XVIII. Sborník příspěvků z konference září 2017

Transkript

1 XVIII Sborník příspěvků z konference září 2017 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ Energetický ústav Odbor energetického inženýrství

2

3 Předkládaná publikace je sborníkem příspěvků z konference Energie z biomasy XVIII, která se konala 12. až 14. září 2017 v Lednici. Autoři článků jsou převážně mladí vědečtí pracovníci, kteří působí na výzkumných a akademických pracovištích v České republice a Slovenské republice. Zabývají se zejména problematikou biomasy jako obnovitelného zdroje energie, především ale technickou a ekologickou stránkou jejího využití. Editoři: Veronika Vencúrik Pituková, Martin Lisý Vysoké učení technické v Brně, září 2017 Články nebyly pozměněny ani neprošly jazykovou úpravou. ISBN

4

5 PŘEDMLUVA Velmi příjemnou tradicí se stalo pravidelné setkání doktorandů a mladých výzkumných pracovníků v rámci mezinárodní konference Energie z biomasy. Letos bylo již osmnácté v pořadí, z toho po šestnácté pořádané Energetickým ústavem, Fakulty strojního inženýrství, VUT v Brně. Konference byla jako již tradičně věnována problematice energetického využívání biomasy a odpadů a environmentálním aspektům energetiky. Proběhla ve dnech 12. až 14. září Zúčastnila se řada doktorandů a zaměstnanců z předních universitních pracovišť v ČR a SR, zabývajících se problematikou energetického využívání biomasy a spalitelných odpadů. Bylo předneseno 18 referátů, které jsou uveřejněny ve sborníku. Přednesené referáty se zabývají problematikou spojenou s energetickým využíváním biomasy a odpadů, zejména však výzkumem termo fyzikálních vlastností paliv z biomasy, úpravou biomasy, peletováním, efektivním spalováním a zplyňováním. Další příspěvky jsou věnovány důležitým ekonomickým studiím možností využívání biomasy pro energetické účely. Témata prezentovaných příspěvků reflektují aktuální problémy energetické praxe a jsou zpravidla i tématy doktorských disertačních prací autorů. Využívání biomasy a odpadů jako obnovitelného zdroje energie je podporováno jak legislativně, tak ekonomickými stimuly, zejména při kombinované výrobě elektrické energie a tepla, proto je vhodné tato témata diskutovat v širších souvislostech a na tomto, můžeme říci, mezioborovém fóru. Kromě získávání nových poznatků, umožňují tyto semináře navázání spolupráce mezi účastníky a vedou k větší propojenosti jednotlivých školicích univerzitních pracovišť. V neposlední řadě umožňují neformální setkání a navázání osobních kontaktů mladých vědeckých pracovníků. Poskytují začínajícím doktorandům možnost odzkoušet si presentaci výsledků své vlastní vědecko-výzkumné práce v neformální a přátelské atmosféře. doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. Odborný garant semináře

6

7 OBSAH HAVLÍK Jan, DLOUHÝ Tomáš 8 Snižování energetické náročnosti sušení biomasy 8 HRDLIČKA Jan 15 Využití recirkulace spalin při spalování biomasy 15 JECHA David 22 Nová legislativa pro spalovací zařízení 22 JÍLKOVÁ Lenka, CIAHOTNÝ Karel, VÁLEŠ Josef, KUSÝ Jaroslav, ANDĚL Lukáš 31 Kopyrolýza uhlí a látek bohatých na vodík 31 KIELAR Jan, PEER Václav, NAJSER Jan, FRANTÍK Jaroslav 40 Termochemická konverze paliv a využití plynu v KGJ 40 KOHUT Josef, NAJSER Jan, FRANTÍK Jaroslav, MÍKA Jiří 47 Zvýšení účinnosti výroby stlačeného vzduchu v kompresorových stanicích pomocí ORC systému 47 KRIŢAN Peter, MATÚŠ Miloš, BENIAK Juraj, BÁBICS Jozef 54 Vplyv frakčného zloženia vstupnej suroviny a kvality smrekových peliet na spaľovací proces v domácich kotloch 54 LEŠTINSKÝ Pavel, KOUTNÍK Ivan, GRYCOVÁ Barbora, PRYSZCZ Adrian, PLÁNKOVÁ Kristýna, ZIKMUND Zdeněk 63 Získávání vodíku z dřevní biomasy 63 LISÝ Martin, JECHA David, BALÁŠ Marek, NAJSER Jan 71 Vlastnosti agropelet a jejich dopad na produkci emisí 71 MATÚŠ Miloš, KRIŢAN Peter, BENIAK Juraj 79 Konštrukcia dvojkomorového závitovkového lisu pre produkciu brikiet z biomasy 79 MATÚŠ Miloš, KRIŢAN Peter, BENIAK Juraj, BÁBICS Jozef 86 Výskum vlastností kompozitného paliva zo zmesi fytomasy a dendromasy 86 MILČÁK Pavel, UHRÍK Patrik 95 Efektivní využití kogeneračních jednotek v sítích Smart heating and cooling networks 95 MOŠKO Jaroslav, POHOŘELÝ Michael, SKOBLIA Siarhei, BEŇO Zdeněk, SVOBODA Karel, VÁCLAVKOVÁ Šárka, BRYNDA Jiří, LARKHAYEVA Klara, ZACH Boleslav, ŠYC Michal 100 Pyrolýza stabilizovaného čistírenského kalu: vlastnosti produktů 100 PEER Václav, NAJSER Jan, FRANTÍK Jaroslav, MAŠEK Drahomír 107 Termické zhodnocení paliv 107 SKOPEC Pavel, HRDLIČKA Jan, HRDLIČKA František, DLOUHÝ Tomáš, VODIČKA Matěj 112 Prototyp roštového kotle pro spalování rostlinných pelet 112 SVÁTEK Michal, KRIŢAN Peter 119 Návrh postupov pri vyhodnocovaní experimentov špeciálnych druhov materiálov 119 6

8 VODIČKA Matěj, HAUGEN Nils Erland, GRUBER Andrea, HRDLIČKA Jan, SKOPEC Pavel 124 Vznik NOX při oxy-fuel spalování v bublinkující fluidní vrstvě - modelování a experimentální ověření 124 ZACH Boleslav, POHOŘELÝ Michael, ŠYC Michal, KULAVIAK Lukáš, SAMUSEVICH Oleg, MOŠKO Jaroslav, SVOBODA Karel, PUNČOCHÁŘ Miroslav 134 Dávkování jemně mletého hydrogenuhličitanu sodného do spalin za účelem záchytu SO

9 Snižování energetické náročnosti sušení biomasy Jan HAVLÍK 1,*, Tomáš Dlouhý 1 1 České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, Praha 6, Česká republika * jan.havlik@fs.cvut.cz Článek se zabývá sušením biomasy. Sušení je energeticky náročný proces, proto se při výběru vhodného typu sušky musí brát v úvahu energetická náročnost jednotlivých typů sušení. Pro biomasu se nabízí využití kontaktní bubnové sušky. Na experimentální parní kontaktní sušce byla provedena série experimentů, jejichž cílem bylo ověření vhodnosti použití tohoto způsobu sušení pro mokrou biomasu. Testovaným materiálem byla čerstvá dřevní štěpka s vlhkostí 62 až 66 %. Na základě experimentálních výsledků lze konstatovat, že spotřeba energie je ve srovnání s běžně používanými typy průmyslových sušek výrazně nižší a uvedený typ sušky je pro nehomogenní materiály, jako je dřevní štěpka, vhodný. Navíc při kontaktním způsobu sušení vzniká brýdová pára, která má dostatečně vysokou teplotu a tedy i tepelný potenciál pro následné energetické využití, čímž je možné dále zvýšit energetickou efektivitu celého systému. Klíčová slova: sušení biomasy, kontaktní suška, energetická náročnost, brýdová pára 1 Úvod Biomasa patří v České republice mezi tradiční a dlouhodobě využívané zdroje energie. Rozvoj využívání biomasy pro energetické účely do značné míry vyčerpává kapacitu jejích kvalitních, snadno dostupných forem. K dispozici zůstávají podřadné formy biomasy, jejichž využití je často komplikováno vysokým obsahem vody. Ten snižuje výhřevnost biomasy, a tím zhoršuje podmínky pro její spalování. Spalování vlhké biomasy snižuje účinnost kotle, produkuje větší množství spalin, zvyšuje teplotu rosného bodu spalin a může také způsobit nestabilitu spalování. Také dopravní a skladovací náklady rostou s vyšším obsahem vody. Jeli obsah vody v biomase vysoký, řádově nad 55 %, její samostatné spalování je velmi obtížné [1]. Příklady takové biomasy jsou mokrá kůra, zelená lesní štěpka, zemědělské odpady a odpady z potravinářské výroby jako řepné řízky nebo lihovarnické výpalky. Sušení těchto materiálů nabízí možnost jejich dalšího energetického využití. Energetická náročnost sušení je však značná. Aplikace klasických metod, sušení horkým vzduchem nebo spalinami, není pro produkci paliva z mokré biomasy vhodné a ekonomicky se nevyplácí [2]. 2 Možnosti sušení biomasy Průmyslové sušení je proces odpařování vody způsobené přívodem tepla do mokrého materiálu. Teplo může být do sušeného materiálu přivedeno konvekcí (konvektivní sušky) 8

10 nebo vedením (kontaktní sušky). V konvektivních suškách se materiál dostává do přímého kontaktu s teplonosnou látkou, nejčastěji je to horký vzduch, spaliny nebo pára. Tyto sušky mají ale relativně nízkou tepelnou účinnost, protože odpařená vlhkost je unášena ze sušky stejným sušicím médiem. Přesto jsou v průmyslových aplikacích nejvíce používaným typem sušek. V kontaktních suškách je materiál oddělen teplosměnnou plochou. Teplo se do sušeného materiálu přivádí přes tuto plochu, která tak vymezuje sušicí prostor. Teplonosným médiem bývá pára nebo horká voda. Výhodou kontaktního sušení je možnost zpětného využití latentního tepla odpařené vody. K tomu je nutné dosáhnout co nejmenšího množství přisátého vzduchu z okolí. Možností je i pracovat s vysokou teplotou v sušce, kdy se odpařování vody děje za zvýšeného tlaku. Kontaktní sušky jsou vhodnější pro sušení jemných a práškových materiálů. Více než 85 % průmyslových sušek jsou konvektivní sušky, kde je jako sušicí médium použit horký vzduch nebo spaliny. Nejčastěji používané typy sušek pro biomasu jsou [3]: Konvektivní o Proudové o Fluidní o Rotační Kontaktní o Rotační trubkové Obecně platí, že kontaktní sušky mají vyšší energetickou účinnost než konvektivní sušky, protože se výrazně sníží ztráta energie v proudu odcházejících plynů. Navíc pára odcházející ze sušeného materiálu může být následně využita v dalším energetickém procesu, čímž se sníží spotřeba primárního média. Kontaktní sušky mají typickou spotřebu energie v rozmezí 2800 až 3600 kj na kg odpařené vody, což je výrazně nižší hodnota v porovnání s konvektivními suškami, kde je spotřeba energie 4000 až 6000 kj na kg odpařené vody [3]. Porovnání typických hodnot spotřeb energie na 1 kg odpařené vody běžných typů průmyslových sušek jsou uvedeny v Tab. 1. Tab. 1. Typické hodnoty spotřeby energie [3] Typ sušky Spotřeba energie [MJ na 1 kg odpařené vody] Kanálová suška 5,5-6,0 Pásová suška 4,0-6,0 Rotační suška 4,6-9,2 Fluidní suška 4,0-6,0 Proudová suška 4,5-9,0 Rozprašovací suška 4,5-11,5 Bubnová suška 3,2-6,5 Při zhodnocení typů sušek vhodných pro sušení biomasy je brána v úvahu vhodnost použití pro výše popsaný typ materiálu a energetická náročnost procesu. Pro odpadní biomasu, jako pro částice různorodých rozměrů, je vhodné použít rotační sušky, protože jejich provoz není citlivý na velikost částic. U rotačních sušek s nepřímým otopem je možnost zpětného využití latentního tepla vypařené vodní páry. Tato možnost je i u sušení přehřátou párou. Zde se ale vyskytuje požadavek zdroje přehřáté páry, která by měla pravděpodobně efektivnější využití v jiné části energetického oběhu. Navíc tyto sušky mohou pracovat jen s částicemi drobných podobných rozměrů. 9

11 3 Kontaktní sušení Jednou z cest, jak energetickou náročnost sušení biomasy snížit resp. zlepšit účinnost energetických zařízení integrací sušení, je užití bubnové kontaktní sušky otápěné externě získaným teplem. U tohoto typu sušky se teplo do sušeného materiálu přivádí přes výhřevnou plochu, která vymezuje sušící prostor [4]. Kontaktní rotační sušky se nejčastěji používají pro nehomogenní materiály malých rozměrů, což odpovídá výše uvedeným druhům biomasy [3]. Brýdová pára vznikající při tomto způsobu sušení má při atmosférickém tlaku v sušce teplotu blízkou 100 C a obsahuje minimum příměsí, její kondenzací lze tak získat značné množství tepla. Teplo této páry se tedy dá ještě velmi dobře využít, např. pro externí spotřebu, a tím dále zvýšit celkovou efektivitu energetického zdroje. V principu by se jednalo o využití skupenského tepla vodní páry, která se v obvyklých případech uvolní z paliva až při jeho spalování a opouští kotel spolu se spalinami. Vhodnou integrací takto koncipovaného způsobu sušení biomasy do energetických zdrojů lze docílit významného zlepšení jejich účinnosti proti případům, kdy by se sušení neprovádělo [5], [6], [7]. 4 Experimenty s parní suškou na biomasu Energetická náročnost kontaktního sušení byla měřena na experimentální kontaktní praní sušce na biomasu (viz Obr. 1). Suška je tvořena rotujícím bubnem o průměru 600 mm a délce 2000 mm. Palivo je do prostoru bubnu dopravováno šnekovým dopravníkem. Rychlost otáčení bubnu je řízena frekvenčním měničem pohonů, tímto způsobem je možné regulovat dobu setrvání paliva v sušce. Odpařená vodní pára ze sušeného materiálu je ze sušky odsávána pomocí brýdového ventilátoru. Obr. 1 Parní suška Buben sušky se skládá z otápěných trubek. Na vnitřní straně (na straně sušeného materiálu) jsou umístěny lopatky pro prodloužení doby kontaktu s topnou plochou a zvýšení povrchu sušky při zachování velikosti obestavěného prostoru. Buben je z vnější strany tepelně zaizolován, jeho konfigurace je znázorněna na Obr. 2. Suška je otápěna párou, která kondenzuje uvnitř trubkového systému. 10

12 4.1 Průběh experimentu Obr. 2 Konfigurace rotačního bubnu Vstupním palivem byla dřevní štěpka s vlhkostí mezi 60 až 65 %. Po průchodu paliva suškou je materiál znovu vložen do vstupního šnekového dopravníku. Tento postup simuluje větší délku bubnu, a tím poskytuje nezbytnou dobu schnutí. To také umožňuje analyzovat vzorky materiálu pro stanovení aktuálního obsahu vody v průběhu sušení. Tímto způsobem je možné sestavit sušicí křivku pro konkrétní provozní podmínky. Suška byla v průběhu všech experimentů otápěna parou o parametrech 3,2 bar / 136 C. Brýdová pára vznikající při sušení uvnitř sušky je odsávána ventilátorem regulovatelným frekvenčním měničem tak, aby bylo odsáváno příslušné množství páry. V případě vývinu většího množství páry uniká pára netěsnostmi ven ze sušky, jedná se hlavně o vstup a výstup paliva a spoje okolo rotujícího bubnu. V případě vývinu menšího množství hrozí naopak přisávání vzduchu těmito netěsnostmi. 4.2 Energetická náročnost sušení Výsledky měření spotřeby energie sušárny jsou uvedeny v Tab. 2. Hodnota bez tepelných ztrát byla vypočtena z naměřené hodnoty, kdy tepelné ztráty sušky byly změřeny v průběhu provozu bez náplně paliva jako 3 kg zkondenzované páry za hodinu. Tab. 2. Energetická spotřeba bubnové sušky Zaplnění bubnu [%] Spotřeba energie [MJ na kg odpařené vody] Spotřeba energie bez tepelných ztrát [MJ na kg odpařené vody] 8 3,43 2,84 9 3,46 2, ,52 2, ,58 2, ,36 2, ,43 2,84 Dle výsledků experimentů se spotřeba tepla pro odpaření 1 kg vody pohybuje mezi 3400 a 3600 kj. Tato hodnota je obdobná pro různá zaplnění bubnu. V případě optimalizace zařízení a snížení tepelných ztrát do okolí by bylo možno dosáhnout nižších hodnot. Potenciál 1 Výsledky publikované v [3] 11

13 Obsah vody [%] Energie z biomasy XVIII, snižování spotřeby energie je omezen až hodnotou spotřeby energie bez tepelných ztrát 2800 kj/kg. Tato hodnota je na úrovni, která odpovídá ohřevu materiálu a skupenskému teplu vody. Tato spotřeba energie je asi dvakrát nižší v porovnání s běžnými typy sušek (viz Tab. 1). 4.3 Parametry brýdové páry V průběhu experimentů byl sledován úbytek obsahu vody v sušeném materiálu, tedy sušící křivka. Na Obr. 3 [8] je příklad sušicí křivky pro naplnění bubnu 24 % s rotací bubnu 2,8 ot/min Čas [min] Obr. 3 Sušicí křivka Sušicí křivka má tři hlavní části, v první je materiál zahříván z teploty okolí na teplotu vypařování vody, ve druhé probíhá proces vypařování vody a v posledním je dosaženo obsahu vody v materiálu, pod který se voda už neodpařuje nebo se odpařuje jen velmi málo a proces sušení ustává. Ukázka sušeného materiálu je na Obr. 4. V levé části je surová dřevní štěpka skladovaná ve venkovních prostorách s obsahem vody kolem 60 %, v pravé části je štěpka vysušená na obsah vody zhruba 10 %. Obr. 4 Dřevní štěpka před a po vysušení 12

14 Teplota [ C] Energie z biomasy XVIII, V průběhu měření byla sledována teplota páry, která se uvolňuje v průběhu sušení. Teploty byly měřeny za vstupním šnekem paliva na počátku rotujícího bubnu a na konci bubnu před výstupním šnekem, odkud je pára odsávána brýdovým ventilátorem. Průběh obou teplot je znázorněn na Obr. 5. Obr. 5 Teplota brýdové páry uvnitř sušky Před začátkem sušení je suška vyplněná vzduchem, po začátku sušicího procesu je vzduch odváděn ze sušky spolu se vznikající párou. Proto brýdová pára na začátku sušení obsahuje větší množství vzduchu, které postupně klesá až do momentu, kdy se obsah přimíchaného vzduchu ustálí na malém množství, které se dostává do sušky hlavně se vstupem paliva. Na začátku procesu sušení, kdy probíhá převážně ohřev materiálu bez odpařování vodní páry, teplota v sušce klesá na úroveň 90 až 80 C. Po začátku procesu vypařování vody teplota stoupá až na hodnotu zhruba 98 C. Poté zůstává konstantní až do konce procesu sušení. V momentu, kdy už se v sušce voda neodpařuje nebo se odpařuje v pouze velmi malém množství, dochází k přehřívání směsi vzduchu s velmi malým množstvím páry a teplota tak může stoupnout až nad 100 C. Toto měření bylo několikrát opakováno, teplota brýdové páry v sušce se v ustálené fázi vypařování, kdy teplota výstupní části zůstává stabilní, pohybovala v rozmezí 99 až 97 C. Nižších hodnot bylo dosahováno při nižším naplnění bubnu, tedy menším vývinu brýdové páry, a vyšších otáčkách bubnu, při kterých je materiál do sušky dávkován v kratších intervalech. Naopak je tomu při vyšším zaplnění bubnu a menší intenzitě vstupu matriálu do sušky. Tyto teploty přibližně odpovídají množství přisávaného vzduchu na úrovni 2 až 10 %. Toto měření ověřuje předpoklad, že brýdová pára má dostatečně vysokou teplotu a tedy i tepelný potenciál pro následné energetické využití. 5 Závěr Suška výstup Suška vstup Čas [min] Výhodnost kontaktního způsobu sušení pro biomasu byla potvrzena na prototypu rotační bubnové sušky. Spotřeba energie na 1 kg odpařené vody se pohybuje rozmezí 3400 až 3600 kj, s potenciálem dalšího snižování této hodnoty v závislosti na omezení ztrát tepla do okolí. Potenciál snižování spotřeby energie je omezen až hodnotou spotřeby energie bez tepelných 13

15 ztrát 2800 kj na 1 kg odpařené vody. Tato hodnota je na úrovni, která odpovídá ohřevu materiálu a skupenskému teplu vody. Tato spotřeba energie je asi dvakrát nižší v porovnání s běžnými typy sušek. Na základě experimentálních výsledku lze konstatovat, že spotřeba energie je ve srovnání s běžně používanými typy průmyslových sušek výrazně nižší a uvedený typ sušky je vhodný pro nehomogenní materiály, jako je např. dřevní štěpka. Teplota brýdové páry v sušce se v ustálené fázi vypařování, kdy teplota výstupní části zůstává stabilní, pohybovala v rozmezí 99 až 97 C. Tyto teploty přibližně odpovídají množství přisávaného vzduchu na úrovni 2 až 10 %. Brýdová pára má dostatečně vysokou teplotu a tedy i tepelný potenciál pro následné energetické využití, čímž je možné dále zvýšit energetickou efektivitu celého systému. Použitá literatura [1] Wade, Amos A. Report on Biomass Drying Technology. [Online] [Citace: ] NREL/TP [2] Funda, Z. Dizertační práce: Energetické využití velmi vlhké biomasy. Praha : ČVUT v Praze, [3] Mujumdar, Arun S. Handbook of Industrial Drying. Boca Raton : CRC Press, ISBN [4] Dlouhý, T. a Havlík, J. Možnosti integrace sušení biomasy do energetických zdrojů. Sborník přednášek z konfernce TOP Bratislava : STU Bratislava, ISBN [5] Havlík, J. a Dlouhý, T. Kondenzace brýdové páry ze sušení biomasy. Sborník z konference Energie z biomasy XV. Brno : VUT v Brně, ISBN [6] Havlík, J. a Dlouhý, T. Sušení biomas pro energetické využití. Sborník přednášek z konference Energie z biomasy XIV. Brno : VUT v Brně, ISBN [7] Havlík, J. Topný oběh se sušením biomasy. Praha : ČVUT, Diplomová práce. ČVUTv Praze, Fakulta Strojní, Ústav energetiky.. [8] Havlík, J. a Dlouhý, T. Integration of Biomass Drying into Energy Systems. Journal of Chemical Engineering of Japan. ISSN: (Přijato k publikaci). 14

16 Využití recirkulace spalin při spalování biomasy Jan HRDLIČKA 1* 1 ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, Praha 6 * jan.hrdlicka@fs.cvut.cz Příspěvek prezentuje experimentální kvantifikaci vlivu recirkulace spalin u 100 kw kotle na dřevní štěpku v různém zapojení do primárního a sekundárního vzduchu a v různých poměrech na emise NOx a CO, tepelnou účinnost kotle a teplotu na konci ohniště. Výsledky ukazují, že v případě plynných znečišťujících látek lze dosáhnout přibližně 50 % redukci při cca 15 % recirkulace spalin do primárního vzduchu. Vliv na účinnost kotle je relativně malý, nicméně s použitím recirkulace spalin dochází k jejímu snížení. Klíčová slova: biomasa, spalování, recirkulace spalin, účinnost, emise 1 Úvod Recirkulace spalin je především jedním z primárních opatření, která slouží pro potlačení tvorby oxidů dusíku při spalování paliv. Toto opatření nicméně ale ovlivňuje řadu dalších provozních parametrů kotle, jako je tepelná účinnost kotle, teplotní profil ve spalovací komoře, nebo i emise jiných znečišťujících látek, jako je např. CO a TOC. Hlavním významem je nicméně především snižování právě emisí oxidů dusíku. Oxidy dusíku NOx jsou jednou ze znečišťujících látek, podléhající emisním limitů při spalování paliv ve stacionárních zdrojích znečišťování ovzduší [1]. Oxidy dusíku vznikají při spalování jakéhokoliv paliva, pokud je spalováno se vzduchem, nebo pokud obsahuje dusík vázaný do hořlaviny paliva, a vznikají tedy i při spalování biomasy. V současnosti jsou známy 3 způsoby jejich tvorby termické, promptní a palivové. Detaily těchto mechanismů jsou popsány např. v [2] nebo [3]. V případě spalování biomasy (na roštu či ve fluidní vrstvě) jsou majoritním mechanismem palivové oxidy dusíku, neboť podmínky při spalování biomasy nejsou takové, aby byla tvorba termickým nebo promptním mechanismem významná. Jde zejména o teploty a lokální stechiometrické podmínky v plamenu. Tvorbu NOx palivovým mechanismem tedy mimo jiné ovlivňuje obsah dusíku v hořlavině paliva, případně jeho distribuce mezi fixní a prchavou hořlavinu [4]. Z hlediska plnění emisních limitů NOx, a zejména jejich budoucího zpřísnění, se tak může stát problematické zejména spalování rostlinné nedřevní biomasy, kde je velice často obsah dusíku v hořlavině násobně až řádově vyšší, než je tomu u dřevní biomasy [5]. Je proto potřebné uvažovat o opatřeních ke snižování emisí NOx, přičemž u zařízení nízkých výkonů (cca do 1 MW tepelného příkonu) se může jednat prakticky pouze o primární opatření, neboť sekundární opatření jsou pro takováto zařízení ekonomicky nereálná. Vzhledem ke specifičnosti biomasy jako paliva zvláště s ohledem na velký podíl prchavé hořlaviny je běžným přístupem spalování s postupným přívodem spalovacího 15

17 vzduchu, kdy se spalovací vzduch dělí na (minimálně) dva proudy, z nichž jeden je přiváděn přímo ke spalovanému palivu (platí pro roštové spalování a spalování v ohraničené bublinkové fluidní vrstvě), a druhý (popř. další) je přiváděn do oblasti spalování uvolněných plynných složek. Tento přístup již patří mezi primární opatření pro snižování emisí NOx, a dalším logicky na něj navazujícím krokem je právě využití recirkulace spalin. Ta byla nejdříve využívána při spalování plynných a kapalných paliv, a v oblasti spalování biomasy v zařízení malých výkonů není dodnes prakticky vůbec aplikována. Cílem této práce je proto ukázat vliv recirkulace spalin na emise NOx (a zároveň nedílně CO), na tepelnou účinnost, a rovněž na teplotu na konci ohniště. 2 Provedení experimentů Testování vlivu recirkulace spalin na výše zmíněné parametry bylo provedeno na kotli určeném pro spalování vlhké dřevní štěpky o výkonu 100 kw. Jde o sériově dodávaný horkovodní kotel, který ve své původní podobě recirkulací spalin vybaven není. Ta byla na kotel dosazena v laboratoři, schematické znázornění zapojení systému je uvedeno na obrázku 1. Obr. 1 Schematické zapojení recirkulace spalin Jak lze vidět z obrázku 1, kotel je vybaven samostatnými vstupy a ventilátory primárního vzduchu, na vzduchové potrubí byly dosazeny regulační klapky a měření průtoku vzduchu. Na kotel byl dosazen recirkulační ventilátor, který odebírá spaliny za spalinovým ventilátorem. Pro primární i sekundární vzduch byla zapojena samostatná větev recirkulovaných spalin, každá vybavená regulační klapkou. Měřena byla koncentrace kyslíku v recirkulovaných spalinách a v obou směsích vzduch-spaliny, aby bylo možné určit recirkulační poměr. 16

18 Testování započalo změřením referenčního stavu bez recirkulace spalin a dále probíhalo v režimu přívodu recirkulovaných spalin do primárního, sekundárního, i zároveň do obou proudů spalovacího vzduchu. Primárním cílem byla snaha nezvyšovat celkový součinitel přebytku spalovacího vzduchu a primárně tedy nahrazovat část spalovacího vzduchu spalinami, a nikoliv je přivádět nad rámec základního přívodu spalovacího vzduchu v referenčním stavu. Ve všech měřených stavech se proto koncentrace kyslíku ve spalinách za kotlem pohybovala v rozmezí cca 6-8 %. Palivo použité pro experimenty byla kvalitní suchá dřevní štěpka, jejíž složení je uvedeno v následující tabulce. Tab. 1 Složení paliva pro experimenty A r [%] W r [%] Q r i [MJ/kg] C daf [%] H daf [%] N daf [%] S daf [%] 1,1 14,98 17,31 50,96 6,93 0,26 0, Metodika experimentů, vyhodnocení recirkulačního poměru Testy byly provedeny v následujících sériích, které jsou označeny jako S1-S8, přičemž jednotlivé série mají toto nastavení: S1: referenční stav, r = 0 S2: recirkulace spalin pouze do primárního vzduchu, požadovaná hodnota r = 0,2 S3: recirkulace spalin pouze do primárního vzduchu, požadovaná hodnota r = 0,4 S4: recirkulace spalin pouze do primárního vzduchu, požadovaná hodnota r = 0,6 S5: recirkulace spalin pouze do sekundárního vzduchu, požadovaná hodnota r = 0,2 S6: recirkulace spalin pouze do sekundárního vzduchu, požadovaná hodnota r = 0,4 S7: recirkulace spalin do obou proudů vzduchu, požadovaná hodnota pro r = 0,2 S8: recirkulace spalin do obou proudů vzduchu, požadovaná hodnota pro r = 0,4 Požadovaná hodnota r je vždy uvažována jako vztažená k danému proudu vzduchu, nikoliv k celkovém průtoku vzduchu. Na základě požadované hodnoty recirkulačního poměru r a koncentrace kyslíku ve spalinách byly vypočteny potřebné průtoky vzduchů i recirkulace spalin, a nastaveny regulační klapky. Zpětné určení skutečného poměru r bylo provedeno podle vztahu: r 0,21 C O2R [1] (1) C O2R C O2SP kde C O2R je objemový zlomek kyslíku ve směsi vzduch-recirkulované spaliny a C O2SP je objemový zlomek kyslíku ve spalinách. Analogicky pak byly určeny průtoky recirkulovaných spalin, které nebyly měřeny, na rozdíl od průtoků vzduchu, přímo: Q 0,21 C O2R1 R1 QV 1. [1] (2) CO2R 1 CO2SP 17

19 Q 0,21 C O2R2 R2 QV 2. [1] (3) CO2R2 CO2SP kde Q R1,2 je průtok recirkulovaných spalin do primárního, resp. sekundárního vzduchu a Q V1,2 je měřený průtok primárního, resp. sekundárního vzduchu. 3 Výsledky a diskuse V následující tabulce jsou shrnuty nejdůležitější výsledky, týkající se vlastního provozu kotle při jednotlivých stavech. Tabulka obsahuje hodnoty součinitele přebytku spalovacího vzduchu, průtoky spalin, vzduchu a recirkulovaných spalin (součet), a tepelnou účinnost kotle, určenou nepřímou metodou. Tab.2 Parametry provozu kotle v jednotlivých stavech Stav α [-] Q SP [Nm 3 /h] Q V [Nm 3 /h] Q R [Nm 3 /h] r [-] η [%] S1 1, S2 1, ,07 88 S3 1, ,10 85 S4 1, ,16 84 S5 1, ,06 87 S6 1, ,16 82 S7 1, ,13 83 S8 1, ,20 81 Z tabulky je zřejmé, ve stavech S1-S6 prakticky nebyl problém udržet součinitel přebytku spalovacího vzduchu na konstantní úrovni, ve stavech S7-S8, kdy byly recirkulované spaliny přiváděny do obou proudů vzduchu, již toto nebylo, zejména z technických důvodů, možné. Vyšší přebytek vzduchu se samozřejmě odráží ve vyšším průtoku vzduchu a spalin v těchto dvou stavech. Ne úplně přesně se toto odráží v účinnosti spalin, kde byly uvažovány všechny tepelné ztráty, proto například stav S6 má tepelnou účinnost podobnou, jako stav S7 a S8, i když je přebytek vzduchu podstatně nižší. Tento konkrétní případ byl způsoben vysokým podílem chemického a mechanického nedopalu. Hodnota r v případech S2-S6 relativně dobře koresponduje s požadovanou hodnotou, je ovšem potřeba říci, že hodnoty v tabulce 2 jsou globální bilance, tj. je bilancován celý průtok spalin a recirkulovaných spalin. V případě S8 cílová hodnota r = 0,4 nebyla z důvodu technických obtíží dosažena. 3. Vliv recirkulace spalin na emise NOx a CO je znázorněn na následujících obrázcích 2 a 18

20 NOx (mg/nm 3, 11 % O 2ref ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Recirkulační poměr "r" [-] Referenční stav Recirkulace 1.VZ Recirkulace 2.VZ Recirkulace VZ CO (mg/nm 3, 11 % O 2ref Obr. 2 Vliv recirkulace spalin na emise NOx 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Recirkulační poměr "r" [-] Referenční stav Recirkulace 1.VZ Recirkulace 2.VZ Recirkulace VZ Obr. 3 Vliv recirkulace spalin na emise CO Experimenty ukázaly, že vliv recirkulace spalin na emise NOx i CO je výrazný, ale může být také velice důležité, kam jsou recirkulované spaliny přiváděny. V případě emisí NOx se ukázalo, že místo přívodu recirkulovaných spalin spíše nemá vliv. Ve všech testovaných případech je výsledkem snížení těchto emisí. Vyšší podíl recirkulovaných spalin obecně směřuje k nižším emisím NOx, ale pokles s vyšší hodnotou r není tak výrazný a nemá tedy prakticky význam zvyšovat celkový podíl recirkulovaných spalin nad cca 15 %. V rozpětí % recirkulovaných spalin došlo k poklesu emise NOx v průměru o cca 50 %. Zcela jiná je však situace v případě emisí CO, kde je vliv místa přívodu recirkulovaných spalin zcela zásadní. Zatímco v případě, kdy jsou spaliny přivedeny do primárního vzduchu, 19

