby- rozvlákněný tetrapak-tt Obrázek 6-5 Nápojový karton [ karton] Nápojové kartony je možné recyklovat dvěma způsoby: v papírnách nebo na speciální lince. V papírnách - papír tvoří většinu tohoto obalu, takže je možné ho zpracovávat stejně jako starý papír. Zbytky hliníku a polyethylenu lze využít přímo v papírně při výrobě páry nebo pro ohřev vody, či dále zpracovat na palety apod. Zpracovatelé sběrového papíru se v poslední době stále více potýkají se zvýšeným výskytem několikanásobně recyklovaného papíru v zanáškách, a pro udržení kvality vyráběných lepenek je zapotřebí vynakládat stále větší množství pomocných papírenských prostředků. Papírny tak využijí vysoce kvalitní dlouhé vlákno obsažené v papírové složce nápojových kartonů pro zlepšení technických parametrů jimi vyráběných lepenek. Vlákno získané z nápojových kartonů je tak vhodnou a přitom relativně levnou alternativou. V současné době se zpracováním tetrapak obalů, ale i podobných obalů s hliníkem (staniol, potravinářské folie) zabývá na světě několik firem. Nejdále jsem ve Španělsku, kde pracuje rotační pyrolýzní pec a hliník je lisován do briket [143]. Tento materiál se jeví jako dobrá alternativa jak pro energetické využití, tak pro materiálové využití. Poslední zkoušky prokázaly, že olej po termické depolymerizaci je vhodný ke spalování a výrobě technologické páry v papírnách, odkud pochází i náš vzorek. 33

34 Obrázek 6-6 Nadrcený nápojový karton [Doc.Bačiak] Obrázek 6-7 Drcený materiál [autor] 34

35 6.5. PET drcený - PET Obrázek 6-8 PET drcený bílý a barevný nepraný [ Polyethylentereftalát je termoplast ze skupiny polyesterů, známý pod zkratkou PET z poly(ethylen tereftalát). PET se uplatnil především při výrobě vláken vynikajících nemačkavostí a malou navlhavostí (např. Dacron; na textilních výrobcích můžeme najít nesprávnou zkratku PES, která označuje příslušnost tohoto polymeru k polyesterům), lahví (obvykle označovaných jen zkratkou PET) a dalších obalů a fólií. Tenké fólie jsou často používány pod obchodním názvem Mylar. Znám je pod řadou dalších obchodních názvů, např. Arnite, Impet, Rynite, Ertalyte, Hostaphan, Melinex, Dacron, Terylene, Trevira atd. PET se poměrně dobře mechanicky recykluje, přičemž významná je čistota separovaného odpadního plastu. Pokud by byl zaveden zálohový systém jako v Německu, lze tyto láhve opět ze 100 % recyklovat zpátky do nových láhví bez ztráty kvality. Stávající sběrný systém je nevyhovující, jelikož materiál degraduje a ztrácí čirost. Spotřebitelské aplikace se pro potřeby pozdějšího třídění a recyklace označují jedničkou uprostřed trojúhelníku ze zacyklených šipek. Již od roku 2005 se PET recykluje v České republice v Bohumíně, kde sídlí rovněž jeden z největších recyklátorů PET láhví v Evropě. Pyrolýza PET je popsána v [31]. 35

36 6.6. Pelety z digestu BPS - PELDI Obrázek 6-9 Digestát z BPS [autor] Digestát je tuhý zbytek z anaerobní digesce, který splňuje kvalitativní požadavky vyhlášky o biologických metodách zpracování biologicky rozložitelných odpadů. Ačkoliv se může zdát, že jde o organické hnojivo, které obsahuje snadno přístupné rostlinné živiny a relativně vysoký poměr C/N, jsou v digestu příměsi, které se v půdě rozkládají delší dobu. Digestát je odpad z biostanice, z nějž byly při výrobě metanu spotřebovány organické složky pro efektivní výrobu metanu. Digestát lze dále dělit na separát a fugat. Separát vzniká oddělením tuhé složky digestu, který je spolu s bioplynem jedním z výsledných produktů anaerobní fermentace. V současné době se digestu nejčastěji využívá jako hnojivo, což ale může být problém v případě, že obsahuje nebezpečné látky např. těžké kovy. Ty se mohou dostat do procesu anaerobní fermentace v případě, že se zpracovávají exkrementy hospodářských zvířat, které jsou např. léčeny, či je jim podáván nějaký přípravek na prevenci onemocnění. Tyto přípravky mohou obsahovat např. těžké kovy, což je v procesu rostlinné výroby (hnojení digestátem) nežádoucí. Podobná situace je i např. s kalem v čistírnách odpadních vod. Možností jak využít toto nevyhovující hnojivo, by mohlo být jeho lisování do formy standardizovaného paliva a následné energetické využití ve vhodných provozech. 36

37 Tabulka 6-1 Parametry separovaného digestu z BPS [ Nemocniční odpad po parní sterilizaci - NO Obrázek 6-10 Nemocniční odpad před parní sterilizací [ Jsou odpady ze zdravotnických zařízení a sociálních zařízení, včetně dalších, které spravuje Ministerstvo zdravotnictví. Jedná o odpady z provozu různých typů zdravotnických zařízení, jako jsou nemocnice, ústavy sociální péče, domovy důchodců, domovy pro mentálně postižené osoby, ústavy pro dlouhodobě nemocné, speciální zdravotnické ústavy a léčebny (např. pro léčení tuberkulózy a respiračních chorob), některé druhy lázeňské péče, ambulantní ordinace, laboratoře, lékařský výzkum apod. Zařazeny jsou do této skupiny i odpady z veterinární péče. 37

38 Zdravotnické odpady lze také rozlišovat podle toho, zda je nutné provádět při nakládání s nimi opatření, jak již bylo řečeno, která zabrání šíření možné infekce. Podle tohoto kritéria se pak zdravotnické odpady rozdělují do několika skupin: Skupina A - tuhé komunální odpady Jsou to odpady, které nepotřebují žádné úpravy a ani opatření z hlediska odvrácení infekce, pokud je vyloučena možnost kontaminace. Tato skupina odpadů se vyskytuje ve všech typech zdravotnických zařízení. S tímto odpadem se nakládá obdobně jako s komunálním odpadem. Skupina B - odpady Vyžadují určitá opatření při nakládání s nimi. Převážně se nejedná o infekční odpady, tak jak byly popsány dříve. Tyto odpady jsou velmi rozšířeny, pokud jde o plošné rozmístění, vyskytují se na všech odborných odděleních, laboratořích, operačních sálech, výzkumných pracovištích. Nevyskytují se ve správní části zdravotnických zařízení, v pomocných provozech, dílnách, stravovacích zařízeních, skladech, kromě skladů určených pro skladování specifických nemocničních odpadů. Manipulace s těmito odpady se provádí po dezinfekci a sběr a shromažďování a přeprava se provádí nejlépe v nevratných, pevných obalech, kterými jsou zpravidla uzavíratelné plastové nádoby, silnostěnné plastové pytle, apod. Skupina C - odpady Podléhají, zvláštním opatřením při nakládání s nimi z důvodů odvrácení infekce, jedná se vyloženě o infekční odpady. Mezi takovéto odpady patří: odpady z infekčních oddělení, včetně léčeben infekčních chorob, odpady z dialýzních stanic, zdravotnických laboratoří a patologie pokusná zvířata, která nepodléhají zákonu o veterinární péči, stelivo a exkrementy z chovu pokusných zvířat, pokud by byla obava z rozšiřování původců chorob Výpočet množství nemocničních odpadů Množství sledovaných odpadů je vztaženo na skupiny A, B a C. Skupina D pro svou specifičnost nebyla do dalšího sledování nakládání s odpady produkovanými v nemocnicích zahrnuta. Množství předpokládaných nemocničních odpadů lze vypočítat podle následujícího vzorce: 38

39 M x = B x k x a x (23) M d celkové množství odpadů v kg * d -1 M d AB množství odpadů ze skupin A a B v kg * d -1 M d C množství odpadů ze skupiny C v kg * d -1 B k počet lůžek koeficient pro druh nemocnice v souladu s dále uvedenou tab. č. 6-9 a d celkové specifické množství odpadu v souladu s uvedenou tab. č. 6-10, v kg*lůžko -1 * d -1 a d AB specifické množství odpadu skupiny A a B v souladu s uvedenou tab. č v kg * lůžko -1 * d-1 a d C specifické množství odpadu skupiny C v souladu s tab. č v kg * lůžko -1 * d -1 Tabulka 6-2 Koeficient k pro druh nemocnice [110] Výkonnostní stupeň hodnota k Normální zásobování 1,5 Centrální zásobování 1,6 Maximální zásobování 1,7 Tabulka 6-3 Specifické množství odpadu ax v kg na lůžko za den [110] Počet lůžek Specifické množství odpadu celkové množství odpadu a d odpady skupiny A + B a d AB méně než 600 1,000 0,915 0,085 více než 600 1,300 1,190 0,110 odpady skupiny C a d C Tato přepočítávací metoda byla ověřena v praxi a potvrzena experimentálním měřením v několika nemocnicích v NSR. Nepřesnosti se vyskytují spíše mezi jednotlivými skupinami A, B a C, než v celkovém množství produkovaných nemocničních odpadů. Z druhového složení odpadů podle jednotlivých odborných pracovišť a oddělení průměrné nemocnice, 39

40 vztaženo na skupiny odpadů A, B a C je patrno, že jsou velké rozdíly mezi druhy produkovaných odpadů. Tato skutečnost vyplývá pravděpodobně z toho, že nelze zcela oddělit odpady skupiny C. Nemocniční odpady lze také charakterizovat jako heterogenní směs běžných odpadů, odpadů a chemikálií z laboratoří, farmaceutické odpady a patologické odpady. Všechny tyto odpady mohou obsahovat potenciálně infekční odpady. Odpady spalované v nemocničních spalovnách, mohou obsahovat v některých případech odpady nebezpečné, zejména obaly mohou představovat % objemu nebezpečných odpadů. V nebezpečných odpadech se také mohou vyskytovat odpady s nízkou hladinou radioaktivity. V ČR se po novele zákona o ochraně ovzduší a zároveň po skončení platnosti výjimky pro spalovací zařízení, pokud jde o emisní limity, uzavřela většina spaloven v areálech nemocnic. Běžné nemocniční odpady jsou odpady podobné tuhým komunálním odpadům z bydlení, služeb, technického vybavení apod., včetně umělých hmot, papíru, rostlinného odpadu, zbytky potravin, obaly umělohmotné i kovové. Chemikálie z laboratoří včetně farmaceutických zahrnují alkoholy, dezinfekční prostředky, ale také těžké kovy, jako je např. rtuť. Druhové složení nemocničních odpadů je co do objemu pro skupiny odpadů A a B uvedeno v tabulce Tabulka 6-4 Druhové složení nemocničního odpadu v % hmotnosti [110] Druh odpadu skupina A (% hmotnosti) skupina B (% hmotnosti) papír, lepenka buničina 8 13 rouno 8 9 sklo 2 7 kovy 1 1 organický odpad 9 15 sendviče 3 3 dřevo, kůže, pryž 1 1 ostatní 6 3 plasty Charakteristiky nemocničních odpadů jsou uvedeny v tabulce č a charakterizují výhřevnost odpadu, objemovou hustotu a obsah vody. Uvedené charakteristiky jsou důležitými ukazateli pro využívání nemocničních odpadů jako energetického zdroje pro depolymerizaci. 40