21 je výsledkem snížení emisí CO, v případě přivedení do sekundárního vzduchu je výsledkem jejich řádové zvýšení. To lze vysvětlit tím, že za prvé v případě sekundárního vzduchu odpadá pozitivní efekt reburningu, CO v recirkulovaných spalinách neprojde pásmem vysokých teplot na roštu a nedojde k jeho vyhoření. Druhým významným efektem je snížení koncentrace kyslíku v místě vyhořívání prchavé hořlaviny biomasy, což se ukazuje jako kontraproduktivní prchavá hořlavina pak nemá podmínky pro úplně vyhoření. Na druhou stranu, tento stav je nejvýhodnější pro snížení emisí NOx, jak je ukázáno na obrázku 2. V rámci experimentů byl rovněž hodnocen vliv recirkulace spalin na teplotu na konci ohniště, tj. na výstupu ze spalovací komory do výměníku. Cílem bylo určit, jestli nějakým způsobem dojde vlivem recirkulace spalin ke změně tepelných podmínek ve spalovací komoře. Teplota na konci ohniště byla přímo měřena, a rovněž bylo ověřováno, jestli naměřená hodnota odpovídá hodnotě vypočtené na základě tepelné bilance ohniště pro jednotlivé stavy přívodu recirkulovaných spalin. Výsledky jsou shrnuty v následující tabulce, která obsahuje vypočtenou adiabatickou teplotu plamene pro jednotlivé stavy, a vypočtenou a naměřenou teplotu na konci ohniště. Tab. 3 Adiabatická teplota plamene a teplota na konci ohniště Stav T AD [ C] T OK,vyp [ C] T OK,měř [ C] diference [%] S ,9 S ,7 S ,9 S ,5 S ,7 S ,8 S ,1 S ,4 Z tabulky 3 je zřejmé, že dle očekávání po přívodu recirkulace spalin je nižší adiabatická teplota plamene a rovněž je i nižší teplota na konci ohniště. Shoda naměřených a vypočtených hodnot této teploty je velice dobrá, pohybuje se v rozsahu do 10 % relativně, s jednou výjimkou stavu S2, kdy byl rozdíl 11,7 % relativně. Nižší teplota na konci ohniště může mít částečně vliv na účinnost kotle, neboť klesá teplotní spád na výměníku a tím se i snižuje předaný výkon ze spalin do vody. Z výsledků (např. porovnání s tabulkou 1) to nicméně zřejmé není, neboť účinnost ovlivňují i další faktory, především součinitel přebytku spalovacího vzduchu a (ne)dokonalost spalování. 4 Závěr Provedené experimenty umožnily kvantifikovat vliv recirkulace spalin na emise NOx, CO i na účinnost kotle při spalování biomasy na roštu. V případě emisí NOx není zásadní rozdíl, jestli jsou recirkulované spaliny přivedeny do primárního nebo sekundárního vzduchu, popř. do obou. Ve všech případech je vliv přibližně stejný. V případě CO je nutné přivést vzduch do primárního vzduchu, jinak dochází k výraznému nárůstu emisí CO, a to i řádově 20

22 v případě, že jsou spaliny zavedeny pouze do sekundárního vzduchu. Pro stabilní provoz s pozitivním vlivem recirkulace spalin na obě znečišťující látky tak je nutné se zaměřit pouze na primární vzduch. Z výsledků také vyplývá, že vyšší podíl recirkulovaných spalin nad cca 15 % již nepřináší v případě roštového spalování biomasy žádný významnější efekt. Recirkulace spalin má vliv na účinnost kotle; v případě, že se podaří udržet součinitel přebytku spalovacího vzduchu na stejné úrovni jako v případě bez recirkulace spalin a zároveň nedojde k výraznějšímu zhoršení kvality spalování, je ten vliv zanedbatelný. V případech s horší kvalitou spalování, popř. s vyšším přebytkem spalovacího vzduchu byl samozřejmě zaznamenán pokles účinnosti, způsobený přispěním obou těchto faktorů. Nejvíce výrazný byl tento pokles v případě zavedení recirkulace spalin rovnoměrně do obou proudů spalovacího vzduchu. Ověřen byl rovněž vliv na teplotu na konci ohniště, na základě takto provedených měření však není možné samostatně kvantifikovat tento vliv na účinnost kotle. Závěrem je možné říci, že recirkulace spalin je relativně efektivním nástrojem pro snížení emisí NOx i CO při roštovém spalování dřevní biomasy, reálně v provozu dosažitelné snížení je u NOx i CO cca 50 % při optimálně nastavených podmínkách. Poděkování Výzkum recirkulace spalin při roštovém spalování biomasy byl realizován v rámci projektu TA Výzkum inteligentních metod ekonomicko-ekologického řízení prototypu 100 kw kotle na zbytkovou biomasu. Použitá literatura [1] Sbírka zákonů České republiky. Zákon 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší. [2] Lackner, M., Winter, F. and Agarwal, A.K. Handbook of Combustion. Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH, ISBN [3] van Loo, S. and Koppejan, J. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. London : Earthscan, ISBN [4] Hrdlicka, J., et al. Emission factors of gaseous pollutants from small scale combustion of biofuels. Fuel. 2016, Vol. 165, pp [5] Kaltschmitt, M., Hartmann, H. and Hofbauer, H. Energie aus Biomasse. Berlin : Springer Verlag, ISBN

23 Nová legislativa pro spalovací zařízení David JECHA Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, Brno, Česká republika * jecha@fme.vutbr.cz V posledních letech se evropská unie snaží vytvořit celou řadu referenčních dokumentů o nejlepších technikách (BREF angl. Reference Document on Best Available Techniques) a určit nejlepší dostupné technicky (BAT angl. Best Available Techniques) pro jednotlivé průmyslové odvětví. Cílem těchto dokumentů je popsání jednotlivých technologií a nastavit rovnováhu v úrovni produkovaných emisí z jednotlivých emisí. Článek se zaobírá pouze malým spektrem popisované činnosti a to emisními limity ve spalinách vypouštěnými velkými spalovacími zdroji. Jsou zde uvedeny emisní limity platné dle české legislativy, která byla převzata z nařízení evropské unie dle prvního dokumentu o velkých spalovacích zdrojích, a jsou porovnána s novými navrhovanými emisními limity v revidovaném dokumentu BAT o velkých spalovacích zdrojích. Klíčová slova: klíčová slova k příspěvku, malými písmeny, oddělená čárkami 1 Úvod Hlavním cílem stanovování emisních limitů je omezování znečištění ovzduší. Tato činnost spadá do integrované prevence a omezování znečištění (IPPC angl. Integrated Pollution Prevention and Control). Je to určitá forma regulace vybraných průmyslových, ale i zemědělských činnosti pro dosaţení vysoké úrovně ochrany ţivotního prostředí (vody, půdy, ovzduší a nakládání s odpady). Cílem regulace je předcházení a omezení znečištění výběrem vhodných, k ţivotnímu prostředí šetrných, technologií tzv. nejlepších dostupných technik. Tyto nejlepší dostupné techniky jsou právě shrnuty v referenčních dokumentech, které jsou vytvářeny evropskou komisí a ve spolupráci s průmyslem, nevládními organizacemi a členskými státy. Ve směrnicích Evropského parlamentu a Rady 2010/75/EU o průmyslových emisích (IED angl. Industrial Emissions Directive) je stanoven integrovaný přístup k ochraně ţivotního prostředí, který je dále implementován do české legislativy zákonem číslo 76/2002 Sb., o integrované prevenci a o omezování znečištění, o integrovaném registru znečišťování a o změně některých zákonů (zákon o integrované prevenci), ve znění pozdějších předpisů. V příloze č. 1 tohoto zákona jsou vymezeny příslušné kategorie jednotlivých průmyslových činností, pro jejichţ provoz je nutné integrované povolení. 22

24 2 Postup tvorby dokumentů BREF a BAT pro velká spalovací zařízení [1-6] Rozhodnutí o vypracování nového nebo o zahájení revize stávajícího referenčního dokumentu BREF vydává Evropská komise. Bylo stanoveno EK, ţe referenční dokumenty BREF byly aktualizovány nejpozději osm let po zveřejnění předchozí verze. Vlastní postup tvorby nebo revize stávajícího dokumentu je stanoven v rozhodnutí EK 2012/119/EU ze dne 10. února 2012, jeho grafické znázornění na obr. 1. Ať při tvorbě nebo revizi dokumentu se vţdy jedná o zdlouhavý proces, který by měl teoreticky trvat cca 35 měsíců. Ale jak je patrné dále, je tato hodnota pouze teoretická. Opětovná aktivace skupiny a žádost o požadavky 5 měsíců Zahajovací zasedání skupiny Informace 6 měsíců 4-6 měsíců Předloha 1 (P1) 2-3 měsíce Připomínky skupiny RAI rev. předloha závěrů o BAT RAI Předloha 2? Kap. 3,4,5 ne 3-5 měsíců ano 3-7 měsíců Předloha 2 (P2) 2-3 měsíců Připomínky skupiny 3-5 měsíců RAI RAI Zahajovací zasedání skupiny Celkem: měsíců (s P2) měsíců (bez P2) 4 měsíce Konečná předloha Obr. 1 Postup schvalování dokumentu BREF Evropský úřad pro IPPC (EIPPCB angl. European Integrated Pollution Prevention and Control Bureau) se sídlem v Seville koordinuje zpracování referenčních dokumentů BREF v zemích Evropské unie. Tento úřad byl zřízen z důvodu urychlení sytému výměny informací o BAT mezi členskými státy a průmyslovým sektorem. Členové evropských technických pracovních skupin (TWG angl. Technical Working Groups) poskytují odborné technické podklady nutné pro zpracování jednotlivých dokumentů BREF. Členové TWG, jakoţto poradní sbory, se aktivně zapojují do přípravy a připomínkování návrhů referenčních dokumentů BREF pro jednotlivá odvětví. 23

25 3 Definice BREF a BAT pro velká spalovací zařízení Dokument BREF pro velká spalovací zařízení (LCP - Large Combustion Plants) se týká spalovacích zařízení s jmenovitým příkonem převyšující 50 MW, dále zplyňování černého uhlí nebo jiných paliv v zařízeních o celkovém jmenovitém tepelném příkonu 20 MW a odstranění nebo vyuţití odpadu v zařízeních na spoluspalování odpadu při kapacitě větší neţ 3 tuny za hodinu v případě odpadu jiného neţ nebezpečného nebo při kapacitě větší neţ 10 tun za den v případě nebezpečného odpadu. Do této kategorie především patří průmysl výroby elektřiny a ty obory průmyslu, kde se pouţívají konvenční paliva (komerčně dostupná a specifická) a kde spalovací jednotky nespadají pod jiný obor BREF. Závěry dokumentu BAT pro LCP vymezují jaká paliva mohou být spalována v zařízeních. Jsou to jakýkoliv tuhé, kapalné a/nebo plynné spalitelné materiály včetně: - tuhých paliv (např. černého uhlí, hnědého uhlí, rašeliny atd.) - biomasy (dle definice v čl. 3 bodě 31 směrnice 2010/75/EU), - kapalných paliv (např. těţký topný olej, plynový olej), - plynných paliv (např. zemní plyn, plyn obsahující vodík a syntézní plyn), - paliv specifických pro dané odvětví (např. vedlejší produkty v chemickém a ţelezárenském a ocelárenském průmyslu), - odpadu kromě směsného komunálního odpadu podle definice v čl. 3 bodě 39 a kromě dalšího odpadu uvedeného v čl. 42 odst. 2 písm. a) podbodech ii) a iii) směrnice 2010/75/EU. Dokument stanovuje, na které činnosti a zařízení se nevztahuje, např. na odstraňování nebo vyuţívání odpadu v zařízeních na spalování odpadu atd. 3.1 Časový vývoj BREF LCP První dokument o velkých spalovacích zdrojích byl schválen v roce Evropská komise rozhodla o zahájení revize dokumentu v roce 2011 a jiţ ve stejném roce se sešli jednotlivé pracovní skupiny TWG na prvním setkání říjnu tohoto roku. Pro vytvoření nového dokumentu byly z jednotlivých zemí shromaţďovány data o zařízeních a jejich technických specifikacích. Celkem bylo shromáţděno 580 podrobných formulářů o provozovaných zařízení, za Českou republiku to bylo za 14 provozovaných zařízení. Na základě těchto informací byl vytvořen první návrh dokumentu BREF o LCP a to v červenci K tomuto dokumentu se vyjádřili jednotlivé pracovní skupiny a další organizace 8500 připomínkami a byla zahájena jeho další úprava. V červnu roku 2014 se konala neformální schůzka jednotlivých pracovních skupin, která měla vyřešit některé připomínky k základnímu dokumentu. Dále byly také řešeny podkapitoly dokumentu jako energetické účinnosti zařízení v prosinci V květnu 2015 byl představen upravený návrh dokumentu, který byl dále diskutován na setkání pracovních skupin a webináři v červnu a v červenci roku V srpnu 2015 byly od jednotlivých skupin shromáţděny nesouhlasné názory k některým částem dokumentu a byly stanoveny části, které jsou potřeba dopracovat. Vyhodnocení nejednotných pasáţí bylo projednáno v únoru 2016 a následně v červnu byl vytvořen konečný návrh dokumentu BREF, který měl být projednáván na IPPC fóru dle článku 13 IDE (směrnice 2010/75/EU o průmyslových emisích). Ještě před zahájením fóra bylo jednotlivými skupinami vzneseno 455 připomínek k nově vytvořenému dokumentu. Fórum IPPC, které proběhlo 20. října 2016, mělo zajistit dostatečnou výměnu informací mezi jednotlivými 24

26 skupinami a EK. Podle EK byl dokument BREF LCP dostatečně prodiskutován, aby mohlo dojít ke konečné finalizaci dokumentu. EK vypracovala tzv. opinion = formální názor na final draft LCP BREF, jehoţ součástí jsou dvě přílohy. Jedná se o consensual views, to jsou části dokumentu na kterých se zástupci fóra během jednání shodli (= nikdo nebyl proti), jedná se o méně podstatné části/úpravy formulace, ţádné úpravy v emisních limitech (BAT-AELs) nebyly schváleny jako consensual zejména z důvodu účasti nevládních organizací. Druhá příloha zprávy EK je non-consensual views, zde byly zahrnuty všechny ostatní připomínky, diskutované body na fóru bez shody a včetně připomínek zaslaných před jednáním fóra. V tomto dokumentu byly zahrnuty všechny podstatné body jako například emisní limity pro sledované zařízení. V prvním kvartálu roku 2017 byly zporacovány stanoviska fóra a předloţení návrhu rozhodnutí o závěrech o BAT výboru komise dle čl.75 IED. Výbor komise vypracoval stanovisko v druhém kvartálu roku a v třetím kvartálu bylo přijato rozhodnutí o závěrech BAT komisí. Dokument BATC (BAT = Best Available Techniques C = conclusions) byl zveřejněn v úředním věstníku EU. BATC neboli "závěry o BAT" je dokument obsahující části referenčního dokumentu BAT, který obsahuje závěry o nejlepších dostupných technikách, jejich popis, informace pro posouzení jejich pouţitelnosti, úrovně emisí související s nejlepšími dostupnými technikami, související sledování, úrovně spotřeby. Od rozhodnutí EU následuje 4 letá lhůta pro uvedení integrovaných povolení stávajících zařízení do souladu s poţadavky rozhodnutí komise dle harmonogramu přezkumů integrovaných povolení zveřejňovaných MŢP. Historické plnění závazků IPPC pro velká spalovací zařízení je znázorněné na obr. 2. Po zavedení směrnice o velkých spalovacích zařízeních = předchůdkyně stávající směrnice o průmyslových emisích (LCPD large combustion plants directive) bylo zavedeno několik přechodových reţimů pro stávající zdroje. Jednalo se o přechodný reţim přechodný národní plán dle článku 32 IED, který byl vloţen do českého zákona o ochraně ovzduší 37, a přechodný reţim CZT dle článku 35 IED, který byl vloţen do českého zákona o ochraně ovzduší v 39. Obr. 2 Časoý vývoj aplikace LCP BREF 25

27 4 Porovnání emisních limitů BATC a platné legislativy ČR Jak jiţ bylo zmíněno dokument BATC obsahuje celou řadu informací o sledovaných zařízeních. Jedná se o: - úroveň emisí pro vody vypouštěné technologiemi a spotřeba vody, - úroveň energetické účinnosti zařízení, - klasifikace spalovacího zařízení/jednotek podle jejich celkového jmenovitého výkonu, - systém environmentálního řízení, - monitorování, - celkový environmentální profil a průběh spalování, - emise hluku atd. Tento příspěvek se věnuje především limitům vypouštěných látek do ovzduší běţnými spalovacími zařízeními. V těchto zařízeních jsou standardně monitorovány emise CO, NO x, SO 2, TZL (tuhých znečišťujících látek prachu), dále jsou sledovány emise HCl a HF a nově u spalování černého hnědého uhlí emise rtuti. Pro vybrané skupiny zařízení byly nově navrhované (FD) emisní limity porovnány platnými emisními limity pro ČR. Bohuţel nově vytvořený dokument přesně nereflektuje stávající rozdělení zdrojů do podskupin a rozdělení podle výkonu zařízení, proto bylo někdy velice obtíţné přiřadit emisní limity pro nové rozřazení zdrojů a některé hodnoty by mohly být přiřazeny při vypsání dlouhých podmínek zařazení daného emisního limitu. Tyto podmínky nejsou v článku zahrnuty, protoţe by přesahovali rozsah tohoto článku a proto je nutné brát emisní hodnoty jako orientační. Pro přesné určení emisního limitu pro daný zdroj je nutné pečlivé nastudování dané legislativy se všemi podmínkami a vyjímkami. V článku jsou porovnány emisní limity pro spalování: - černého a hnědého uhlí tzv. uhelné zdroje (tab. 1-5), - biomasy (tab. 6-7), - HFO (těţký topný olej) / plynové oleje (tab. 8). Další oblasti, kterými se stanovují emisní limity je dokument BATC pro LCP, ale které nejsou zahrnuty v tomto článku, jsou emisní limity pro spalování: - HFO a/nebo plynového oleje v pístových motorech, - turbíny na plynový olej, - plynového oleje v turbínách, včetně plynových turbín na dvojí palivo, - zemního plynu v plynových turbínách, - zemního plynu v kotlech a motorech, - 100% plynů vznikající při výrobě ţeleza o oceli, - procesních paliv z chemického průmyslu, - spoluspalování odpadu s černým a/nebo hnědým uhlím, - zplyňovací jednotky a jednotky IGCC. 26

28 Tab.1. Emisní limity NO X, CO a NH 3 pro uhelné zdroje [mg/m 3 N ] přepočtené pro referenční podmínky Příkon [MWt] ČR vs. FD NO x Roční průměr Denní průměr Nová z. Stáv. z. Nová z. Stáv. z. CO NH 3 Roční Roční průměr průměr ČR < 100 FD < < 3-10 ČR < FD (140*) < ČR fludní spalování < < FD < 3-10 nebo práškové HU (175*) (220*) (140*) ČR ČU práškové < < FD ( *) (140*) < 3-10 Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení * hodnoty platné pro zařízení zprovozněné do Tab.2. Emisní limity SO 2 pro uhelné zdroje [mg/m 3 N ] přepočtené pro referenční podmínky Příkon Roční průměr Denní průměr ČR vs. FD [MWt] Nová z. Stáv. z. Nová z. Stáv. z. ČR < 100 FD ČR FD (250*) 300 práškové uhlí ČR FD (205*) 300 ČR fludní spalování FD Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení * hodnoty platné pro zařízení zprovozněné do Tab.3. Emisní limity TZL pro uhelné zdroje [mg/m 3 N ] přepočtené pro referenční podmínky Příkon Roční průměr Denní průměr ČR vs. FD [MWt] Nová z. Stáv. z. Nová z. Stáv. z. ČR < 100 FD (28*) ČR FD (25*) ČR FD (12*) (20*) ČR FD (14*) Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení * hodnoty platné pro zařízení zprovozněné do

29 Tab.4. Emisní limity rtuti (Hg) pro uhelné zdroje [mg/m 3 N ] přepočtené pro referenční podmínky Hg - černouhelné zdroje [μg/m 3 N ] Hg - hnědouhelné zdroje [μg/m 3 N ] Příkon ČR vs. Roční průměr Příkon ČR vs. Roční průměr [MWt] FD Nová z. Stáv. z. [MWt] FD Nová z. Stáv. z. ČR ND ND ČR ND ND < 300 < 300 FD < 1-3 < 1-9 FD < 1-5 < 1-10 ČR ND ND ČR ND ND FD < 1-2 < 1-4 FD < 1-4 < 1-7 Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení Tab.5. Emisní limity HCl a HF pro uhelné zdroje [mg/m 3 N ] přepočtené pro referenční podmínky HCl a HF [mg/m 3 N ] Příkon [MWt] < Roční průměr Nová z. Stáv. z. HCl (20*) HF < 1-3 < 1-6 (7*) HCl (7; 20*) HF < 1-2 < 1-3 (7*) Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení * Hodnoty platné pro fluidní spalování Tab.6. Emisní limity NO X, CO a TZL pro biomasu [mg/m 3 N ] přepočtené pro referenční podmínky Polutant Příkon Roční průměr Denní průměr ČR [MWt] Nová z. Stáv. z. Nová z. Stáv. z NO x SO < < < < < < < < TZL Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení * Referenční obsah O 2 6% Tab.7. Emisní limity HCl a HF pro biomasu [mg/m N 3 ] přepočtené pro referenční podmínky 28

30 Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení * Referenční obsah O 2 6% Tab.8. Emisní limity pro spalování HFO / plynové oleje [mg/m 3 N ] přepočtené pro referenční podmínky Polutant NO x SO 2 Příkon [MWt] ČR Roční průměr Denní průměr Nová z. Stáv. z. Nová z. Stáv. z. < (450*) (110*) (145*,365*) < (400*) (175*,200*) < (25*) TZL (15*) Nová Z. = nová zařízení (IP před vydáním BREF), Stáv. Z = stávající zařízení * hodnoty platné pro zařízení zprovozněné do Závěr V revidovaném dokumentu o nejlepších dostupných technikách pro velká spalovací zařízení jsou uvedeny nové emisní limity pro zařízení, které jsou běţně pouţívány v ČR a značně ovlivní další provoz těchto zařízení. Např. se můţe stát, ţe nově uvedené zařízení do provozu (uhelná elektrárna) v roce 2016/2017 nemusí po uplynutí přechodového zařízení splňovat emisní limity navrţené v tomto dokumentu. Skoro všechna zařízení budou muset být optimalizována nebo dostavěna nová zařízení pro čištění spalin tak, aby plnila emisní limity. Nově budou muset být vyvinuta a uvedena do praxe zařízení pro odstraňování emisí rtuti pro uhelné elektrárny. Lze předpokládat, ţe jednotlivé členské země EU budou vytvářet přechodové období pro svá zařízení a budou se snaţit vytvořit vyjímky z doporučených emisních limity v dokumentu BATC. Tyto nové emisní limity by měli vejít v platnost v jednotlivých členských zemích na přelomu roku 2021/2022 a určitě přinesou nové směry ve vývoji zařízení pro čištění spalin. Jen můţeme doufat, ţe nepřinesou zánik některého průmyslového odvětví v ČR. Určitě tyto opatření, ale přinesou značné investiční a provozní náklady na provoz uhelných elektráren, které se mou projevit v celkové ceně pro konečného spotřebitele elektrického energie. V neposlední řadě je nutné zdůraznit, ţe velká spalovací zařízení nejsou největšími zdroji produkce tuhých znečišťujících látek (prachu) nebo oxidů dusíku. Sniţování emisí polutantů z malých lokálních zdrojů je ČR na počátcích, přestoţe zdroje pod 300kWt a mobilní zdroje tvoří přes 78 emisí prachu v ČR dle ČHMU. V návaznosti na tuto problematiku je novelizace vyhlášky 415/2015, která upravuje emisní limity pro spalovací stacionární zdroje o celkovém jmenovitém tepelném příkonu vyšším neţ 0,3 MW a niţším neţ 50 MWS. Národní program pro sniţování emisí uvádí, ţe v energetice se vyprodukuje pouze 9% z celkového mnoţství 29

31 emisí PM 2,5. Pokud chceme bojovat efektivně proti emisím, musíme se zaměřit i na odpovídající opatření v dalších sektorech doprava, spotřeba paliv v domácnostech. Poděkování Tento článek byl vytvořen v rámci projektu LO1202 za finanční podpory MŠMT v rámci Národního programu udrţitelnosti I, ve spolupráci na projektu Centrum kompetence pro energetické vyuţití odpadů TE Použitá literatura [1] Integrovaná prevence a omezování znečištění (IPPC): Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách pro velká spalovací zařízení In:. Seville - Spain: Edificio Expo, ročník 2006, číslo 1. [2] PROVÁDĚCÍ ROZHODNUTÍ KOMISE (EU) 2017/1442: kterým se stanoví závěry o nejlepších dostupných technikách (BAT) podle směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/75/EU pro velká spalovací zařízení In: L2012. Seville - Spain: Edificio Expo, ročník 60, C(2017) [3] PROVÁDĚCÍ ROZHODNUTÍ KOMISE: kterým se stanoví pravidla ohledně pokynů pro sběr údajů a pro vypracování referenčních dokumentů o BAT a zabezpečení jejich kvality uvedených ve směrnici Evropského parlamentu a Rady 2010/75/EU o průmyslových emisích In:. Seville - Spain: Edificio Expo, ročník 55, C(2012) 613. [4] Final draft: Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Large Combustion Plants In:. European IPPC Bureau: Institute for Prospective Technological Studies, Sustainable Production and Consumption Unit, ročník 2016, FD. [5] Zákon 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů (zákon o ochraně ovzduší) In: [6] Vyhláška č. 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší In:. Praha: Ministerstvo ţivotního prostředí, ročník 2012, 415/

32 Energie z biomasy XVIII, Kopyrolýza uhlí a látek bohatých na vodík Lenka JÍLKOVÁ 1 *, Karel CIAHOTNÝ 1, Josef VÁLEŠ 2, Jaroslav KUSÝ 2, Lukáš ANDĚL 2 1 Vysoká škola chemicko-technologická Praha, Fakulta technologie ochrany prostředí, Ústav plynných a pevných paliv a ochrany ovzduší, Technická 5, Praha 2 Výzkumný ústav pro hnědé uhlí a.s., Budovatelů 2830, Most * Lenka.Jilkova@vscht.cz Vysoká škola chemicko-technologická a Výzkumný ústav pro hnědé uhlí spolupracují na výzkumu pyrolýzy různých materiálů již několik let. Tento příspěvek se zabývá katalytickou kopyrolýzou hnědého uhlí a vybraných druhů odpadní biomasy (extrahovaných řepkových pokrutin, slupek ze slunečnicových semen a lihovarských výpalků). Předmětem zkoumání byl vliv použité biomasy na výtěžky a složení jednotlivých pyrolýzních produktů. Klíčová slova: pyrolýza, biomasa, hnědé uhlí, katalytická pyrolýza, pyrolýzní produkty 1 Katalytická pyrolýza Pyrolýzní proces je metoda známá a technologicky využívaná již několik desetiletí. Dochází však k neustálému testování nových možností tohoto procesu. Mnoho studií po celém světě se zabývá využíváním katalyzátorů během pyrolýzního procesu nebo při následné úpravě pyrolýzních produktů. Velké množství prací [1-7] se věnuje katalytické pyrolýze, během které je jako katalyzátor používán zeolitický materiál. Německý výzkum [1] ukázal, že při pyrolýze lignitu je nejvyššího výtěžku nízkomolekulárních uhlovodíků dosaženo při teplotě 500 C a poměru katalyzátor:uhlí 0,1-0,2. Výsledky výzkumu pracovní skupiny M. N. Amina [5] navíc prokázaly vyšší účinnost konverze při použití niklových zeolitických katalyzátorů oproti zeolitickým katalyzátorům bez přídavku niklu. Výzkum G. Li a kol. ukázal [7], že použití molybdenového zeolitického materiálu může sice způsobit aromatizaci olefinů a alkanů, dehydroxylaci fenolů a aromatizaci methanu, přesto však dosáhne vyšší konverze na benzen, toluen, ethylbenzen, xylen a naftalen než u katalyzátoru bez přídavku molybdenu. Další studie [8, 9] se věnují přídavku Na 2 CO 3 (do 15 % hm.) jako katalyzátoru během pyrolýzy uhlí. V těchto studiích bylo zjištěno, že s použitím katalyzátoru na bázi Na 2 CO 3 se i) zvyšuje množství pyrolýzního plynu [9]; ii) zvyšuje podíl H 2 a CO v pyrolýzním plynu [8]. Mnoho výzkumných prací [10-13] studuje vliv kovových katalyzátorů na distribuci pyrolýzních produktů a jejich vlastnosti. V práci bylo zjištěno [10], že v případě použití katalyzátorů na bázi alkalických kovů a kovů alkalických zemin při pyrolýze hnědého uhlí klesá stupeň rozkladu uhelné hmoty v řadě: Ni > Fe ~ Ca > K, resp. Ca ~ Fe > Ni > K. Jiná studie [11] se zabývá kopyrolýzou uhlí, ropného zbytku a odpadních plastů za účelem získání pohonných hmot za použití nízkého tlaku a levného katalyzátoru. Bylo v ní zjištěno, že nejvyššího výtěžku žádané frakce bylo získáno při pyrolýze směsi s nízkým obsahem těžkých olejů a nerozpustných materiálů. Další výzkum [12] ukázal, že kovové katalyzátory 31

33 Energie z biomasy XVIII, při pyrolýze uhlí na pevném loži efektivně podporují odstraňování dusíku z látek na bázi pyrolu a pyridinu ve formě kyanovodíku. Existují studie [14-19], které se zabývají možností upgradingu pyrolýzního kondenzátu, kdy je jako katalyzátor používán pyrolýzní zbytek naimpregnovaný kovem. Han a kol. zjistili [14], že použití těchto katalyzátorů (na bázi Co, Ni, Cu, Zn) má sice za následek snížení celkového množství kapalného produktu, ale naopak zvyšuje množství lehkého podílu v tomto kapalném produktu (o 25 % při poměru katalyzátor:uhlí 0,2).; stupeň rozkladu uhelné hmoty klesal v řadě Co > Ni > Cu > Zn. Jiný výzkum [17] sleduje účinky katalyzátoru na bázi aktivního uhlí použitého v reaktoru s fixním ložem a i v tomto případě bylo potvrzeno snížení celkového množství pyrolýzního kondenzátu, ale zvýšení podílu lehkých uhlovodíku v tomto kapalném produktu (o 18 %). 2 Experimentální část 2.1 Pyrolyzovaný materiál Surovinami pro pyrolýzy byly směsi biomasy (více druhů) a hnědého uhlí. Hnědé uhlí pocházelo z lomu ČSA (Severní energetická a.s.). Extrahované pokrutiny, slunečnicové slupky a lihovarské výpalky byly získány od soukromých dodavatelů. Vzorky biomasy i hnědého uhlí byly před pyrolýzou upraveny na frakci s velikostí zrna 1-6 mm. Základní vlastnosti těchto pyrolyzovaných materiálů jsou uvedeny v tab. 1. Tab. 1: Vlastnosti pyrolyzovaných materiálů hnědé uhlí extrah. pokrutiny sluneč. slupky lihovar. výpalky W a [%] 11,8 11,0 - - A d [%] 4,1 7,8 2,8 5,4 S d t [%] 1,0 0,7 0,2 0,5 C d [%] 71,7 45,5 51,3 48,8 H d [%] 6,7 6,8 7,5 7,7 N d [%] 1,1 6,1 1,2 5,1 O d [%] 15,5 33,0 37,2 32,5 V d [%] 53,2 74,3 77,0 81,6 Q d s [MJ kg -1 ] 31,15 19,4 20,5 22,2 Q d i [MJ kg -1 ] 29,69 18,0 18,9 20,5 V termicko-katalytickém reaktoru byly vrstvy aluminy a katalyzátoru. Aluminová vrstva byla tvořena porézní keramikou na bázi Al 2 O 3 (dvě vrstvy válečků aluminy o průměru 6,5 cm a výšce 2 cm; válečky byly vypáleny v muflové peci při teplotě 700 C) a vrstvou porézních keramických korundových válečků (o průměru 4 mm a výšce 5 10 mm; taktéž vypáleny v muflové peci při teplotě 700 C; hmotnost 200 g). Katalyzátorová vrstva byla tvořena komerčním hydrokrakovacím katalyzátorem na bázi N-Wi, který je určený pro průmyslové využití (nasířený aluminosilikát) o hmotnosti 1000 g. 2.2 Pyrolýzní jednotka Pyrolýzní testy byly prováděny na poloprovozní pyrolýzní jednotce (obr. 1). 32