41 Tabulka 6-5 Charakteristiky nemocničních odpadů [110] Druh odpadu Výhřevnost MJ/kg Objemová hustota kg/m3 Obsah vody hm. % orgány, části těla 18,6 27, plasty 32,5 46, absorpční materiály 18,6 27, alkohol, dezinfekční 25,5 37, ,2 prostředky anatomické části 20,9 37, infikovaných zvířat sklo odpady z klecí, srst, 18,6 20, vlasy, papír, fekálie gázy, podložky, 18,6 27, obvazy, oděvy, papír, celulóza plasty, PVC, 22,5 46, stříkačky ostré předměty, 0, jehly kapaliny, zbytkové kapaliny 0 23, Lignin - LIG Obrázek 6-11 Lignin [autor] Lignin je důležitou stavební složkou dřeva zabezpečující dřevnatění jeho buněčných stěn. Obsah ligninu tvoří zhruba 26 až 35 procent hmotnosti dřeva a je vyšší u jehličnanů než u listnáčů. Lignin je po celulóze druhou nejčastější organickou sloučeninou na Zemi, tvoří 25 % rostlinné biomasy. V největším množství se objevuje v sekundární buněčné stěně 41

42 rostlinných buněk. Sekundární buněčnou stěnu tvoří především xylémové cévy a tracheidy. Vyskytuje se také v obilovinách, otruby obsahují kolem 8 % ligninu. Lignin plní hydrofobní funkci. Jeho hlavním úkolem je spojování mezibuněčných vláken a zpevnění celulózových molekul v rámci buněčných stěn. Dřevu dodává pevnost především v tlaku. Hlavním produktem pyrolýzy ligninu je kapalina. Pouze 10% ligninu konvertuje v plynné produkty. [45,92] Podle Swithenbank et. al. (2005) produkuje především substituované fenoly štěpením éterických vazeb a vazeb C-C, guajakol, methylguajakol, 4-ethylguajakol, 4- formylguajakol, 3-hydroxybezeovou kyselinu, 4 acetylguajakol, 4-ethylsyringol aj. Lignin oproti celulóze špatně dehydratuje a vytváří nejvíce pyrolýzního uhlíku až 55 %.[3,139,189]. Lignin, který jsem mněl k dispozici je odpad z výroby celulózy. Celkové výsledky elementárního rozboru vstupních materiálů jsou popsány v tabulce 6-6. Tabulka 6-6 Parametry elementárního rozboru [Doc.Bačiak] Pelety slunečnico vé Ø 8 мм х Směsné Tetrap Pelety z Nem.odp Prvky мм AL-folie plasty ak PET digestu ad Lignin C 51,26% 21,26% 71% 36% 70,6% 61,5% 59,50% 48,96% O 7,91% 0,15% 0,12% 0,9% 4,3% 0,75% 0,9% 8,23% N 0,16% 0,23% 0,15% 1,15% 0,89% 2,15% 1,15% 11,12% H 6,31% 3,81% 6,15% 3,10% 5,18% 4,15% 3,10% 4,49% S 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,02% 0,75% 0,01% 0,02% Cl s.p. s.p. s.p. s.p. 0,11% s.p. s.p. 0,01% Fl s.p. s.p. s.p. s.p. s.p. s.p. s.p. s.p. Ash 3,5 % x 7,19 % 42%* x x x 1,88% Vlhkost 10 % x 4,7 % x x x x 0,1% Měrná hmotnos t kg/m3 899kg/ m3 1015kg/ m3 720 kg/m3 1009kg/ m3 621 kg/m3 Výhřevn ost MJ/kg 26 MJ/kg 25,37MJ/ kg 31MJ/ kg 29 MJ/kg 16,18MJ/ kg *množství Al x-neměřeno s.p.-neměřitelné množství 460 kg/m ,5 MJ/kg kg/m3 25,8 MJ/kg 42

43 7. Výsledky provozních zkoušek Zkoušky provedené na zařízení Pyromatik 100 byly prováděny za účelem zjištění údajů pro předpokládaný provoz větších zařízení. Proto i skladba materiálů odpovídá potenciálním materiálům, které by měly být do budoucna vhodným materiálem k termické depolymerizaci. Při vytváření databáze, jsem vycházel z literatury ale i vhodné dostupnosti a ceně vstupních materiálů Metodika odběru reprezentativního vzorku kapaliny Důležitou operací před vlastním měřením jakosti paliva je odběr vzorku a jeho následná příprava ke zkoušení vlastností. Odběr vzorku a příprava zkušebního vzorku se musí řídit zásadami správného vzorkování, které jsou pro každý druh paliva stanoveny příslušnou normou. Hlavni zásadou vzorkování je odebrání reprezentativního vzorku (vzorku) z dotčeného celku. Každá částice celku nebo podcelku je pro vzorek reprezentativní a měla by mít stejnou pravděpodobnost, že bude zahrnuta do vzorku. Dodržování zásad správného vzorkování je problematické u vzorkování stacionárního materiálu (např. vzorkování z hald, z balíků a žoků, ze sila, z nákladního auta a ostatních dopravních prostředků), proto normy upravující vzorkování paliva upřednostňují odběr vzorků z pohybujícího se materiálu. Odebrané vzorky a vzorky připravené ke zkoušení se skladují ve vhodných vzorkovnicích se zajištěnou těsností, aby nedocházelo ke změně vlhkosti vzorku a kontaminaci mechanickými nečistotami. Vzorkovnice se vzorkem se označují štítkem, který musí obsahovat číslo a název vzorku datum, způsob a místo odběru vzorku značku a druh paliva podpis osob odpovědných za odběr a úpravu vzorků Kapalná paliva jsou homogenní, nebo nehomogenní, a lze je odebírat automatickým vzorkováním z potrubí nebo ručně vzorkovat z potrubí, nádrží a ostatních skladovacích nádob. Pro zajištění reprezentativnosti odebíraných vzorků se zavádějí bezpečnostní opatření dle ČSN EN ISO 3171 při automatickém odběru vzorků z potrubí a pro ruční odběr vzorků dle ČSN EN ISO Opatření závisí na charakteru kapaliny, způsobu odběru vzorku a povaze zkoušek, pro které je vzorek odebírán. Celý proces odběru, manipulace a skladování vzorků musí být zajištěn proti úniku odebíraných látek, aby nedocházelo 43

44 k poškozování životního prostředí. Odběr vzorků se provádí z nádrže, která je v klidu. Podle požadavků na vzorek se provádí odběr průběžného vzorku nebo vzorku ze všech vrstev obvyklý odběr pro analýzu lokální vzorkování horní, střední a spodní vzorek horní a střední vzorek, vzorek od sání Odebraný průběžný vzorek nebo vzorek ze všech vrstev nám poskytuje informace o průměrné kvalitě paliva v nádrži, nelze ho tedy použít k hodnocení homogenity. U vzorku pro analýzu se posoudí homogenita jednotlivých dílčích vzorků a v případě homogennosti je možné vytvořit společný vzorek jejich smícháním. Takto vzniklý společný vzorek, tvořený alespoň jedním dílčím vzorkem z každé úrovně odběru, se bere jako homogenní a reprezentativní dle ČSN ISO 3170 ( ): Kapalné ropné výrobky - Ruční odběr vzorků. Plyn kondenzuje ve třech chladičích + kapalinový kapák před dmychadlem. Po skončení testu je kapalina zvážena a ze všech nádob slita do jedné, a z ní je odebrán reprezentativní vzorek. Odběr reprezentativního vzorku určeného pro potřeby prvkového rozboru pyrolýzní kapaliny se provádí pomocí speciální odběrové sondy, jejíž konstrukce umožňuje odebrat celý kapalinový sloupec. Tímto je zaručeno, že po ustálení jednotlivých vrstev kapaliny (na základě rozdílné hustoty), bude reprezentativní vzorek obsahovat všechny jednotlivé složky pyrolýzního oleje v odpovídajícím objemovém poměru. Před samotným odebíráním vzorku je odběrová sonda vyčištěna. Po odběru je reprezentativní vzorek o objemu 250 ml umístěn do vzduchotěsné nádoby tak, aby bylo zabráněno jeho oxidaci. Zbytek pyrolýzního oleje v nádobách se archivuje v sudech pro případnou potřebu opakování prvkového rozboru. Každý sud je označen číslem vzorku, typ materiálu a datumem testu. Odebraný vzorek byl analyzován v laboratoři v Havlíčkově Brodě firmy Centipede. Vzorky byly analyzovány spektrometrem a chromatografem Dani s kapalinovou vzorkovnicí. Z každého testu bylo provedeno 5 měření, nejlepší a nejhorší výsledek se nepočítal a ze tří zbývajících byl udělán aritmetický průměr Metodika odběru reprezentativního vzorku pevného zbytku Odběr probíhá za podmínek a postupů stanovených v ČSN , ČSN v případě uhelných paliv a ČSN EN v případě tuhých biopaliv. Nástroje na vzorkování se dělí na mechanické vzorkovače a zařízení pro ruční odběr vzorků. Mechanické vzorkovače se používají pro odběr vzorků z proudu, či jeho přepadu. V případě, že je problematické či nevýhodné použití mechanického vzorkovače, tak je využíváno ruční 44

45 vzorkování pomocí zařízení pro ruční odběr vzorků. Jako zařízení pro ruční vzorkování slouží vzorkovací krabice, lopaty, háky a sondy pro odběr drobných sypkých materiálů (max. rozměr menší než 25 mm) Odběr reprezentativního vzorku určeného pro potřeby prvkového rozboru pevného zbytku je prováděn pomocí k tomu vyhrazených plastových nádob o objemu 2l. Pevný zbytek je odebírán po samovolném vychladnutí na teplotu okolí po průběhu testu z kontejneru depolymerizační jednotky. Vzorek je dále vzduchotěsně uzavřen víkem, aby nedocházelo k jeho oxidaci. Skladován je na suchém místě při pokojové teplotě. Analyzován v laboratoři firmy Centipede v Havlíčkově Brodě Plynová analýza Chromatografie je fyzikálně chemická separační metoda, která slouží k dělení složek směsi. Základem chromatografie je rovnováha rozpuštěné látky mezi dvěma fázemi, z nichž jedna je fáze nepohyblivá (stacionární) a druhá fáze pohyblivá (mobilní). Tyto fáze jsou vzájemně nemísitelné. Předpokladem rozdělení složek směsi je různá afinita (přilnavost) k jednotlivým fázím. Např. Složka S1 má větší afinitu k fázi mobilní a je touto fází unášena více. Složka S2 má větší přilnavost k fázi stacionární a proto je fází mobilní unášena méně. Mobilní fáze může být kapalina nebo plyn a na základě toho rozlišujeme chromatografii kapalinovou a plynovou. Fáze stacionární bývá nejčastěji tuhý sorbent (např. aktivní uhlí, silikagel, molekulové síto) a tímto sorbentem je potažena vnitřní strana kolony nebo je tímto naplněna. Plynová chromatografie slouží k dělení plynů a par a provádí se na plynovém chromatografu. Základní součásti plynového chromatografu jsou zdroj nosného plynu, nástřiková hlava, chromatografická kolona, detektor, zesilovač a zapisovač (nebo výstup přes počítač + tiskárnu). Jako zdroj nosného plynu (fáze mobilní) se používají tlakové lahve opatřené redukčním ventilem, s jehož pomocí je možné regulovat tlak (průtok). Tento průtok je nutné kontrolovat, např. pomocí průtokoměru, protože na udržení konstantního průtoku závisí pracovní účinnost chromatografu. Tento nosný plyn protéká chromatografickou kolonou. Nosným plynem může být He, H2, Ar nebo N2 a volí se podle použitého detektoru. Nástřiková hlava je malá komůrka z nerezové oceli, která je vyhřívaná na zvolenou teplotu (dostatečně vysokou) a proplachovaná nosným plynem. Slouží k vnášení vzorku do kolony. Kapalné vzorky se vstřikuji mikro stříkačkou přes septum, kde se vlivem vysoké teploty kapalina okamžitě vypaří. Plynné vzorky se vstřikují plynotěsnou stříkačkou. Chromatografické kolony jsou nejdůležitější součástí chromatografického systému. Podle provedení rozlišujeme náplňové a kapilární kolony. Náplňové kolony jsou trubice z nerezové oceli nebo skla a jsou naplněny granulovaným materiálem (aktivní uhlí, Al2O3, molekulové síto). Náplňové kolony se dělí na analytické, které mají vnitřní průměr 2 5 mm a délku 0,5 45

46 5 m, a na preparativní s vnitřním průměrem mm a délkou 2 6 m. Kapilární kolony jsou tenké kapiláry, stočené do šroubovice, zhotovené z nerezové oceli, skla nebo tvárného křemene. Vnitřní stěny kapiláry jsou povlečeny stacionární fází. Jejich vnitřní průměr bývá 0,1 0,5 mm a délka m. Detektory je umístěn na výstupu z chromatografické kolony a detekuje množství jednotlivých složek směsi vycházejících z kolony a převádí je na elektrický signál. Detektor zvýrazňuje rozdíl signálu při průchodu samostatného nosného plynu (fáze mobilní) a při průchodu nosného plynu se vzorkem. Nejčastěji je používán tepelně vodivostní detektor (TCD) nebo plamenověionizační detektor (FID). Tepelně vodivostní detektor (TCD, katarometr) je založen na změně elektrického odporu tenkého vlákna (odporové vlákno) umístěného uvnitř kovového bloku. Vláknem prochází konstantní elektrický proud, který vlákno zahřeje na určitou teplotu. Jestliže detektorem prochází čistý nosný plyn, teplota se nemění. Při průchodu nosného plynu se vzorkem se změní teplota a tím se změní i elektrický odpor vlákna a vodivost. Tento detektor je univerzální a velmi rozšířený. Plamenověionizační detektor (FID) je tvořen hořákem opatřeným na spodní části přívodem nosného plynu (vodíku + vzduchu jako pomocného nosného plynu pří spalování). Nosný plyn z kolony je přiváděn do vodíkového plamene, kde je spalován a kde dochází k ionizaci organických složek, kdy vzniklé ionty umožní elektrický tok mezi elektrodami (ionty způsobí vodivost). Prochází-li detektorem čistý nosný plyn elektrický tok mezi elektrodami se nemění. Při průchodu nosného plynu se vzorkem se tento elektrický tok mění. Tento detektor je po TCD nejpoužívanější. Je vhodný pro analýzu organických látek, protože anorganické sloučeniny (H2O, CO2, CO, H2, N2, O2 a jiné) nedávají žádnou odezvu, tzn. detektor na ně není citlivý. Výsledky různé odezvy detektoru na jednotlivé složky se na záznamu (chromatogramu) projeví jako tzv. píky. U vzorku můžeme zjistit, jaké složky jsou obsaženy (kvalitativní analýza)a jaké je množství jednotlivých složek (kvantitativní analýza). Složení pyrolýzního plynu je jedním z důležitých faktoru ovlivňující jeho využití v duálním spalovacím motoru. Pro potřeby plynové analýzy byla k systému Pyromatik 100 zřízena analyzátorovna. Zázemí analyzátorovny je postaveno na měřícím systému LABWie 7500 a plynovém chromatografu Dani. Pro stanovení koncentrace CO, CO 2 v plynu slouží analyzátor Model 7500, který měří tepelnou vodivost plynné směsi a ta je na základě tepelné vodivosti jednotlivých složek přepočítána na koncentraci. Pokud je plyn složen s více než dvou složek, je nutné měřit koncentraci všech ostatních složek jinou metodou. Pomocí plynového chromatografu Dani jsou analyzovány uhlovodíkové sloučeniny C1- C6 a H2. Dle polohy maximálních hodnot na koncentrační křivce lze tak kvantifikovat a kvalifikovat látky obsažené v pyrolýzním plynu. Pro doplnění analýz byl použit ruční infračervený analyzátor bioplynu MRU Optima 7 Biogas. Tento byl zapojen do systému 46

47 jednotky samostatným potrubím z 2 ks proplachovacími nádobami s vatou. Dále byly odebírány plynové vaky a plyn byl analyzován v laboratoři firmy Centipede v Havlíčkově Brodě. Přístroje: Analyzér MRU Optima 7 Biogas ser. No Chromatograf GC Master. Infračervený (NDIR) analyzátor (pro CO, CO2) model Řízení jednotky a dávkování produktů Režimy ovládání jednotky termických procesů Zapnutí a náběh jednotky pomocí vizualizace Před spuštěním jednotky termických procesů (dále jen JTP) je potřebné jej vizuálně zkontrolovat, zda nejsou viditelné známky poškození, či už na vlastním zařízení nebo na plynovém potrubí. Otevřít bezpečnostní uzavírací ventil na přívodním potrubí ZP a zapnout hlavní jistič elektrického obvodu JTP. Provést kontrolu zapnutí klimatizačních jednotek v hale přípravy materiálu. V zimním období nutno mít jednotky v ohřevu (tyto jednotky byly dodávány jiným dodavatelem a jejich teplovodní výměníky jsou jištěni čidly proti nízké teplotě). Spustit hlavní řídící počítač JTP, a otevřít program JTP pokud se nespustí automaticky. V případě nespuštění lze jednotku nouzově ovládat pomocí terminálu APT1000G na rozvaděči MaR ve velínu JTP. Stavy Poruchy, Havárie, Detekce V procesu bude generován signál porucha v případě, že dojde k: Únik plynu 1. stupeň Výpadek jističe Nepotvrzení chodu agregátu po vydání povelu k zapnutí Překročení max. a min mezí požadovaných hodnot teplot a tlaků V procesu bude generován signál havárie v případě, že dojde k: Únik plynu 2. stupeň Výpadek větrání 47

48 Detekce V procesu bude generován signál havárie v případě, že dojde k: Únik plynu a jeho detekování snímači CH4, CO2 a C3H8 [obr. 7-2] Obrázek 7-1 Umístění čidel a stop tlačítka[autor] Akční zásahy při signálu porucha: Řízené odstavení z provozu (vypnutí hořáku, provoz dmychadla 100%, uzavřena klapka dávkování, vypnut podavač, šnek zapnut, klapka spalin otevřena, prováděna kontrola chodu větrání, klapky chladičů otevřeny, optická signalizace oranžový maják) Při signálu havárie: Okamžité odstavení s provozu (všechny agregáty odstaveny z provozu, všechny klapky otevřeny, optická signalizace červeným majákem + akustická signalizace) Uvolnění do provozu Signál uvolnění do provozu bude vydán v případě, že není signál poruchy ani havárie po od kvitování na obrazovce PC nebo v menu zobrazovací jednotky na rozvaděči ve velínu JTP. Proces 1 Nahřátí systému Start tlačítkem Zapnout nahřívání?, ukáže se obrazovka na potvrzení Opravdu chcete provést tuto akci? ANO povolím náhřev, NE nepovolím náhřev. Jednotku lze nahřát pomocí terminálu APT1000G na rozvaděči MaR ve velínu JTP (popsáno u popisu 48

49 terminálu). Bude požadováno potvrzení do provozního deníku JTP potvrzení následujících úkonů Vizuální kontrola, Otevření plynových ventilů ZP v místnosti JTP a odepsání hodnot spotřeby ZP na plynoměrech pro hořáky 1 a 2. Obrázek 7-2 Základní řídící obrazovka [autor] Po dosažení žádané hodnoty teploty v retortě, obsluha provede následující úkony, zapsané v provozním deníku. Jedná se o tyto úkony: Provést dávkování materiálu v 2NP budovy do zásobníku. Dávkování provádět při uzavřené vstupní klapce a podavač musí být v klidu. Provést odečet na plynoměru termického plynu na ochozu v 2NP před inertizací. Po dávkování zásobníku obsluha provede pomocí 2 ks tyčí a 4 křídlových matek z podložkami dotažení víka zásobníku. Objem zásobníku je cca 130l. Na zásobníku jsou 2ks průzorů, tyto po každém použití JTP očistit. Kontrolu stavu naplněnosti zásobníku lze provádět pomocí montážní lampy, kterým si nasvítíme jeden průzor a druhým sledujeme množství v zásobníku. Po skončení procesu plnění zásobníku provedeme inertizaci prostoru zásobníku pomocí tlakové lahve CO2, umístěné poblíž JTP. Provést odečet na plynoměru termického plynu na ochozu v 2NP po inertizaci zásobníku. Proces 2 Automatický provoz pyrolýzní jednotky Po nahřání jednotky zapnout tlačítko Zapnout pyrolýzní proces?. 49

50 Objeví se okno Opravdu chcete provést tuto akci? ANO- povolím zpuštění NE nepovolím zpuštění. Obrázek 7-3 Proces 2 [autor] ZAPNUTO: Pohon šneku (včetně chlazení agregátu šneku) otáčky nastavitelné pomocí editačního prvku (5 min 100 min). Podavač dle nastavitelných časů (1 min 100 min). Vstupní klapka dle nastavitelných časů v závislosti na podavači. Hořáky výkon řízen pomocí PID regulátoru na požadovanou hodnotu nastavenou obsluhou Klapka chladič 1 otvírány obsluhou z vizualizace dle potřeby chlazení Klapka chladič 2 otvírány obsluhou z vizualizace dle potřeby chlazení Dmychadlo reguluje se na tlak snímače BP5 pomocí PID regulátoru. Snímání množství produkovaného plynu termického procesu je pomocí membránového plynoměru nebo terminálu umístěného na rozvaděči MaR ve velínu JTP. Vypnutí jednotky termických procesů 50

51 Pro vypnutí jednotky (dále jen JTP) dodržujte následující postup, aby nedošlo k poškození zařízení nebo k ohrožení obslužného personálu. Zapnout tlačítko Vypnutí procesu Objeví se okno Opravdu chcete provést tuto akci? ANO- povolím vypnutí NE nepovolím vypnutí. VYPNUTO: Pohon šneku (včetně chlazení agregátu šneku). Podavač dle nastavitelných časů (1 min 100 min). Vstupní klapka dle nastavitelných časů v závislosti na podavači. Hořáky Dmychadlo běží algoritmus 15 min od odstavení procesu Spalinový ventilátor- běží pokud teplota JTP na teplotě spalin neklesne pod 100 C. Po ukončení procesu, obsluha provede následující úkony, které zapíše do provozního deníku. Odečte hodnoty spotřeby ZP u obou plynoměrů hořáku v místnosti JTP. Odečte hodnoty plynoměru termického plynu na ochozu 2NP a na terminálu APT100G na rozvaděči MaR na velínu JTP. Uzavře hlavní přívod ZP na hořáky. Po vychlazení JTP pod teplotu 100 C a vypnutí spalinového ventilátoru lze vypnout elektrický proud. Celý systém je řízen počítačem z vedlejší místnosti s výhledem na technologii viz. obrázek 7.5. Do centrálního rozvaděče k automatu řízení Amit jsou přivedeny impulsy z měřiče průtoku plynu na plynoměru a signály teploty a tlaku po celé technologii. 51