34 Energie z biomasy XVIII, Obr. 1: Schéma pyrolýzní jednotky 1 - pec s pyrolýzní retortou; 2 termicko-katalytický reaktor; 2a - lože s aluminou; 2b - lože s katalyzátorem; 3 - nepřímý vodní chladič; 4 přívod/odvod vody; 5 - sběr kondenzátu; kondenzační nádoby; 9 - vzorkování plynu; 10 - adsorbér; 11 - plynoměr; 12 - pojistka proti prošlehnutí plamene; 13 - hořák Vsázka pyrolyzovaného materiálu byla nasypána do kovové retorty, která byla umístěna do programovatelné elektricky vyhřívané pece (1). Retorta má tvar kvádru (51 x 41 x 6 cm) a objem cca 12,5 dm 3. Teploty na topné stěně, na stěně retorty a uprostřed vsázky jsou kontrolovány třemi termočlánky. Retortu lze vyhřívat různým teplotním gradientem na teploty do 1000 C. Vyvíjené páry a aerosoly jsou vedeny nejdříve do termicko-katalytického reaktoru (2), a poté do kondenzačního systému. Potrubí pro transport těkavých produktů pyrolýzy z retorty do termicko-katalytického reaktoru je vytápěno a tepelně izolováno. V termicko-katalytickém reaktoru dochází k rafinaci těkavých produktů pyrolýzy odcházejících z retorty v plynné fázi. Reaktor je tvořen válcovou ocelovou nádobou o průměru 20 cm a výšce 65 cm. Uvnitř reaktoru jsou navařeny dva děrované plechy pro keramickou a katalytickou vrstvu. Těkavé produkty pyrolýzy vstupují do reaktoru shora a procházejí nejdříve keramickou zónou a následně pak katalytickou zónou. Každá zóna reaktoru je vyhřívané zvlášť a teplota v obou zónách je kontrolována termočlánky umístěnými do vrstvy příslušného materiálu. Reaktor je možné provozovat i) s oběma náplněmi; ii) s jednou náplní; iii) může zůstat prázdný. Z termicko-katalytického reaktoru pokračují produkty do kondenzačního systému, který tvoří nepřímý vodní spirálový chladič (3) a tři za sebou řazené kondenzační nádoby (6-8). V tomto systému dochází ke kondenzaci kapalných produktů pyrolýzy, proto jsou nádoby (3, 6, 7, 8) opatřeny kónickým dnem a ventily (5) pro vypouštění kondenzátu. Pyrolýzní plyn pokračuje do adsorbéru (10), kde je na aktivním uhlí zbaven zbytků dehtu a kyselých plynů, a poté je veden pružným potrubím přes membránový plynoměr (11), bezpečnostní uzávěr (12) až do hořáku (13), kde je spalován. Vzorek pyrolýzního plynu je odebírán v odběrném místě před adsorbérem (9) do vzorkovacích tedlarových vaků. Po skončení pyrolýzy je systém samovolně ochlazen na laboratorní teplotu. Po ukončení každého pyrolýzního testu byla provedena hmotnostní bilance a analýza pyrolýzních produktů. 33

35 Energie z biomasy XVIII, Popis experimentů Při pyrolýzních testech na poloprovozní jednotce bylo použito hnědé uhlí, extrahované pokrutiny, slunečnicové slupky, lihovarské výpalky, alumina a katalyzátor, jejichž vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 1. Ke zjištění vlivu použité biomasy na výtěžky a složení pyrolýzních produktů, byly provedeny pyrolýzní testy, dle reakčních podmínek uvedených v tabulce 2. Tab. 2: Podmínky pyrolýzních testů hnědé uhlí biomasa teplota pyrolýzy teplota v termické části reaktoru teplota v katalytické části reaktoru 100 % 65 % 35 % ex.pokr. 650 C 400 C 300 C 65 % 35 % sl.slup. 650 C 400 C 300 C 65 % 35 % lih.výp. 650 C 400 C 300 C Během prováděných pokusů byla pyrolýzní pec zahřívána (rychlost cca 4,2 C min -1 ) na teplotu 650 C, požadované teploty tak bylo dosaženo vždy po dvou a půl hodinách. Do doby, než teplota v retortě dosáhla 200 C, byl systém proplachován inertním plynem dusíkem. Po dosažení teploty 650 C byla tato teplota držena ještě další 4 hodiny a po této době byla pyrolýza ukončena (vypnutí ohřevu) a pyrolýzní pec se několik dalších hodin samovolně chladila na okolní teplotu. Termicko-katalytický reaktor byl samostatně vyhříván v každé části (termická a katalytická) na požadovanou teplotu, a to po celou dobu pyrolýzního testu až do ukončení pyrolýzy. Během pyrolýzních pokusů byly každou hodinu odebírány vzorky pyrolýzního plynu, které byly následně analyzovány metodou plynové chromatografie. V pravidelných intervalech byly odebírány kapalné produkty z kondenzačního systému. Kapalné produkty byly homogenizovány v jedné nádobě a následně byl od sebe gravitačně oddělen vodný a organický podíl (několik hodin). Po vychladnutí systému byla stanovena hmotnost pyrolýzního zbytku (polokoksu). 2.4 Složení plynů Pyrolýzní plyny, které byly odebírány do plynotěsných tedlarových vaků, byly analyzovány metodou plynové chromatografie na plynovém chromatografu GC 82TT (Labio Praha) s dvojitým tepelně vodivostním detektorem (TCD), vybaveným pozlacenými wolframovými vlákny. Na prvním TCD detektoru byly při teplotě 150 C stanovovány obsahy H 2, O 2, N 2, CH 4 a CO. Separace složek byla prováděna na dvoumetrové nerezové koloně o průměru 3,2 mm; jako stacionární fáze bylo použito molekulové síto 5A. Nosným plynem byl argon o čistotě 5.0. Na druhém detektoru TCD byl při teplotě 150 C stanovován CO 2. Na dvoumetrové teflonové koloně o průměru 3,2 mm byla použita stacionární fáze Porapak Q. Nosným plynem bylo helium o čistotě Složení kapalných produktů Kvalitativní stanovení složení organické i vodné části kondenzátu bylo provedeno metodou plynové chromatografie na chromatografu Hewlett Packard HP 6890 s hmotnostním detektorem MSD Plynový chromatograf byl opatřen kolonou DB XLB o délce 30 m 34

36 Energie z biomasy XVIII, a průměru 0,25 mm. Nosným plynem bylo helium (4.8). Termostat udržoval první minutu kolonu na teplo-tě 50 C. Následně se teplota zvyšovala z 50 C na 300 C s teplotním gradientem 10 C min-1. Na teplo-tu 300 C byla kolona vyhřívána ještě dalších 6 minut. 3 Výsledky a diskuze 3.1 Hmotnostní bilance Odstavec 2.3 popisuje provedení experimentu, vč. stanovení hmotnostní bilance. Výsledky bilancí provedených pyrolýzních testů ukazuje graf na Obr. 2. Obr. 2: Hmotnostní bilance pyrolýzních testů Z obr. 2 vyplývá, že nejvyšších výtěžků pyrolýzního zbytku dosáhla pyrolýza hnědého uhlí, výtěžky zbytků u kopyrolýz se pohybovaly okolo 35 %. Pyrolýzy, kdy součástí vstupní směsi byly extrahované pokrutiny a lihovarské výpalky, vykazovaly nejvyšší výtěžky kapalných produktů. Pyrolýzy, při kterých byly pyrolyzované slunečnicové slupky, vykazovaly nejvyšší výtěžky pyrolýzního plynu. 3.2 Složení pyrolýzních plynů Metodika stanovení složení plynů je popsána v odstavci 2.4. Pomocí plynové chromatografie byly stanoveny obsahy vodíku, kyslíku, dusíku, methanu, oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého, ethanu, ethenu, propanu a propenu. Vzorky pyrolýzních plynů byly odebírány během pyrolýzních testů každou hodinu. Při odběru v první hodině se teplota uvnitř pyrolýzní retorty pohybovala od 250 C do 300 C. Při prvním odběru byl hlavní složkou pyrolýzního plynu dusík, kterým byla zpočátku každého testu retorta proplachována, aby bylo dosaženo inertního prostředí bez přítomnosti kyslíku. Při druhém odběru vzorku (po 2 h) byla teplota uvnitř retorty o cca 50 C nižší, než byla požadovaná teploty pyrolýzy. Při odběrech ve třetí, čtvrtou a pátou hodinu pyrolýzního testu bylo již i uvnitř retorty (ve středu vsázky) dosaženo požadované teploty 650 C. Následující grafy (obrázky 3-6) znázorňují podíly nejdůležitějších majoritních složek v odebraných pyrolýzních plynech. 35

37 Energie z biomasy XVIII, Vodík Obr. 3: Podíl vodíku v odebraných pyrolýzních plynech Z grafu na obrázku 3 vyplývá, že s postupem pyrolýzního testu (nárůstem teploty uvnitř retorty) roste i obsah vodíku v pyrolýzním plynu. Nejvyšší podíly vodíku v odebraných vzorcích měly plyny pocházející z pyrolýz, u kterých byly součástí vstupního materiálu slunečnicové slupky. Naopak nejnižší obsah vodíku v pyrolýzním plynu produkovaly pyrolýzy, kde byly vstupním materiálem směsi uhlí s lihovarskými výpalky. Methan Obr. 4: Podíl methanu v odebraných pyrolýzních plynech Graf na obrázku 4 ukazuje, že ve většině případů provedených pyrolýz s rostoucí teplotou v retortě mírně roste i obsah methanu v pyrolýzním plynu. Nejnižší podíly methanu v odebraných vzorcích měly plyny pocházející z pyrolýz, u kterých byly součástí vstupního materiálu slunečnicové slupky. Nejvyšší podíl methanu v plynu byl u pyrolýz hnědého uhlí. Oxid uhličitý Obr. 5: Podíl oxidu uhličitého v odebraných pyrolýzních plynech 36

38 Energie z biomasy XVIII, Z grafu na obrázku 5 vyplývá, že s postupem pyrolýzního testu (nárůstem teploty uvnitř retorty) klesá obsah oxidu uhličitého v pyrolýzním plynu. Nejvyššího obsahu CO 2 dosahovaly téměř ve všech případech plyny z pyrolýz, ve kterých byly součástí vstupní suroviny extrahované pokrutiny. Oxid uhelnatý Obr. 6: Podíl oxidu uhelnatého v odebraných pyrolýzních plynech U většiny provedených pyrolýz je jasně viditelný trend klesajícího obsahu oxidu uhelnatého s postupujícím časem pyrolýzy (resp. rostoucí teplotou uvnitř retorty), jak ukazuje graf na obrázku 6. Výjimku tvoří plyny z pyrolýz, kterých se účastnily slunečnicové slupky, které zároveň obsahovaly nejvíce oxidu uhelnatého. 3.3 Složení kapalných produktů Metodika stanovení složení kapalných produktů je popsána v odstavci 2.5. Pomocí plynového chromatografu s hmotnostním detektorem bylo stanoveno složení jednotlivých kapalných produktů (z každé pyrolýzy vodné a organické fáze. Oddělení organické a vodné fázi je popsáno v odstavci 2.3. Následující grafy (obrázky 7-9) znázorňují podíly fenolových sloučenin ve vodné fázi a obsahy vybraných sloučenin v tzv. lehkých a těžkých frakcích organické fáze. Vodná fáze Následující graf (obrázek 7) znázorňuje podíly fenolových sloučenin (fenol, 2-methylfenol, 3-methylfenol, 4-methylfenol) ve vodných fázích kapalných produktů pyrolýz. Obr. 7: Podíl fenolových sloučenin ve vodné fázi kapalného produktu 37

39 Energie z biomasy XVIII, Graf (obr. 7) znázorňuje, že nejvíce fenolových sloučenin (cca 10 mg/g) obsahovaly vodné fáze z pyrolýz hnědého uhlí a hnědého uhlí se slunečnicovými slupkami. Organická fáze Následující grafy (obrázky 8 a 9) znázorňují obsahy vybraných sloučenin v tzv. lehkých a těžkých frakcích organických fází kapalných produktů. Obr. 8: Obsah toluenu a p-xylenu v organické fázi kapalného produktu Obr. 9: Obsah naftalenu a anthracenu v organické fázi kapalného produktu Z grafů na obr. 8 a 9 vyplývá, že nejvyššího podílu lehké frakce vykazovaly pyrolýzy, ve kterých součástí vstupního materiálu byly lihovarské výpalky (v případech, kdy byly pyrolyzovány směsi uhlí a biomasy). Nejvyšší podíly těžké frakce pak obsahovaly organické fáze z pyrolýz směsí uhlí a slunečnicových slupek. 4 Závěr Z provedených pyrolýz vyplývá, že nejvyšších výtěžků pyrolýzního zbytku dosáhly pyrolýzy hnědého uhlí. Pyrolýzy, ve kterých byly součástí vstupních směsí extrahované pokrutiny a lihovarské výpalky, vykazovaly nejvyšší výtěžky kapalných produktů. Pyrolýzy, při kterých byly pyrolyzované slunečnicové slupky, vykazovaly nejvyšší výtěžky pyrolýzního plynu. S rostoucí teplotou v retortě během pyrolýz rostl obsah vodíku a mírně i obsah methanu, a to téměř ve všech pyrolýzních plynech. Nejvyšší podíly vodíku a naopak nejnižší podíly methanu měly pyrolýzní plyny z pyrolýz, ve kterých jako vstupní suroviny figurovaly slupky slunečnicových semen. Nejvyšší podíl methanu v plynu byl u pyrolýz hnědého uhlí. Dále dle provedených pyrolýz lze konstatovat, že s postupem pyrolýzy (resp. s rostoucí teplotou uvnitř retorty během pyrolýzy) klesají podíly oxidu uhličitého i oxidu uhelnatého v pyrolýzních plynech. Nejvíce fenolových sloučenin obsahovaly vodné fáze z pyrolýz hnědého uhlí a hnědého uhlí se slunečnicovými slupkami. Nejvyššího podílu lehké frakce vykazovaly pyrolýzy, ve kterých byly součástí vstupního materiálu lihovarské výpalky. Nejvyšší podíly těžké frakce pak obsahovaly organické fáze z pyrolýz směsí uhlí a slunečnicových slupek. Z výše zmíněných závěrů lze říci, že pro katalytické pyrolýzní zpracování odpadní biomasy ve směsi s hnědým uhlím se z testovaných vzorků za daných podmínek jako nejvýhodnější, z hlediska hmotnostní bilance a složení pyrolýzních produktů, ukázaly lihovarské výpalky. Nejméně vhodným testovaným materiálem pro toto zpracování jsou pak slupky slunečnicových semen. 38

40 Energie z biomasy XVIII, Použitá literatura [1] Appelt, J.; Heschel, W.; Meyer, B. Catalytic pyrolysis of central German lignite in a semi-continuous rotary kiln - Performance of pulverized one-way ZSM-5 catalyst and ZSM-5-coated beads. Fuel Process. Technol. 2016, 144, [2] Zhang, B.; et al. Catalytic upgrading of fast pyrolysis biomass vapors over fresh, spent and regenerated ZSM-5 zeolites. Fuel Process. Technol. 2015, 138, [3] Yan, L.; et al. Catalytic upgrading of gaseous tars over zeolite catalysts during coal pyrolysis. Fuel Process. Technol. 2015, 138, [4] Jin, L.; et al. Integrated coal pyrolysis with methane aromatization over Mo/HZSM-5 for improving tar yield. Fuel 2013, 114, [5] Amin, M. N.; et al. Pyrolysis of low rank coal by nickel based zeolite catalysts in the two-staged bed reactor. J. Anal. Appl. Pyrolysis 2016, 118, [6] Syamsiro, M.; et al. Fuel Oil Production from Municipal Plastic Wastes in Sequential Pyrolysis and Catalytic Reforming Reactors. Energy Procedia 2014, 47, [7] Li, G.; et al. Improving aromatic hydrocarbons yield from coal pyrolysis volatile products over HZSM-5 and Mo-modified HZSM-5. Fuel 2014, 130, [8] Ding, L.; et al. Catalytic effects of Na 2 CO 3 additive on coal pyrolysis and gasification. Fuel 2015, 142, [9] Ding, L.; et al. Gas evolution characteristics during pyrolysis and catalytic pyrolysis of coals by TG MS and in a high-frequency furnace. Fuel 2015, 154, [10] Yang, J.; Cai, N. A TG-FTIR study on catalytic pyrolysis of coal. J Fuel Chem Technol 2006, 34 (6), [11] Ali, M.; Ahmed, S.; Qureshi, M. S. Catalytic coprocessing of coal and petroleum residues with waste plastics to produce transportation fuels. Fuel Process. Technol. 2011, 92, [12] Wu, Z.; Sugimoto, Y.; Kawashima, H. Catalytic nitrogen release during a fixed-bed pyrolysis of model coals containing pyrrolic or pyridinic. Fuel 2001, 80, [13] Grams, J.; et al. Influence of Ni catalyst support on the product distribution of cellulose fast pyrolysis vapors upgrading. J. Anal. Appl. Pyrolysis 2015, 113, [14] Han, J.; et al. Catalytic upgrading of coal pyrolysis tar over char-based catalysts. Fuel Process. Technol. 2014, 122, [15] Shen, Y.; et al. In situ catalytic conversion of tar using rice husk char/ash supported nickel iron catalysts for biomass pyrolytic gasification combined with the mixingsimulation in fluidized-bed gasifier. Applied Energy 2015, 160, [16] Shen, Y.; et al. In-situ catalytic conversion of tar using rice husk charsupportednickel-iron catalysts for biomass pyrolysis/gasification. Appl. Catal., B 2014, , [17] Jin, L.; et al. In-situ catalytic upgrading of coal pyrolysis tar on carbon-based catalyst in a fixed-bed reactor. Fuel Process. Technol. 2015, xxx, xxx xxx. [18] Li, X.; et al. Semi-coke as solid heat carrier for low-temperature coal tar upgrading. Fuel Process. Technol. 2016, 143, [19] Lin, H.; et al. Hydrocarbon fuels produced by catalytic pyrolysis of hospital plastic wastes in a fluidizing cracking process. Fuel Process. Technol. 2010, 91,

41 Termochemická konverze paliv a využití plynu v KGJ Jan KIELAR 1,*, Václav PEER 1, Jan NAJSER,1, Jaroslav FRANTÍK 1 1 Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Centrum ENET, 17. listopadu 15/2172, Ostrava -Poruba, Česká republika * jan.kielar@vsb.cz Tento článek se zabývá termochemickou konverzí paliv v pyrolýzní jednotce, umístěné v technologickém centru v Ostravě (TCO), PYROMATIC 250. Popisuje, jak probíhá konverze v jednotce. U všech pyrolyzních produktů bylo následně stanoveno jejich složení. Celý proces pyrolýzy byl řízen tak, aby se plyn následně dal využít v KGJ. Plyn po předčištění pokračoval do čističky plynu. Tento plyn byl poté uskladněn v hlubinném zásobníku a následně spálen na havarijním hořáku plynu. Klíčová slova: pyrolýza, termogravimetrie, měření hmotnostního úbytku 1 Úvod V současnosti s rozvojem životní úrovně se zvyšuje celosvětově spotřeba elektrické energie a zároveň pomalu ubývají zdroje fosilních paliv. Jednou z alternativ je využití biomasy pro termochemickou konverzi. Zde byla využita pyrolýza a jako palivo pelety z fytomasy. Jedná se o zajímavou alternativu k využití fosilních paliv. Další výhodou je, že se jedná o místní zdroje, proto je jejich doprava výhodnější a nezatěžuje tolik životní prostředí. Zároveň se jedná o palivo, které je cenově dostupné resp. se může jednat o odpad bez dalšího významnějšího využití.[1] 2 Popis pyrolýzní jednotky PYROMATIC 250 Proces pyrolýzy probíhal v pyrolýzní jednotce PYROMATIC 250. Jedná se o kontinuální jednotku. Pohyb materiálu uvnitř retorty zajišťuje šnek. Jednotka je otápěna pomocí dvou hořáků na zemní plyn. Tato jednotka je určena především pro poloprovozní testování s cílem zjistit, zda je zvolené palivo vhodné k provozu v tomto typu jednotky. [2] 3 Vlastnosti vstupního materiálu Vstupní materiál 8mm pelety ze sena z lokality Podmoklany, viz obrázek č 1. Samotný materiál byl podroben základním laboratorním a fyzikálně chemickým analýzám. Elementární složení bylo stanoveno pomocí Rentgenový fluorescenční spektrometr Spectro 40

42 Xepos (XRF). Obsah celkové vody v původním vzorku byl laboratorně stanoven pomocí termogravimetrického analyzátoru TGA 701 na 9,5 hm. %. Obr. č. 1: Vstupní materiál. Laboratorně byly stanoveny následující parametry: - Spalné teplo: 16,999 MJ/kg - Výhřevnost v původním vzorku: 14,021 MJ/kg - Prchavá hořlavina: 65,7 hmot. %. Tabulka č. 1: Složení vstupního materiálu. Složka C H S N O Voda Popel Podíl hm. (%) 40 5,52 0,01 1, ,5 7,6 41

43 Hmotnos [%] Rychlost hmotnostní změny [%/h] Energie z biomasy XVIII, TGA DTG ,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 Teplota [ C] Graf č. 1: TGA a DTG - křivka. Parametry testu byly zvoleny na základě termogravimetrické křivky, energetické náročnosti, granulometrie a hustoty vzorku takto: - Doba zdržení materiálu: Od vsázky až po extrakci ~ 130 minut. - Teplota procesu: 430 C - Maximální teplota ve středu vsázky: 437,7 C - Hmotnost vsázky: 936,4 g 4 Parametry testu Parametry testu byly zvoleny s ohledy na nejlepší využití vstupního paliva a s co nejmenšími nároky na energii, kterou musíme dodat do jednotky PYROMATIC 250. Dle předchozích zkušeností s provozem jednotky a pomocí TGA křivky jsme zvolili vhodnou teplotu a dobu setrvání vsázky v procesu - Teplota procesu 430 C - Doba zdržení cca 1 h - Tlak v reaktoru 0,1 kpa 5 Hmotnostní bilance a složení produktů Jeden z důležitých parametrů, které sledujeme při vyhodnocování procesu pyrolýzy, je hmotnostní bilance, která je uvedena v grafu č. 2. V tabulce č. 2. jsou zaznamenány množství jednotlivých produktů k 1 kg vsázky. 42

44 Tabulka č. 2: Výtěžnost jednotlivých frakcí. Frakce Kapalina 446,62 g Plyn 0,106 m 3 Tuhý zbytek 315,4 g Jednotlivé zastoupení produkovaných složek je možné sledovat na grafu uvedeném níže: Plyn [%] 24% Tuhý zbytek [%] 31% Kapalina [%] 45% 5.1 Tuhý zbytek Graf č. 2: Produkty při procesní teplotě 430 C. Tuhý zbytek se převážně skládá z uhlíku - viz obr. č. 2. Jeho složení bylo stanoveno pomocí XRF analýzy, které je uvedeno v tab. č. 3. Tento hotový produkt byl pyrolytický a ihned po jeho vyprodukování musel být ukládán do plechových 200 l sudů i s kousky suchého ledu, nutného pro inertizaci. Po odpaření suchého ledu byly sudy hermeticky uzavřeny. Tento produkt lze využít jako zdroj energie, ke zkvalitnění půdy, nebo jako sorbent. Z energetického hlediska je možno tento produkt využít místo paliva, např. jako náhradu za uhlí, které je velice podobné. Jediná komplikace, která by se mohla objevit při spalování, že již při teplotě 815 C došlo k sintraci popela viz obr. č. 3. Toto je způsobené především obsahem draslíku a dalších alkalických kovů, které obsahuje vstupní biomasa. [3,5] 43

45 Obr. č. 2: Tuhý zbytek. Tab. č. 3: Složení tuhého zbytku. C r [hm.%] H r [hm.%] S r [hm.%] N r [hm.%] O r [hm.%] W r [hm.%] A r [hm.%] Q r s [MJ/kg] 64,1 5,54 0,24 1,98 7,8 0,9 22,6 26,1 Obr. č. 3: Spečený popel při teplotě 815 C v žíhací peci. 44

46 5.2 Kapalina Kapalná fáze obsahuje ze 70 % vodu, proto se při analýze oddělila vodní fáze od olejovité. Složení olejovité části je uvedeno v následující tabulce č. 4. Analýza kapalné fáze se skládá ze dvou samostatných částí - elementární analýzu a kalorimetrickou analýzu. Tab. č. 4. Složení olejovité části kapaliny C r [hm.%] H r [hm.%] S r [hm.%] N r [hm.%] W r [hm.%] Q r s [MJ/kg] 49,97 9,22 0,65 0,81 1,1 23,7 5.3 Plyn Složení plynu bylo stanoveno pomocí online analyzátorů, které jsou umístěny v TCO. Jedná se o složení plynu za posledním chladičem. Zde je plyn odváděn přes systém zachycení dehtů, pomocí odkalovací nádobky a tkaninového filtru. Složení tohoto plynu je uvedeno v tab č. 5. V plynu bylo následně po vyčištění změřeno množství dehtů pomocí tzv. Tar protocolu a jeho množství je v tab. č. 6. Tab. č. 5: Složení plynu. CO [obj.%] CO2 CH4 H2 C2-C4 [obj.%] [obj.%] [obj.%] [obj.%] Ostatní [obj. %] Tab. č. 6: Obsah dehtů v plynu. Obsah dehtů Měření [mg/m 3 ] 1 75, ,22 6 Možnosti využití plynu Takto vyrobený plyn je vhodný k využití pro provoz KGJ. Požadavky na čistotu plynu pro pístové spalovací motory jsou uváděny až 100 mg/m 3 dehtů v závislosti na výrobci. Tyto parametry jsme schopni dodržet již se současným systémem čištění plynu. Výhřevnost plynu pro jejich provoz se uvádí již od 4,5 MJ/m 3. V případě nižší výhřevnosti anebo naopak při příliš vysoké výhřevnosti, jej můžeme smísit se zemním plynem, nebo inertním dusíkem. [2,4] 7 Závěr 45

47 Na základě měření a jeho výsledků můžeme říci že, pyrolýzní plyn vyrobený v pyrolýzní jednotce lze využít pro provoz KGJ s motorem MAN o výkonu 100kW e, která je instalována v TCO. Do budoucna se předpokládá s využitím KGJ při dlouhodobějším provozu pyrolýzní jednotky. Při těchto testech bude ještě zapotřebí zautomatizovat ukládání plynu do hlubinných zásobníků, které jsou v současnosti ovládány ručně. O kvalitě vyčištěného plynu můžeme říci, že z hlediska obsahu dehtů je dostačující pro využití v naší KGJ. Pro případné využití např. v palivových článcích by bylo potřeba zejména odstranit sloučeniny síry, chlóru TZL na požadované parametry. Tyto parametry jsou řádově přísnější než pro provoz pístových spalovacích strojů. Samotný provoz pyrolýzní jednotky i systému čištění plynu byl při využití tohoto paliva bezproblémový a proto můžeme konstatovat, že je vhodné pro takového využití. Poděkování Článek vznikl za podpory Projektu TH /Vývoj technologie pro čištění a úpravu syntézních plynů je řešen s finanční podporou TA ČR. Použitá literatura [1] Nguyen, V. N. and Blum, L. (2015), Syngas and Synfuels from H2O and CO2: Current Status. Chemie Ingenieur Technik, 87: doi: /cite [2] FRANTÍK, Jaroslav. Návrh využití plynu z pyrolízní jednotky pro výrobu elektrické energie. Ostrava, Disertační práce. VŠB - Technická univerzita Ostrava. Vedoucí práce Dagmar Juchelková [3] KIELAR, J. Vypracujte návrh řešení čištění teplosměnných ploch u kotlů na spalování biomasy: Bakalářská práce. Ostrava: VŠB Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojní, Katedra energetiky, 2014, 43 s. Vedoucí práce: Dr. Ing. Bohumír Čech. Formátování textu [4] M. Baratieri, P. Baggio, B. Bosio, M. Grigiante, G.A. Longo, The use of biomass syngas in IC engines and CCGT plants: A comparative analysis, In Applied Thermal Engineering, Volume 29, Issue 16, 2009, Pages , ISSN , [5] S.P. Sohi, E. Krull, E. Lopez-Capel, R. Bol, Chapter 2 - A Review of Biochar and Its Use and Function in Soil, In Advances in Agronomy, Academic Press, Volume 105, 2010, Pages 47-82, ISSN , ISBN , 46

48 Zvýšení účinnosti výroby stlačeného vzduchu v kompresorových stanicích pomocí ORC systému. Josef KOHUT 1, Jan NAJSER 1, Jaroslav FRANTÍK 1,*, Jiří MIKA 1, 1 Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Centrum ENET, 17. listopadu 15/2172, Ostrava -Poruba, Česká republika * Jaroslav.frantik@vsb.cz V současnosti je na celosvětovém trhu poměrně velké množství výrobců kompresorů. Ověřené velké značky a renomovaní výrobci se v posledních 20-ti letech výrazně zaměřili na zvýšení účinnosti kompresorů a snížení energetické náročnosti výroby stlačeného vzduchu. Výsledkem jsou nové typové řady strojů využívající moderní technologie - např. motory s premanentními magnety, přesné regulace otáček motorů, chlazení a řídící systémy s propracovanými algoritmy. Tyto inovativní snahy vedly k úsporám na spotřebované elektrické energii v řádu %. V případě správné volby typu kompresoru a jeho optimální aplikace je možno docílit i dalších 30 až 50 % úspory na provozních nákladech. Klíčová slova: Organický Rankinův cyklus, kompresor, účinnost 1 Úvod Zvýšení účinnosti výroby stlačeného vzduchu v kompresorových stanicích pomocí ORC systému je zaměřen na výzkum a možnosti spojené s výrobou vzduchu pomocí nových technologií. Technologie Organického Rankinova cyklu (ORC), která by se mohla stát součástí výrobních jednotek vzduchu. ORC technologie v daném projektu bude využívat zbytkové teplo, které vzniká při stlačování vzduchu. 2 Důvod využití Stlačování vzduchu či jakéhokoli jiného plynu je velmi energeticky náročný proces hlavně z pohledu vznikajících ztrát, jak je patrné dle obrázku Obr. č. 1. Komprimovaný neboli tlakový vzduch využívaný pro technologické účely je spolu s chladem nejdražší energetická komodita, které se v současnosti pro technologické celky využívá. K danému přispívá fakt, že se při stlačování plynných látek přemění 63-72% vstupní elektrické energie na energii odpadní (teplo) a zbytek tedy 28-36%, přeměněných v tlakovou energii plynu. Tyto ztráty je možné snížit pomocí mezichlazení plynu použitím vícestupňového kompresoru. Odvedením tepla je sníží energetické požadavky na vnitřní práci kompresoru, ale odvedené teplo je nízkopotenciání a jeho využití je problematické a tím se výhoda vícestupňové komprese sníží. U šroubových kompresorů se mimo to vícestupňová komprese používá jen při požadavku na vysoký kompresní poměr. Výstupní teplota 47

49 komprimovaných plynů je proto relativně vysoká a s použitím ORC technologie je možno část tepelné energie využít. ORC jednotky jsou na trhu v širokém spektru výkonů, takže by nemělo být problém získat vhodné jednotky, odpovídající potřebám příslušné kompresní stanice. Důležitou otázkou je volba vhodného zařízení a vhodného média, které umožní ekonomické využití nízkopotenciálního tepla. Obr. č. 1. Sankeyův diagram idealizovaného toku energie při stlačování plynu 3 Typy použitých kompresorů V technologických celcích se v současnosti s výhodou využívá šroubových kompresorů, pro jejich bezproblémovost a dlouhou životnost. Zastoupení na těchto strojů na trhu je cca 70% a předpokládá se zvyšování. Šroubové kompresory viz Obr. č. 2 patří do skupiny kompresorů objemových s rotujícími písty, respektive s rotujícími funkčními orgány. Tato konstrukce nahrazuje přímočarý vratný pohyb funkčního orgánu klasických pístových kompresorů pohybem rotačním, který je podstatně vyváženější a tedy méně namáhá konstrukci kompresoru. Umožňuje také provoz v řádově vyšších otáčkách a díky tomu je možné přímé spojení s pohonem, snížení rozměru, hmotnosti a také investičních nákladů. Chod těchto kompresorů probíhá stlačování média s konstantním vestavěným kompresním poměrem. 48

50 Obr. č. 2 Pracovní prostor šroubového kompresoru - šroubovice Volba správné velikosti kompresoru, je jedním z úkolů, které bude třeba po funkčních testech měřeních vyhodnotit a na konci projektu najít správný energetický/finanční přínos pro jednotlivé velikosti/výkonnosti kompresorů. 4 Využití odpadního tepla Většina odpadního tepla z výroby stlačeného vzduchu je v současnosti často mařena bez dalšího využití případně se využívá nepatrná část. Našim cílem je určit teplotní potenciály jednotlivých ztrát a využít je pro zvýšení efektivity výroby stlačeného vzduchu. Pro daný projekt se bude využívat technologie ORGANICKÉHO RANKINOVA CYKLU - ORC, kde expandérem bude šroubovice kompresoru. Na obrázku Obr. č. 3 je znázorněné zjednodušené schéma ORC technologie. Zjednodušeně lze popsat ORC jako uzavřený tlakový parní oběh s uhlovodíkovým pracovním médiem, které má parametry (zejména bod varu) vhodné pro využití zdroje tepla s nižším potenciálem. Jako média se využívají tzv. silikonové oleje nebo také chladiva Zásobníkem pro pracovní médium je napájecí nádrž, z níž je napájené oběhové čerpadlo. Oběhové čerpadlo, navyšuje tlak média na pracovní úroveň (různé dle teplotního potenciálu využitelného tepla), v ekonomizéru se předehřívá a poté vstupuje do výparníku, kde se dle parametrů kapaliny odpařuje. Vzniklé páry postupují přes separátor kapiček do expandéru, kde je entalpie pracovní látky transformována na energii kinetickou. Nízkotlaká pára vstupuje do kondenzátoru a poté jako kapalina do napájecí nádrže. 49