52 Obrázek 7-4 Řídící software v PC s výhledem k technologii[autor] 7.5. Metodika měření emisí na polní fléře Místo měření Místo měření pro odběr vzorků plynných a tuhých emisí znečišťujících látek bylo zvoleno na výstupu z pyrolýzní jednotky. Potrubí má v místě měření kruhový průřez o průměru 200 mm, délku rovného úseku před místem měření 0,7 m a délku rovného úseku celkem1 m. Měření rychlosti vzdušiny a vzduchotechnických parametrů bylo provedeno dle SOP 01 - část A a část B. Odběry vzorků tuhých a plynných emisí a měření rychlosti spalin byly provedeny v referenčním průřezu potrubí. Měření rychlosti bylo provedeno Prandtlovo trubicí typu L, hodnoty statického a dynamického tlaku byly měřeny elektronickým mikromanometrem, barometrický tlak byl měřen digitálním barometrem. Teplota proudící vzdušiny a teplota okolí byla měřena termoelektrickým teploměrem. Odběry a zpracování vzorků Stanovení koncentrací tuhých znečišťujících látek a Odběr vzorků TZL byl prováděn dle SOP 05 - část A a část B. Vzorky pro stanovení koncentrací znečišťujících látek byly odebírány gravimetrickou soupravou TESO GTE 12. Tato souprava se skládá z odběrové sondy s regulovaným 52

53 vytápěním, externího zachycovače pro rovinné filtry s regulovaným vytápěním, který je integrován s měřící dýzou se snímáním tlakové diference, tlaku a teploty odebíraného vzorku plynu. Zdrojem sání je lamelová vývěva s regulovaným odběrem dílčího proudu plynu. Pro stanovení vlhkosti byl použit elektrický vlhkoměr. Při prováděném odběru vzorků plynu byla izokinetika odběru zajišťována kombinovanou odběrovou sondou vybavenou Prandtlovo trubicí včetně vlastního snímání tlaku a řízena podle parametrů nátokové dýzy (teploty, tlaku a rozdílu tlaků), která je součástí zachycovače. Pro výpočet nutných parametrů byl použit notebook computer vybavený programem IZO 1.24 firmy TESO Praha. Jako filtrační materiál byly použity filtry Munktell & Filtrak GmbH s garantovanou účinností záchytu 99,97 % pro částice 0,3 μm. Odebrané vzorky a samotné filtry byly po vysušení v sušárně a v exikátoru nad silikagelem zváženy na digitálních analytických vahách Denver. Obrázek 7-5 Měřící místo [autor] 53

54 Stanovení koncentrací plynných škodlivin Odběr vzorků a stanovení koncentrací plynných škodlivin bylo prováděno přístrojem pro kontinuální měření dle SOP 02. Vzorky pro stanovení koncentrací plynných škodlivin byly odebírány vytápěnou odběrovou sondou napojenou vyhřívanou hadicí na vzorkovací systém SEC firmy EMISSION SA POISSY Francie. Vzorkovací systém pozůstává z filtru mechanických nečistot a vytápěné skříně vzorkovacího systému. Vzorek je vsáván přes primární filtr, ve vzorkovací skříni prochází jemným filtrem a dále postupně dvěma propustnými vysoušecími trubicemi, kde je vysoušen na obsah vody pod 6000 ppm. Před vlastní analyzátor spalin je zařazen konvertor NO2/NO CGO-K firmy Hartmann-Braun. Stanovení obsahu NOX (NO2) a CO bylo provedeno více plynovým analyzátorem MIR 9000 firmy EMISSION SA, POISSY Francie. Tento přístroj pracuje na principu infračervené spektroskopie a korelace. Infračervené záření ze zdroje je vestavěného do analyzátoru, je modulováno korelačním kotoučem. Svazek paprsků je vysílán do více odrazové komory, ze které je usměrněn na infračervený detektor. Signál z detektoru je zesílen, očíslován a zaznamenán. Obsah oxidů dusíku je měřen jako NO, obsah NO2 je stanoven přepočtem. Stanovení O2 je provedeno paramagnetickou metodou přístrojem PERMOLYT s nejistotou do 2 % naměřené hodnoty dle SOP 07. Získané hodnoty jsou rovněž očíslovány a zaznamenány. Zaznamenané hodnoty jsou dále zpracovány počítačovými jednotkami ELIDIS. V době měření byly na analyzátoru nastaveny rozsahy pro NO ppm, CO ppm, SO ppm. Hodnota nejistoty měření je do 2 % nastaveného rozsahu, linearity do 1 % rozsahu. Pro kalibraci byl použit kalibrační plyn o obsahu 861 ± 17 ppm SO2, 302,7 ± 3,1 ppm NO, 519,3 ± 2,3 ppm CO v čistém dusíku, tyto hodnoty jsou s nejistotou ± 2%. Kalibrace nulové hodnoty byla provedena na čistý vzduch. 54

55 Stanovení koncentrací plynných organických látek analyzátorem FID Odběr vzorků a stanovení koncentrací organických látek bylo prováděno dle SOP 04. Souprava se skládá z vytápěné odběrové sondy s primárním filtrem napojené vyhřívanou hadicí na analyzátor Multi FID 100. Samotné stanovení obsahu organických látek se provádí v plamen ionizačním analyzátoru Multi FID 100. Spalováním organických látek v plameni vodíku vznikají elektricky nabité částice, které odevzdávají svůj náboj na speciální elektrodě. Vzniklý elektrický proud, jehož intenzita je závislá na koncentraci organických látek v přiváděném vzorku, je zesílen a vyhodnocen. Získané hodnoty jsou zpracovány jednotkami ELIDIS a uloženy. Pro kalibraci analyzátoru byl použit kalibrační plyn s obsahem 60,1 ± 1,4 ppm propanu v čistém dusíku, jako spalovací plyn vodík o čistotě 5.0, jako spalovací vzduch je použit vysušený vzduch z kompresoru a jako nulovací plyn syntetický vzduch bez uhlovodíků. Stanovení koncentrací fluoru a chloru jednorázovými odběry Odběr vzorků plynných emisí absorpcí do kapaliny byl prováděn dle SOP 12. Vzorky pro jednorázové odběry vzorků plynných emisí fluoru a chloru byly odebírány odběrovou soupravou UNIBOX O6 firmy TESO. Tato souprava se skládá ze skleněné odběrové vytápěné sondy v antikorovém plášti, filtru, boxu pro odběr a úpravu vzorku s regulačním ventilem, plovákovým průtokoměrem, fritovými promývačkami, filtrem a sušící věží. Na konci je zařazen mokrý plynoměr pro přesné změření objemu odebraného vzorku. Při odběru plynných emisí chloru je vzdušina probublávána sérií absorbérů vodou prostou chloridů. Stanovení koncentrací anorganických sloučenin chloru Stanovení koncentrací anorganických sloučenin chloru bylo provedeno dle SOP 03 vycházející z normy ČSN EN Odebrané vzorky jsou analyzovány fotometricky po reakci s thiokyanatanem rtuťnatým. Hmotnostní koncentrace plynných anorganických sloučenin chloru je vyjádřena jako Cl. Stanovení koncentrací sloučenin fluoru Při odběru a stanovení koncentrací sloučenin fluoru je postupováno dle normy ČSN a měření bylo provedeno jako autorizované. Při odběru plynných emisí fluoru je vzdušina probublávána sérií absorbérů naplněných roztokem hydroxidu sodného o koncentraci 0,1 mol/l za vzniku fluoridu a fluorokřemičitanu sodného. Následně je fluor oddělen od rušivých složek jako kyselina fluorokřemičitá destilací s vodní párou v prostředí kyseliny sírové. 55

56 Obsah fluoru v destilátu je následně stanoven fotometricky s využitím zabarvení komplexu fluoridových iontů s alizarinkomplexonem s lanthanátem. Koncentrace těkavých sloučenin fluoru je vyjádřena jako koncentrace F. Obrázek 7-6 Schéma soupravy MIR 9000 [autor] Obrázek 7-7 Schéma odběrové soupravy UNIBOX [autor] 56

57 Obrázek 7-8 Schéma odběrové soupravy GTE [autor] Použité předpisy Standardní operační postupy akreditované zkušební postupy SOP 01 část A a část B (ČSN ISO a ČSN EN 14790) SOP 02 (ČSN ISO 10396) SOP 03 (ČSN EN 1911) SOP 04 (ČSN EN 12619) SOP 05 část A a část B (ČSN EN ISO ) SOP 12 (Odběr vzorků plynů a par absorpcí do kapaliny) ČSN Zákon o ochraně ovzduší č. 201/2012 Sb., Vyhláška č. 415/2012 Sb. Pracovní předpisy k odběrovým aparaturám MIR 9000, GTE, UNIBOX Oprávnění k autorizovanému měření emisí Osvědčení o akreditaci Kniha metodik a měřících postupů ME 57

58 7.6. Vybrané materiály a popis testů Materiál byl dovezen většinou v bigbagu na provozovnu Wastech, která je vybavena dvojicí kladívkových drtičů, kde se materiál před testy upravil na granulometrii, vhodnou k termické depolymerizaci. Po odvážení vsázky byl materiál následně dávkován do jednotky Pyromatik 100. Na zařízení jsem vykonal v průběhu 2 let ( ) výzkumné testy a jejich výsledky jsou zde uvedeny níže. Zkoušený materiál: Prach z výroby pelet ze slunečnicových semen - SLP Plasty DSP směsné plasty po základním roztřídění 1.DSP 1 - čerstvé 2.DSP 2-3 měsíce odleželé 3.DSP 3-6 měsíců odleželé Rozvlákněný Tetrapak 1. Tetrapak 1- Dva roky starý předsušený 2. Tetrapak 2 - Čerstvý drcený Drcený PET čerstvý - PET Potravinové folie (ALPE) Pelety z digestu bioplynových stanic (PELDI) Lignin z výroby celulózy (LIG) Nemocniční odpad po parní sterilizaci (NO) Základní parametry testů: Teplota: 500 C, 600 C Doba zdržení: 60min, (45) min Vsázka 10kg ( 5kg). 58

59 Opakované testy s každým materiálem provedeny 3 testy při stejných základních podmínkách (teplota procesu, hmotnost vsázky a doba zdržení). Hodnoty zprůměrovány. U směsných plastů a materiálu tetrapak provedeny opakované testy po době 3 měsíců, ke zjištění vlivu vstupní vlhkosti materiálu na proces Základní analýzy vstupů Hodnoty analýzy vstupních materiálů: Tabulka 7-1 Vstupní elementární analýza [Doc.Bačiak] Materiál C% H% N% S% O% Cl% 1. Prach S 51,26 6,31 0,16 0,01 7, Plasty 71 6,15 0,15 0,01 0,12 0 DSP 3. Tetrapak 36 3,10 1,15 0,01 0, PET 70,6 5,18 0,89 0,02 4,3 0,11 5. ALPE 21,26 3,81 0,23 0,01 0, PELDI 61,5 4,15 2,15 0,01 0, LIG 48,96 4,49 11,12 0,02 8,23 0,01 8. NO 59,5 3,1 1,15 0,01 0,9 0 Tabulka 7-2 Parametry vstupního materiálu v sušině Doc.Bačiak] Prchavá hořlavina % Sušina % Fixní uhlík% Obsah vody % Popel % Výhřevnost MJ/kg Prach S 79,27 92,70 11,98 7,30 1,45 16,89 Plasty 78,26 91,33 4,06 3,38 14,3 27,84 DSP Tetrapak 86 97,1 4,91 2,9 6,19 30,3 PET x x x x x x ALPE x x x x x x PELDI x x x 8,16 7,21 16,18 LIG x x x 0,1 1,88 25,8 NO 65,3 95,8 8,3 4,2 22,2 12,3 x neměřeno 59

60 Výstupy z testů- materiálová bilance Tabulka 7-3 Materiálové bilance [autor] Bilance Název vzorku Tetrapak Směsné plasty prach z pelet slun TT TT DSP DSP DSP DSP DSP SLP SLP Teplota reakce [ C] Doba zdržení [min] Pyr.plyn % Pyr.olej % Pyr.uhlík % SL P prach semen slunečnice PET PEL pelety biomasy AL PE Al folie na polyetylenu pelety z digestátu PET PET NO LIG ALPE PELDI PELDI N O nemocniční odpad (starý) DS P dovezené směsné plasty T T Tetra pak PEL DI pelety digestátu LIG lignin PE T polyetylenterefta lát Materiálová bilance prach z pelet slunečnicových semen T-500 C D-60 Koks 39% Plyn 26% Kapalina 35% Graf 7-1 Materiálová bilance [autor] 60

61 Materiálová bilance prach z pelet T- 600 C D-60 Koks 29% Plyn 42% Kapalina 29% Graf 7-2 Materiálová bilance [autor] Směsné plasty T-600 C D-60 dne Kapalina 14% Koks 16% Plyn 70% Plyn Kapalina Koks Graf 7-3 Materiálová bilance [autor] 61

62 Směsné plasty T-600 C d kg Množství pevného zbytku v kg 31% Plynoměr pyr.plynu v m3 nahoře 42% Množství kapaliny v kg 27% Plynoměr pyr.plynu v m3 nahoře Množství pevného zbytku v kg Množství kapaliny v kg Graf 7-4 Materiálová bilance testu [autor] Směsné plasty T-500 C d kg Množství pevného zbytku v kg 36% Plynoměr pyr.plynu v m3 nahoře 45% Množství kapaliny v kg 19% Plynoměr pyr.plynu v m3 nahoře Množství pevného zbytku v kg Množství kapaliny v kg Graf 7-5 Materiálové bilance [autor] 62

63 Pyrolýza Tetrapak 10 kg teplota 500 C doba zdržení 60 Množství kapaliny v kg 18% Množství pevného zbytku v kg 16% Plynoměr pyr.plynu v dm3 66% Plynoměr pyr.plynu v dm3 Množství pevného zbytku v kg Množství kapaliny v kg Graf 7-6 Materiálová bilance Tetrapak [autor] Tetrapak T-600 C D Koks 32% Plyn 29% Kapalina 39% Plyn Kapalina Koks Obrázek 7-9 Materiálová bilance tetrapak T-600 a D 60 [autor] 63

64 Pyrolýza PET drcený 10 kg teplota 600 C doba zdržení 60 minut Množství kapaliny v kg 23% Množství pevného zbytku v kg 21% Plynoměr pyr.plynu v dm3 56% Plynoměr pyr.plynu v dm3 Množství pevného zbytku v kg Množství kapaliny v kg Graf 7-7 Materiálová bilance[autor] Pyrolýza Alufolie při 500 C doba zdržení 60 Množství pevného zbytku v kg 30% Množství kapaliny v kg 3% Plynoměr pyr.plynu v dm3 67% Plynoměr pyr.plynu v dm3 Množství kapaliny v kg Množství pevného zbytku v kg Graf 7-8 Materiálová bilance Alu folie[autor] 64

65 Bilance PET T-600 d kg koks 17% kapalina 26% plyn 58% Graf 7-9 materiálová bilance PET[autor] Pelety z digestátu BPS T-500 C D Koks 36% Plyn 27% Plyn Kapalina Koks Kapalina 37% Graf 7-10 Materiálová bilance z pelet z digestátu 500 C [autor] Pelety z digestátu T-600 C D-60 dne Koks 37% Kapalina 40% Plyn 23% Plyn Kapalina Koks Graf 7-11 Materiálová bilance z pelet BPS T-600 C[autor] 65

66 Lignin T-500 C D Koks 21% Plyn 49% Kapalina 30% Plyn Kapalina Koks Graf 7-12 Materiálová bilance[autor] Odpad z nemocnice Wastech T-500 C D Koks 22% Kapalina 29% Plyn 49% Plyn Kapalina Koks Graf 7-13 Materiálová bilance[autor] 66

67 Analýza plynu Tabulka 7-4 Analýza plynu [autor] 500 C Materiá l CO CO2 C2H6 C3H8 CH4 C2Hy C3Hy C4Hy H2S O2 H TT DSP DSP 3 DSP 6 SLP PET NO LIG ALPE PELDI 3,5 2 5,66 6,1 12, ,2 2 5,8 7 3,8 3 9,5 1 32,1 6 13,4 2 17,4 3 1,79 4 0,06 8 0,29 2 0, ,5 7 59,1 4 50,0 9 8,76 5 2,27 5 Výhřevnos t %obj. MJ/m3 30,2 18, ,88 0, ,032 2,1 12, ,17 4 0,90 8 3,13 8 0,13 1 0, , , , ,5 4 1,6 5 3, ,2 1, ,4 3 0,55 0,49 5,79 2,4 0, ,5 5,13 34 Materi ál CO CO2 PET 31,36 37,31 NO LIG C2H 6 C3H 8 CH4 C2Hy C3Hy C4H y H2S O2 H Výhřevno st % obj. MJ/m3 TT 10,54 13,57 18,83 21,8 11,86 5,42 0,001 4,2 7, ,6 DSP 7,16 13,36 48,11 0,001 4, DSP 3 10, , , ,36 6 1, , ,1 1 16,4 4 36,2 DSP 6 5,54 14,34 2,17 3 0, ,19 7 7,336 2,168 0, ,1 1 4,74 33,8 SLP 4,21 31,1 54,48 0,1548 0,3 29 0,72 0,03 0,24 0, ,87 4,149 0, ,4 7,13 27 ALPE 3,66 29,49 0,05 1 0,11 2 0,98 0,199 0,014 0,12 2 0, ,9 0, PELDI 9,51 24,43 0,55 0,49 5,79 2,4 0,64 0,31 0 0,5 5,13 29,5 67

68 % % VŠB Technická univerzita Ostrava Analýza plynu pomocí ručního analyzátoru prach slun.semen T -500 C a D CH4 % H2S % CO2 % O2 % CO % NO % Nox % č+10min č+20min č+30min č+40min č+50min č+60min Graf 7-14 Analýza plynu prachu slunečnicových semen T-500 C a D-60 [autor] Analýza plynu pomocí ručního analyzátoru prach slun.semen T -600 C a D CH4 % H2S % CO2 % O2 % CO % NO % Nox % č+10min č+20min č+30min č+40min č+50min č+60min Graf 7-15 Analýza plynu prachu slunečnicových semen T-600 C a D-60 [autor] 68

69 % % VŠB Technická univerzita Ostrava CO CO2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C2Hy C3Hy C4Hy H Graf 7-16 Analýza plynu na chromatografu [autor] Analýza plynu pomocí ručního analyzátoru směsné plasty 600 C CH4 % H2S % CO2 % O2 % CO NO ppm Nox ppm č+10min č+20min č+30min č+40min č+50min č+60min Graf 7-17 Analýza plynu pomocí ručního analyzátoru směsné plasty T-600 C a D-60[autor] 69

70 % obj. VŠB Technická univerzita Ostrava 2016 Analýza plynu směsné plasty v průběhu v 15:00 v %obj. C3Hy 2% C4Hy 0% C2Hy 17% H2 15% CH4 38% CO2 18% CO 10% CO CO2 CH4 C2Hy C3Hy C4Hy H2 Graf 7-18 Vybraná analýza směsných plastů při 600 C v 15:00 v %obj[autor] Analýza plynu Tetrapak 1 T-500 C d-45 10kg CO CO2 CH4 C2Hy C3Hy C4Hy H2S O2 H2 Graf 7-19 Analýza plynu graficky[autor] 70

71 %obj. VŠB Technická univerzita Ostrava Analýza plynu Tetrapak 2 T-500 C d-45, 10 kg CO CO2 CH4 C2Hy C3Hy C4Hy H2S O2 H2 Graf 7-20 Analýza plynu graficky[autor] Analýza plynu PET-konec testu :42 v % obj. C3Hy 1% C2Hy 5% C4Hy 0% CH4 18% H2 10% CO2 36% CO 30% CO CO2 CH4 C2Hy C3Hy C4Hy H2 Graf 7-21 Bilance plynu (měřeno 97,14%obj.)[autor] 71

72 % % obj. VŠB Technická univerzita Ostrava Analýza plynu AL folie T-600 C, d-60 vsázka 5 kg CO CO2 C2H6 C3H8 C4H10 CH4 C2Hy C3Hy C4Hy H2S Nox O2 H2 Graf 7-22 Analýza plynu z AL folie[autor] CO CO2 CH4 C2H6 C3H8 C2Hy C3Hy C4Hy H Graf 7-23 Analýza plynu pelety z digestátu[autor] 72

73 % % VŠB Technická univerzita Ostrava Graf 7-24 Analýza plynu pelety z digestátu T-600 C[autor] CO CO2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C2Hy C3Hy C4Hy H Graf 7-25 Analýza plynu lignin[autor] 73

74 % VŠB Technická univerzita Ostrava Graf 7-26 Analýza plynu nemocniční odpad[autor] Analýza kapaliny Tabulka 7-5 Analýza kapalin [Doc.Bačiak] Benz en Tolu en Ethylbe nzen o- xyle n Alifat.uhl ovod. 500 C Acykl.uhlov odíky Form alde hyd Nafta len Visko zita Výhřev nost Fenol Mate mm*s - riál % 1 MJ/kg TT 3,16 4,88 1,36 x 4,11 2,29 0,16 1,56 28 DSP 3,89 6,11 1,11 x 2,65 2,31 0,69 2,11 36 DSP 3 x x x x x x x x x DSP 6 x x x x x x x x x SLP 0,21 0,68 0,12 3,89 3,96 1,68 29 PET x x x x x x x x x NO 1,11 1,98 0,12 0,14 0,96 0,56 0,98 1,11 0 LIG 0,98 0,69 0,09 x 1,12 0,96 4,12 1,69 19 ALPE x x x x x x x x x PELDI 0,28 0,74 0,19 0,21 4,52 1,26 4,15 1,89 28,6 MAX. 3,89 6,11 1,36 0,21 4,52 2,31 4,15 2,11 36 MIN. 0,21 0,68 0,09 0,14 0,96 0,56 0 0,16 0 1,