51 Obr. č. 3 schéma ORC technologie 4.1 Komerčně nabízené ORC jednotky Jednotky s vysokorychlostní turbínou - ORC technologie Capstone Clean Cycle 125 kw. Tato turbína je provedena v kompaktním modulárním systému. Pracuje ve vysokých otáčkách, má tedy poměrně malé rozměry. Pracuje se vzduchovými (magnetickými) ložisky, bez maziva s nízkými nároky na údržbu. Jednotky se šroubovým expandérem tyto jednotky používají šroubový expandér, vlastně se tedy jedná o objemový parní motor. Jeho předností může být nižší citlivost na kvalitu páry, zejména může pracovat s mokrou parou bez nebezpečí poškození. V referencích jednotky s elektrickým výkonem kwe, v nabídce pro vstupní teploty v rozmezí C jsou jednotky s elektrickým výkonem od 55 do 315 kwe s tím, že pro tepelný příkon v rozmezí 4-7MWt dodávají jednotky zdvojené. Pro vstupní teploty v rozmezí C jsou jednotky s elektrickým výkonem od 90 do 370 kwe s tím, že pro tepelný příkon v rozmezí 4-6MWt dodávají jednotky zdvojené. 4.2 Chladiva Do nedávné doby, se pro tuto technologii využívala převážně pracovní média, která měla podstatnou nevýhodu, že byla hořlavá. Problémy s touto skutečností vedly k několika nehodám a v současnosti se většina výrobců snaží využívat technologii nehořlavých chladiv, i když některé firmy stále využívají např. toluen, propan-butan či jiné pracovní média s pro ně zajímavými pracovními křivkami v h/s diagramu. Součástí projektu je volba správného pracovního média chladiva dle teplotních potenciálů jednotlivých tepelných ztrát. Předpokladem je vycházet ze dvou chladiv, R235fa a R138. Každé chladivo má specifický kritický bod využitelný pro jednotlivé výparné teploty. Hodnoty vybraných chladiv jsou uvedeny v Tab.1. 50

52 Tab.1. Přehled základních vlastností vybraných médií pro ORC Označení média M Bod varu *) TCR PCR Poznámka ODP GWP [kg/kmol] [ C] [ C] [MPa] [-] [-] [-] Isopentane 72,149 27,83 187,2 3,378 Hořlavý R ,38 47, ,06 3,3922 Nehořlavý 0, R ,92 3, ,68 3,257 Nehořlavý R ,93 27, ,68 3,6618 Nehořlavý 0, R236ea 152,04 6,19 139,29 3,502 Nehořlavý R245fa 134,05 15,14 154,01 3,651 Nehořlavý R365mfc 148,07 40,15 186,85 3,266 Hořlavý ,106 0,88 155,46 4,0273 Hořlavý Isohexane 86,175 60,21 224,55 3,04 Hořlavý MM 162,38 100,25 245,6 1,939 Hořlavý Toluene 92, ,6 318,6 4,1263 Hořlavý Transbutene Voda 18,015 99, ,95 22,064 Nehořlavý *) při normálním tlaku (ODP) potenciální poškození ozonové vrstvy, (GWP) případný vliv na globální oteplování v rámci 100 let. 5 Měřící trať kompresoru Pro zjištění tepelného potenciálu jednotlivých tepelných ztrát je navržena zkušební trať, na které se provede soubor měření. Měřené veličiny na straně komprimovaného vzduchu: Teplota vzduchu a množství vzduchu na straně sání, případně tlak (podtlak) v sání, teplota a tlak na výstupu z kompresoru před chladičem a za chladičem, resp. sušičkou vzduchu, množství za sušičkou. Měřené veličiny na straně oleje: Teplota, tlak a množství oleje před chladiče, teplota oleje za chladičem. Měřené veličiny na straně chladícího vzduchu: teplota, tlak a množství. Chladícího vzduchu za chladičem. 51

53 Měřené veličiny elektrické energie: Příkon elektromotoru kompresoru, napětí, proud a účiník, příkon topení sušičky, napětí, proud a účiník. Nasávaný vzduch tvz1 [ C] Vvz1 [m3/s] pvz1 [kpa] Šroubový komresor Měřené veličiny Tvz2x [ C] Elektrická energie Pem [kw] U [V] I [A] cos [-] Separátor oleje ts Vs ps Sušička [ C] [m3/s] [kpa] Elektrická energie Psus [kw] U [V] I [A] cos [-] Stlačený vzduch tvz2 [ C] Vvz2 [m3/s] pvz2 [kpa] Olej to2 [ C] Chladič Olej to1 mo1 po1 [ C] [kg/s] [kpa] Chladící vzduch tch [ C] Vch [m3/s] pch [kpa] Obr. č. 4 Návrh měřících míst a jednotlivých veličin 6 Závěr Výzkumným záměrem je zvýšit účinnost kompresorového celku. Současná účinnost výroby stlačeného vzduchu je poměrně nízká a možnost regenerovat část tepelných ztrát může představovat trvalou úsporu elektrické energie, respektive výrobu této energie z odpadního tepla. Tato energie bude vyrobena bez vzniku dalších emisí, tedy vysoce ekologicky a zároveň zlepší ekonomické výsledky kompresorové stanice. Využití ORC jednotky v tomto případě představuje poměrně vysoce adaptabilní zdroj vzhledem k tomu, že je možno použit komerčně dodávané jednotky, které jsou na trhu v poměrně velkém spektru odpovídajících výkonů a je možno použít i modulární koncepce, tedy několik vhodně zvolených jednotek tak, aby pokryly okamžitou produkci odpadního tepla s co nejvyšší účinností přeměny energie. 52

54 Poděkování Článek vznikl za podpory projektu TH Zvýšení účinnosti výroby stlačeného vzduchu v kompresorových stanicích pomocí ORC kompresoru a Adjustace syntézních plynů pro užití v sekundárních energetických strojích SP2017/98. Použitá literatura 1. VÍTEK, S. ORC oběh pro využití tepla KJ. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, XY s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. 2. ONDRÁŠ, Přemysl. Využití organického Rankinova cyklu v teplárnách spalujících biomasu Bakalářská práce. Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. 3. KAMINSKÝ, J. Objemové kompresory. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 59 s. ISBN

55 Vplyv frakčného zloženia vstupnej suroviny a kvality smrekových peliet na spaľovací proces v domácich kotloch Peter KRIŢAN 1,*, Miloš MATÚŠ 1, Juraj BENIAK 1, Jozef BÁBICS 1 Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manaţmentu kvalitu, Námestie Slobody 17, Bratislava, Slovensko * peter.krizan@stuba.sk Cieľom tohto príspevku je poukázať na vzťah medzi kvalitou peliet, ktorá je reprezentovaná hlavne fyzikálnymi vlastnosťami peliet a spaľovaním peliet zo smrekových pilín. Hlavným cieľom tejto štúdie je určiť vzťah medzi rozloţením veľkosti častíc smrekových pilín, ktoré ovplyvňuje kvalitu peliet a emisie znečisťujúcich látok, ktoré vznikajú pri ich spaľovaní v domácom peletovacom kotly. Výsledky prezentované v tomto príspevku vznikli zo vzájomnej medzinárodnej spolupráce Strojníckej fakulty STU v Bratislave a Instituto Superior Tecnico v Lisabone. Hlavné závery tejto štúdie sú: 1. všetky študované pelety spĺňali fyzikálne a mechanické poţiadavky na nepriemyselné pelety; 2. veľkosť častíc surovej biomasy ovplyvnila fyzikálne a mechanické vlastnosti peliet; a 3. emisie plynných a PM nie sú významne ovplyvnené distribúciou veľkosti častíc suroviny pouţívanej na výrobu peliet. Kľúčové slová: pelety, sypná hustota, veľkosť frakcie, domáci kotol, tuhé znečisťujúce častice 1 Úvod Peletovanie biomasy je proces zhutňovania hmoty a energie materiálov, ktoré majú nízku objemovú hustotu. Počas peletovania biomasy výrazne ovplyvňujú rôzne technologické premenné a parametre materiálu finálnu kvalitu tuhých biopalív (peliet) [1]. Kvalita peliet je určená požiadavkami koncového užívateľa na vykurovací systém a vlastnosťami manipulácie s peletami [2]. Kvalita peliet vo všeobecnosti závisí od vlastností surovín - typu biomasy, obsahu vlhkosti a veľkosti častíc - a riadenia kvality výrobného procesu - prevádzkové podmienky, technologické premenné, typ peletovacieho lisu a spojivo [3]. Pelety s nízkou kvalitou môžu spôsobiť prevádzkové problémy v spaľovacích systémoch vrátane nežiaducich účinkov v zariadeniach, ako je nalepovania, zanášania alebo korózie a môžu spôsobiť značné množstvo emisií plynných a tuhých častíc [4,5]. Čo sa týka plynných emisií druh pelety má významný vplyv na emisie CO, HC a NOx, hoci výkon kotla nie je výrazne ovplyvnený [5,6]. Na strane emisií tuhých častíc sa pozorovalo, že jemné frakcie sú zvlášť škodlivé pre ľudské zdravie [5,6]. Prezentovaný článok je výsledkom výskumnej spolupráce medzi Strojníckou fakultou STU Bratislava a Instituto Superior Tecnico v Lisabone, čiastočne financovaná Agentúrou pre výskum a vývoj (Slovakia) a Fundação para a Ciência e Tecnologia (Portugalsko). Hlavným 54

56 cieľom štúdie je určiť vzťah medzi rozložením veľkosti častíc smrekových pilín použitých pri výrobe peliet a emisiami znečisťujúcich látok, ktoré vznikajú pri spaľovaní v domácom peletovacom kotly. Bol určený vplyv distribúcie veľkosti častíc na fyzikálne vlastnosti peliet (mechanická pevnosť, sypná hustota, atď.), ale aj na emisie plynov a tuhých znečisťujúcich častíc. 2 Materiály a metódy 2.1 Vlastnosti vstupného materiálu Surové smrekové piliny (Picea Abies), bez kôry, pôvodom zo západného Slovenska boli získané od lokálneho spracovateľa dreva. Najprv sa analyzovala distribúcia veľkosti častíc pomocou zariadenia RETSCH Vibrating Sieve Equipment AS 200. Tri rôzne rozdelenia veľkosti častíc boli pripravené kladivovým mlynom Stoza ŠV 5 s použitím sita ø 4 mm. Pri výrobe peliet boli použité neupravené smrekové piliny (vzorka 1), smrekové piliny jedenkrát podrvené (vzorka 2) a smrekové piliny dvakrát podrvené (vzorka 3). Obrázok 1 ukazuje rozdelenie veľkosti častíc surovín troch použitých vzoriek. Obsah vlhkosti smrekových pilín pred drvením a peletovaním sa stanovil pomocou váh na meranie vlhkosti Kern MRS Toto meranie spočívalo v zahriatí pilín (gravimetrická metóda merania obsahu vlhkosti) [7] na teplotu 105 ± 2 C, kým sa nedosiahla konštantná hmotnosť. Z dôvodu zložitého procesu zmeny obsahu vlhkosti sa v tejto štúdii použila iba jedna úroveň obsahu vlhkosti. Boli použité iba smrekové piliny s obsahom vlhkosti 9,8% a maximálne boli zvlhčené pred drvením a peletovaním na vlhkosť 14,3%. Obrázok 1. Rozloţenie veľkosti frakcií v objeme pre všetky analyzované vzorky 55

57 2.2 Výroba peliet Pre výrobu peliet bol použitý vertikálny peletovací lis KAHL s plochou okrúhlou matricou (pozri obrázok 2). Počas peletovania bola použitá matrica s otvormi ø 6 mm. Peletovanie prebiehalo pri konštantných prevádzkových parametroch peletovacieho lisu, t.z. lisovací tlak (12 MPa), lisovacia teplota (100 C) a obvodová rýchlosť valcov (2,2 m.s-1) sa nemenila. Obrázok 2. Peletovací lis KAHL (vľavo) a pohľad na lopatkový homogenizátor s vodnou tryskou (vpravo) Interakcia medzi obsahom vlhkosti surovín, lisovacím tlakom a lisovacou teplotou počas peletovania biomasy je veľmi dôležitá [8,9]. Ak je obsah vlhkosti v lisovanom materiály veľmi nízky alebo veľmi vysoký, častice sa stávajú nerovnomerne usporiadané a výsledné pelety sa stávajú nestabilnými [9,10]. Doterajší výskum ukázal, že vlhkosť pilín má vplyv na plastifikáciu lignínu. V prezentovanej štúdii bol obsah vlhkosti smrekových pilín nízky (9,8%) z pohľadu technológie peletovania, z tohto dôvodu bola pridávaná voda prostredníctvom homogenizátora s vodnou tryskou, na zvýšenie obsahu vlhkosti piliny pred peletovaním. Táto dodatočná voda však neovplyvňuje kvalitatívne piliny, je tu potrebná iba z dôvodu plynulejšieho procesu zhutňovania. Primeraná lisovacia teplota zaisťuje, že lignín zmäkne v lisovanom materiály a optimálny lisovací tlak zabezpečuje spojenie častíc materiálu a zhutnenie suroviny [11, 12]. Určitá úroveň vlhkosti spôsobuje vyššiu teplotu v procese peletovania a tým aj vyššiu kvalitu peliet [13]. Optimálna úroveň vlhkosti zlepšuje peletovanie pilín a tým zlepšuje súdržnosť peliet. Na obrázku 3 je vidieť vyrobené pelety a ich povrch pre tri vyrobené vzorky. 56

58 2.3 Skúšky spaľovania Skúšky spaľovania boli realizované v experimentálnom zariadení simulujúcom domáci peletovací kotol na spaľovanie drevných peliet s núteným ťahom a maximálnym tepelným výkonom 22 kw. Obrázok 4 znázorňuje schému tohto experimentálneho zariadenia. Toto experimentálne zariadenie sa často používalo na spaľovanie aj v iných výskumných [4,5], kde je aj podrobne opísané. Pelety sa ručne vkladajú do násypky s kapacitou 45 kg a privádzajú sa do horáka cez závitovkový podávač, ktorý pracuje impulzne. Rýchlosť dodávky peliet je regulovaná zaťažením kotla a miera spotreby peliet, a meria sa technikou stratovej hmotnosti, keďže je kotol namontovaný na váhe. a) pelety vzorka 1 b) priblížený pohľad (40x) na povrch peliet pozdĺž osi pelety - vzorka 1 d) priblížený pohľad (40x) na povrch peliet pozdĺž osi pelety - vzorka 2 c) pelety vzorka 2 57

59 f) priblížený pohľad (40x) na povrch peliet pozdĺž osi pelety - vzorka 3 e) pelety vzorka 3 Obrázok 3. Smrekové pelety s rozdielnym rozloţením veľkosti častíc Obrázok 4. Schéma experimentálneho zariadenia (domáci kotol) a prepojenie meracej techniky Spaľovanie peliet prebiehalo v hemisférickej komore o priemere 120 mm s horákom. Do komory boli pelety dopĺňané pomocou závitovkového dopravníka. Zapaľovanie sa uskutočňuje pomocou elektrického odporu umiestneného v komore a primárny vzduch je dodávaný ventilátorom do priestoru spaľovacej komory cez niekoľko malých otvorov 58

60 umiestnených v spodnej časti komory. Výsledné horúce plyny zo spaľovania ohrievajú vodu cirkulujúcu vo výmenníku tepla, umiestneného v hornej časti spaľovacej komory. Teplo prenášané do vody v kotly sa rozptýli cez doskový výmenník tepla pomocou vonkajšieho vodného okruhu. Prietok vody cirkulujúci vo vnútornom okruhu kotla bol meraný rotametrom a vstupné a výstupné teploty boli merané s termočlánkami typu K, T1 a T2 na obrázku 4. Koncentrácie spalín z O 2, CO, CO 2, uhľovodíkov (HC) a NOx sa merali, aby sme získali informácie o podmienkach spaľovania. Tieto merania sa dosiahli pomocou sondy z nehrdzavejúcej ocele, ktorá bola navrhnutá tak, aby minimalizovala hlavné zdroje neistoty. Analytické prístroje od firmy Horiba (Kjóto, Japonsko) pozostávajú z paramagnetického analyzátora pre merania O 2, z nedisperzného analyzátora infračerveného plynu na meranie CO 2 a CO, z plameňového ionizačného detektora pre merania HC a chemiluminiscenčného analyzátora pre merania NOx. Kalibrácie nulového a kalibračného plynu so štandardnými zmesami boli vykonané pred a po každom meraní. Teplota spalín sa merala pomocou termočlánku typu K, T3, pozri obrázok 4. Analógové výstupy analyzátorov a termočlánku sa prenášali cez A / D dosky do počítača, kde sa signály spracovávali a zaznamenané hodnoty sa dôkladne uchovávali. Pre stanovenie obsahu tuhých častíc boli vždy izokineticky odobraté vzorky, pre charakterizáciu veľkosti častíc pomocou kaskádového nárazového zariadenia s nízkym tlakom v troch stupňoch (LPI, TCR Tecora, Miláno, Taliansko) s prietokom 10 l.min -1 (STP). Tuhé častice boli odoberané z osi výfukovej trubice, pričom LPI bol umiestnený horizontálne. Použitý LPI umožnil zhromaždiť tri veľkosti častíc počas rovnakého odberu vzoriek: tuhé častice s priemerom nad 10 μm (PM10), tuhé častice s priemermi medzi 2,5 μm a 10 μm a tuhé častice s priemermi pod 2,5 μm (PM2,5). Aby sa zabránilo kondenzácii pozdĺž výstupnej sondy od vstupného impaktora, a tiež vo vnútri impaktora, sa počas odberu používal vyhrievací plášť (model Winkler WOTX1187). Toto zariadenie umožňuje ohrev vzorky až do 150 C. Pred začiatkom odberu sa kotol prevádzkoval počas 60 minút, aby sa dosiahli rovnovážne podmienky. Systém odberu vzoriek tuhých častíc bol potom prevádzkovaný počas 45 minút. tuhé častice sa zhromaždili na kremičitých mikrovláknitých filtroch, ktoré sa sušili v peci a vážili pred každým testom. Po každom teste boli filtre opäť vysušené, aby sa odstránila vlhkosť a vážili sa na stanovenie množstva zachytených tuhých častíc. 3 Výsledky a diskusia 3.1 Vplyv veľkosti vstupnej frakcie na fyzikálne vlastnosti peliet Veľkosť častíc vstupných pilín má dôležitý vplyv na proces zhutňovania, pretože väčšie častice zvyšujú energiu potrebnú na zhutnenie. Navyše pelety zhutnené z veľkých častíc majú nižšiu homogenitu a pevnosť [13]. Veľká časť jemných častíc umožňuje lepšie zhutnenie surovín. Výsledné pelety sú homogénne, vysoko kvalitné a dosahujú vyššiu objemovú hustotu [9]. S rastúcou veľkosťou frakcie sa pevnosť väzby medzi časticami znižuje, čo spôsobuje ich rozpad [8]. Z hľadiska zhutňovania je veľmi dôležité, aby sa medzi časticami vytvorili vnútro väzbové sily. Pevnosť výsledných väzieb sa zvyšuje s klesajúcou veľkosťou frakcie. Je známe, že veľkosť väzieb medzi časticami a distribúciou veľkosti častíc ovplyvňuje fyzikálne vlastnosti peliet. Pri peletovaní, najmä bez prídavných látok, musia byť povrchy častíc v kontakte na čo najväčších možných plochách [13]. Veľkosť tejto kontaktnej plochy sa zvyšuje, keď sa veľkosť častíc zmenšuje a sú aplikované vyššie lisovacie tlaky. 59

61 Tab. 1. Fyzikálne vlastnosti vzoriek peliet Parameter Pelety Pelety Pelety (vzorka 1) (vzorka 2) (vzorka 3) Obsah vlhkosti (%) Sypná hustota (kg m -3 ) Mechanická pevnosť (%) Oter peliet (%) Tvrdosť peliet (N) V tabuľke 1 sú uvedené fyzikálne vlastnosti vyrobených a analyzovaných vzoriek peliet. Je zrejmé, že pri znižovaní veľkosti častíc sa menili fyzikálne vlastnosti peliet. Preto je dôležité skúmať vplyv veľkosti častíc na fyzikálne vlastnosti peliet a tým na kvalitu peliet. Tabuľka 1 ukazuje, že fyzikálne vlastnosti peliet 2 a 3 sú veľmi podobné napriek tomu, že ich pôvodná distribúcia veľkosti častíc je odlišná. Je dôležité zdôrazniť, že všetky pelety, ktoré sú tu analyzované, splnili fyzikálne a mechanické kvalitatívne požiadavky na priemyselné pelety dané technickými normami. 3.2 Vplyv rozloženia veľkostí frakcií v peletách na spaľovací proces V tabuľke 2 sú zhrnuté výsledky merania emisií plynov a emisií tuhých častíc pre tri typy vzorky peliet a tabuľka 3 ukazuje rozloženie veľkosti tuhých častíc pre skúmané prevádzkové podmienky kotla. Všimnite si, že zmeny tepelného príkonu sú sprevádzané zmenami prebytočného vzduchu, pretože tok spaľovacieho vzduchu je udržovaný konštantný bez ohľadu na rýchlosť posuvu peliet. Z tohto dôvodu tabuľka 3 odhaľuje, že koncentrácia O 2 spalín klesá s tepelným príkonom a dosahuje minimálne 15%, čo zodpovedá tepelnému príkonu kotla 14 kw pre vzorku peliet 2. Pelety 2 vykazujú vyššie emisie CO, HC a NOx ako pelety 1 a 3. Emisie tuhých častíc sledujú rovnaký trend ako emisie CO a HC. Ako sa očakávalo [4], pretože emisie týchto znečisťujúcich látok súvisia s nedokonalým spaľovaním [4]. Upozorňujeme však, že emisie HC sú vždy skôr malé pre všetky testované pelety. V tabuľke 3 je zrejmé, že pri rozložení frakcií emisií tuhých častíc dominujú hlavne častice s veľkosťou pod 2,5 μm bez ohľadu na tepelný príkon. Tab. 2. Emisie plynov a emisie tuhých častíc Tepelný príkon (kw) Pelety 1 Pelety 2 Pelety 3 Teplota spalín (ºC) O 2 (% v suš.) CO 2 (% v suš.) CO (% v suš.)

62 HC (ppm v suš.) NO x (ppm % v suš.) PM (mg/nm 3 ) Tab. 3. Rozloženie veľkosti tuhých častíc Tepelný príkon (kw) Pelety 1 Pelety 2 Pelety 3 PM10 (mg/nm 3 ) PM2.5-PM10 (mg/nm 3 ) PM2.5 (mg/nm 3 ) Záver Hlavné poznatky a závery, ktoré je možné konštatovať na základe tejto štúdie, sú nasledovné: všetky analyzované pelety spĺňali fyzikálne a mechanické kvalitatívne požiadavky na priemyselné pelety dané normami. veľkosť frakcie a rozloženie frakcií vo vstupnej surovine ovplyvnila fyzikálne a mechanické vlastnosti peliet. emisie plynov a emisie tuhých častíc nie sú významne ovplyvnené rozložení veľkosti frakcií vstupnej suroviny používanej na výrobu peliet. Poďakovanie Tento príspevok vznikol za podpory projektu VEGA 1/0420/16 - Stanovenie a výskum vplyvu parametrov v procese zhutňovania odpadovej biomasy na výslednú kvalitu výliskov, financovaného Ministerstvom školstva SR a Slovenskou akadémiou vied. 61

63 Použitá literatura [1] Kaliyan, N. and Morey Vance, R.: Factors affecting strength and durability of densified biomass products, Biomass and Bioenergy, 33 (3), , [2] Holm, J.; Henriksen, U.; Hustad, J. and Sorensen, L.: Toward an understanding of controlling parameters in softwood and hardwood pellets production, American Chemical Society, published on web 09/09/2006. [3] Križan, P.: The densification process of wood waste. Berlin De Gruyter open. ISBN [4] Fernandes, U. and Costa, M.: Particle emissions from a domestic pellets-fired boiler, Fuel Process. Technol., 103, 51-56, [5] Fernandes, U. and Costa, M.: Formation of fine particulate matter in a domestic pelletfired boiler, Energy Fuels, 27, , [6] Garcia.Maraver, A., Zamorano, M.; Fernandes, U.; Rabacal, M. and Costa, M.: Relationship between fuel quality and gaseous and particulate matter emissions in a domestic pellet-fired boiler, Fuel, 119, , [7] EN ISO Solid biofuels - determination of moisture content-oven dry method part 3: moisture in general analysis sample, European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, [8] Nielsen, N.P.K., Gardner, D.J. and Poulsen, T.: Importance of temperature, moisture content, and species for the conversion process of wood residues into fuel pellets, Wood and Fiber Science, 41(4), , [9] Thoreson, C.P., Webster, K. E., Darr, M. J. and Kapler, E.J.: Investigation of process variables in the densification of corn stover briquettes, Energies,7(6), , [10] Križan, P., Šooš, Ľ., Matúš, M., Beniak, J. andsvátek, M.:Research of significant densification parameters influence on final briquettes quality, Wood research, 60, 2, [11] Križan, P., Matuš, M., Šooš, Ľ. and Beniak, J.: Behavior of beech sawdust during densification into a solid biofuel, Journal Energies, 8, 7, , [12] Matúš, M. and Križan, P.: Influence of structural parameters in compacting process on quality of biomass pressing, Aplimat Journal of Applied Mathematics, 3, 3, 87-96, [13] Mani, S., Tabil, L. G. and Sokhansanj, S.: Effects of compressive force, particle size and moisture content on mechanical properties of biomass pellets from grasses, Biomass & Bioenergy, 30, ,

64 Získávání vodíku z dřevní biomasy Pavel LEŠTINSKÝ *, Ivan KOUTNÍK, Barbora GRYCOVÁ, Adrian PRYSZCZ, Kristýna PLÁNKOVÁ, Zdeněk ZIKMUND Institut environmentálních technologií (IET), VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, Ostrava, * pavel.lestinsky@vsb.cz Mikrovlnný ohřev je často označován jako ohřev budoucnosti a stále proniká do dalších a dalších aplikací. Příspěvek se zabývá využitím mikrovlnné pyrolýzy při získávání vodíku z dřevní biomasy. V kombinaci s vhodným katalyzátorem bylo dosaženo až 45 % účinnosti získávání vodíku z původní biomasy. Použití katalyzátoru významně napomohlo ke štěpení dehtů a suchému reformování oxidu uhličitého a metanu na vodík a oxid uhelnatý. Klíčová slova: vodík, mikrovlny, pyrolýza, katalyzátor, reforming 1 Úvod Vodík je nejstarší a zároveň nejjednodušší prvek ve vesmíru. Je neodmyslitelnou součástí mnoha chemických výrob, zejména výroby amoniaku a metanolu. Využívá se také pro hydrogenační reakce, v rafinérském a farmaceutickém průmyslu, v metalurgii apod. Zatímco využití vodíku je velice široké, jeho výroba probíhá jen několika způsoby. Převážně jde o parní reformování, následované separací z rafinérských a petrochemických procesů (katalytické reformování), v drobné míře pak parciální oxidací (POX), elektrolýzou či zplyňováním. Obecně lze říci, že více než 95 % světové produkce vodíku je vyrobeno z fosilních zdrojů jako zemní plyn, ropa a uhlí. Právě pokles zásob fosilních zdrojů a nepříznivé dopady využití fosilních energií na životní prostředí vedou k silnému zájmu o obnovitelnou energii. Právě dřevní biomasa může být v našich podmínkách použita jako vhodný obnovitelný zdroj energie. Existuje již několik možných způsobů průmyslového zpracování, jako je spalování, zplyňování, pyrolýza, nebo torrefikace. Obr. 1 Zjednodušený princip mikrovlnné pyrolýzy [2] 63

65 Mikrovlnný ohřev je jednou z nejslibnějších metod zvýšení účinnosti a zrychlení chemických reakcí. Rychlý, selektivní a rovnoměrný ohřev je základní výhodou této technologie, která umožňuje i zpracování a využití nehomogenních odpadů a biomasy s velkou velikostí části [1]. Princip mikrovlnného ohřevu je vidět na Obr 1. Důležitou roli v mikrovlnném ohřevu hraje výběr absorbentu elektromagnetického, tedy mikrovlnného záření. Např. aktivní uhlí či uhlíkatý materiál z biomasy (bio-uhel) mají až 10x větší absorbanci mikrovlnného záření než destilovaná voda. Jelikož samotná biomasa není příliš dobrým absorbentem mikrovlnného záření (má nízký dielektrický ztrátový faktor materiálu), je nutné k ní přidat materiál, který dokáže toto mikrovlnné záření transformovat na teplo. Právě takovými jsou materiály na bázi uhlíku, s obsahem uhlíku více než hm.%. Cílem této práce je ověřit možnost získávání vodíku pomocí mikrovlnné pyrolýzy dřevní biomasy, popř. katalytické pyrolýzy. 2 Experimentální část 2.1 Surovina Jako dřevní biomasa byly použity smrkové piliny, které byly před experimentem sušeny 24h při 105 C. Termogravimetrická a elementární analýza byly provedeny na přístrojích LECO TGA701 a LECO CHSN628 (viz Tab. 1). Před experimenty byly smrkové piliny rozsítovány a dále byla použita jen frakce 0,63-1,6 mm (tento rozměr frakce byl použit i pro uhlíkatý materiál). Tab.1. Složení dřevní biomasy smrkových pilin Termogravimetrická analýza (hm. %) Vlhkost 0,6 Prchavá hořlavina 77,5 Neprchavá hořlavina 21,3 Popel 0,6 Elementární analýza (hm. %) C 51,7 N 1,0 H 6,1 O 41,2 64

66 2.2 Příprava uhlíkatého materiálu pro absorpci mikrovln Ke smrkovým pilinám bylo přidáno několik gramů uhlíkatého materiálu z pyrolýzy v klasické peci. Tato směs byla v mikrovlnném reaktoru zpyrolyzována při 400 W asi 20 min. Vzniklý tuhý zbytek byl použit pro pyrolýzu pilin s označením bez katalyzátoru. Smrkové piliny byly smíseny s 0,1 M vodným roztokem Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O a Co(NO 3 ) 2 6H 2 O. Piliny byly v těchto roztocích 24 h impregnovány. Poté byly piliny sušeny 24 h při 110 C. Vysušené naimpregnované piliny byly smíseny s uhlíkatým materiálem z předešlé pyrolýzy v poměru 5:1 a pyrolyzovány v mikrovlnné troubě 20 min. při 400 W. 2.3 Charakterizace katalyzátoru a uhlíkatého materiálu Texturní vlastnosti byly stanoveny na základě adsorpce dusíku na přístroji 3Flex Instrument. Byl stanoven specifický povrch pomocí teorie BET, dále byl stanoven objem mikro- a mezopórů. Složení fází bylo určeno pomocí X-ray difrakce. XRD spektrum bylo změřeno na přístroji Rigaku Smart-Lan Diffractometer. Byly také provedeny Ultimate and Proximate analýzy. 2.4 Aparatura Laboratorní aparatura se skládala z mikrovlnné trouby (upravené pro laboratorní účely), skleněné baňky 250 ml, dále skleněného chladiče pro chlazení produktů pyrolýzy, skleněné baňky 100 ml pro sběr kondenzátu a dále pak 5 promývacích baněk pro zachycení dehtové mlhy (první obsahovala vodu, dále pak tři byly naplněné acetonem a poslední opět vodou). Poté následoval plynoměr pro měření průtoku generovaného plynu a Tedlar vzorkovnice pro záchyt pyrolýzního plynu. Pro každý experiment bylo naváženo 50 g smrkových pilin a 10 g uhlíkatého materiálu (katalyzátoru). Pyrolýza probíhala po dobu 20 min. při výkonu 400 W (frekvence 2450 MHz). Poměr směsi, stejně jako čas a výkon ohřevu byly nastaveny s ohledem na předešlé parametrické studie [3]. Obr. 2 Experimentální aparatura mikrovlnné pyrolýzy 2.5 Charakterizace produktů 65

67 Pyrolýzní plyn byl analyzován na plynovém chromatografu Agilent 7890A s detektory FID a TCD. Pro separaci jednotlivých plynů byla použita kolona Micropacked (2 m x 0.53 mm). Kapalný produkt byl rozpuštěn v přesném objemu methanolu a pomocí Karl-Fischer titrace na přístroji TitroLine 7500 KF byl změřen obsah vody v kondenzátu. 3 Výsledky a diskuze 3.1 Výsledky experimentu Byly provedeny experimenty mikrovlnné pyrolýzy a katalytické mikrovlnné pyrolýzy. Průběh experimentů byl velice rychlý, což je patrné z Obr. 3. Pomocí mikrovlnného ohřevu bylo v reaktoru dosaženo teploty 600 C během 5 minut. Největší generace plynu a par proběhla mezi teplotami 300 až 500 C, což odpovídá termogravimetrické křivce tohoto materiálu. Po 15 min. již k tvorbě plynu nedocházelo, teplota v reaktoru se po 10 min. ustálila na zhruba 800 C. Obr. 3 Množství generovaného plynu se závislostí na teplotním nárůstu (bez katalyzátoru) Jednotlivé produkty plyn, kapalný kondenzát a tuhý zbytek byly podrobeny analýzám, viz kapitoly výše. Rozložení produktů je zobrazeno na Obr. 4. Je zřejmé, že přítomnost katalyticky aktivního kovu na povrchu uhlíkatého materiálu má významný vliv na štěpení dehtových par a tvorbu pyrolýzního plynu. Při pyrolýze bez katalyzátoru se kondenzát rozdělil na dvě fáze olejovou a vodnou (1/4 a 3/4). Obsah vody ve vodné fázi byl 63 hm. %, v olejové 4 hm. %. Při katalytické pyrolýze se olejová vrstva netvořila (nebo jen nepatrně malá, těžko dělitelná), obsah vody ve vodné fázi byl také zhruba hm. % 66