75 Benz en Tolu en Ethylbe nzen o- xyle n Alifat.uhl ovod. 600 C Acykl.uhlov odíky Forma ldehy d Fenol Nafta len Visko zita Výhřev nost % mm*s -1 MJ/kg 2,98 5,12 1,41 3,98 2,18 0,18 1, ,12 5,95 1,25 2,58 2,65 0,12 2, ,43 5,16 1,23 4,66 2,14 0,42 1,2 1, ,95 5,13 1,26 0,96 4,26 3,18 0,09 2,21 31,8 0,24 0,75 0,16 4,57 x 4,01 1, ,89 5,21 1,29 3,96 2,22 1,13 1,55 33 x x x x x x x x x x x x x x x x 1,09 2,16 1,12 2,96 2,23 0,87 1, ,28 0,74 0,19 0,21 4,52 1,26 0,32 4,15 x 28,6 4,43 5,95 1,41 0,96 4,66 3,18 0,32 4,15 1,2 2, ,24 0,74 0,16 0,21 2,58 1,26 0,32 0,09 1,2 1,26 28, Analýza pevného zbytku Tabulka 7-6 Analýza pevného zbytku [Doc.Bačiak] 500 C 600 C Materiál C uhlík Al Výhřevnost C uhlík Al Výhřevnost % obj. MJ/kg % obj. MJ/kg TT DSP DSP 3 x x DSP 6 x x SLP x 21 55,2 18 PET x x NO x x LIG x ALPE x x PELDI x MAX MIN

76 Obrázek 7-10 Pevný zbytek po termické separaci[doc.bačiak] Obrázek 7-11 Pevný zbytek po depolymerizaci ALPE [autor] 76

77 Výsledky měření emisí na polní fléře Emise Tetrapak mg/m 3 NS SO2 NOX CO TOC Graf 7-27 Emise z Tetrapaku v závislosti na času[autor] Emise směsné plasty mg/m 3 NS SO2 NOX CO TOC Graf 7-28 Emise z SP v závislosti na času[autor] 77

78 Emise pelety z digestátu mg/m 3 NS SO2 NOX CO TOC Graf 7-29 Emise z pelet digestátu BPS v závislosti na času[autor] Tabulka 7-7 Srovnání limitů dle Vyhlášky 415/2012 Sb. a naměřených hodnot [autor] VYHLÁŠK A 415/2012 Sb. Změn a 155/2014 Sb MW (mg/m3) MW nad 300 MW SO2 Nox TZL CO SO2 Nox TZL CO SO 2 Nox TZL CO Zemní plyn Vysokopecní plyn Koksárenský plyn Pelety plyn 59,5 33,31 4,9 81,2 2 Tetrapak plyn 84,1 3 41, ,5 9 Směsné plasty plyn 2,81 27,64 13,4 3 51,6 Výroba syntézních plynů dle Vyhlášky mg/m3 SO 2 No x TZL CO sulfan amoniak Limity /

79 HCL HF LIMITY 24H 10 1 Pelety plyn 1,56 0,14 Tetrapak plyn 2,44 0,11 Směsné plasty plyn 1,48 0, Shrnutí výstupů Měření proběhlo podle stanoveného programu a podle vypracovaných metodik v souladu se závaznými předpisy, ČSN. Pyrolýzní plyn lze využít jako náhradu fosilních paliv ve výrobních provozech (cementárny, vápenky, cihelny), v energetice (kogenerační jednotky, předtopeniště klasických kotlů), jako palivo spalovacích motorů a plynových turbín. Před využitím jsou nutné úpravy plynu v podobě zbavení nečistot a snížení teploty na požadovanou hodnotu. Znalost obsahu těchto složek je důležitá pro regulaci primárních opatření a volby čistících procesů. Volba stupně čištění je dána technologií využívající plyn a emisními požadavky na jejím výstupu. Čištění plynu pro potřeby duálního motoru musí zahrnovat základní mechanické čištění (cyklon, sedimentační odlučovač) a mokrou vypírku (Venturio pračka). Pyrolýzní plyn se dá používat v následujících aplikacích: plynové hořáky a kotle spalovací motory plynové turbíny palivové články výroba kapalných a plynných paliv Ve vzorcích pyrolýzní kapaliny byla sledována změna obsahu vody v kapalné fázi v závislosti na stoupající teplotě pyrolýzního procesu. Teplota byla od 500 C do 600 C. Z měření plyne: nejvyšší zastoupení vody v kapalné pyrolýzní frakci bylo pozorováno u vzorků po pyrolýze prachu z výroby pelet ze slunečnicových semen. Hodnoty se pohybovaly v procentech v průměru 17 hm. % vody. Obsah vody ve vzorcích stoupal se stoupající teplotou pyrolýzního procesu, nejnižší obsah vody se vyskytoval ve vzorcích po pyrolýze směsných plastů. Zastoupení vody se pohybovalo v průměru 4 hm. % a pyrolýzní kapalina se chovala jako homogenní směs. Využívání pyrolýzní kapaliny jako chemické suroviny, kapalného paliva, či oleje závisí na různých aspektech. S tímto využíváním pyrolýzní kapaliny rovněž úzce souvisí i používání 79

80 katalyzátoru, které umožňuje zvýšení výnosů aromatických látek různých druhů odpadů. Z porovnání výsledků analýzy aromatických látek nacházejících se v pyrolýzní kapalině po pyrolýze plastové drti o teplotě 500 C s Boxiong a kol. vyplývá, že při použití Y zeolitového katalyzátoru v poměru (katalyzátor/plastová drť) 0,5 dochází k 9 násobnému hmotnostnímu zvýšení látek benzen a toluen. U zbylých látek se jedná o navýšení v rozmezí 1,3 až 5,6. Z těchto výsledků je evidentní, že používání USY katalyzátoru je přínosem pro získání jistých látek a bude předmětem dalšího výzkumu a vědeckých prací. Použití pyrolýzního oleje jako paliva je obtížné z důvodů: Kapaliny jsou chemicky nestabilní, časem se zvyšuje jejich viskozita a molekulová hmotnost zároveň, někdy dochází i k zvýšení obsahu vody. Proces stárnutí se urychluje zvýšením teploty. Vysoký obsah vody (15% - 20%) snižuje výhřevnost, na druhé straně zabezpečuje tekutost kapaliny i při nízkých teplotách. Kapalina z biomasy obsahuje značné množství kyseliny, zejména mravenčí a octové, která působí korozivně a tím omezuje výběr nádob pro skladování. Filtrace a destilace je obtížná. Pyrolýzní olej není vhodný pro přímé použití ve standardních spalovacích motorech, ale jeví se jako velmi vhodný pro duální spalovací motory nebo přímé spalování na duálních hořácích. Prakticky jsem odzkoušel olej po termické depolymerizaci z materiálu TT na duálním hořáku firmy VUCHZ Brno typ HPN-TeRs2. Byly provedeny spalovací zkoušky duálního spalování zemní plyn + olej z termické depolymerizace TT. Zkoušky prokázaly že lze velmi dobře spalovat tento olej viz.obrázek Olej může být nadále upravován na speciální motorové palivo nebo na bio-diesel. Obsah uhlíku v koksu z pyrolýzy materiálů byl od 45% do 85%. V pevném zbytku se vyskytuje u některých vzorků chlor a síra. To samozřejmě vyžaduje další zpracovací stupně. Do pyrolýzního oleje přechází přes polovinu síry obsažené ve vstupním odpadu. V pevném zbytku směsných plastů, hliníkových folií a Tetrapaku se nachází další prvky, které lze materiálově zpracovat. 80

81 Obrázek 7-12 Výsledky testů na VUCHZ Brno [autor] Materiály Pelety ze slunečnicových semen (prach) je relativně cenově dostupné palivo pro depolymerizační jednotku. Testy proběhly při 60min zdržení a 10 kg vsázky materiálu a teplotě 500 C a 600 C. Materiál je vhodný k depolymerizaci. 81

82 Obrázek 7-13 Hlavní obrazovka v průběhu testu č. 2 Směsné plasty [autor] Směsné plasty SM byly v hlavním popředí zájmu a byly hodnoceny ve třech stupních vysušení, (vždy po třech měsících). Nejlepší výsledky byly dosaženy u SM po 6 měsících od dodání. Materiál je vhodný pro zhotovení směsi s NO pro záměr využití kontejnerové depolymerizační jednotky v zahraničních misích, což popisuji v kap

83 Obrázek 7-14 Vzorek na vstupu[doc.bačiak] Materiál Tetrapak se jeví jako slibný materiál pro energetické i materiálové využití. I zde se projevila závislost vstupní vlhkosti na materiálu. Byl zároveň proveden pokus s materiálem, který byl 2 roky nadrcený a proschlý a který byl skladován ve vnitřním prostoru. Pevný zbytek obsahuje velké množství hliníku (cca 48%) ale ve formě šupinek. Tento pevný zbytek je možno znovu žíhat při teplotě od C [127] s uhlíkem a vytvářet tak karbid hliníku (Al 4C 3). Tento karbid pomocí hydrolýzy vytváří metan (CH 4). 4 Al + 3 C Al 4C 3 (29) Al 4C H 2O 4 Al(OH) CH 4 (30) Materiál PET byl použit pro potencionálního zákazníka, který má zájem o energetické využití. Materiál PET vykazoval při testech dobré vlastnosti, problém byl v pevném zbytku. Zde docházelo k tvorbě tzv. půlměsíčků slepenců uhlíku ve tvaru poloviny šnekového závitu. Materiál AL folie je v současné době použit hlavně v potravinářském průmyslu. I tento materiál se při testech choval korektně, i zde vznikaly slepence ve tvaru koblih. Zde v pevném zbytku se nachází až 50% Al a proto i tento zbytek by bylo možno použít k žíhání a následné hydrolýze za vzniku syntetického metanu. Materiál nebyl testován při nižší teplotě 500 C z důvodu vytváření velkých slepenců a ucpávání retorty. 83

84 Obrázek 7-15 Plamen z pelet digestátu [autor] Pelety s digestátu BPS se jeví jako velmi vhodné palivo pro depolymerizační jednotku cenovou dostupností. Materiál se po dobu testování choval korektně, nedocházelo žádným velkým problémům. Materiál Lignin, který byl dopraven pro depolymerizační jednotku vykazoval nejhorší parametry při dané teplotě a době zdržení. Materiál není dost vhodný pro tento systém. Materiál nebyl testován při teplotě 600 C. Nemocniční odpad (NO) je po sterilizaci v autoklávu vhodný materiálem pro termickou depolymerizaci a do budoucna počítám s provedením testu směsi NO a SP. Materiál se choval po dobu trvání procesu stabilně. 84

85 7.8. Databáze Pro potřebu rychlého a přehledného výstupu dat pyla vytvořena v prostředí Microsoft Office Excel databáze a jednoduchý formulář pro zadávání dat. Obrázek 7-16 Uvítací formulář v databázi dat [autor] Data v jednotlivých listech jsou dále opatřeny filtry z položky materiál (lze tak z velkého množství dat znázornit jen data, která jsou požadována). Dále přes funkce DMax a DMin jsou stanovena maximální hodnoty pro elementární rozbor u plynu, kapaliny a pevného zbytku dle teploty procesu. Tabulka 7-8 Max. a min. výtěžnosti plynu při teplotách 500 C a 600 C [autor] Největší výtěžnost v pyro.plynu při 500 C 66 Největší výtěžnost v pyro.plynu při 600 C 66 Nejmenší výtěžnost v pyro plynu při 500 C 0 Nejmenší výtěžnost v pyro plynu při 600 C 0 85

86 8. Využití pyrolýzního plynu a oleje v duálních motorech a teoretický přepočet duálních paliv na motor Tatra T-930 První spalovací motor byl poháněný svítiplynem. Sestrojil ho v roce 1860 francouzský vynálezce Lenoir, viz obrázek Byl to stacionární motor, který sloužil k pohonu dalších agregátů. Jednalo se o dvojčinný dvojtakt o výkonu 1,49 kw při spotřebě 6 m 3 /h svítiplynu. Obrázek 8-1 Lenoir motor na svítiplyn [ Už i samotný Rudolf Diesel, který od roku 1880 pracoval v jedné pařížské firmě, která pracovala na zdokonalení spalovacího motoru při využití Carnotova cyklu, používal při pokusech jako palivo amoniak [10,28,46]. Poté, co se stal v roce 1890 inženýrem ve firmě v Berlíně, testoval spalovací motor na uhelný prach, avšak neúspěšně. Nakonec v roce 1897 zkonstruoval vysokotlaký spalovací pístový motor se samočinným zážehem, který byl vyvolán stlačením vzduchu ve válci na 3,5 MPa. Pan Diesel si tento motor nechal patentovat a nazval ho jednoduše po sobě, Dieselův motor. K pohonu potřeboval tekuté těžké palivo, hnací olej. K zážehu paliva docházelo po jeho vstříknutí do spalovací komory se zahřátým stlačeným vzduchem. Jako palivo nejvíce používal řídké oleje, díky své ceně, které byly odpadem při rafinaci ropy. Později tento odpad dostal název Nafta. Místo nafty ale také hojně užíval ke svým pokusům rostlinné oleje, avšak díky dostupnosti a ceně zvítězila nafta. Když ale v roce 1898 předváděl pan Diesel svůj motor na světové výstavě v Paříži, použil 86

87 jako palivo předehřátý tuk z burských ořechů, protože po spálení příjemně voněl na rozdíl od nafty, která po spálení odpudivě kouřila a zapáchala. Před 2. světovou válkou došlo k velkému rozmachu použití svítiplynu v dopravě. Nejdříve to bylo v Anglii v r u hromadné dopravy, a postupně to přecházelo na starý kontinent. Svítiplyn byl stlačován kompresory do ocelových lahví na tlak až 40 MPa. V Čechách se objevily první kompresorové stanice v r s iniciativy Vítkovických železáren. Na obr. 8-2 a 8-3 můžeme srovnat síť kompresorových stanic na svítiplyn v r a dnešní síť stanic CNG. Obrázek 8-2 Mapa kompresních stanic na svítiplyn v r. 1944[127] 87

88 Obrázek 8-3 Mapa CNG stanic v r. 2016[ V 30 letech se ke slovu dostává i stlačený metan ( CNG) kde v českých zemích s tímto plynem expanduje firma Baťa. V roce 1944 je na území Protektorátu rozmístěno 6 kompresorových stanic na metan. Dalším plynem, který se používal ke spalování v motorech je acetylen C 2H 2. První pokusy se datují do roku Tento pohon lidově řečený karbidový se mezi světovými válkami používal hlavně v Německu a Švýcarsku. Acetylén se u vozidel získával pomocí acetylenového vyvíječe, kde se používal karbid vápníku a voda. C 2Ca + H 2O = C 2H 2 +Ca (OH) kj (26) Z 1 kg C 2Ca a 0,28 kg H 2O vznikne až 350 l C 2H 2 Výhřevnost acetylenu je 48,1 MJ/kg. Acetylen má špatné antidetonační schopnosti. Je potřeba kompresních poměrů max. 1:4. Spalování směsi acetylenu a vzduchu je velmi prudké. V literatuře se uvádí použít vstřikování vody do procesu, nebo lihu, benzínu či petroleje [127]. Dalším významným plynovým palivem je LPG, ve starší literatuře zvaný tekutý plyn. Jedná se o směsi uhlovodíků propanu, propylenu, butanu a butylenu a jejich isomery. Toto palivo se využívá od r až do dnes. Dalším plynným palivem se ve velké míře používal dřevoplyn a generátorový plyn. 88

89 Obrázek 8-4 Rozdělení spalovacích strojů dle Karim [28] Po prostudování starší literatury, hlavně z dob válečných [127] kde autoři zkoušely u nákladních vozidel směs nafty a svítiplynu u motorů z kompresního poměru 1:16, kde byl do směsi vstřikována nafta max. 10% a zbytek byl směs svítiplynu a vzduchu. Toto mně vedlo k myšlence využití více palivového motoru, kterými disponuje armáda České republiky a tento typ motoru přepracovat na použití duálního palivového systému a to buď plyn po termické depolymerizaci a motorová nafta, nebo olej po termické depolymerizaci a zemní plyn (CNG). V případě duálního systému jsem řešil vždy jen jednu neznámou v palivu, než 2 neznámé látky (plyn po termické depolymerizaci/olej po termické depolymerizaci). Výhody tohoto duálního systému je snížení emisí NO x, prachových částic, CO 2. Tento systém není žádnou novinkou, většina velkých výrobců motorů tento systém již zavádí a to hlavně výrobci lodních motorů. V současné době duální motory začínají pronikat i mezi kogenerační jednotky a i automobilní průmysl. Využití plynu po termické depolymerizaci a klasické kapalné palivo NM Při řešení své myšlenky jsem využil více jak 10leté praxi při servisu, údržbě a výuce mobilních zdrojů elektrické energie v řadách ozbrojených sil armády České republiky. Proto i má volba padla na stále používaný již konstrukčně řešený více palivový motor Tatra T-928 [136]. Tento motor lze po jednoduchých úpravách předělat na duální systém. Z materiálů, které jsem odzkoušel na termické depolymerizační jednotce lze velmi dobře použít jen některé plyny a oleje po termické depolymerizaci. Stacionární plynové motory jsou provozovány s palivy různých kvalit. Podle zdroje původu mají plynná paliva specifická složení, která potom určují i nejvýznamnější vlastnosti plynu jako motorového paliva: hustotu, výhřevnost, teoretickou spotřebu vzduchu a odolnost proti klepání metanové 89

90 číslo. Metanové číslo dle pramenů lze spočítat 7 různými metodami. Ve své práci jsem počítal metanové číslo pěti z nich. Jedná se o určení metanového čísla pomocí carbonové metody, podle lineárně korelační metody, GRI/SwRI method, Kubesh method a pomocí výpočtového programu firmy Cummins. Dále jsou mi známy dvě další metody a to metody firem Caterpillar a Waukesha [144]. Jedná se o výpočtové programy těchto firem pro jejich vlastní motory. Výpočty provedeny v programu Excel. Některé výsledky v následující tabulce. Tabulka 8-1 Vypočítané hodnoty vybraných plynů [autor] Směsné plasty Nemocniční odpad PET Tetrapak Pelety digestát Výpočtové hodnoty plyn Jednotky Jednotky Jednotky Jednotky Jednotky MJ/m MJ/m 45,26 MJ/m Net HV at Pb, Tb 28, ,696 MJ/m 3 23, ,348 MJ/m MJ/m 49,14 MJ/m Wobbe Number 33, ,145 MJ/m 3 24, ,935 MJ/m MJ/m 47,61 MJ/m Wobbe Number (Cummins) 31, ,074 MJ/m 3 22, ,059 Wobbe Number (výpočet) 30,101 Ideal Gas Relative Density 0,863 Real Gas Relative Density 0,865 MJ/m 3 kg/m 3 1,043 kg/m 3 1,026 kg/m 3 1,047 kg/m 3 1,029 MON 1 (Linear Method) 83,934 79,642 90,908 MON 2 (CARB Method) 85,522 60,314 42,450 MON 3 (GRI/SwRI method) 75,268 59,230 67, ,98 148,41 MON 4 (Kubesh method) 5 145,756 8 Methane Number (via MON 1 method) 22,263 18,000 23,930 Methane Number (via MON 2 method) 23,746-25,381 Methane Number (via MON 3 method) 91, ,607 Methane Number (via MON 4 method) 84, ,197 Methane Number (via MON 5 Cummins) 62, ,400-60, , , ,80 0 kg/m 3 0,989 kg/m 3 0,994 66,57 34, , , ,40 0 kg/m 3 0,963 kg/m 3 0, ,209 91, ,107 44, ,268 86,71 129, , , , , , ,20 0 MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m 3 kg/m 3 kg/m 3 U hodnot methanového čísla byly u některých plynů vypočteny velmi rozdílná čísla, což je způsobeno jinými způsoby zjišťování metanového čísla. Pro tyto plyny a oleje po termické depolymerizaci byly vypočteny indikační diagramy p-v a p-t, viz následující grafy. 90

91 Tlak Mpa Tlak Mpa VŠB Technická univerzita Ostrava 2016 pv diagramy vybraných plynů ve spalovacím motoru Objem cm 3 Tetrapak p (MPa) SP p (MPa) NO p (MPa) Pelet dig p (MPa) PET p (MPa) Pelet sl p (MPa) ZP p (MPa) Graf 8-1 pv diagramy vybraných plynů ve spalovacím motoru T-928 [autor] pt diagram Teplota C Tetrapak Tlak p (MPa) SP Tlak p (MPa) NO Tlak p (MPa) Pelety dig Tlak p (MPa) PET Tlak p (MPa) Pelety sluneč. Tlak p (MPa) ZP Tlak p (MPa) Graf 8-2 pt diagram vybraných plynů [autor] 91

92 Tlak Mpa Tlak Mpa VŠB Technická univerzita Ostrava , , ,0000 pv diagram pro vybrané druhy kapalin 8,0000 6,0000 4,0000 2,0000 0, Objem cm 3 Diesel p (MPa) Kapalina SP p (MPa) Kapalina NO p (MPa) Kapalina PET p (MPa) Kapalina Tetrapak p (MPa) Kapalina digestát p (MPa) Kapalina slunečnice p (MPa) Graf 8-3 pv diagram pro vybrané druhy kapalin [autor] pt diagram pro vybrané kapaliny Teplota C Diesel Tlak p (MPa) Kapalina NO Tlak p (MPa) Kapalina Tetrapak Tlak p (MPa) Kapalina slunečnice Tlak p (MPa) Kapalina SP Tlak p (MPa) Kapalina PET Tlak p (MPa) Kapalina digestát Tlak p (MPa) Graf 8-4 pt diagram pro vybrané kapaliny [autor] Na začátku záběhu a nahřátí motoru, se používá plně jen klasické kapalné palivo. Vznětové plynové motory pracují na principu vznětového motoru, při kterém se do čistého vzduchu 92

93 zahřátého kompresí ve válci na teplotu vyšší, než je teplota vznícení paliva vstřikuje plyn. Vstřikování plynu může být smícháno i s naftou či olejem po termické depolymerizaci, která působí jako zapalovací palivo. V případě olejů z biomasy je zapotřebí oleje prohřát [28]. Obrázek 8-5 Možné varianty provozu duálních motorů [manuál motorů MAN] Plynové motory se zapalovacím vstřikem Tyto motory, nazývané také motory s kombinovaným zapalováním patří mezi dvoupalivové motory. Stlačují ve válci směs plynného paliva se vzduchem. Do připravené směsi se na konci kompresního zdvihu vstříkne malé množství zapalovacího paliva. Teplota na konci komprese musí být zvolena tak, aby byla nižší, než teplota vznícení směsi plynu se vzduchem, ale vyšší než teplota vznícení zapalovacího paliva. Zapalovacím palivem bývá motorová nafta. Směs se může tvořit v směšovači, mimo válce motoru, nebo ve válci motoru. Při vnitřním tvoření směsi se plyn přivádí buď na konci sacího zdvihu a během komprese, nebo téměř ve stejném okamžiku, jak se vstřikuje zapalovací palivo. Při přivádění plynu téměř současně se zapalovacím palivem je možné zvýšit kompresní poměr motoru. Kapalné palivo se podílí na celkovém přivedeného teple do oběhu při volnoběžných motorech 5 až 10%, při rychloběžných motorů až 25% [28]. Tabulka 8-2 Tabulka parametrů kapalin po termické depolymerizaci a motorové nafty [196, autor] Parametr Hmotnostní podíl uhlíku Naft a Kapalina SP Kapalina NO Kapal. Tetrap ak Kapalina PET Kapal. digest. Kapa l. slun. Jednot ky Podíl Podíl Podíl Podíl Podíl Podíl Podíl kg.kg ,1 79,81 78,7 68, Hmotnostní podíl vodíku kg.kg -1 12,6 9,37 8 4,98 9,2 6,4 7,37 Hmotnostní podíl kyslíku kg.kg -1 0,4 0,05 0,07 0,09 0,07 0,05 0,05 Hmotnostní podíl síry kg.kg -1 0,08 0,41 0,2 0,01 0 0,3 0,1 1,05 Hustota kg.dm -3 0,84 0, ,911 1, až Kinematická viskozita mm 2 s ,204 1,1 2,09 2,21 1,89 1,5 Výhřevnost změřená a tabulková kjkg Výhřevnost vypočítaná kjkg Obsah polycyklických aromatických uhlov. % hm ,96 5,26 2,22 5 4,4 93