68 Obr. 4 Rozložení produktů mikrovlnné pyrolýzy Při pohledu na složení pyrolýzního plynu (viz Obr. 5) je pak zřejmé, že přítomnost katalyzátoru má také zásadní vliv na složení plynu, hlavně na obsah vodíku a oxidu uhelnatého. Snižující se množství oxidu uhličitého a uhlovodíků naznačuje probíhající suché reformování na povrchu katalyzátoru (niklu a kobaltu). Koncentrace oxidu uhličitého klesla s 25 % na 9 %. Při použití kobaltového katalyzátoru tvořila směs H 2 +CO téměř 85 %. Přesné složení pyrolýzního plynu i s uhlovodíky je vypsáno v Tab. 2. Tab.2. Složení pyrolýzního plynu bez katalyz. (vol. %) Ni (vol. %) Co (vol. %) H CO CO CH C 2 H C 2 H C 2 H C 3 H C 3 H H 2 +CO

69 CH 4 +C x H y Obr. 5 Složení pyrolýzního plynu 3.2 Charakterizace uhlíkatého materiálu a katalyzátoru Uhlíkatý materiál i katalyzátory byly podrobeny měření adsorpční izotermy a stanovení BET. Výsledky měření jsou vypsány v Tab. 3. Tab. 3 Analýza povrchu S BET (m 2 /g) S meso (m 2 /g) V micro (cm 3 liq/g) V total (cm 3 liq/g) uhlík. mat ,150 0,192 Ni ,118 0,267 Co ,099 0,275 Povrch obou katalyzátorů se vyznačuje značně velkým povrchem mezopórů, které jsou nezbytné pro krakování dehtů a organických látek. To potvrzuje i výsledek měření (viz Obr. 3). Z rentgenové difrakce je zřejmé, že při pyrolýze impregnovaných pilin došlo díky přítomnosti vodíku v pyrolýzním plynu ke vzniku čistých kovových forem (výrazné píky) niklu a kobaltu. Kromě čistých kovových forem se tyto kovy vyskytují i v oxidické formě (NiO, CoO a Co 3 O 4 ). Spektrum XRD je zobrazeno níže na Obr. 6. Kromě samotných kovů je ve spektru patrný grafit, ale také magnezium kalcit, který je důkazem přítomnosti popelovin z biomasy. 68

70 Obr. 6 XRD spektrum Co a Ni katalyzátoru 3.3 Ověření funkčnosti katalyzátoru Jelikož katalyzátor vykazoval dobré vlastnosti, byly provedeny dodatečné experimenty suchého reformování metanu a oxidu uhličitého v laboratorním průtočném reaktoru se sypaným ložem. Průměr reaktoru byl 4 mm, navážka katalyzátoru 0,2 g, předpokládaná délka katalytického lože 40 mm. Teplota lože byla 800 C (měřeno termočlánkem před a za ložem). Do reaktoru byla přivedena ekvimolární směs CH 4 a CO 2 o průtoku 24 ml/min. Takto malý průtok spolu s rozměry katalytického lože dovoluje zanedbat vlivy vnější a vnitřní difuze, a umožňuje tak např. studium kinetiky. Směs plynů po průchodu reaktoru byla odebírána do Tedlarových vzorkovnic v časových intervalech 15 min. Výsledná konverze metanu a oxidu uhličitého je zobrazena na Obr. 7. Ze záznamu konverze je zřejmé, že v průběhu reakce dochází ke snižování aktivity katalyzátoru, patrně díky zanášení povrchu katalyzátoru uhlíkem, který vzniká jako vedlejší produkt štěpení metanu. Z literatury vyplývá, že proti zanášení povrchu katalyzátoru je vhodné ke katalyzátoru přidat promotor v podobě zirkonu, cesia či praseodymu. Obr. 7 Konverze metanu a oxidu uhličitého při suchém reformování na 7%Co / C katalyzátoru 69

71 4 Závěr Účinnost procesu katalytické mikrovlnné pyrolýzy při získávání vodíku byla až 45 %. To znamená, že z 1 kg suché biomasy (s obsahem 61 g H 2 ) je možné získat zhruba 27,5 g vodíku. Značným problémem je zde vsádkové uspořádání, které neumožňuje plně využít potenciál katalyzátoru. Díky velmi krátké době zdržení par v reaktoru nebyla všechna hmota vystavena kontaktu s povrchem katalyzátoru. Tento problém by mělo vyřešit průtočné uspořádání s dvěma oddělenými loži, jedno pro termický rozklad biomasy, druhé pro katalyzátor. Z výsledků použití katalyzátoru je zřejmý pokles oxidu uhličitého a uhlovodíků, což ukazuje na to, že na povrchu katalyzátoru probíhá suché reformování. Toto tvrzení bylo ověřeno samostatným experimentem v malém průtočném laboratorním reaktoru při teplotě 800 C. Konverze obou látek s časem klesala, nicméně existují promotory, které tuto deaktivaci potlačují. Sumárně shrnuto, katalyzátory z biomasy vykazují dobré vlastnosti pro krakování dehtů a suché reformování uhlovodíků spolu s oxidem uhličitým, čehož se dá využít v mnoha procesech čištění odpadních a procesních plynů, nejen v oblasti termického zpracování biomasy. A tímto směrem bychom se dále rádi ubírali. Poděkování Práce vznikla za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu Národní program udržitelnosti I, projekt LO1208 TEWEP a za podpory Studentské grantové soutěže projekt SP2016/62. Použitá literatura [1] WANG, N., A. TAHMASEBI, J. L. YU, J. XU, et al. A Comparative study of microwave-induced pyrolysis of lignocellulosic and algal biomass. Bioresource Technology, Aug 2015, 190, [2] LESTINSKY, P., B. GRYCOVA, A. PRYSZCZ, A. MARTAUS, et al. Hydrogen production from microwave catalytic pyrolysis of spruce sawdust. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Mar 2017, 124, [3] LESTINSKY, P., B. GRYCOVA, I. KOUTNIK AND A. PRYSZCZ. Microwave Pyrolysis of the Spruce Sawdust for Producing High Quality Syngas. In P.S. VARBANOV, P.Y. LIEW, J.Y. YONG, J.J. KLEMES AND H.L. LAM eds. Pres2016: 19th International Conference on Process Integration, Modeling and Optimization for Energy Savings and Pollution Reduction. 2016, vol. 52, p

72 Vlastnosti agropelet a jejich dopad na produkci emisí Martin LISÝ *, 1, David JECHA 1, Marek BALÁŠ 1, Jan NAJSER 2 1 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Technická 2896/2, Brno 2 VŠB-TU Ostrava, Centrum ENET, 17. listopadu 15/2172, Ostrava -Poruba, * lisy@fme.vutbr.cz Příspěvek shrnuje základní výsledky studie základních vlastností agropelet, popřípadě dřevních pelet, aby mohlo dojít ke srovnání jednotlivých vlastností. Pelety využívané v ČR můžeme rozdělit na 2 velké skupiny dřevní a nedřevní (agropelety). Zatímco dřevní pelety jsou hojně využívány i v zařízeních o malých výkonech, prakticky veškerá spotřeba pelet nedřevních je realizována v sektoru velké energetiky, tedy v teplárnách a elektrárnách. Klíčová slova: biomasa, vlastnosti agropelet, spalování, emise 1 Úvod S ohledem na energetický význam biomasy a jejích následných produktů se v našich podmínkách převáţná část biomasy vyuţívá ke spalování. Pro efektivní vyuţití biomasy je nutné vstupní surovinu náleţitě upravit. Tyto procesy zpravidla vyţadují přidanou energii, a je proto nutné optimalizovat formu tak, aby byla potencionální energie výsledného produktu efektivní v porovnání s dodanou energií při zpracování. Nejčastější mechanickou úpravou nedřevní biomasy je lisování do briket nebo pelet. Většinová produkce nedřevních pelet v ČR slouţí jako palivo pro teplárny a elektrárny, avšak pouţití automatických kotlů menších výkonů je na vzestupu. Automatické kotle na spalování pelet mohou být, díky svému bezobsluţnému provozu, zajímavou alternativou pro běţně uţívané zdroje vytápění - jako např. zemní plyn přičemţ jejich zavedení je podporováno i formou tzv. kotlíkových dotací. Nejčastěji vyuţívaným palivem v automatických peletových kotlech jsou pelety dřevní. Spalování pelet nedřevních, tzv. agropelet totiţ přináší řadu komplikací, kvůli nimţ není efektivní spalování agropelet v kotlech určených pro dřevní pelety moţné. Především jde o větší tvorbu popele a jeho spékavost. Agropelety dostupné na českém trhu jsou nejčastěji sloţeny z odpadu zemědělské produkce (sláma, zbytky z čištění semen, nestandartní semena, osiny, atd.), ale i z rostlin pěstovaných záměrně pro energetické účely (ţitovec, šťovík, konopí). Agropelety mohou být vyráběny i z fermentačních zbytků z bioplynových stanic, tzv. digestátu. Pro výzkumnou část projektu byl proveden palivářský rozbor vzorků agropelet (sláma, šťovík a digestát ) a vzorků dřevních pelet. Cílem bylo stanovit základní palivové vlastnosti a porovnat je s dosaţenými parametry emisí. Následně se pokusit stanovit závislost mezi vlastnosti paliva a produkovanými emisemi. 71

73 2 Výsledky palivových rozborů a jejich vyhodnocení U vybraných vzorků paliv byly stanoveny následující vlasnosti. Stanovením sušiny a obsahu vody dle ČSN EN Zkouška stanovení ztráty ţíháním dle ČSN EN Elementární analýza Měření spalného tepla kalorimetrickou metodou a výpočet výhřevnosti dle ČSN ISO Zkouška stanovení sušiny a obsahu vody společně se zkouškou ztráty ţíháním byly provedeny ve dvou po sobě jdoucích krocích a to sušení a ţíhání vzorku. Tab. 1 Výsledky stanovení sušiny a obsahu vody Vzorek Obsah sušiny w dr [% hm.] Obsah vody w w [% hm.] Směrodatná odchylka Interval spolehlivosti Sláma 92,5 7,5 0,1 0,1 Šťovík 91,4 8,6 0,2 0,2 Digestát 91,6 8,4 0,1 0,1 Slunečnice 92,9 7,1 0,2 0,2 Dřevo 91,2 8,8 0,1 0,1 Tabulka 1 ukazuje srovnání obsahů vody w w daného vzorku, jeţ je jedním z nejdůleţitějších parametrů spalovaného paliva. Obsah vody má zásadní vliv na konečnou výhřevnost vzorku a je tak výchozím parametrem určení kvality pelet. Standardní hodnota w w pro většinu vyráběných pelet se pohybuje okolo 8-10 % hm. [1], přičemţ kvalitnější dřevní i nedřevní pelety dosahují aţ 7,5 % hm. Vlhkosti [2, 3]. Niţšího obsahu vody v peletách zpravidla dosaţeno nebývá, protoţe vlhkost počáteční suroviny vstupující do granulačního procesu následně ovlivňuje soudrţnost pelet [1]. V Tabulce 2 jsou shrnuty výsledky elementární prvkové analýzy, která udává koncentraci daných prvků v původním vzorku. Z dosaţených výsledků nejsou patrné zásadní rozdíly mezi jednotlivými palivy, které by měli mít zásadní vliv na spalovací proces, resp. které by zásadně ovlivnily výsledné emise. Z hlediska dopadů na výsledné emise, zejména na emise TZL bude mít výraznější vliv sloţení popeloviny, neţ obsah balastních látek v palivu, který je víceméně shodný u všech vzorků nedřevní biomasy. 72

74 Tab. 1 Porovnání prvkové bilance měřených vzorků Šťovík 43,28 5,86 1,31 0,09 44,29 Seno 42,20 5,98 0,68 0,05 45,84 Svitoh 46,62 5,96 3,28 0,00 42,82 Slunečnice 45,24 5,87 0,90 0,03 43,57 Slunečnice slupky 46,48 5,96 0,80 0,04 42,51 Kakaové slupky 45,49 6,19 2,39 0,11 39,43 Sláma 39,70 5,54 1,60 0,08 41,41 Čistá sláma 43,19 5,82 0,53 0,00 44,43 Sláma 90 kal 10 41,88 5,52 0,39 0,00 41,46 Sláma 80 kal 20 39,10 4,83 0,67 0,00 37,37 Sláma 70 kal 30 37,19 4,36 0,44 0,00 31,93 Sláma 60 kal 40 36,04 4,23 0,40 0,01 30,27 Dřevo Timbory 46,29 6,25 0,28 0,00 46,62 Dřevo Biomac 48,30 6,08 0,80 0,00 44,50 Dřevo 46,17 6,05 0,62 0,00 46,53 Čistý digestát 41,68 5,45 1,91 0,04 39,60 Smrkové piliny s digestátem 46,23 6,12 0,61 0,00 43,34 a Hodnota výhřevnosti původního vzorku LHV, viz. Tabulka 3, je veličinou, která udává konečný energetický potenciál daného vzorku při reálném spálením. Tato veličina je základním parametrem srovnání pro výrobce i spotřebitele, ať uţ se jedná o jakýkoliv typ paliva. a Nejvyšší výhřevnosti původního vzorku LHV dosahují, dle předpokladů, vzorky dřevních pelet. Průměrem výhřevnosti dřevních pelet na českém trhu je kj.kg -1 [4],, čímţ se námi měřený vzorek dřevní brikety řadí k tomu lepším, co se nabízí, přičemţ některé komerčně dostupné dřevní pelety udávají výhřevnost aţ kj.kg -1 [5],. Někteří výrobci uţívají poněkud zavádějících hodnot výhřevnosti, kdyţ místo výhřevnosti vzorku uvádějí výhřevnost samotné sušiny, která je samozřejmě vyšší [4],. Jak ukazuje i naše měření, výhřevnost agropelet bývá v zásadě o něco niţší, neţ v případě dřevních pelet. Námi měřené vzorky jsou si s ohledem na výhřevnost dosti podobné a všechny překračují hodnotu kj.kg

75 Tab. 3 Výhřevnost paliv Výhřevnost při Vzorek v dodaném stavu Vzorek v suchém stavu Šťovík Seno Svitoh Slunečnice Slunečnice slupky Kakaové slupky Sláma Čistá sláma Sláma 90 kal Sláma 80 kal Sláma 70 kal Sláma 60 kal Dřevo Timbory Dřevo Biomac Dřevo Čistý digestát Smrkové piliny s digestátem Výpočet spalného tepla z elementární analýzy Výpočet spalného tepla je moţno provést podle prvkového sloţení v hořlavině. Vychází z empirických vzorců, stanovujících teoretickou hodnotu spalného tepla hořlaviny HHV z obsahu prvků uhlíku, vodíku, dusíku, síry a kyslíku v hořlavině. Jiţ v roce 1843 byly uveřejněny rovnice francouzského chemika P. Dulonga, které však nejsou zcela vyhovující pro dřevo a další druhy tuhých paliv s vyšším podílem kyslíku. Mimo Dulongovy rovnice je uvedeno dalších 9 rovnic těchto autorů [6],: D. I. Mendělejev (1897) daf teor HHV daf teor daf daf daf daf 339 C 1256 H 109 ( O S ) (1) G. Strache a R. Lant (1924) HHV daf teor daf daf daf daf 340,6 C 1432 H 153,2 O 104,6 S ) (1) W. Steuer (1926) 74

76 HHV daf teor daf daf 3 daf 3 daf daf O daf 339 ( C O ) 239 ( O ) 1444 ( H ) 105 S ) (3) E. Grummel a J. Daveies (1933) HHV daf teor daf daf daf daf C daf O S (15,22 H 987,5) ( H ) (42) 3 8 R. Michel (1938) HHV daf teor 4 daf daf daf daf daf 340,3 C 1243,2 H 62,8 N 190,9 S 98, O (5) V. Boie (1953) HHV HHV HHV daf teor daf teor daf teor daf daf daf daf 351,6 C 1162,2 H 117,6 ( O S ) (6) 3 daf daf daf daf 351,6 C 1162,2 H 104,6 O 96, S (7) 6 daf daf daf daf 351,6 C 1162 H 110,9 O 104, S (8) F. Schuster (1957) HHV daf teor daf daf daf O daf 339 C 1423 ( H ) 92 S ) (3) 8 kde daf HHV teor teoretická hodnota spalného tepla hořlaviny [kj.kg -1 ]; daf C koncentrace uhlíku v hořlavině [% hm.]; daf H koncentrace vodíku v hořlavině [% hm.]; daf O koncentrace kyslíku v hořlavině [% hm.]; daf S koncentrace síry v hořlavině [% hm.]; daf N koncentrace dusíku v hořlavině [% hm.]. daf Srovnáním teoretické hodnoty spalného tepla hořlaviny HHV teor se spalným teplem hořlaviny daf vypočteným z výsledků kalorimetrické metody HHV u vybraných vzorků, viz Tab. 4, bylo v případě vzorku šťovíku a dřeva zjištěno přibliţně stejné hodnoty spalného tepla teoretického i měřeného. U vzorku slámy a digestátu je jiţ odchylka teoretické hodnoty od naměřené o něco vyšší, nicméně i v případě digestátu, jehoţ hodnoty se liší nejvíce, nedosáhla ani 5 %. Při porovnání dílčích výsledků rovnic, se kterými byla teoretická hodnota spalného tepla daf v hořlavině HHV počítána, s hodnotou určenou z kalorimetru HHV bylo zjištěno, daf teor ţe rovnice popisující nejlépe všechny čtyři vzorky je nejstarší z nich, tedy rovnice dle D. I. Mendělejeva z roku Tyto měření tak dokazují vhodnost pouţití této rovnice pro paliva z biomasy. Nejméně přesné výsledky naopak vykazuje rovnice dle F. Schustera z roku

77 Rovnice pro výpočet spalného tepla z prvkového sloţení Energie z biomasy XVIII, Tab. 4 Srovnání teoretické hodnoty spalného tepla v hořlavině se spalným teplem vypočteným z kalorimetrického měření Vzorek Sláma Šťovík Digestát Slunečnice Dřevo Spalné teplo vypočtené z kalorimetrického daf měřením HHV [kj.kg -1 ] Průměrná hodnota výsledků daných rovnic HHV [kj.kg - 1 ] daf teor Mendělejev Strache Steuer Grummel Michel Boie Boie Boie Schuster Protoţe ţádná z těchto rovnic není navrţena konkrétně pro spalné teplo biomasy, je výsledná daf teoretická hodnota spalného tepla hořlaviny HHV teor vypočtena jako aritmetický průměr z výsledků rovnic (1) (9). 3 Závěr Agropelety dostupné na českém trhu jsou nejčastěji sloţeny z odpadu zemědělské produkce (sláma, zbytky z čištění semen, nestandartní semena, osiny, atd.), ale i z rostlin pěstovaných záměrně pro energetické účely (ţitovec, šťovík, konopí). Agropelety mohou být vyráběny i z fermentačních zbytků z bioplynových stanic, tzv. digestátu. Stanovením sušiny a obsahu vody dle ČSN EN byl zjištěn obsah vody, jeţ má zásadní vliv na celkovou výhřevnost paliva. Testované pelety vykazovaly vlhkost cca 8 % hm., coţ je pro pelety standardní hodnota. Zkouškou stanovení ztráty ţíháním dle ČSN EN byl zjištěn obsah popele ve vzorku. Nejmenší obsah popele 0,8 % hm. byl dle očekávání naměřen na vzorku dřevní pelety. Pelety ze slámy a šťovíku obsahují cca 6 % popele a vzorek digestátu téměř dvojnásobek. Vysoký obsah popele má negativní vliv na činnost kotle a zároveň sniţuje výslednou výhřevnost vzorku. 76

78 Dále bylo provedeno měření spalného tepla kalorimetrickou metodou a výpočet výhřevnosti dle ČSN ISO Výpočtem z naměřených hodnot spalného tepla byla určena výhřevnost jednotlivých vzorků, jeţ je základním porovnávacím kritériem všech paliv. Jak potvrzuje i naše měření, výhřevnost agropelet bývá v zásadě niţší neţ u dřevních pelet. Poslední část byla věnována teoretickému výpočtu spalného tepla ze známých empiricky stanovených vzorců. Tyto vzorce počítaly spalné teplo pomocí základního prvkového sloţení C, H, O, N a S v hořlavině. Výsledkem bylo spalné teplo hořlaviny, které bylo po srovnání se spalným teplem naměřeným kalorimetricky víceméně stejné (odchylka nepřesáhla 5 %). Po dokončení rozborů paliv a vyhodnocení výsledků byly zahájeny spalovací zkoušky s vyuţitím jednotlivých paliv. Tyto testy v současné chvíli probíhají a vyhodnocena je pouze první sada měření. Při těchto zkouškách byly stanovovány plynné emise a tuhé znečišťujících látky (TZL) ve spalinách. Spalovací zkoušky byly realizovány jednak na kotli Verner A pro spalování různých druhů obnovitelných paliv s posuvným roštem pro rozdruţování paliva, dále pak na kotli BETA s hořákem pro spalování dřevních pelet s otočnou spalovací komorou. Dosaţené výsledky jsou ve stručnosti shrnuty v následující tabulce č. 5. Tab. 5 Výsledky spalovacích zkoušek O 2 [%] NO x [mg/m 3 n] CO [mg/m 3 n] TZL [mg/m 3 n] Seno Verner 11,00 697,85 930, Řepka Verner 10,41 613,17 754, Pšenice Verner 9,15 465,92 369, Směs Verner 10,25 761,93 173, semínek Dřevo Verner 7,89 346,71 120,31 28,5 Řepka BETA 8,9 628, , Směs BETA 7,9 525,51 968, semínek Seno BETA 7,3 487, , Dřevo BETA 7,25 303,56 150,65 41,3 Z dosaţených výsledků jednoznačně vyplývá, ţe na totoţném zařízení jsou při pouţití agropelet emise TZL řádově vyšší neţ při spalování dřevných pelet. Také plynné emise jsou vyšší neţ při pouţití dřevných pelet. U obou typů pouţitých hořáků se dále velmi negativně projevilo spékání paliva v prostoru hořáku a vynašeče popele. Oba hořáky se jeví pro spalování agropelet jako nevhodné, byť při spalování dřevních pelet dosahují velmi dobrých parametrů. Co se týká emisí TZL, která jsou pro úspěšný návrh kotle na spalování agropelet klíčové, je patrný rozdíl i pro jednotlivá agropaliva. Protoţe u standartních, výše uvedených zkoušek, nebyl patrný zásadní rozdíl ve vlastnostech paliv, byly analyzovány také jednotlivé vzorky zachyceného tuhého úletu. Měření bylo provedeno na RTG difraktometru D8 Advance 77

79 diffractometer (Bruker AXS, Germany) s detektorem LynxEye, který poskytuje v kratším čase difraktogram s většími intenzitami a lepším odstupem od šumu. Konkrétní vyhodnocení prozatím není dokončeno Obecně lze říci, ţe vzorky obsahují 25-60% amorfní podíl. Konkrétní výsledky jsou v tuto chvíli stále vyhodnocovány. Následně bude porovnáno sloţení popeloviny s celkovým obsahem zachycených TZL. Poděkování: Projekt byl realizován za podpory Technologické agentury České republiky v rámci programu Epsilon, projekt č. TH Výzkum a vývoj automatického kotle na spalování biomasy Použitá literatúra [1] KOTT, Jiří: Výroba pelet z biomasy - technické a ekonomické aspekty. Biom.cz [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < ISSN: [2] TZB-info : Kotle - 1. část [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < >. ISSN [3] JANDAČKA, Jozef a Milan MALCHO. Biomasa ako zdroj energie. Vyd. 1. Ţilina: Juraj Štefuň GEORG, ISBN [4] TZB-info : náklady na vytápění dřevními peletami [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < >. ISSN [5] STUPAVSKÝ, Vladimír: Pelety z biomasy - dřevěné, rostlinné, kůrové pelety. Biom.cz [online] [cit ]. Dostupné z WWW: < ISSN: [6] KLOBUŠNÍK, Lubomír. Pelety: palivo budoucnosti. České Budějovice: Sdruţení Harmonie, ISBN

80 Konštrukcia dvojkomorového závitovkového lisu pre produkciu brikiet z biomasy Miloš MATÚŠ *, 1, Peter KRIŢAN 1, Juraj BENIAK 1 1 Slovenská technická univerzita v Bratislave, Strojnícka fakulta, Nám. slobody 17, Bratislava, Slovenská republika * milos.matus@stuba.sk The goal of this paper is to present a new patented design of screw press, which satisfies all requirements for modularity and control of parameters. It allows optimizing this process for different types of raw materials and achieving high quality production. Results of experimental research of densification process then allow the engineering design of the production machine tailor-made to the customer, while being able to minimize investment, energy and operating costs. The developed design of screw press is unique in its modularity and high reliability. Klíčová slova: biomass, screw press, briquetting press, densification, briquette 1 Úvod Tuhé ušľachtilé biopalivá môţu byť konkurencieschopné fosílnym palivám iba za predpokladu, ţe sú vysokokvalitné a produkované s nízkymi prevádzkovými nákladmi. Existujúce technológie zhutňovania biomasy do formy tuhých biopalív umoţňujú produkciu vysokej kvality, avšak zniţovanie prevádzkových nákladov je omnoho zloţitejšie. Riešeniu tejto problematiky sa venuje predkladaný príspevok. Výskum je realizovaný komplexne, od štúdie elementárnych častíc biomasy aţ po návrh a výrobu novej konštrukcie briketovacieho stroja a jeho nástrojov. Cieľom výskumu je navrhnúť a verifikovať prototyp novej progresívnej konštrukcie briketovacieho stroja a vyvinúť vysoko produktívne zhutňovacie nástroje za splnenia nasledovných rámcových poţiadaviek: zabezpečenie najvyššej kvality produkcie, zníţenie prevádzkových nákladov v porovnaní s existujúcimi produkčnými strojmi, dosiahnutie vysokej produktivity, univerzálnosť pre rôzne druhy vstupnej suroviny, regulácia všetkých parametrov ovplyvňujúcich proces lisovania biomasy, a ďalšie. 2 Vývoj konštrukcie briketovacieho lisu Pri vývoji nového experimentálneho zhutňovacieho zariadenia novej konštrukcie závitovkového lisu boli aplikované výsledky výskumu jednotlivých parametrov 79

81 ovplyvňujúcich proces zhutňovania biomasy. Vyvinutá konštrukcia umoţňuje riadenie jednotlivých technologických a konštrukčných parametrov procesu zhutňovania tak, aby bolo moţné dosiahnuť vysokú kvalitu produkcie pri rôznych vstupných faktoroch. Napriek tomu, ţe sa zatiaľ jedná o prototyp, navrhnutá konštrukcia umoţňuje porovnateľnú produkciu biopalív ako produkčné stroje, čo do výkonu, tak aj do tvaru a veľkosti výliskov. Preto následné experimenty a optimalizácie, ktoré sa budú na tomto stroji realizovať, budú reálne odzrkadľovať technológiu zhutňovania v praxi. Oblasť vývoja je zameraná na princíp závitovkových lisov z dôvodu dosahovania najvyššej kvality produkcie práve týmto princípom. Avšak ich širšiemu uplatneniu v praxi bránia predovšetkým vysoké prevádzkové náklady spojené s nízkou ţivotnosťou loţísk a pracovného nástroja (lisovacej závitovky) spôsobenou vysokým axiálnym zaťaţením. Stanovené poţiadavky pri vývoji samotnej konštrukcie boli nasledovné: eliminácia axiálneho zaťaţenia loţísk, a tým zvýšenie ich ţivotnosti, optimalizácia nástrojov z hľadiska tvaru a materiálových vlastností na zvýšenie efektívnosti procesu zhutňovania a zvýšenie ich ţivotnosti, vysoká modularita stroja, moţnosť riadenia a regulácie všetkých významných parametrov procesu zhutňovania, produkcia výliskov reálnej veľkosti a tvaru v porovnaní s praxou, moţnosť rýchlej výmeny nástrojov - závitoviek a lisovacích hubíc, a ďalšie. Na obrázku 1 je zobrazená celá konštrukcia nového závitovkového lisu. Jedná sa o dvojkomorovú obojstrannú konštrukciu umoţňujúcu kvalitnú produkciu výliskov z rôznych materiálov, v dôsledku moţnosti riadenia kaţdého významného parametra procesu lisovania. Konštrukcia je tieţ osadená snímačmi, ktoré zabezpečujú spätnú väzbu. Stroj pozostáva z jedného spoločného hlavného pohonu, uzol uloţenia vretena zabezpečujúceho zachytávanie pracovného zaťaţenia a vymedzujúceho presnú polohu lisovacej závitovky v lisovacej komore, dvoch totoţných lisovacích komôr s nástrojmi, dvoch plniacich systémov a dvoch chladiacich kanálov. Obr. 1 Vyvinutá konštrukcia závitovkového lisu Samotné jadro stroja bez chladiacich kanálov je veľmi kompaktné (obr. 2) a umiestnené na ráme rozmerov europalety pre jednoduchú manipuláciu. Konštrukcia vyvinutého stroja nie je výnimočná len vo svojej kompatibilite, ale aj mobilite, kedy sú jednotlivé uzly veľmi rýchlo demontovateľné na rozmery vyhovujúce prevozu. Následná montáţ je opäť veľmi rýchla bez potreby nastavovania, či ustavovania z dôvodu častejšieho prevozu stroja do reálnej výroby na dlhodobejšie prevádzkové skúšky a následne späť do laboratórií na vyhodnotenie. Samotný 80

82 stroj nie je potrebné pri prevádzke kotviť, rám neprenáša ţiadne pracovné zaťaţenie ani vibrácie. Obr. 2 Základné časti závitovkového lisu (1 - pohon stroja, 2 - uzol uloţenia vretena, 3 - lisovacia komora, 4 - plniaci systém) Modularita navrhnutého zariadenia umoţňuje z dvojkomorového stroja vytvoriť jednokomorový veľmi jednoduchou a rýchlou demontáţou jednej časti lisu - celej strany od pohonu lisu, bez ďalších úprav. Takáto jednokomorová konštrukcia bude vyuţívaná predovšetkým pri experimentoch a meraniach nakoľko umoţňuje merať celé prevádzkové zaťaţenie. 3 Riadenie parametrov procesu zhutňovania Pri vývoji zariadenia bol kladený veľmi silný dôraz na moţnosť riadenia jednotlivých technologických a konštrukčných parametrov procesu zhutňovania, čo v súčasnosti produkčné stroje neumoţňujú. Riadením týchto parametrov bude moţné realizovať presné merania a optimalizovať celý zhutňovací proces pre ľubovoľný druh zhutňovaného materiálu (organického), a teda navrhnúť optimalizovanú konštrukciu stroja šitú na mieru pre kaţdého zákazníka v závislosti od jeho poţiadaviek. Optimalizácia umoţní nastaviť také parametre procesu, aby dosahovaná kvalita produkcie spĺňala normou stanovené limity pri najniţších prevádzkových a investičných nákladoch. Teplotu a vlhkosť vstupujúceho lisovaného materiálu bude moţné regulovať prostredníctvom riadeného predohrevu umiestneného v plniacom systéme, resp. v súčasnosti prebieha výskum moţnosti uplatnenia mikrovlnného ohrevu materiálu ešte pred vstupom do plniaceho systému. Ak by sa ukázal mikrovlnný ohrev ako efektívnejší spôsob riadenia teploty a vlhkosti materiálu, bude potrebné v rámci ďalšieho výskumu riešiť kontinuálnosť takéhoto ohrevu. Najdôleţitejším technologickým parametrom ovplyvňujúcim kvalitu výliskov je lisovací tlak. Ten je na lisovaný materiál vyvodzovaný nástrojom (lisovacou závitovkou). Je veľmi dôleţité vedieť riadiť veľkosť tlaku. Vyvinutý závitovkový lis umoţňuje niekoľko spôsobov riadenia lisovacieho tlaku. Primárne riadenie tlaku je dosahované riadenými výkonnostnými charakteristikami pohonu, predovšetkým riadením veľkosti krútiaceho momentu a otáčok závitovky. Na to, aby lisovací tlak vzrástol, je však potrebné efektívne zapĺňať materiálom priestor medzi závitmi nástroja. Táto poţiadavka je realizovaná preplňovaním lisovacieho priestoru vďaka kuţeľovej konštrukcii plniaceho systému a frekvenčného riadenia jeho pohonu. Avšak ani tieto spôsoby regulácie nemusia vţdy viesť k zvyšovaniu lisovacieho tlaku na poţadovanú úroveň. Ako tretí spôsob regulácie slúţi klieština umiestnená za lisovacou 81

83 komorou. Riadením veľkosti prierezu klieštiny, cez ktorý vychádza výlisok z lisovacej komory, je moţné riadiť veľkosť protitlaku v lisovacej komore, a tým dosiahnuť poţadovanú hodnotu lisovacieho tlaku. Výsledky výskumu ukázali, ţe lisovací tlak a vyvodzovaný protitlak sú v priamej závislosti. Preto riadenie lisovacieho tlaku je riešené synergiou všetkých troch spôsobov (obr. 3). Tieto spôsoby riadenia veľkosti lisovacieho tlaku, resp. potrebnej axiálnej lisovacej sily vyvodzujúcej tento tlak, nezabezpečujú spätnú väzbu vo forme merania veľkosti a priebehu lisovacieho tlaku, resp. lisovacej sily pri zmene jednotlivých faktorov. Z tohto dôvodu je navrhnutý zabudovaný systém priameho merania lisovacej sily. Systém obsahuje dva piezokryštalické snímače sily umiestnené v uzle uloţenia vretena a snímajú lisovaciu axiálnu silu priamo na vonkajšom krúţku loţiska. Oba sú umiestnené na jednom loţisku v 180 rozstupe. Súčet nameraných a vyhodnotených zloţiek axiálnej sily pôsobiacej na snímače zodpovedá výslednej lisovacej sile vyvodzujúcej lisovací tlak nástroja na lisovaný materiál. Snímače sú schopné merať dynamický priebeh zaťaţenia, čo umoţňuje dosahovanie presnejších a relevantnejších výsledkov meraní. Obr. 3 Rez lisovacou komorou - spôsoby riadenia lisovacieho tlaku a lisovacej teploty (1 - riadenie otáčok nástroja a krútiaceho momentu, 2 - preplňovanie lisovacieho priestoru riadením otáčok plniaceho systému, 3 - riadenie protitlaku zmenou prierezu klieštiny, A,B,C riadené okruhy ohrevu lisovacej komory) Lisovacia teplota je nezastupiteľný technologický parameter, ktorý je nevyhnutné riadiť a regulovať. Navrhnutá konštrukcia lisu je doplnená o výhrevné zariadenie lisovacej komory pozostávajúce z troch samostatne riadených okruhov (obr. 3). Jedná sa o elektrický ohrev komory riadený regulačnou jednotkou a kontrolovaný troma snímačmi teploty zapustenými priamo do lisovacej komory do hĺbky 1 mm od vnútornej steny lisovacej hubice, čo umoţňuje snímať veľmi presne lisovaciu teplotu priamo vo vnútri komory. Rýchlosť lisovania je veľmi dôleţitý parameter pre optimalizáciu procesu lisovania pri rôznych druhoch lisovaného materiálu. Na jej reguláciu je navrhnuté frekvenčné programovateľné riadenie pohonu stroja. Z technologického pohľadu je vysoká rýchlosť chladnutia výliskov vychádzajúcich z lisu veľmi ţiaduca. Čím je dosahovaná vyššia rýchlosť chladnutia výliskov, tým sa zvyšujú ich mechanické ukazovatele kvality a môţe vplývať aj na zvýšenie produktivity. Do novej konštrukcie bola zapracovaná táto poţiadavka vo forme núteného chladenia vzduchom, ktorého intenzita je regulovaná zmenou prietoku vzduchu. Systém chladenia je umiestnený ihneď za lisovacou komorou (obr. 4) a obopína klieštinu a časť chladiaceho kanála. Vytvára 82

84 uzavretú oblasť, cez ktorú prechádza vytvorený výlisok, ktorý je súprudne chladený prechádzajúcim vzduchom prostredníctvom priemyselného sacieho ventilátora. Intenzita ochladzovania je daná prietokom vzduchu, ktorý je riadený posuvným regulačným vekom prekrývajúcim vstupné otvory do telesa chladiaceho systému. Takýto systém má aj kumulovaný význam v odsávaní vzniknutých pár a plynov po zlisovaní, príp. prachových častíc. Po výstupe z riadeného chladiaceho systému postupuje výlisok ďalej v chladiacom kanáli, kde prebieha ďalšie prípadné chladnutie na vzduchu v okolitom priestore. Taktieţ je regulovateľná dĺţka tohto chladiaceho kanála podľa potreby, nakoľko sa skladá z modulárnych stupňov. Chladiaci kanál má tieţ význam pri sekundárnom vytváraní protitlaku a udrţiavaní hotového výlisku pod axiálnym tlakom počas jeho chladnutia. Okrem moţnosti zmeny dĺţky kanála je moţné riadiť aj radiálny prítlak kanála po obvode výlisku, čo bráni jeho dilatácii počas chladnutia. Nakoľko je chladiaci kanál delený na niekoľko stupňov, prítlak (a tým aj protitlak) je moţné riadiť na kaţdom stupni nezávisle. Obr. 4 Systém riadeného chladenia výliskov Aby bolo moţné optimalizovať a regulovať konštrukčné parametre, bolo navrhnutých a bude vyrobených niekoľko sád lisovacích nástrojov (lisovacia závitovka, lisovacie hubice) s rôznym tvarom a rozmerom. Ich jednoduchou a rýchlou výmenou bude moţné meniť v procese optimalizácie lisovania tvar a veľkosť výlisku, vnútorný priemer lisovacej komory, dĺţku lisovacej komory, kombináciu materiálov lisovacích nástrojov, kuţeľovitosť stien lisovacej komory atď. Zmena týchto parametrov zahŕňa rýchlu výmenu lisovacej závitovky a jednotlivých lisovacích hubíc (obr. 5). Prostredníctvom experimentov je moţné optimalizovať konštrukčné parametre lisovacích nástrojov, a tak celý proces lisovania rôznych materiálov. Zhutňovanie biomasy je pomerne zloţitý proces. Preto návrh správnej geometrie lisovacieho nástroja je základnou podmienkou úspechu technológie. Počas realizácie výskumného projektu bola venovaná značná pozornosť výskumu geometrie lisovacieho nástroja, v tomto prípade lisovacej závitovky. V rámci matematickej analýzy bolo uvaţované s rôznou geometriou nástrojov, predovšetkým s rôznym profilom závitov. Pre návrh vhodnej geometrie závitovky ako lisovacieho nástroja bola vyuţitá matematická teória návrhu geometrie lisovacej závitovky. Kaţdá geometria závitovky má svoje výhody aj nevýhody a je nutné ju analyzovať z rôznych hľadísk. Po vykonaní matematickej analýzy však nemoţno definitívne konštatovať, ţe ten-ktorý profil závitu je optimálny zo všetkých hľadísk, čo posúva výskum do ďalšej fázy optimalizácie, kde sú nevyhnutné reálne skúšky lisovania. Z tohto dôvodu bolo pre experimenty na vyvinutom lise navrhnutých a bude vyrobených 83

85 niekoľko sád lisovacích závitoviek. Líšia sa nielen v geometrii závitov, ale aj v geometrii a konštrukcii hrotov (rôzny tvar hrotov, monolitná závitovka s hrotom, bez hrotu, vymeniteľná závitovka so skladaným hrotom atď.). Obr. 5 Nástroje závitovkového briketovacieho lisu 1 podávacia závitovka, 2 lisovacia závitovka, 3 lisovacia komora, 4 - hubice 4 Záver Cieľom príspevku je poukázať na výsledky výskumu zhutňovania biomasy do formy tuhých biopalív a ich zhodnotenie pri návrhu novej konštrukcie závitovkového lisu (Obr. 6), ktorá umoţňuje riadiť všetky významné parametre procesu lisovania, a tým optimalizovať tento proces pre rôzne druhy zhutňovaných materiálov. Variabilita riadenia týchto parametrov umoţňuje realizovať skúšky lisovania a optimalizáciu procesu lisovania pre širokú škálu materiálov, a to nielen z biomasy. Výsledky experimentálneho výskumu lisovania následne umoţnia konštrukčný návrh produkčného stroja šitého na mieru zákazníkovi, pričom bude moţné minimalizovať investičné, energetické a prevádzkové náklady. Obr. 6 Výsledok výskumu a vývoja - dvojkomorový závitovkový briketovací lis 84

86 Poďakovanie Tento príspevok vznikol v rámci realizácie projektu Výskum a vývoj progresívneho kompozitného paliva na báze odpadovej fytomasy a návrh technológie na jeho priemyselnú produkciu (FILIP) podporeného prostredníctvom Grantovej schémy v rámci Programu na podporu tímových projektov mladých výskumníkov v podmienkach Strojníckej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. Použitá literatúra [1] MATÚŠ, Miloš, KRIŢAN, Peter: Influence of structural parameters in compacting process on quality of biomass pressing. In Aplimat - Journal of Applied Mathematics. ISSN Vol. 3, No. 3 (2010), s [2] MATÚŠ, M., KRIŢAN, P., ONDRUŠKA, J., ŠOOŠ, Ľ. Analysis of tool geometry for screw extrusion machines. In Aplimat - Journal of Applied Mathematics. ISSN Vol. 4, No. 4 (2011). [3] Pietsch W. Agglomeration processes phenomena, technologies, equipment. Weinheim: Wiley-VCH; [4] Kaliyan N, Morey RV. Densification of Biomass: Mechanisms, Models, and Experiments on Briquetting and Pelleting of Biomass. Saarbrucken: VDm Verlag Dr. Muller;

87 Výskum vlastností kompozitného paliva zo zmesi fytomasy a dendromasy Miloš MATÚŠ *, 1, Peter KRIŢAN 1, Juraj BENIAK 1, Jozef BÁBICS 1 1 Slovenská technická univerzita v Bratislave, Strojnícka fakulta, Nám. slobody 17, Bratislava, Slovenská republika * milos.matus@stuba.sk Tlak na diverzifikáciu surovinovej základne tuhých biopalív vo svete neustáva. Obrovský no doposiaľ málo vyuţívaný energetický potenciál predstavuje odpad z poľnohospodárskej produkcie a následného spracovania. Vyuţitie takéhoto rastlinného odpadu prináša mnohé technické problémy. Príspevok je orientovaný na výskum zvyšovania fyzikálnych a mechanických ukazovateľov kvality kompozitných peliet na báze zmesi slnečnicových šupiek a smrekových pilín. Realizované experimenty preukázali, ţe zvyšovaním podielu drevnej hmoty v slnečnicových šupkách je moţné takúto homogenizovanú zmes nielen úspešne transformovať do paliva vo forme peliet (pri čistých šupkách to predstavuje značný problém), ale zvyšujú sa aj kvalitatívne parametre samotného paliva. Klíčová slova: pelety, biomasa, kompozitné palivo, slnečnicové šupky 1 Úvod Kaţdý druh lisovaného materiálu má svoje špecifické vlastnosti. Spracovávané materiály sa líšia svojou stavbou a zloţením, čo vplýva na všetky termické a mechanické parametre procesu ich zhutňovania. Pre výrobu tuhých biopalív sa pouţíva ako zdroj suroviny najčastejšie mäkké a tvrdé drevo, kôra, energetické plodiny (napr. rýchlorastúce dreviny) a fytomasa. Oblasť zhutňovania fytomasy pre energetické účely ešte nie je veľmi rozvinutá, častejšie sa fytomasa vyuţíva ako surovina pre splyňovanie. Dôvodom je rozdielne chemické zloţenie fytomasy, ktoré vytvára v porovnaní s dendromasou určité obmedzenia pri spaľovaní. V súčasnosti sa pre výrobu tuhých biopalív z fytomasy vyuţíva ako surovina poľnohospodársky odpad, ale v poslednom čase aj celé plodiny obilnín (slama spolu so zrnom). V porovnaní s drevom má fytomasa oveľa vyšší obsah popola. Taktieţ sa musia veľmi pozorne sledovať koncentrácie dusíka, síry a chlóru, ktoré spôsobujú spaľovacím zariadeniam váţne problémy. Ďalším kritickým aspektom vyuţitia fytomasy ako suroviny pre tuhé biopalivá je jej nízka teplota tavenia popola [1] a zvýšené mnoţstvo popolčeka a aerosólových emisií [2]. Z uvedených dôvodov nie je vhodné vyuţitie takýchto biopalív pre malé spaľovacie zariadenia. Východiskom sa javí zmiešanie fytomasy s drevnou surovinou za účelom produkcie tuhých biopalív s vhodnými kvalitatívnymi vlastnosťami. Vhodné zmesi týchto surovín môţu viesť k zníţeniu alebo dokonca eliminácii uvedených problémov. Ďalším riešením sa ukazuje pridávanie aditív ako hydroxid hliníka, kaolín, oxid vápenatý či vápenec. Výsledkom je 86

88 zvýšenie teploty tavenia popola a redukcia tvorby trosky. Zároveň tieto aditíva vedú aj k zvyšovaniu mechanických ukazovateľov kvality. Napriek tomu sa ukazuje, ţe zmesné biopalivá fytomasy a dendromasy nachádzajú širšie uplatnenie len pre veľké spaľovacie zariadenia. Avšak, čo sa týka procesu výroby tuhých biopalív, má fytomasa svoje prednosti. Ekonomickou výhodou je jej vysoká dostupnosť a nízka cena. Z výsledkov prác sú pre zhutňovanie fytomasy potrebné výrazne niţšie lisovacie tlaky na dosiahnutie rovnakej hustoty výliskov ako pre dendromasu. Súčasne je moţné zníţenie energetických nákladov na sušenie suroviny, pokiaľ sú dodrţané podmienky jej zberu a skladovania v suchom stave. 2 Materiál a použité metódy Experiment je zameraný na výskum vlastností kompozitných peliet vyrobených z rúznych pomerov zmesi fytomasy - šupky zo slnečnicových jadier (len slamený obal, nie výlisky jadier) a dendromasy - smrekové piliny. Cieľom výskumu je vplyv rôznych hmotnostných pomerov slnečnicových šupiek a drevených pilín na fyzikálne a mechanické ukazovatele kvality peliet z nich vyrobených. Medzi ukazovatele kvality tuhých ušľachtilých palív, ktorých závislosť na pomere surovín sa skúmala, patria hustota, sypná hmotnosť, vlhkosť, mechanická odolnosť a tvrdosť. Obr. 1 Vstupné suroviny slnečnicové šupky a smrekové piliny Experiment uvaţuje s piatimi hmotnostnými pomermi zmesí uvedenými v tabuľke 1. Z kaţdej zmesi bolo vyprodukovaných pre potreby experimentov 25 kg peliet. Tabuľka 1 Hmotnostný pomer surovín v peletovaných zmesiach Zmes Hmotnostný pomer (%) Slnečnicové šupky Smrekové piliny Vlhkosť zmesi pred peletovaním (%) , , , , ,73 87

89 Tabuľka 2 Frakčné zloţenie suroviny Veľkosť častíc Hmotnostný podiel (%) (mm) Slnečnicové šupky Smrekové piliny 4,00 21,04 2,56 2,00 - < 4,00 14,92 12,69 1,00 - < 2,00 37,53 35,92 0,50 - < 1,00 18,89 26,06 < 0,50 7,62 22,77 Príprava materiálu spočíva v presnom naváţení pomerov jednotlivých zloţiek zmesí a ich výraznej homogenizácii. Nakoľko frakčné zloţenie u oboch surovín (Tabuľka 2) ako aj ich relatívna vlhkosť (Tabuľka 1) je vyhovujúce, nebolo potrebné surovinu upravovať. Proces peletovania prebiehal na produkčnom peletovacom lise KAHL za ustálených podmienok lisovania. Obr. 2 Pelety jednotlivých zmesí rôznych hmotnostných pomerov surovín - slnečnicové šupky: smrekové piliny 3 Výsledky experimentu Fyzikálne a mechanické vlastnosti peliet výrazným spôsobom ovplyvňujú kvalitu samotného paliva. Vplývajú na jeho stabilitu, prašnosť a priestorovú náročnosť pri transporte, manipulácii a skladovaní, ako aj na energetickú hustotu paliva. Na hodnotenie kvality kompozitného paliva boli pouţité normou definované postupy kvantifikácie jednotlivých parametrov. 3.1 Hustota kompozitných peliet Z kaţdého pomeru zmesi bolo ihneď po peletovaní náhodne vybraných 10 peliet a kaţdá z nich bola podrobená meraniu jej základných rozmerov (dĺţka a priemer) a hmotnosti. 88

90 Výsledná hodnota hustoty bola vypočítaná ako aritmetický priemer nameraných hodnôt hustoty. Rovnaký postup bol vykonaný aj po vychladnutí a stabilizácii peliet (48 hodín). Na základe výsledkov moţno konštatovať, ţe zvyšovaním sa podielu drevených pilín v zmesi rastie hustota výliskov (obr. 3). Vo všeobecnosti platí pre drevné pelety, ţe so zvyšovaním hustoty peliet z drevnej hmoty rastie aj ich pevnosť. Vyššia hustota výliskov taktieţ priaznivo vplýva na tvarovú a objemovú stálosť výliskov. Obr. 3 Závislosť hustoty peliet od nárastu podielu drevnej zloţky v zmesi Pri zhutňovaní biomasy dochádza k dilatácii výliskov, preto sa musí počítať s určitou dobou ich stabilizácie po vylisovaní. Pri rôznych materiáloch a lisovacích podmienkach je moţné sa stretnúť s dvoma typmi dilatácie, a to dilatácia prejavujúca sa poklesom alebo nárastom hustoty výlisku. Pri experimente bola pozorovaná dilatácia ako pokles hustoty výliskov pri kaţdom pomere zmesí. Maximálna percentuálna zmena hustoty peliet po stabilizácii predstavuje len 0,5 %, čo znamená, ţe výlisky sú stabilné a dilatácia mala len nepatrný vplyv na zmenu hustoty (Obr. 4). Obr. 4 Percentuálna zmena hustoty peliet po stabilizácii 89

91 3.2 Sypná hmotnosť kompozitných peliet Sypná hmotnosť predstavuje pomer hmotnosti biopaliva nasypaného do určitého objemu. Je závislá od hustoty častíc biopaliva a objemu pórov nasypaného biopaliva. Sypná hmotnosť tuhých biopalív ako jeden zo základných ukazovateľov ich kvality je daná platnou normou STN EN ISO 17225: Experimentom sa jednoznačne preukázalo, ţe pridávaním drevených pilín do fytomasy rastie hodnota sypnej hmotnosti peliet. Z výsledkov hodnotenia sypnej hmotnosti uvedených na Obr. 5 moţno konštatovať, ţe zvyšovanie podielu drevnej zloţky v kompozitnom palive nemá význam nad 30 % hmotnostného pomeru. Vzhľadom na cenu vstupných surovín je ekonomicky výhodné minimalizovať podiel drevnej zloţky paliva. Obr. 5 Sypná hmotnosť kompozitných peliet 3.3 Tvrdosť kompozitných peliet Tvrdosť peliet predstavuje kvalitatívny údaj o výliskoch. Vo všeobecnosti platí ţe tvrdšie výlisky sú kvalitnejšie. Minimálnu hodnotu tvrdosti peliet síce norma STN EN ISO 17225: neudáva a producenti ju povinne v protokoloch o palive udávať nemusia. Hodnota tvrdosti však prestavuje informáciu o kvalite výliskov, ktorá úmerne súvisí s ich pevnosťou, hustotou a mechanickou odolnosťou. Kvantifikovanie tvrdosti peliet vyuţívajú producenti a obchodníci pre jednoduché a rýchle overovanie kvality výliskov. Na testovanie tvrdosti peliet bolo pouţité zariadenie od firmy KAHL (obr. 6). Výlisok je vloţený do pracovného priestoru zariadenia medzi tvarované lisovadlo a lisovník. Zariadenie vyvíja silu na výlisok aţ do porušenia výlisku. Zaznamenáva sa sila, ktorou sa rozdrví výlisok. Meranie a vyhodnocovanie tvrdosti vyprodukovaných kompozitných peliet bolo realizované desiatimi opakovaniami merania a výsledná hodnota predstavuje ich aritmetický priemer. 90

92 Obr. 6 Pouţité zariadenie na testovanie tvrdosti peliet od firmy KAHL Na Obr. 7 moţno pozorovať, ţe so zvyšovaním podielu drevených pilín v peletách výrazne rastie aj ich tvrdosť. Podľa očakávania, najvyššiu tvrdosť dosahujú pelety s najvyšším skúmaným podielom dreva (40 %). Obr. 7 Tvrdosť kompozitných peliet 3.4 Mechanická odolnosť kompozitných peliet Mechanická odolnosť je jeden z najvýznamnejších ukazovateľov kvality tuhých biopalív udávaných normou STN EN ISO Mechanická odolnosť definovaná normou STN EN ISO predstavuje odolnosť zhutneného biopaliva (brikiet a peliet) voči otrasom a/alebo oteru v dôsledku manipulácie a prepravy. Veľké mnoţstvo jemných častíc môţe totiţ viesť ku klembovaniu paliva v skladovacích zariadeniach spotrebiteľa, a tým spôsobiť zastavenie dodávky paliva do kotla. Rovnako môţe nadmerné mnoţstvo jemných častíc spôsobiť zablokovanie podávacej závitovky. Toto je hlavný dôvod, prečo ja kladený taký veľký význam na nízky podiel jemných častíc pri skladovaní biopaliva. Okrem toho zvyšovaním mnoţstva jemných častíc v procese spaľovania sa zvyšuje aj podiel tuhých častíc v emisiách, čomu je potrebné sa vyhnúť z ekologického hľadiska. Vysoké mnoţstvo jemných častíc vplýva na sypnú hustotu a zvyšuje straty počas prepravy a tieţ zvyšuje prachové emisie pri manipulácii s palivom. Navyše je potrebné zdôrazniť, ţe prach môţe spôsobiť explózie počas skladovania či manipulácie. Na základe experimentu sa jednoznačne preukázalo, ţe zvyšovaním podielu drevených pilín v kompozitných peletách sa výrazne zvyšuje aj hodnota mechanickej odolnosti. Tento 91

93 výrazný nárast je moţné pozorovať aţ po zmes s obsahom drevnej zloţky 30 %. Pri vyššom pomere drevnej zloţky (40 %) sa hodnoty mechanickej odolnosti výrazne nemenia. Mechanická odolnosť peliet produkovaných čisto zo slnečnicových šupiek má hodnotu 66,88 %, teda po skúške obsahuje veľa prachových častíc, čo vedie k potenciálnym technickým a bezpečnostným problémom. Avšak pridávaním drevnej zloţky sa významne redukoval podiel prachových častíc, a tým sa dosahuje uplatniteľnosť a energetické vyuţitie potenciálu slnečnicových šupiek ako odpadovej suroviny. Z výsledkov experimentu vyplýva optimum pomeru slnečnicových šupiek a drevených pilín v hmotnostnom pomere 70: Vlhkosť kompozitných peliet Obr. 8 Mechanická odolnosť kompozitných peliet Vlhkosť paliva je hmotnostný podiel vody obsiahnutý v palive a má najväčší vplyv na ostatné ukazovatele kvality tuhých biopalív. Norma STN EN ISO udáva najvyššiu dovolenú hodnotu vlhkosti výliskov 10 %. Počas procesu peletovania je moţné riadene zvyšovať vlhkosť suroviny - zmesi vstupujúcej do lisovacej komory peletovacieho lisu, v záujme dosiahnutia najvyššej kvality produkovaných peliet pri ostatných nemenných podmienkach procesu. Graf na Obr. 9 uvádza hodnoty optimálnej vlhkosti jednotlivých zmesí suroviny vstupujúcej do lisovacej komory peletovacieho lisu a zároveň uvádza hodnoty vlhkosti peliet po stabilizácii (48 hod.). Z grafu je zrejmé, ţe s nárastom podielu drevnej hmoty dochádza k miernemu zniţovaniu rozdielu vlhkosti peletovanej suroviny a hotových peliet. Vlhkosť peletovanej suroviny bola pri jednotlivých zmesiach pribliţne rovnaká (pribliţne 8,8 %), podobné sú aj hodnoty vlhkosti peliet jednotlivých zloţení po stabilizácii (pribliţne 7,7 %). Priemerný pokles relatívnej vlhkosti v procese peletovania je iba okolo 1,1 %. 92

94 Obr. 9 Vlhkosť peletovaných zmesí tesne pred vstupom do lisovacej komory a vlhkosť kompozitných peliet po stabilizácii (48 hod.) 4 Záver Výsledky realizovaných experimentov zhrnuté v tabuľke 3 jednoznačne preukázali, ţe zvyšovaním hmotnostného podielu smrekových pilín pridávaných do kompozitného biopaliva, ktorého nosnou matricou sú slnečnicové šupky, sa výrazne zvyšujú aj jednotlivé kvalitatívne ukazovatele tohto biopaliva. Výskum dokázal, ţe slnečnicové šupky, ako aj iné druhy fytomasy, ktoré sú pre výrobu peliet dosahujúcich vhodné hodnoty fyzikálnomechanických ukazovateľov kvality pre energetické vyuţitie nepouţiteľné, je moţné transformovať do biopaliva s výrazne vyššou kvalitou a lepšími vlastnosťami primiešaním drevnej zloţky. Takéto kompozitné palivo dosahuje uplatniteľnosť a konkurencieschopnosť pre energetické vyuţitie potenciálu fytomasy, ktorá by v opačnom prípade ostala nevyuţitou odpadovou surovinou. Veľmi dôleţité je taktieţ navrhnúť optimálne materiálové zloţenie suroviny pre produkciu konkurencieschopného kompozitného paliva s ohľadom na minimalizáciu vstupných nákladov. Z nameraných hodnôt je moţné konštatovať, ţe optimálny hmotnostný pomer slnečnicových šupiek a drevených pilín je 70:30. Ďalším zvyšovaním podielu drevnej zloţky sa výrazne nezvyšujú hodnoty sypnej hmotnosti a mechanickej odolnosti. Hodnoty vlhkosti a hustoty sú pre jednotlivé hmotnostné pomery kompozitných zmesí porovnateľné. Odlišné hodnoty hustoty dosahujú výlisky z čistej fytomasy. Tvrdosť peliet sa pridaním 30 % hmotnostného podielu drevnej zloţky výrazne zvýšila. Z výsledkov je zrejmé, ţe zvyšujúcim sa podielom drevnej hmoty budú aj naďalej narastať kvalitatívne ukazovatele tohto biopaliva, avšak treba brať ohľad aj na minimalizáciu podielu dreva, pretoţe drevná surovina je výrazne drahšia ako odpadová surovina z fytomasy, ktorú by inak nebolo moţné energeticky efektívne vyuţiť. Pre zlepšenie kvality takéhoto tuhého kompozitného biopaliva by bolo navyše vhodné zmeniť tlakové pomery lisovacieho kanála tak, aby narástla lisovacia sila. Toto je moţné dosiahnuť zmenou geometrických parametrov lisovacieho kanála. Aplikácia týchto opatrení predpokladá pozitívne zvyšovanie jednotlivých ukazovateľov kvality tuhého kompozitného paliva, čo môţe byť námetom na nadväzujúci výskum. 93

95 Tabuľka 3 Ukazovatele kvality tuhých kompozitných biopalív Pomer Slnečnicové šupky : smrekové piliny Vlhkosť (%) Hustota hneď po peletovaní (kg.m -3 ) Hustota po ustálení (kg.m -3 ) Sypná hmotnosť (kg.m -3 ) Poďakovanie Mechanická odolnosť (%) Tvrdosť (N) 100:0 7,65 999,7 997,1 501,9 66, :10 7, ,0 1020,8 524,2 71, :20 7, ,2 1022,7 541,7 76, :30 7, ,2 1024,7 562,2 81, :40 7, ,4 1026,3 563,2 82,0 114 Tento príspevok vznikol v rámci realizácie projektu Výskum a vývoj progresívneho kompozitného paliva na báze odpadovej fytomasy a návrh technológie na jeho priemyselnú produkciu (FILIP) podporeného prostredníctvom Grantovej schémy v rámci Programu na podporu tímových projektov mladých výskumníkov v podmienkach Strojníckej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. Použitá literatúra [1] Hering, T., emissionvergleich verschiedener Biomasse Brennstoffe. Linz, Austria, O.O. Energiesparverband. [2] BIOBIB, Vienna: Institute of Chemical Engineering,Fuel and Environmental Technology, Vienna University of Technology. [3] DONGHUI, Lu; LOPE G., Tabil Exprimental trials to make wheat straw pellets with wood residue and binders.in Biomass Bioenergy [online]. 2014, pages [4] KRIŽAN, P.; SVÁTEK, M Výskum procesu zhutňovania rôznych druhov biomasy. 1.vyd. Bratislava : Slovenská technická univerzita, s. ISBN [5] MATÚŠ, M.; KRIŢAN, P Hodnotenie kvality tuhých biopalív v európskom priestore. In Energie z biomasy XII : Sborník příspěvků ze semináře. Brno, Brno : Vysoké učení technické v Brně - Fakulta strojního inţenýrství, 2011, s ISBN

96 Energie z biomasy XVII, Efektivní využití kogeneračních jednotek v sítích SMART HEATING AND COOLING NETWORKS Pavel MILČÁK 1,2, Patrik UHRÍK 2 1 VÍTKOVICE ÚAM a.s., Ruská 2887/101, Ostrava, Česká republika 2 VUT v Brně, FSE, EU, OEI., Technická 2896/2, Brno, Česká republika * pavel.milcak@vutbr.cz Příspěvek je zaměřen na popis implementace kogeneračních jednotek do softwareového prostředí pro Smart Heating and Cooling Networks. Cílem tohoto projektu je vytvoření softwareového nástroje pro přípravu provozu a optimalizaci nakládání s teplem/chladem v malých regionech. Kogenerační jednotky mohou vystupovat jako zdroje elektřiny a tepla na bázi spalování zemního plynu, ale mohou být rovněž součástí koncepce většího technologického celku, jako např. bioplynová stanice, čistírna odpadních vod atd Příspěvek by měl poukázat na jednotlivá specifika při implementaci kogeneračních jednotek dle typu spalovaného paliv a charakteru provozu. Klíčová slova: Smart Heating and Cooling Networks, bioplynová stanice, výpočtový model 1 Úvod Kogenerační jednotky představují progresivní energetický zdroj a to především pro možnost kombinované výroby elektřiny a tepla. V případě volby kogenerační jednotky s pístovým spalovacím motorem se tento zdroj vyznačuje širokým rozmezím výkonů s velmi dobrou regulací. Účinnost kombinované výroby elektřiny a tepla je u těchto zdrojů vysoká, čímž se sníží celková spotřeba paliva a z toho plyne snížení celkové emisní zátěže. Podmínkou však je využívání tepla generovaného tímto zdrojem, na které lze u kogeneračních jednotek pohlížet jako na teplo odpadní. Využívání tepla z kogeneračních jednotek je v současné době silně závislé na sezóně provozu. Palivem pro kogenerační jednotky je nejčastěji zemní plyn, dále lze v pístových spalovacích motorech spalovat i bioplyn, degazační plyn či jiné čisté technologické plyny. 2 Rozdělení kogeneračních jednotek Základní rozdělení kogeneračních jednotek v závislosti na druhu paliva je zobrazeno na obrázku 1. Nejčastěji jsou kogenerační jednotky provozované na spalování zemního plynu s přímým připojením do tepelné sítě. Tohle připojení je velmi jednoduché. Provozování kogeneračních jednotek na degazační a skládkový plyn vede rovněž k přímému připojení kogenerační jednotky do teplené sítě. Problém nasává u kogeneračních jednotek na bioplyn ze zemědělských bioplynových stanic a čistíren odpadních vod. Tyto jednotky mohou býti přímo 95

97 Energie z biomasy XVII, připojené do tepelné sítě, nejčastěji však jsou připojeny nepřímo. Je to z důvodu odběru technologického tepla pro vlastní spotřebu bioplynové stanice nebo čistírny odpadních vod. Obr. 1: Rozdělení kogeneračních jednotek Kogenerační jednotky spalující zemní plyn představují nejčastěji klasické externí zdroje tepla viz obrázek 2. Mezi lokální OZE patři kogenerační jednotky na bioplyn, skládkový a kalový plyn z čistíren odpadních vod. Degazační a jiné technologické plyny by v celkové koncepci mohly představovat jiné lokální technologie. Obr. 2: Koncepce software REGIOS [5] 96

98 Energie z biomasy XVII, Popis software REGIOS Software REGIOS je nástroj vyvíjený pro denní (týdení) přípravu provozu a pro optimalizaci menších lokálních tepelných sítí v inteligentních regionech. Schéma navrhované koncepce software je na obrázku 2. Výpočtové jádro software zpracovává společnost ORTEP. Na toto výpočtové jádro budou navázány a vzájemně propojeny technologie na straně výroby, transportu a spotřeby tepla. Z pohledu produkce tepla zde budou krom klasických konvenčních zdrojů hrát velmi důležitou úlohu technologie produkující teplo na bázi OZE. Kogenerační jednotky na různé druhy paliv s různým připojením do tepelné sítě bylo tedy nutné analyzovat a následně implementovat pomocí výpočtového modelu do navrhovaného software. 4 Implementace kogenerační jednotky s přímým připojením Implementace kogeneračních jednotek s přímým připojením do tepelné sítě je relativně jednoduchá na implementaci do SW REGIOS. Řídící veličinou pro kogenerační jednotku je žádané výroba elektřiny Esv. V následujícím obrázku 3 je zobrazena závislost tepelného výkonu sekundárního okruhu U dos [kw] na svorkovém elektrickém výkonu Esv [kw]. Tato kogenerační jednotka je navržena na jmenovitý tepelný spád topného systému sekundárního okruhu 90/70 C s regulací výstupní teploty topné vody Tpzdr. (Technologický okruh s nízko-potenciálním teplem není uvažován.) Pracovní oblast kogenerační jednotky je vymezena minimálními a maximálními výkony U dos =20, ,33501 E sv - 0, E sv 800 Udos [kw] E sv [kw] Obr. 3: KGJ s přímým připojením Vektorový implementační zápis této kogenerační jednotky lze zapsat ve tvaru: 97