94 Výhody plynových motorů Plynové motory mají většinou dobré vlastnosti při spouštění, dobrou akceleraci, méně se při nich znehodnocuje mazací olej. Mají méně škodlivé emise: významně nižší podíly CO a CHX, motory spalující vodík u těchto dvou škodlivin nulové. Emise NOx jsou srovnatelné s benzinovými motory. Pro použití olejů je zapotřebí mít olej od mechanických nečistot a dehtovitých úsad. Obrázek 8-6 Motor Tatra T-928 [ 94

95 Obrázek 8-7 Srovnání emisí u diesel a duál motor [manuál motorů MAN] Shrnutí Navrhované více palivové motory T-928 jsou na základě teoretických úvah, ale i praktického vyzkoušení již před více jak 70lety (svítiplyn + nafta) u motorů Tatra vhodné k aplikaci duálního pohonu plynu po termické depolymerizaci % kapalného paliva (nafta nebo oleje po termické depolymerizaci). Tyto motory mohou po malých úpravách být provozovány v duálním režimu. Doporučuji pro další výzkum zakoupení z armádních skladů 1 soustrojí EC 60 kw (motor T alternátor 60kW). Cena této jednotky se pohybuje v desítkách tisíc korun. Tento stroj vyzkoušet u stávající depolymerizační jednotky v Dubenci u Příbrami. Tento motor se velmi dobře osvědčil a je již od výroby uspořádán jako více palivový v případě ozbrojeného konfliktu. Úspory vidím v klasických pohonných hmotách (nafta), likvidaci odpadu a separaci dalších produktů v pevném zbytku (kovy, lehké slitiny, atd.) 9. NASTÍNĚNÍ DALŠÍHO VÝZKUMU Moderní západní armády jsou na tom stejně jako dnešní západní civilisté. Bez benzínu nedají ani ránu. Palivo potřebují letadla, tanky či auta. Překvapivě hladové spotřebitele představují i vojáci, jejich elektronika a nároky na svícení, topení a podobně. Tuhle energii armáda musí kupovat za neuvěřitelnou cenu. Podle údajů amerických úřadů vyjde výroba energie na jednoho vojáka v Afghánistánu na neuvěřitelných sto tisíc dolarů ročně. K této částce lze ještě přičíst ztráty na životech. Palivové a odpadářské konvoje jsou vděčné cíle útočníků. 95

96 Podle šéfa amerického námořnictva Raye Mabuse je na každé dva tucty konvojů s palivem a odpadem zabit nebo zraněn jeden muž pod jeho velením [Mladá fronta 18. května 2011.] Jak jsem již v předcházejících kapitolách vzpomenul, mám za sebou bohatou minulost v ozbrojených složkách. Právě nestabilní geopolitická situace a velké množství ozbrojených konfliktů v poslední době, velké množství uprchlíků a tím vznik velkých uprchlických center naznačuje potřebu mobilních zdrojů elektrické energie. Při výstavbě velkých humanitárních základen a polních nemocnic se dnes počítá se vznikem velkého množství odpadů. V současné době se likvidace odpadů na zahraničních misích řeší ve spolupráci z místní samosprávy. Při využití mobilních zdrojů elektrické energie, které by pro svoji práci využívaly alternativní paliva z termické depolymerizace, byly by sníženy náklady z likvidací odpadů. Stávající jednotka Pyromatik 100 je po určitých malých úpravách schopna umístění do mobilních kontejnerů ISO 40 a 20, které se používají i u humanitárních základen a polních nemocnic. V současné době se u polních nemocnic provádí separace odpadů do jednotlivých kontejnerů. U humanitárních základen je stanovena normovaná hodnota množství odpadu na 10 litrů odpadu na osobu. Při výstavbě základní humanitární základy pro 150 osob se jedná o 1500l odpadů za den. U polních nemocnic je nutno počítat s kapacitou dle tabulek pro nemocniční odpad. Obě zařízení poskytují dostatek materiálu pro jednotku Pyrotronik 100 v kontejnerovém provedení. U ozbrojených složek jsou neustále ve výbavě kontejnerové nebo pojízdné mobilní elektrocentrály vybavené motory Tatra T-928-A53. Mobilní soustrojí má výkon 60kW. Velmi malé úpravy daného soustrojí na duální pohon, jak předpokládá tato práce, by umožnilo využití při humanitárních katastrofách a vojenských operací.[obr. 9-1] 96

97 Obrázek 9-1 EC 60kW Obrázek 9-2 Schéma polní nemocnice (zdroj MNO) 97

98 Obrázek 9-3 Polní nemocnice Afganistán (zdroj MNO) Budoucnost své práce vidím v praktickém odzkoušení vybraných odpadů, hlavně plyn a kapalina ze směsných plastů a nemocničního odpadu, která se jeví jako nejlepší alternativa náhrady za motorovou naftu a zemní plyn u duálního motoru T-928. Stávající aplikace jednotky termické depolymerizace v Dubenci umožňuje tento praktický výzkum dokončit. Mobilní soustrojí ČS-AD lze v armádních výprodejích pořídit okolo Kč. Úpravy na soustrojí pro duální pohon předpokládám do Kč včetně řídicího systému. 98

99 Obrázek 9-4 Předpokládaná varianta jednotky termické depolymerizace v mobilním provedení [аutor] Obrázek 9-5 Předpokládaná varianta pro ozbrojené síly [autor] 99

100 10. CELKOVÝ ZÁVĚR ( THE OVERALL CONCLUSION OF WORK) S rostoucí životní úrovní společnosti, s rostoucí spotřebou energií a s rostoucí produkcí odpadu, roste zájem o alternativní zdroje energie. Jako vhodný potenciální energetický zdroj se jeví odpadní materiály, které by mohly zvýšit míru soběstačnosti v produkci energie. Předmětem této disertační práce bylo ověřit možnost využití termické depolymerizace k zpracování vybraných druhů materiálů. Před samostatnými experimentálními zkouškami bylo nutné navrženou a vyrobenou depolymerizační jednotku nejprve sestavit a zprovoznit. Tohoto cíle, jak deklaruje tato práce, bylo dosaženo. Práce předkládá informace o složení zkoumaných materiálů, na základě rozborů a analýz, které daný materiál charakterizují. Provedením TG/DTG analýz bylo možné předpovědět chování materiálů při pyrolýze. Vstupní materiály byly podrobeny pyrolýzním zkouškám při zvolených teplotách procesu 500 C a 600 C. Při praktických experimentech bylo zjištěno, že výtěžnost jednotlivých produktů je závislá na složení vstupního materiálu a úzce souvisí se změnou teploty. Největší konverze materiálu na plyn bylo docíleno u DSP 3 měsíce při 600 C. Z hlediska složení pyrolýzního plynu a jeho výhřevnosti lze konstatovat, že nejlepší konverze materiálu na plyn bylo docíleno u všech zkoumaných vstupních surovin při teplotě 600 C. Nejvyšší výhřevnost vykázal plyn z TT 48 MJ/m 3, plyn z DSP 3 pak 39 MJ/m 3 a plyn z ALPE 38 MJ/m 3. Protože výhřevnost zemního plynu je 34,00 MJ/m 3 a koksárenského plynu 18 MJ/m 3, lze zkoumané vstupní materiály považovat za energeticky bohaté suroviny a jejich zpracování pyrolýzním procesem je schůdné. Kapaliny z termické depolymerizace se chovaly jako konzistentní olejová frakce, která v případě materiálů z biomasy ( PELDI a Pelety S) vykazovaly největší množství vázané vody v oleji. Největší výhřevnost vykazovaly kapaliny z TT 41 MJ/kg a DSP a ALPE 36 a 33 MJ/kg. Pevný zbytek po termické depolymerizaci je vhodný k separaci dalších složek, jako je třeba Al u ALPE a TT, kde zbytek Al je až 50% pevného zbytku. Dalším okruhem disertační práce bylo měření emisí u tří vybraných materiálů a to TT, DSP a PELDI. Výsledky z měření emisí odpovídají legislativě. V předposledním bodě jsem se zabýval možnou přestavbou zavedeného spalovacího motoru T-928 u ozbrojených sil na duální palivový systém, vždy z jednou neznámou (plyn 100

101 po termické depolymerizaci+nm, olej po termické depolymerizaci + ZP). Teoretické výpočty ale i praktické zkušenosti našich předků ze 40-let. minulého století naznačují, že daná cesta je vhodná pro použití malých decentralizovaných jednotek u humanitárních základen a polních nemocnic na zahraničních misích ozbrojených sil. V posledním bodě mé disertační práce jsem získané výsledky zapracoval do databáze materiálů vhodných pro termickou depolymerizaci a vytvořil jsem jednoduché makro v Excel souboru pro získání výstupů z databázových tabulek. Tato databáze je součástí přílohy disertační práce. Závěrem lze konstatovat, že cíle disertační práce byly splněny, ale je potřeba dodat, že pro svou komplexnost, praktické využití a budoucí komerční účely nelze řešenou oblast považovat za uzavřenou. Nabízí se další možnosti výzkumu: - Řešení směsí ( DSP + NO) - Řešení získání druhotných surovin z pevného zbytku pomocí flotace - Řešení destilace kapalných podílů z termické depolymerizace - Řešení možné ko-pyrolýzy (uhlí + DSP, uhelné kaly +DSP) Touto prací se otevírá oblast dalšího výzkumu vedoucího k cílevědomé přípravě vstupních směsí za účelem získání předem stanovených vlastností výstupních produktů, jako je plyn, kapalina a pevný zbytek pro transformaci na elektrickou energii a materiálové využití. Obrázek 10-1 Refugee camps of Syria [ Current and future security situation in the world, will address a large number of refugees and even problems with energy and waste. The problem I have tried in my dissertation 101

102 solved. Combining the issues of waste and energy and its use in humanitarian units is a big challenge for me and my colleagues. I would like to continue their work in solving different mix of waste that would be suitable for the thermal depolymerization and subsequent energy recovery in the form of electricity or heat and at the same time that these sources are environmentally friendly. I must also point out the economic benefits of my solution and logistical support of leading units (field hospital). The dual combustion engines see one possible way of independence on primary fossil fuels. The path on which I gave it long, but they are already seeing some positive results of my efforts. Obrázek 10-2 Installation dimensions minimum configuration for the needs of the armed forces [the author] 102