99 U dos [kw] Energie z biomasy XVII, Implementace kogenerační jednotky s nepřímým připojením Typickým případem kogenerační jednotky s nepřímým připojením může být bioplynová stanice. Bioplynové stanice v klasické koncepci s kogenerační jednotkou generují ze vstupního příkonu přibližně 50 % tepelné energie. Nejvyšší podíl představuje chlazení válců spalovacího motoru a chlazení spalin. Tento tepelný výkon je z části spotřebováván pro vlastní spotřebu bioplynové stanice (krytí tepelných ztrát fermentorů a jímek, předehřev vstupního substrátu), dále může být využit pro vytápění a ohřev užitkové vody nebo prodáván externě. Pokud není využití tepla dostatečné, je nutné mít v provozu vzduchové chladiče pro chlazení válců spalovacího motoru. Řídící veličinou pro zdroj tepla v podobě bioplynové stanice je produkce bioplynu V bioplyn, na kterou se následně váže výroba elektřiny Esv pož a dodávka disponibilního tepla U dos. V následujícím obrázku 4 je zobrazena závislost disponibilního tepelného výkonu U dos [kw] na produkci bioplynu V bioplyn [m 3 N/h] v závislosti na teplotě okolního prostředí t ok [ C]. Disponibilní tepelný výkon U dos dostaneme z celkového tepelného výkonu sekundárních okruhů kogeneračních jednotek po odečtení vlastní spotřeby tepla pro technologii. Kogenerační jednotky bioplynové stanice jsou navrženy na jmenovitý tepelný spád topného systému sekundárního okruhu 95/75 C s regulací výstupní teploty topné vody Tpzdr. (Technologický okruh s nízko-potenciálním teplem není uvažován.) C -10 C -5 C 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C 25 C 30 C V bioplyn [m 3 N/h] Obr.4: KGJ s nepřímým připojením 98

100 Energie z biomasy XVII, Vektorový zápis těchto kogeneračních jednotek lze zapsat ve tvaru: 6 Závěr V příspěvku jsou prezentovány dva základní typy připojení kogeneračních jednotek do tepelných sítí. Kogenerační jednotky s nepřímým připojením nabývají na složitosti vzhledem k tomu, že disponibilní tepelný výkon využitelný v tepelných sítích je silně závislý na teplotě okolního prostředí. Vlastní implementace do SW řešení se stává náročnější a nasazení SW na tyto zdroje bude podmíněné vysokým stupněm automatizace u těchto technologií, které není u těchto technologií samozřejmostí. Využívání tepla z kogeneračních jednotek je v současné době silně závislé na sezóně provozu, legislativně je podpora vysokoúčinné kombinované výroby elektřiny a tepla odvozená od počtu provozovaných hodin v roce, což je poplatné zejména pro kogenerační jednotky s přímým zapojením spalující zemní plyn. Pro kogenerační jednotky s nepřímým zapojením spalující bioplyn stávající legislativa připravena není. Poděkování Příspěvek vznikl v souvislosti s řešením projektu TE Smart Regions - Buildings and Settlements. Information Modelling, Technology and Infrastructure for Sustainable Development Použitá literatura [1] CZBA: Česká bioplynová asociace [online]. [cit ]. Dostupné z: [2] EES. Engineering Equation Solver. Professional Version V Wisconsin: F-Chart Software, [3] STRAKA, František et al.: Bioplyn: příručka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systémů, II. rozšířené a doplněné vydání. 706 s. GAS s.r.o., Praha ISBN [4] RUTZ, Dominik. Handbook on Sustainable Heat Use from Biogas Plants 2nd Edition [online]. Mnichov: WIP Renewable Energies, 2015 [cit ]. ISBN [5] Interní dokumenty hlavního řešitele WP3 projektu TE [6] Interní dokumentace bioplynových stanic. 99

101 Pyrolýza stabilizovaného čistírenského kalu: vlastnosti produktů Jaroslav MOŠKO 1, 2, *, Michael POHOŘELÝ 1, 2, Siarhei SKOBLIA 3, Zdeněk BEŇO 3, Karel SVOBODA 1, Šárka VÁCLAVKOVÁ 1, Jiří BRYNDA 1, 3, Klara LARKHAYEVA 3, Boleslav ZACH 1, 2, Michal ŠYC 1 1 Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i., Rozvojová 1/135, Praha 6 Suchdol 2 Ústav energetiky, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6 3 Ústav plynných a pevných paliv a ochrany ovzduší, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6 * mosko@icpf.cas.cz Přímá aplikace stabilizovaného čistírenského kalu na zemědělskou půdu je v současné době problematická už i kvůli významnému obsahu detekovatelných organických mikropolutantů. Pro využití kalu v zemědělství je pak nutná správná úprava kalu, která by měla potlačit jeho nevyhovující vlastnosti a vytvořit tak materiál vhodný pro aplikaci do půdy. Jedním z možných postupů úpravy je pomalá pyrolýza. V této práci byl studován vliv teploty pyrolýzy ( C) na materiálovou a energetickou bilanci a na složení a vlastnosti pyrolýzních produktů. S rostoucí teplotou pyrolýzy klesal výtěžek pevného zbytku (biocharu), výtěžek oleje (dehtu) nejdříve rostl a pak klesal a výtěžek plynu rostl. Dále bylo prokázáno, že složení hlavních produktů, biocharu a pyrolýzního plynu, je silně závislé na teplotě pyrolýzy. Klíčová slova: čistírenský kal, pyrolýza, biochar 1 Úvod Čistírenské kaly vznikají nevyhnutelně při čištění odpadních a splaškových vod pomocí mechaniko-biologických technologií. Díky znatelnému obsahu živin a organické hmoty jsou stabilizované čistírenské kaly obvykle využívané v zemědělství, zejména pak k aplikaci na zemědělskou půdu a ke kompostování. Takové využití kalů je ovšem ve velké míře limitováno obsahem škodlivých látek jako jsou těžké kovy a organické mikropolutanty (např. látky s antibiotickou či estrogenní aktivitou). Dalšími způsoby likvidace nebo využití kalů jsou skládkování a spalování nebo spolu-spalování. Vhodnými způsoby využití kalů jsou však i další technologie termochemické konverze, tj. zplyňování a pyrolýza [1]. Pyrolýza je termický rozklad materiálu za nepřístupu médií obsahujících volný kyslík. Podstatou pyrolýzy je ohřev materiálu nad mez termické stability přítomných organických sloučenin, což vede k jejich štěpení. Produkty pyrolýzy se dělí na pyrolýzní plyn, pyrolýzní olej a pevný zbytek (biochar neboli biouhel) a vzájemný poměr produktů záleží na podmínkách pyrolýzního procesu (hlavně na teplotě a době zdržení). Celkové tepelné zabarvení procesu je silně endotermní, což znamená, že je nutné do procesu dodat velké množství tepelné energie, která může být plně nebo částečné získaná spalováním pyrolýzního oleje a plynu. Základní a důležitou charakteristikou celého procesu jsou hmotová a energetická bilance a proto je nezbytná jejich znalost pro správné navržení a provoz pyrolýzní jednotky. 100

102 Pyrolýzou kalu lze získat biochar, ve kterém jsou proti kalu výrazně snížen obsah organických polutantů [2] a mobilita těžkých kovů [3, 4]. Aplikace biocharu na zemědělskou půdu může přinášet proti použití kalu také řadu dalších výhod, např. zvyšuje zadržování vody v půdě [5, 6], sekvestruje uhlík a zvyšuje stupeň využití hnojiv [7 9] nebo snižuje emise skleníkových plynů [10]. Pro zjištění materiálové a energetické bilance pyrolýzy stabilizovaného čistírenského kalu a pro výrobu biocharu byly provedeny experimenty v uzavřeném laboratorním vsázkovém reaktoru s různou teplotou pyrolýzy. 2 Materiály a metody 2.1 Materiály použité pro experimenty Pro experimenty byl použitý sušený stabilizovaný, čistírenský kal z čistírny odpadních vod s mesofilní anaerobní stabilizaci kalů (vlhkost W 9.7 hm. %). Hrubý rozbor, elementární analýza a spalné teplo a výhřevnost vzorku použitého pro experimenty jsou shrnuty v Tab. 1. Vysušený kal byl namletý a pro pyrolýzy byla použitá velikostní frakce 0,5 2 mm. Tab. 1 Vlastnosti a složení stabilizovaného čistírenského kalu použitého pro analýzy Hrubý rozbor popel, A d hm. % 43.3 prchavá hořlavina, V daf hm. % 86.8 fixní uhlík, FC daf hm. % 13.2 Spalné teplo a výhřevnost spalné teplo, HHV d MJ kg výhřevnost, LHV d MJ kg Elementární analýza C d hm. % 28.8 H d hm. % 4.20 N d hm. % 4.22 O d * hm. % 18.4 S d hm. % 1.10 d - v sušině (dry), daf - v hořlavině (dry and ash free) * - stanoveno dopočtem 2.2 Experimentální zařízení Pyrolýza cca 100 g vzorku probíhala v křemenném vsázkovém reaktoru při teplotách 400, 500, 600, 700 a 800 C. Ohřev reaktoru byl zabezpečen elektricky otápěnou pecí a jako nosný plyn pro zachování inertní atmosféry a odvod primárního pyrolýzního plynu (směs pyrolýzního plynu a dehtu nad teplotou rosného bodu dehtů) bylo použito hélium 101

103 o konstantním průtoku 150 ml min -1. Směs primárního pyrolýzního plynu a nosného plynu byla vedena teflonovými hadičkami do tří chlazených promývacích baněk pro kondenzaci dehtů a vodní páry, a dále přes fritu do tedlarových vaků pro odběr pyrolýzního plynu naředěného nosným plynem. Schéma aparatury je zobrazeno na Obr. 1. Po vložení křemenného reaktoru se vzorkem kalu do předem vyhřáté pece začal jeho ohřev na požadovanou teplotu. Teplota byla sledována pomocí termočlánku umístěným uprostřed pece mezi její stěnou a reaktorem. Po vložení byl pozorován prudký pokles teploty, která se stabilizovala do 10 minut od vložení reaktoru do pece při nižších teplotách ( C), a do 15 minut při vyšších teplotách ( C). (R regulátor průtoku He, 1 elektricky otápěná pec, 2 křemenný reaktor, 3 5 promývací baňky, 6 frita, 7 tedlarový vak) Obr. 1 Schéma aparatury pro pyrolýzu a odběr pyrolýzních produktů 2.3 Způsoby stanovení Hmotnosti biocharů (pevných pyrolýzních zbytků) a kapalných pyrolýzních produktů byly získané vážením jednotlivých částí aparatury před a po experimentech a dále hmotnosti organických frakcí (dehty) a vodních frakcí kapalných produktů byly váženy po jejich separaci z první promývací baňky. Hmotnosti a spalné tepla pyrolýzních plynů byly spočítané na základě jejich objemů a průměrných složení stanovených GC-TCD/FID analýzou. Spalné tepla kalu, biocharů a kapalných produktů byly stanoveny kalorimetricky a jejich složení byly stanoveny elementární analýzou na přístroji Flash EA 1112 v konfiguraci CHNS-O. 3 Výsledky 3.1 Hmotnostní bilance Hmotnostní bilance pyrolýzy kalu za různých teplot je zobrazena prostřednictvím grafu na Obr. 2. Výtěžek biocharu plynule klesal s rostoucí teplotou pyrolýzy z 62 hm. % (400 C) na 46 hm. % (800 C) díky uvolňování stabilnějších látek za vyšších teplot, důsledkem čeho s rostoucí teplotou procesu stoupal výtěžek pyrolýzního plynu. Výtěžek dehtu nejdříve 102

104 stoupal do teploty 600 C a s dalším růstem teploty pyrolýzy byl pozorován úbytek výtěžku díky intenzivnějšímu štěpení uvolněných organických par na nekondenzující plyny. Výtěžek vodního podílu kapalné frakce byl konstantní a tedy nezávislý na teplotě procesu. Suma výtěžků pyrolýzních produktů byla mírně pod 100 % a daná ztráta hmoty může být způsobena jak nepřesnostmi ve vážení komponent aparatury, tak ve skutečnosti, že během experimentů byl pozorován částečný průnik aerosolových částic přes fritu do tedlarových vaků, následkem čeho nebyla jejich hmotnost zaznamenaná a byla zanedbaná. Obr. 2 Hmotnostní bilance pyrolýzy stabilizovaného čistírenského kalu v závislosti na teplotě procesu 3.2 Energetická bilance Energetická bilance popisuje množství energie v jednotlivých produktech pyrolýzy vztaženo na energii referenčního množství kalu. Výtěžky energie transformované do produktů, vyjádřené jako % energie čistírenského kalu jsou zobrazeny na Obr. 3. Vzhledem k tomu, že je energetická bilance závislá na hmotnostní bilanci, jsou trendy závislosti výtěžku na teplotě velice podobné. Nicméně, důležitým poznatkem je, že součet energie transformované do plynu a dehtu, která je zásadní pro udržitelný chod pyrolýzní jednotky, stoupl z 21 % při 400 C na 49 % při teplotě 500 C a dále se pohyboval na hodnotách nad 50 %. Takové množství energie získané spalováním těchto produktů by mělo být dostatečné pro pokrytí energetických nároků pyrolýzy kalu o obsahu vlhkosti do 15 hm. %. 103

105 Obr. 3 Energetická bilance pyrolýzy stabilizovaného čistírenského kalu v závislosti na teplotě procesu 3.3 Vlastnosti a složení pyrolýzních produktů Elementární složení a spalné tepla biocharů a dehtů jsou shrnuty v Tab. 2 resp. Tab. 3 a obsah hlavních složek plynů a spalné tepla plynů v závislosti na teplotě pyrolýzy jsou zobrazeny na Obr. 4. Z tabulky složení biocharů je s rostoucí teplotou pyrolýzy patrný zejména úbytek těkavých složek: vodíku, dusíku a kyslíku. Současně je v důsledku zkoncentrování patrný prudký nárůst obsahu netěkavých minerálních složek ve formě popela a to z původních 43 hm. % v kalu (Tab. 1) na 68 hm. % v biocharu z pyrolýzy při 400 C až na 81 hm. % v biocharu z pyrolýzy při 800 C. Naproti tomu je z tabulky složení dehtů možno pozorovat, že s teplotou pyrolýzy C se složení dehtů výrazně nemění a patrný rozdíl je možno sledovat jen při nárůstu teploty pyrolýzy ze 400 na 500 C a to v nárůstu obsahu uhlíku a dusíku a poklesu obsahu vodíku a kyslíku. Obsahu síry z původního kalu po pyrolýze značně klesl, ale obsah síry v biocharu dále rostl s rostoucí teplotou pyrolýzy což je trend opačný od trendu hmotnostního výtěžku biocharu. Stejný jev je pak vidět u trendu obsahu síry v dehtech, který je opačný od trendu hmotnostního výtěžku dehtu. Lze tak uvažovat, že co se síry týká, její rozdělení mezi pyrolýzní produkty je relativně nezávislé na teplotě pyrolýzy a dá se očekávat jednoduchý princip ředění/zkoncentrování. Z grafu složení plynů je patrné, že obsah hlavních složek plynu je silně závislý na teplotě pyrolýzy a to zejména prudkým poklesem CO 2 z 62 obj. % (400 C) na 24 obj. % (800 C) a nárůstem obsahu vodíku a oxidu uhelnatého. Důsledkem toho je možné pozorovat nárůst hodnoty spalného tepla plynu do teploty pyrolýzy 700 C. Následný pokles hodnoty spalného tepla je pak možné přisoudit poklesu obsahu metanu v plynu při pyrolýze za nejvyšší teploty. 104

106 Tab. 2 Elementární analýza biocharů v závislosti na teplotě pyrolýzy t ( C) prvkové složení (hm. %) Qs C H N S O * A (MJ kg -1 ) ,1 1,62 3,04 0,267 4,08 67,9 9, ,4 1,04 2,66 0,289 1,92 72,7 8, ,7 0,716 2,26 0,389-75,9 8, ,5 0,497 1,55 0,552-77,9 8, ,3 0,310 0,939 0,650-80,8 8,1 * - stanoveno dopočtem Tab. 3 Elementární analýza dehtů v závislosti na teplotě pyrolýzy t ( C) prvkové složení (hm. %) Qs C H N S O * (MJ kg -1 ) ,9 10,3 6,48 1,23 15,1 32, ,2 9,86 7,23 0,694 11,0 34, ,4 9,85 7,08 0,629 11,1 34, ,9 9,35 7,74 0,804 10,2 34, ,7 9,21 7,48 1,10 10,5 34,9 * - stanoveno dopočtem Obr. 4 Obsah hlavních složek plynu a spalné teplo plynu v závislosti na teplotě pyrolýzy 105

107 4 Závěr Příspěvek se věnuje pyrolýze čistírenského kalu z čistírny odpadních vod s mesofilní anaerobní stabilizací kalů. Pyrolýza probíhala ve vsázkovém křemenném reaktoru v inertní atmosféře hélia. Cílem bylo vyhodnotit materiálovou a energetickou bilanci procesu a složení a vlastnosti pyrolýzních produktů v závislosti na teplotě pyrolýzy v intervalu C. Bilancemi bylo prokázáno, že za daných podmínek lze vést proces s minimálními ztrátami na hmotě a malými ztrátami na energii a že s rostoucí teplotou pyrolýzy 1 ) klesá výtěžek pevného zbytku (biocharu) 2 ) výtěžek oleje (dehtu) nejdříve roste a pak klesá 3 ) roste výtěžek plynu. Dále bylo zjištěno, že složení biocharu a složení plynu je silně závislé na teplotě pyrolýzy a že elementární složení dehtů je při teplotách 500 C a více závislé na teplotě jen minimálně. Poděkování Práce vznikla díky finanční podpoře projektu AV21 Účinná přeměna a skladování energie, podpoře projektu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy č. 20-SVV/2016 a 2017 a IGA ÚCHP AV ČR Použitá literatura 1. Agrafioti E., Bouras G., Kalderis D., Diamadopoulos E.: Biochar production by sewage sludge pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 101, (2013). 2. Hoffman T.C., Zitomer D.H., McNamara P.J.: Pyrolysis of wastewater biosolids significantly reduces estrogenicity. Journal of Hazardous Materials, 317, (2016). 3. Yuan H., Lu T., Huang H., Zhao D., Kobayashi N., Chen Y.: Influence of pyrolysis temperature on physical and chemical properties of biochar made from sewage sludge. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 112, (2015). 4. Liu T., Liu B., Zhang W.: Nutrients and heavy metals in biochar produced by sewage sludge pyrolysis: Its application in soil amendment. Polish Journal of Environmental Studies 23, (2014). 5. Ibrahim H.M., Al-Wabel M.I., Usman A.R.A., Al-Omran A.: Effect of Conocarpus biochar application on the hydraulic properties of a sandy loam soil. Soil Science 178, (2013). 6. Laird D.A., Fleming P., Davis D.D., Horton R., Wang B., Karlen D.: Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil. Geoderma 158, (2010). 7. Chan K.Y., Xu Z.: Biochar - nutrient properties and their enhancement. Biochar for environmental management: science and technology. Earthscan, London: 67 84, Lehmann J., Gaunt J., Rondon M.: Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems a review. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 11, (2006). 9. Steiner C., Glaser B., Teixeira W.G., Lehmann J., Blum W.E.H., Zech W.: Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian ferralsol amended with compost and charcoal. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 171, (2008). 10. Pohořelý M., Moško J., Zach B., Šyc M., Václavková Š., Jeremiáš M., Svoboda K., Skoblia S., Beňo Z., Brynda J., Trakal L., Straka P., Bičáková O., Innemanová P.: Materiálové a energetické využití suchého stabilizovaného čistírenského kalu výroba biocharu středněteplotní pomalou pyrolýzou. Waste Forum 2017(2), (2017). 106

108 Termické zhodnocení paliv Václav PEER 1,*, Jan NAJSER 1, Jaroslav FRANTÍK 1, Drahomír MAŠEK, 2 1 Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Centrum ENET, 17. listopadu 15/2172, Ostrava -Poruba, Česká republika 2 Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15/2172, Ostrava -Poruba, Česká republika * vaclav.peer@vsb.cz V současnosti je širší využití pyrolyzních technologií omezeno kvůli složitějšímu uplatnění jednotlivých produktů pyrolýzy na trhu. Nicméně tento způsob zpracování různých druhů materiálů přináší také výhody v podobě produkce surovin pro chemické účely. Klíčová slova: pyrolýza, plasty, pyrolyzní plyn, pyrolyzní olej 1 Úvod Využití pyrolyzních procesů pro zpracování odpadních materiálů představuje zajímavý způsob jejich využití. Na rozdíl od zplyňování je možno připravit širší škálu produktů. Ty je možno následně využívat různými způsoby. Plynné produkty nejčastěji slouží k výrobě energie či ohřevu vlastního pyrolyzního reaktoru. Kapalné produkty mohou Taktéž sloužit k výrobě tepla či elektřiny v hořácích či kogeneračních jednotkách nebo jako surovina pro přípravu chemických přípravků. Tuhý zbytek může být používán dle výchozí suroviny pro úpravu vlastností půdy (biomasa), nebo jako palivo či adsorpční činidlo. 2 Technologie pyrolýzy Vhodně upravené palivo (homogenizace, peletizace) je systémem dopravníků přivedeno do vytlačovacího šneku, kde dochází k ohřevu na teplotu cca 300 C a plastikaci materiálů. Dále již tekutá hmota přechází do elektricky otápěného reaktoru, kde dochází k vlastní pyrolýze. Pyrolyzní plyn odchází z horní části reaktoru do vodou chlazených výměníků, kde dochází k rozdělení plynné frakce na pyrolyzní plyn a pyrolyzní olej. Plyn je odváděn ke spálení na dopalovací hořák a pyrolyzní olej přechází do zásobníku. Celá technologie je řízena počítačem, přičemž jsou sledovány hlavní parametry důležité pro správný chod technologie. Zejména se jedná o otáčky šneku a teplotu v reaktoru. 3 Paliva Pro testy bylo použito 5 druhů paliv. Prvním byl nízkohustotní polyethylen LDPE, z něhož se běžně vyrábí měkké folie, izolace kabelů, tašky či přepravky. 107

109 Dalším byl vysokohustotní polyethylen HDPE, který se využívá pro výrobu mikrotenových folií, potrubí pro vodu či palivové nádrže automobilů. Dalším plastem, který byl testován, byl polypropylen PP. Ten se využívá zejména pro izolace kabelů, výrobu obalů a lan. S omezením určitého obsahu je možno zpracovávat také polystyren PS, využívaný zejména pro výrobu izolací, obalů či jednorázového nádobí. Tento plast byl používán ve směsi se složením : 35 hm.% LDPE, 30 hm.% HDPE, 30 hm.% PP a 5 hm.% PS. Vzhledem k typu termického procesu jsou problematické plasty s vysokou teplotou tavení (PET, PA) a polymery s obsahem chloru (PVC, PVDC). I přes tato omezení byla testována směs obsahující polyethylentereftalát PET, který se využívá zejména pro výrobu vláken, obalů (lahve) a folií. Ten byl zpracováván ve směsi s dalšími plasty se složením : 30 hm.% LDPE, 27 hm.% HDPE, 30 hm.% PP, 3 hm.% PS a 10 hm.% PET. Všechny materiály byly připraveny tak, aby měly co nejvyšší energetickou hustotu (peletizace). 4 Výsledky experimentů 4.1 Pyrolyzní plyn Vzniklý pyrolyzní plyn byl analyzován multikomponentním analyzátorem GAS 3100 SYNGAS, schopným přímého měření složení plynu. Záznam z měření složení plynu vzniklého z nízkohustotního polyethylenu je znázorněn na Obr. 1. Obr. 1 Složení pyrolyzního plynu z LDPE Ze složení plynu byla vypočtena jeho výhřevnost, objem byl stanoven pomocí průtokoměru. Tuhé znečišťující částice byly stanoveny hmotnostně jako množství tuhého materiálu zachyceného na filtru ze skleněných vláken. Obsah dehtů byl stanoven pomocí zachycení těchto organických sloučenin do rozpouštědla (isopropanolu) a následně byl stanoven laboratorně pomocí plynové chromatografie GC. 108

110 Tab.1. Parametry pyrolyzních plynů Parametr LDPE HDPE PP Směs PS Směs PET Výhřevnost [MJ/m 3 ] Průtok plynu [l/h] 32,9 32,3 33,5 32,8 32, TZL [mg/m 3 ] Dehet [mg/m 3 ] Pyrolyzní olej Pyrolyzní olej byl vzorkován během pyrolyzního procesu z potrubí spojujícího pyrolyzní technologii se zásobníkem oleje. Rozbory byly provedeny v laboratoři a jejich výsledky jsou uvedeny v Tab.2. Tab.2. Parametry pyrolyzních olejů Parametr LDPE HDPE PP Směs PS Směs PET Výhřevnost [MJ/m 3 ] Obsah uhlíku C [hm.%] Obsah vodíku H [hm.%] Obsah síry S [hm.%] Obsah popela [hm.%] Obsah vody [hm.%] Hustota oleje [kg/m 3 ] 43,0 43,0 43,1 43,2 43,3 81,2 78,8 78,3 76,7 69,7 13,6 13,3 13,2 12,9 11,5 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,05 0,02 0,02 0,02 0,01 0,02 0,04 0,02 0,02 0, Tuhý pyrolyzní zbytek Tuhý pyrolyzní zbytek byl připraven v laboratorních podmínkách, neboť jej nebylo možno odebrat ze zařízení. Během testování se nepodařilo zjistit množství ani složení tuhého zbytku v technologii. Proto nebylo možno ani stanovit jeho množství v rámci rozdělení jednotlivých produktů pyrolýzy. Výsledky rozborů jsou uvedeny v Tab

111 Tab.3. Parametry tuhých pyrolyzních zbytků Parametr LDPE HDPE PP Směs PS Směs PET Výhřevnost [MJ/kg] Obsah popela [hm.%] Obsah hořlaviny [hm.%] 7,4 6,7 4,4 5, Diskuse Při srovnání výhřevnosti pyrolyzních olejů s benzínem Natural N95 (46,4 MJ/kg) je zřejmé, že oleje vykazují obdobný energetický obsah. Též výhřevnost pyrolyzních plynů je poměrně vysoká (např. ve srovnání se zemním plynem 35 MJ/m 3 ), což je způsobeno přítomností vyššího množství vyšších plynných uhlovodíků (propan, butan). Vzhledem k tomu, že nebylo možno zjistit množství tuhého zbytku, který se zřejmě zachycoval ve spodní části pyrolyzéru, byl alespoň zhodnocen zjištěn poměr energií v plynných a kapalných produktech. Při zpracování plastových materiálů dochází převážně ke vzniku oleje, neboť do plynu přechází pouhé 0,5 1,3 % energie z původního paliva. To potvrzuje předpokládané výsledky dosahované na obdobných zařízeních s využitím podobných paliv. 6 Závěr Pyrolyzní jednotka s elektrickým ohřevem představuje velmi kompaktní řešení zpracování specifických druhů materiálů. Během testování bylo potvrzeno, že je snadno ovladatelná a provozně spolehlivá. Omezením je v tomto směru elektrický ohřev, který je pro tyto typy jednotek velmi nákladný na provoz. Dalším výrazným omezením je druh zpracovávaného materiálu. Jednotka je schopna zpracovávat čisté plasty, které jsou navíc uzpůsobeny pro dávkování, přičemž drcení, mletí a následné peletování je též velmi investičně i provozně nákladné. Omezení v podobě nemožnosti zpracovat čisté materiály na bázi PET, PS či PVC jsou pro tyto typy zařízení společná. Poděkování Článek vznikl za podpory projektu 2016TH Vývoj technologie pro čištění a úpravu syntézních plynů (TS /2505) a Adjustace syntézních plynů pro užití v sekundárních energetických strojích SP2017/

112 Použitá literatura [1] JANKOVSKÁ, Zuzana, VEČEŘ, Marek, FRANTÍK, Jaroslav. Study of pyrolysis of polymers and coal and co-pyrolysis of their blends, kinetics of the process. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava. Řada strojní. 2012, roč. LVIII, č. No. 1, 2012, vol. LVIII, s ISSN [2] MIKULOVÁ, Zuzana, HONUS, Stanislav, SASSMANOVÁ, Veronika, FRANTÍK, Jaroslav. Pyrolýza a ko-pyrolýza vybraných polymerů a uhlí. In Sborník příspěvků mezinárodní konference mladých vědeckých pracovníků. Ostrava:VŠB - TU Ostrava, 2011, s ISBN

113 Prototyp roštového kotle pro spalování rostlinných pelet Pavel SKOPEC 1,*, Jan HRDLIČKA 1, František HRDLIČKA 1, Tomáš DLOUHÝ 1, Matěj VODIČKA 1 ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, Praha 6, * p.skopec@fs.cvut.cz Článek se zabývá spalováním rostlinných pelet v prototypu roštového kotle. Paliva rostlinného původu jako zemědělské odpady či cíleně pěstované energetické plodiny jsou důležitá při zvyšování podílů obnovitelných zdrojů energie, ovšem sklon jejich popelovin ke spékání komplikuje jejich použití. Uvedený prototyp roštu umožňuje efektivně, ekologicky a uživatelsky přívětivě spalovat tento typ paliv. V článku jsou uvedeny výsledky měření emisí oxidu uhelnatého, oxidů dusíku, celkového organického kyslíku a tuhých znečišťujících látek a je provedeno porovnání se současnými legislativními požadavky. Klíčová slova: rostlinná biomasa, pohyblivý rošt, 1 Úvod V současné době existuje silný tlak na stále vyšší využívání obnovitelných zdrojů energie, přičemž silným trendem je zavádění těchto obnovitelných zdrojů i do domácnosti, což lze například ilustrovat na řadě dotačních titulů podporujících pořízení vysoce účinných a ekologicky šetrných kotlů na spalování biomasy pro domácnosti. Cílem těchto dotačních programů je nahradit využívání fosilních paliv, zejména uhlí, mimo jiné také s ohledem na lokální znečištění ovzduší. Rostlinná paliva (zemědělské odpady i cíleně pěstované rostliny) byla již dříve považována za velmi důležitá paliva při zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie pro lokální vytápění. Jedním z výrazných problémů při využívání rostlinné biomasy jako paliva je tavení popelovin výrazně komplikující provoz těchto zdrojů a rovněž s tím souvisejícího problému s produkcí plynných emisí. To je i důvodem proč je v současnosti v drtivé převaze využívání dřevní biomasy a rostlinná biomasa je využívána stále omezeně. Přitom jsou však zdroje dřevní biomasy, na rozdíl od rostlinné, využívány z převažující části dostupného potenciálu a dochází tak k nárůstu její ceny. To využívání biomasy začíná diskvalifikovat oproti fosilním zdrojům energie, přičemž výrobků určených pro spalování rostlinných paliv je na trhu stále omezené množství. Tento příspěvek má za cíl představit vývoj nového typu kotle, který bude schopný efektivně a ekologicky spalovat standardizovaná paliva (pelety) na bázi rostlinných materiálů nižší kvality a nejrůznějších druhů odpadních a zbytkových materiálů pocházejících především ze 112

114 zemědělské výroby a údržby zeleně. Uvažovaná výkonová kategorie je od 25 do 500 kw, tedy vhodná pro vytápění provozních a komunálních budov ale rovněž i domácností. 2 Konstrukce roštu Současný stav vývoje kotlů na biomasu ve sledované výkonové řadě do 500 kw je dobře popsán v literárně dostupných pramenech, např. [1] nebo [2]. Na evropském trhu je rozdělení typů kotlů podle paliva přibližně následující 31 % pelety, 22 % kusové dřevo, 17 % dřevní štěpka, 30 % ostatní (většinou možnost spalování více druhů paliv). Z hlediska konstrukce spalovací komory je rozdělení přibližně následující 60 % pevný rošt, 30 % pohyblivý rošt a 10 % retortový hořák. Pro spalování pelet jsou nejčastěji používané nálevkové anebo trubkové hořáky v oblasti pevných roštů a posuvné rošty s čelním přikládáním paliva v oblasti pohyblivých roštů. Chlazení roštu je řešeno v této výkonové kategorii výhradně primárním vzduchem, který je zaveden pod rošt, pokud je vůbec tato problematika řešena. V případě spalování paliv s nízkou teplotou tavení popelovin na výše zmíněných typech roštů dochází k tvorbě lokálních aglomerací, což nedovoluje vysoké plošné zatížení roštu z důvodu nebezpečí nedostatečného chlazení roštnic a mechanizmů pro posun paliva a zbytků po spalování. Dalším problémem je nedokonalé spalování a tím zvyšování plynných emisí zejména oxidu uhelnatého. Tento jev byl v minulosti zkoumán např. na kotli s posuvným roštem o výkonu 25 kw. Výsledky jsou uvedeny na Obr. 1. Obr. 1 Emise při spalování různých typů paliv Z Obr. 1 vyplývají rostoucí emise CO pro spalování zemědělské biomasy. Důvodem takto zvýšených emisí je právě sklon popelovin k tvorbě aglomerací. Ty poté blokují účinnou plochu roštu, dochází k nerovnoměrnému přívodu spalovacího vzduchu a tím k výraznému zhoršení kvality spalování. Játrofa byla do přehledu přidána jen pro porovnání. Jedná se o druh sukulentní rostliny rostoucí v suchých tropických a subtropických oblastech. Rostlina je využívána v těchto oblastech k výrobě bionafty a zbylé výlisky je možné využít jako alternativní palivo. Nevýhoda je vysoký obsah dusíku v hořlavině, který má za následek výrazně zvýšené emise oxidů dusíku v porovnání s ostatními palivy a stejně jako ostatní zemědělská biomasa sklon ke spékání popelovin. Výše uvedené problémy vedly ke zvolení zcela nové koncepce roštu s pohyblivými elementy. Tyto elementy slouží jak pro posuv a přesouvání materiálu tak i k drcení vzniklých aglomerátů. Základní koncepce roštu je uvedena na obrázcích 2 a 3. Rošt je tvořen několika 113

115 válci umístěnými v mírném sklonu za sebou a jedním koncovým protiválcem majícím za úkol konečné dodrcení vzniklých aglomerátů. Tyto pohyblivé elementy jsou uloženy ve vodou chlazených bočnicích. Napájení chlazení boků roštnic je zapojeno paralelně k vodnímu chlazení celého kotle. Toto řešení zajišťuje pohyblivost elementů roštu i při vysokém tepelném zatížení roštu. Dochází k chlazení i při regulačních prodlevách pohybu roštu a rovněž zajišťuje dodatečný odvod tepla ze spalovací plochy roštu. Obr. 2 představuje boční řez roštem. Obr.3 pak ukazuje celý prototyp roštu včetně usazení pohyblivých elementů ve vodou chlazených trámcích. Uvedené provedení odpovídá výkonu kotle na úrovni 75 kw. Obr. 2. Řez základním řešením roštu s pohyblivými elementy válci Obr. 3. Prototyp chlazeného roštu s pohyblivými elementy. Výše uvedený rošt je umístěn pod spalovací komorou s čelním přívodem paliva. Primární vzduch je přiváděn pod rošt. Do oblasti nejintenzivnější spalování prchavé hořlaviny je přiveden sekundární spalovací vzduch. Spalovací komora má silnou keramickou vyzdívku, na kterou dále navazuje dvoutahový žárotrubný výměník. Výměník je osazen viřiči, které mají dva významy slouží k samostatnému čištění výměníku bez nutnosti účasti obsluhy kotle a zároveň jsou pozitivním přínosem pro přestup tepla v trubkách, neboť zintenzivňují pohyb spalin v trubce a zároveň zvyšují sálavou plochu a tím přispívají k intenzivnějšímu přestupu tepla. 3 Měření emisí a účinnosti na kotli o výkonu 150 kw Měření produkce plynných emisí probíhalo na prototypu kotle o výkonu 150 kw. Kotel je řízen samostatnou řídící jednotkou. Palivem byly senné pelety, jejichž složení je uvedeno v Tab. 1. Tab. 1. Prvkový rozbor paliva C r [hm.%] O r [hm.%] H r [hm.%] S r [hm.%] N r [hm.%] A r [hm.%] W r [hm.%] r Q i [MJ/kg] 40,1 40,3 6,1 0,05 0,7 5,8 7,4 17,5 Po ustálení výkonu na úrovni kolem 150 kw a optimalizaci spalovacího procesu již nebylo do řízení kotle zasahováno. V tabulce 2 jsou uvedeny průměrné hodnoty z měření emisí. Hodnoty CO, SO 2 i NO x jsou přepočítány na mg a vztaženy na referenční obsah kyslíku ve 114

116 spalinách 10%. Pomocí gravimetrické metody s izokinetickým odběrem vzorku byly rovněž stanoveny emise tuhých znečišťujících látek. Na Obr. 4 je vynesen vývoj výkonu a teplotní spád kotle a Obr. 5 pak zobrazuje vývoj emisí během měření. Tab. 2. Výsledky měření emisí O 2 [%] CO [mg/m 3 ] NO x [mg/m 3 ] SO 2 [mg/m 3 ] OGC [mg/m 3 ] TZL [mg/m 3 ] Teplota spalin [ C] Průměr 11, , Směr. odch. 0, ,5 2 Obr. 4 Graf výkonu a teplotního spádu kotle Obr. 5 Záznam emisí O 2, CO a NO X Z vývoje emisí uvedených na Obr. 5 a výsledků uvedených v Tab. 2 lze vypozorovat, že provoz kotle byl stabilní bez výrazných výkyvů jak během period posouvání paliva, tak během čištění výměníku pomocí viřičů, které nejsou na trendech nijak patrné. Průměrný výkon kotle během sledované periody byl 153 kw. Emise NO x odpovídají druhu použitého paliva a jsou způsobeny právě vyšším obsahem dusíku. Výraznější snížení emisí NO x by vyžadovalo využití recirkulace spalin, což by ovšem 115

117 výrazně komplikovalo konstrukci kotle, jeho regulaci, zvýšila by se elektrická spotřeba a celkové výrobní náklady. V současné době ovšem nejsou žádné požadavky emisního limitu NO x na kotle spalující nedřevní biomasu. Tento limit se objevuje až u kotlů spalujících dřevní biomasu či fosilní paliva v podobě požadavků na tzv. ekodesign kotlů na tuhá paliva, které musí splňovat všechny kotle jdoucí na trh po roce Dalším bodem bylo vyhodnocení účinnosti kotle. Vzhledem k nemožnosti kalibrace dopravníku a zjišťování množství přívodu paliva byla účinnost kotle určena nepřímou metodou. Výsledky vyhodnocení jsou uvedeny v Tab. 3. Pro určení ztráty mechanickým nedopalem byl odebrán popel z výsypky popelovin a bylo určeno množství nespáleného uhlíku. Konstrukce kotle je navržena tak aby popílek z úletu, který se zachytí ve výměníkové části, byl odveden do společného zásobníku popela, proto je rozložení popela uvedeno jako 100% popela v propadu. V případě určování ztráty fyzickým teplem tuhých zbytků byla teplota odchozího popela odhadnuta na 300 C. Rovněž ztráta sáláním kotle do okolí byla odhadnuta. Výsledná účinnost zařízení vychází 89,3% i při poměrně velikém přebytku spalovacího vzduchu, který by vzhledem k ostatním emisím, převážně CO a TOC, mohl být ještě snížen. Tab. 3. Vyhodnocení účinnosti kotle Komínová ztráta Teplota spalin 158 C Přebytek vzduchu 2,1 Komínová ztráta 9 % Ztráta chemickým nedopalem Koncentrace CO 43 mg/m 3 Ztráta chemickým nedopalem 0,02 % Ztráta mechanickým nedopalem Podíl uhlíku v propadu 6 % Rozložení popela vše 100% v propadu Ztráta mechanickým nedopalem 0,6 % Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků Uvažovaná teplota popela 300 C Ztráta fyzickým teplem tuhých 0,08 % zbytků Ztráta sáláním a konvekcí Ztráta sáláním 1 % Celková účinnost 89,3% 4 Porovnání výsledků kotle s platnými legislativními požadavky ČR Měření ukázalo, že kotel vykazuje velice dobré spalovací vlastnosti a dosahuje vysoké účinnosti. V současné době se kvalita kotlů do výkonu 500 kw hodnotí pomocí zařazování do tzv. emisních tříd [3]. V Česku se v současné době hodnotí kotle dle normy ČSN EN 303-5:2013, která mimo jiné obsahuje emisní limity. Pro v současné době nejvyšší 5. třídu s biologickým typem paliva a samočinnou dodávkou paliva existují limity uvedené v Tab. 4. Uvedené limity jsou platné pro všechny výkony kotlů do 500 kw. 116

118 Emisními limity pro malé kotle se rovněž zabývá i zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší [4], který stanovuje minimální emisní požadavky pro kotle uváděné na trh. Uvedený kotel spadá do výkonové kategorie 10 až 300 kw a dle tohoto zákona bude od ledna 2018 možné prodávat pouze kotle, které splní zjednodušeně řečeno třídu 4 dle ČSN EN 303-5:2013. Tab. 4. Emisní limity pro 4. a 5. třídu kotlů s biologickým palivem a samočinnou dodávkou paliva [3] Mezní hodnoty emisí v mg/m 3 při 10% O 2 Účinnost kotle [%] CO TOC Prach 4. třída log P jm 5. třída log P jm Porovnáním výsledků měření s hodnotami emisních limitů pro jednotlivé třídy je patrné, že v případě plynných emisí splňuje výše uvedený kotel emisní limity s velkými rezervami. V případě účinnosti vychází dle vztahu uvedeného v Tab. 4 požadovaná minimální účinnost kotle při jmenovitém výkonu 150 kw 89,2% což tento kotel rovněž splňuje. Jako problematické se ovšem jeví dodržení limitů pro tuhé znečišťující látky, které z měření vycházejí téměř desetinásobné v porovnání s 5. emisní třídou. Zvýšené emise tuhých látek jsou dány charakteristikou spalovaného paliva, které obsahuje velké množství prachového podílu rostlinné pelety ze sena nejsou příliš kvalitní. Je tedy patrné, že kotel bude muset být vybaven zařízením na záchyt tuhých látek. 5 Závěr Experimentální ověření ukázalo, že výše uvedená koncepce řešení roštu umožňuje spalování pelet ze zemědělské biomasy a odstraňuje nedostatky jiných typů roštů. Zařízení je schopné ekologicky a uživatelsky přívětivě spalovat paliva mající sklon ke spékání. Pro uvedenou koncepci roštu je důležité správné nastavení přívodu paliva a chodu roštu aby došlo k dostatečnému rozmělnění paliva po celé délce i šířce roštu. Toto nastavení zajišťuje vlastní automatika kotle. Konstrukce ohniště a přívod sekundárního vzduchu zajišťují dostatečné vyhoření paliva a sledované parametry splňují emisní normu 5. Hodnoty oxidů dusíku jsou zvýšené, což je dáno vyšším obsahem dusíku v palivu a právě tvorbou palivových oxidů dusíku. Problematické jsou emise tuhých látek, které bude nutné řešit přidáním zařízení na jejich záchyt. Poděkování Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS16/211/OHK2/3T/12 s názvem Snižování emisí NO X při oxy-fuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě a projektem TA Výzkum a vývoj pokročilého kotle pro využití rostlinných paliv. Použitá literatura [1] van Loo, S., Koppejan, J. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. London: Earthscan, ISBN

119 [2] Míguez, J.L. a kol. Review of technology in small-scale biomass combustion systems in the European market. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012), str [3] Horák, J. a kol. Jaké parametry musí splnit kotle na tuhá paliva? Legislativa v ČR a Evropě stav v roce 2017, Vytápění, větrání, instalace, 2017, dostupné na < [4] Zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší. In: Sbírka zákonů ISSN

120 Návrh postupov pri vyhodnocovaní experimentov špeciálnych druhov materiálov Michal SVÁTEK 1,*, Peter KRIŽAN 1 1 Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvalitu, Námestie Slobody 17, Bratislava, Slovensko * svamichal@gmail.com V uvedenom príspevku sme sa bližšie zamerali na postupy pri vyhodnocovaní experimentov špeciálnych druhov materiálov. Pre bližšie určenie v tomto prípade rozumieme pod pojmom špeciálny materiál taký materiál, ktorý je zmesou iných, prípadne materiál, ktorý je potrebné testovať počas plnej prevádzky, resp. bez prerušenia výrobného procesu. V jednotlivých kapitolách sa zameriame na návrhy experimentov pri takýchto druhoch materiálov a tiež na ich vyhodnotenie. Rovnako definujeme podmienky za akých je možné uvedené experimenty realizovať. Klíčová slova: experiment, návrh, postupy, materiál, analýza, špeciálne materiály 1 Úvod V bežnej praxi sa často stretávame s požiadavkou na analýzu, a s tým spojený experiment procesu, špeciálnych druhov materiálov. Jedná sa často o špeciálne materiály nie svojim zložením alebo druhom, ale požiadavkami kladenými na proces v ktorom sa využívajú. 2 Experimenty špeciálnych druhov materiálov Ako už bolo spomenuté v úvode tohto príspevku, budeme v ňom pojednávať o špeciálnych druhoch materiálov, ktoré vyžadujú, resp. sú používané v neštandardných procesoch. V prvej časti sa zameriame na zmesi materiálov a plány experimentov s nimi spojené. V druhej časti sa pozrieme bližšie na materiály, resp. opäť na procesy s nimi spojené, kedy nie je možné daný proces prerušiť a teda je potrebné vykonávať experiment za plnej prevádzky. 2.1 Plány experimentov a ich vyhodnotenie pre zmesi materiálov Experimenty zamerané na optimalizáciu pomeru zložiek v zmesi sú založené na rovnakom princípe, ako štandardné faktorové experimenty. Existujú však viaceré odlišnosti, ktoré tento proces robia odlišným. Prvým je, že hodnota faktora je vyjadrená ako podiel z celku v tvare zlomku, alebo ako percentuálny podiel. Súčet hodnôt všetkých faktorov je 1 119

121 alebo 100%. Dôsledkom toho je, že jeden z faktorov sa dá vypočítať z ostatných, teda jeden z faktorov je lineárne závislý. Z toho vyplýva, že plány pre tieto experimenty nebudú ortogonálne. Nulový podiel niektorého faktora znamená, že v zmesi nie je príslušná zložka. Nula sa nepovažuje za úroveň nastavenia faktora, pretože zložka v zmesi neexistuje.100% podiel niektorého faktora znamená, že v zmesi nie sú ostatné zložky. Všetky faktory musia byť spojité. [1,5] Experimenty pre zmesi môžu byť pre dve a viac zložiek. Pre dve zložky však experiment prejde na jednoduchý jednofaktorový experiment, pretože nastavenie druhej zložky je vždy dané nastavením prvej zložky. Špeciálne plány je potrebné použiť až pre tri alebo viac faktorov. Z týchto odlišností vyplýva modifikovaný prístup k riešeniu modelu. Na riešenie budeme používať model bez konštanty (intercept). Pri experimentoch pre podiely zložiek zmesí používame niekoľko typov plánov: Simplex Centroid - Plán je použiteľný, ak každý z faktorov je možné nastaviť na hodnoty 0 až 1 (0 až 100%) a ak tieto nastavenia majú zmysel. Riadky plánu obsahujú iba 0, 1 alebo rovnaké úrovne nastavenia faktorov. Obr. 1 Plán experimentu Simplex centroid [4] Simplex Lattice - Plán je použiteľný, ak každý z faktorov je možné nastaviť na hodnoty 0 až 1 (0 až 100%) a ak tieto nastavenia majú zmysel. Riadky plánu obsahujú iba 0, 1 alebo rôzne iné úrovne faktorov. 120

122 Obr. 2 Plán experimentu Simplex Lattice [4] Plány Simplex Centroid alebo Simplex Latice volíme podľa toho, čo je vhodnejšie z hľadiska nastavenia faktorov pri realizácii experimentu. Extreme Vertices - Plány používame vtedy, keď jeden alebo viac faktorov nie je možné nastaviť na hodnoty 0 až 1 (0 až 100%), alebo nastavenie na hodnoty 0 až 1 (0 až 100%) nemá zmysel. Návrhy extrémnych vrcholov sú návrhy zmiešavacích prvkov, ktoré pokrývajú len čiastočnú časť alebo menšie miesto v rámci simplexu. Tieto návrhy sa musia použiť, ak zvolený navrhovaný priestor nie je L-simplex. Prítomnosť oboch dolných a horných viazaných obmedzení na komponentoch často vytvára túto podmienku. Napríklad, ak je potrebné určiť pomery múky, mlieka, prášku do pečiva, vajec a oleja v zmesi palacinky, ktorá by vytvorila optimálny produkt na základe chuti. Pretože predchádzajúce experimenty naznačujú, že zmes, ktorá neobsahuje všetky zložky alebo má príliš veľa prášku na pečenie, nespĺňa požiadavky na chuť, rozhodneme sa obmedziť dizajn nastavením dolných hraníc a horných hraníc. [2,5,6] 2.2 Experimenty s možnosťou neprerušenia výrobného procesu použitie metódy EVOP EVOP je metóda experimentov, ktorá umožňuje realizovať experiment bez prerušenia procesu a bez toho, aby boli v procese následkom nastavenia faktorov generované nezhodné produkty. To môžeme dosiahnuť vtedy, keď sú zmeny nastavenia faktorov malé a ak používame málo faktorov. Pre EVOP sa používajú plány s dvomi faktormi na dvoch úrovniach (s centrálnym bodom). Vzhľadom k tomu, že zmeny faktorov sú malé, pre rozlíšenie zmien 121

123 výstupnej charakteristiky sú potrebné veľké vzorky. EVOP sa realizuje ako postupnosť experimentov. V prvej fáze sa realizuje experiment okolo aktuálneho nastavenia procesu a na základe analýzy optimálneho nastavenia sa nastaví a stabilizuje proces s novým nastavením. Okolo nového nastavenia sa realizuje ďalší experiment, a takto sa postupuje smerom k zlepšovaniu sledovanej výstupnej charakteristiky procesu (postup A B C D).[1,4] Obr.3. Ukážka plánu experimentu pomocou metódy EVOP[5,6] Na obrázku 3 je schematicky zobrazený princíp funkcie metódy EVOP. Princíp je založený na postupnom prechode jednotlivými experimentmi každý štvorec na obrázku predstavuje jeden plán experiment. V praxi to znamená, že vďaka tejto postupnej metóde je možné vykonávať experimenty, resp. pripravovať návrhy za plnej prevádzky. Táto situácia môže často vzniknúť v bežnej praxi najmä v prípade finančne drahších materiálov, kedy by prerušenie procesu znamenalo ďalšie náklady, alebo v prípade, kedy nie je možné z dôvodu ďalšieho spracovania proces prerušiť. Samozrejme aj táto metóda, ako všetky ostatné, má svoje obmedzenia, limity a nevýhody. Jednou z nich je, že pri tejto metóde pracujeme iba s dvomi faktormi na dvoch úrovniach, čo v praxi často nevyhovuje podmienkam reálneho procesu, nakoľko faktorov a ich úrovní býva viac ako len dve. 3 Záver Záverom uvedeného príspevku je, že aj napriek tomu, že sú nami uvedené metodiky pre špeciálne druhy materiálov veľmi podobné klasickým faktoriálnym metódam, nakoľko z nich vychádzajú, tak sa v mnohom líšia. Ukázali sme, akým spôsobom je možné navrhnúť experiment pre zmesi materiálov a aké sú podmienky takýchto návrhov. V druhej časti sme sa zamerali na návrhy experimentov metódou EVOP, kedy v prípade špeciálneho materiálu nie je možné prerušiť výrobný proces. Často krát nie je prerušenie možné z dôvodu finančnej náročnosti, alebo udržania kontinuity výroby nadväznosť ďalších krokov vo výrobe na nami analyzovaný proces. 122

124 Poďakovanie Tento príspevok vznikol za podpory projektu VEGA 1/0420/16 - Stanovenie a výskum vplyvu parametrov v procese zhutňovania odpadovej biomasy na výslednú kvalitu výliskov, financovaného Ministerstvom školstva SR a Slovenskou akadémiou vied. Použitá literatúra [1] P. Križan, M. Svátek, Výskum zhutňovania rôznych druhov biomasy, 1. vydanie; Bratislava : FX s.r.o., 2014; ISBN , pp [2] P. Križan, M. Svátek and M. Matúš: Analysis of the significance of technological parameters at briquetting of selected types of hardwood and softwood. In: Journal of Applied Mathematics Aplimat. Bratislava: FX s.r.o., ISBN , pp (2011) [3] P. Križan, Ľ. Šooš, M. Matúš, J. Beniak and M. Svátek: Research of significant densification parameters influence on final briquettes quality. In: Wood research, ISSN , Vol.60, No.2 (2015) [4] S.R. Schmidt, R.G. Launsby, Understanding Industrial Designed Experiments, AIR ACADEMY PRESS, Colorado Springs, 1994 [5] T.H. Wonnacot, R.J. Wonnacot, Statistika pro obchod a hospodářství, VICTORIA PUBLISHING a.s., Praha, 1993 [6] A.J. Duncan, Quality Control and Industrial Statistics, Richard D. Irwin, Inc., Fifth Edition,

125 Vznik NO X při oxy-fuel spalování v bublinkující fluidní vrstvě - modelování a experimentální ověření Matěj VODIČKA 1,*, Nils Erland HAUGEN 2, Andrea GRUBER 2, Jan HRDLIČKA 1, Pavel SKOPEC 1 1 České vysoké učení technické, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, Praha, Česká republika 2 SINTEF Energy Research, Kolbjørn Hejes vei 1a, NO-7465, Trondheim, Norsko * matej.vodicka@fs.cvut.cz Tento článek předkládá numerické a experimentální výsledky tvorby NO X při oxy-fuel spalování v 30 kw th laboratorním kotli s bublinkující fluidní vrstvou. Numerický model je založen na výpočtu reakční kinetiky homogenních reakcí prchavé hořlaviny a produktů spalování pevné hořlaviny pomocí reakčního modelu GRI-mech 3.0. Byla vyhodnocována závislost tvorby NO X na teplotě fluidní vrstvy a na přebytku okysličovadla, přičemž jak výsledky experimentů, tak výstupy z numerického modelu vykazovaly značnou citlivost na přebytek kyslíku, kdy zvýšený obsah kyslíku ve spalinách podpořil oxidaci prekurzorů NO X a tím tvorbu NO X. Oproti tomu změna teploty v rozsahu typickém pro kotle s bublinkující fluidní vrstvou ( C) neměla na tvorbu NO X jednoznačný vliv. Z výstupů numerického modelu však vyplývá, že při dalším zvyšování teploty by docházelo k postupnému zvyšování koncentrace NO X. Shoda numerických a experimentálních výsledků poukazuje na to, že vytvořený numerický model může být vhodným nástrojem k detailnímu zkoumání mechanismu vzniku NO X. Klíčová slova: oxy-fuel spalování, bublinkující fluidní vrstva, NO X, emise, modelování 1 Úvod Většina světových zemí je zavázána ke snižování emisí skleníkových plynů Rámcovou úmluvou OSN o změně klimatu [1]. Oxid uhličitý (CO 2 ) patřící do této skupiny plynů je produkován téměř ve všech lidských činnostech, avšak jedním z jeho nejvýznamnějších zdrojů je energetický průmysl spoléhající stále na spalování fosilních paliv. Ve snaze snížit emise CO 2 z energetických zdrojů se předmětem výzkumu staly technologie souhrnně označované jako CCS ( carbon capture and storage nebo také carbon capture and sequestration ), mezi které patří i tzv. oxy-fuel spalování. Při něm je k okysličení paliva použit místo vzduchu čistý kyslík, díky čemuž ve spalovacím prostoru není přítomen téměř žádný dusík a spaliny tak obsahují hlavně CO 2 a vodní páru. Ta může být ze spalin snadno odstraněna kondenzací a celý proces čištění spalin je tak o poznání jednodušší, než v případě tzv. post-combustion technologií kdy je oxid uhličitý separován ze spalin tvořených převážně dusíkem. Na druhou stranu jednoduchost záchytu CO 2 při oxy-fuel spalování je vykoupena drahou a neflexibilní výrobou kyslíku. 124

126 Vedle CO 2 a vodní páry obsahují spaliny také další, byť stopové prvky, které musí být odloučeny před samotnou kompresí CO 2. Jedněmi z nich jsou oxidy dusíku (NO X ) zahrnující jmenovitě oxid dusnatý (NO) a oxid dusičitý (NO 2 ). Z definice platné legislativy mezi ně není zahrnován oxid dusný (N 2 O), ačkoliv se také jedná o skleníkový plyn a jeho tvorba může být při spalování ve fluidní vrstvě významná [2]. Mechanismy vzniku NO X, stejně jako opatření k redukci jejich emisí, jsou pro spalování se vzduchem dobře známé, a to i pro spalování ve fluidní vrstvě [3], [4], [5], [6], [7]. To však neplatí pro oxy-fuel spalování. Při něm jsou jednotlivé látky ve spalovacím prostoru přítomny v zcela odlišných koncentracích než při spalování se vzduchem, což významně ovlivňuje tvorbu NO X. Díky absenci molekulárního dusíku, který je normálně přiváděn do spalovacího ohniště se spalovacím vzduchem, vznikají oxidy dusíku zejména z dusíku vázaného v palivu a vznik termickým a promptním mechanismem je zanedbatelný. 2 Vznik NO X z palivového dusíku při vzduchovém spalování Při vstupu paliva do ohniště dochází k termickému rozkladu palivu, při němž se od pevné hořlaviny oddělí prchavé složky. Dusík vázaný v palivu je rozdělen mezi prchavou a pevnou hořlavinu v závislosti na struktuře paliva a podmínkách odplynění např. (teplotě, rychlosti ohřevu, koncentraci kyslíku a době zdržení. Nejvýznamnějšími složkami prchavé hořlaviny z hlediska tvorby NO X jsou HCN a NH 3 a dehty (organické prchavé látky kondenzující při pokojové teplotě) [2]. Ty jsou vzápětí oxidovány, přičemž HCN a NH 3 jsou považovány za nejvýznamnější zdroje NO X a N 2 O. Dehty jsou oxidovány na HCN, NH 3, NO, N 2 O a N 2 [3]. Je obtížné přesně stanovit složení prchavé hořlaviny, jelikož produkty odplynění se následně účastní dalších reakcí, v průběhu spalovací procesu jsou spotřebovány a nezůstávají jako stabilní produkty. K popisu procesu odplynění je však možné částečně využít výsledků pyrolýzy nebo spalování samostatné částice paliva při odpovídajících podmínkách [3]. Li et al. [8] při výzkumu pyrolýzy hnědého a černého uhlí v bublinkující fluidní vrstvě pozorovali, že v případě hnědého uhlí vzniká většina HCN a NH 3 při primární pyrolýze paliva, přičemž poměr zisků HCN/NH 3 je blízký jedné. Během sekundární pyrolýzy dehtů a pevné hořlaviny již nedocházelo k výraznějším změnám v produkci HCN a NH 3. Jak tvorba HCN, tak i tvorba NH 3 vykazovaly teplotní závislost. Největších zisků amoniaku bylo dosaženo při teplotě zhruba 800 C. Tvorba HCN rostla až do hodnoty 1000 C. Autoři však pozorovali také rozklad NH 3 při kontaktu s materiálem reaktoru (zirkon a nerezová ocel) při teplotách vyšších než 700 C [9], z čehož usuzovali, že zisky NH 3 mohly být ve skutečnosti větší, než jaké byly změřeny Winter et al. [10] studovali odplynování uhlí v reaktoru se samostatnou částicí a složení vzniklých spalin měřili pomocí FTIR spektrometru. V tomto případě nebylo detekováno významné množství amoniaku, a to zřejmě díky jeho adsorpci ve vzorkovací řadě nebo nízké koncentraci. 3 Vznik NO X při oxy-fuel spalování Značně odlišné složení plynného prostředí ve spalovacím prostoru při oxy-fuel spalování oproti vzduchovému spalování má na tvorbu oxidů dusíku výrazný dopad. Díky minimálnímu přísunu molekulárního dusíku je vznik NO X termickým a promptním mechanismem zanedbatelný. Dominance CO 2 a H 2 O ve spalinách stejně jako zvýšené relativní koncentrace všech ostatních produktů spalování zásadně ovlivňují i vznik NO X z palivového dusíku. Duan et al. [11] zkoumali vliv zvýšené koncentrace CO 2 na vznik prekurzorů NO X pomocí 125

127 trubkového ohniště a FTIR analyzátoru a pozorovali vliv jak na vznik HCN, tak na vznik NH 3. Zatímco tvorba kyseliny kyanovodíkové byla podpořena při zvýšení koncentrace CO 2 ve spalovacím prostoru na úkor argonu, tvorba amoniaku byla spíše potlačena. Giménéz- López et al. [12] pak studovali samotnou oxidaci kyseliny kyanovodíkové a pozorovali, že v O 2 /CO 2 atmosféře odpovídající oxy-fuel spalování dochází oproti vzduchovému spalování k jejímu zpomalení způsobenému kompetitivní reakcí HCN s CO 2 a vodíkovými radikály. Z toho plyne, že při oxy-fuel spalování je možné očekávat nižší konverzi palivového dusíku na oxidy dusíku, což potvrdili i Lupianéz a kol. [13] experimenty na 90 kw th kotli s bublinkující fluidní vrstvou. 4 Numerické modelování 4.1 Popis matematického modelu Cílem tohoto příspěvku je prezentovat výsledky numerického modelu oxy-fuel spalování v bublinkující fluidní vrstvě pomocí plug-flow reaktoru (PFR) navrženému ke studiu tvorby NO X a tyto výsledky ověřit experimenty na 30 kw th laboratorním kotli s bublinkující fluidní vrstvou. V rámci experimentů bylo použito hnědé uhlí z dolu Bílina, jehož složení je uvedeno v Tab. 1. Toto složení bylo uvažováno také ve výpočtovém modelu. Aby byly výsledky vzájemně porovnatelné, byl numerický model navržen podle rozměrů a provozních parametrů laboratorního zařízení. Schéma PFR je znázorněno na Obr. 1. Rychlost plynu na vstupu do reaktoru, příkon v palivu a teplotní profil byly voleny podle experimentů coby vstupní veličiny. Během předchozích experimentů se ukázalo, že teplota fluidní vrstvy se s výškou příliš nemění (max. v rozmezí 10 C), proto byla výpočtová teplota fluidní vrstvy uvažována nezávislá na výšce. Nad fluidní vrstvou teplota plynu klesá, jelikož ztráta sáláním stěn reaktoru do okolí je vyšší než teplo uvolněné spálením zbytkové hořlaviny. Teplotní rozdíl mezi výstupek z reaktoru a teplotou fluidní vrstvy je v čase proměnný. Pohybuje se v rozmezí C a záleží na době provozu zařízení. Ve výpočtovém modelu byl uvažován teplotní rozdíl 260 C, jelikož to byla i střední hodnota diference měřené během experimentů. Numerický model je založen na výpočtu reakční kinetiky homogenních reakcí spalování a využívá reakčního modelu GRI-mech 3.0 [14]. Tento mechanismus byl navržen k modelování spalování zemního plynu, včetně vzniku NO x a tzv. re-burningu. Zjednodušení spočívající ve vypuštění heterogenních reakcí bylo kompenzováno v zahrnutí typických produktů spalování pevné hořlaviny mezi prchavé složky. Odplynění probíhá v prostoru fluidní vrstvy úměrně měřenému příkonu paliva. Složení prchavé hořlaviny a produktů spalování pevné hořlaviny uvažované ve výpočtu bylo určeno na základě dat publikovaných týmy Winter a kol. [10] a Konttinen a kol. [7], parametrů paliva a stechiometrie oxy-fuel spalování a je popsáno v Tab. 2. Mechanismus GRI-mech 3.0 neobsahuje reakce síry, avšak ta vznik NO X příliš neovlivňuje. Rychlost plynu uvnitř reaktoru reflektuje mezerovitost fluidní vrstvy, vznik plynných látek odplyněním paliva a změny teploty v reaktoru. Numerický model simuluje recirkulaci spalin značným množstvím iterací, kdy je složení vstupního plynu nahrazeno výstupním složením z předchozí iterace. Obsah vodní páry v recirkulovaných spalinách je přitom řízen teplotou recirkulovaných spalin měřenou v rámci experimentů. 126

128 Tab. 1 - Hrubý a prvkový rozbor paliva Bílina HP V surovém stavu Bez vody a popele Q i W A C H N S [MJ/kg] [hm. %] [hm. %] [hm. %] [hm. %] [hm. %] [hm. %] 17,6 21,1 9,9 72,3 6,3 1,1 1,3 Obr. 1 - Schéma plug-flow reaktoru. Tab. 2 - Rozložení jednotlivých prvků obsažených v palivu a produktů odplynění a spalování pevného zbytku mezi pevnou a prchavou hořlavinu. pevná h. prchavá h. C 43,77 28,49 bez vody a pop, H 0,38 5,96 N 0,68 0,45 [% hm,] O 2,84 16,10 NH 3 0,14 0,93 HCN 0,16 0,31 NO 0,84 1,24 N 2 O 0,02 0,09 N 2 4,08 1,54 CH 4-68,76 [g/kg pal ] C 2 H 6-49,11 CO 30,18 68,76 H 2 2,59 13,56 O 2 18,99 71,05 CO ,41 278,97 H 2 O 211,20 127

129 5 Experimenty Experimenty byly prováděny na 30 kw th laboratorním kotli s bublinkující fluidní vrstvou, který již byl detailně popsán dříve [15]. Zařízení může být provozováno jak ve vzduchovém, tak v oxy-fuel spalovacím režimu, kdy je kyslík přiváděn buď z tlakových, nebo kryogenních nádob. Jako fluidační plyn je v takovém případě použita směs recirkulovaných spalin s čistým kyslíkem. Recirkulované spaliny jsou odebírány na výstupu z kotle za cyklonovým odlučovačem tuhých částic a než vstoupí do primárního ventilátoru, jsou zchlazeny ve dvou vodních chladičích, aby nedošlo k jeho poškození. Na výstupu ventilátoru jsou recirkulované spaliny smíchány s kyslíkem. Materiál fluidní vrstvy je tvořen vlastním popelem spalovaného uhlí. V průběhu experimentů je kontinuálně měřeno složení spalin, konkrétně obsah CO 2, O 2, CO, SO 2 a NO X. 6 Výsledky a diskuze 6.1 Výsledky experiment Aby bylo možné vyhodnotit závislosti tvorby NO X na jednotlivých parametrech, bylo provedeno několik sekvencí měření, při kterých byl vždy měněn pouze jeden parametr. Při ověřování vlivu teploty fluidní vrstvy byl udržován molární zlomek kyslíku v suchých spalinách na hodnotě 6 %. Teplota byla řízena změnou průtoku recirkulovaných spalin, nebo změnou příkonu paliva. Byly měřeny čtyři ustálené stavy pro teploty 840, 880, 920 a 960 C, každý po dobu alespoň 40 min. Stření hodnoty relevantních výsledků jsou uvedeny v Tab. 3 pod označením stav 1, stav 2, stav 3 a stav 4. Vliv přebytku kyslíku byl měřen za konstantní teploty 880 C, přičemž změna přebytku byla docílena pouze regulací objemového toku kyslíku vstupujícího do systému. V případě potřeby byla teplota opět regulována změnou průtoku recirkulovaných spalin. Byly vyhodnoceny tři sekvence pro molární zlomek kyslíku v suchých spalinách 3, 6 a 9 %, které jsou v Tab. 3 označeny v pořadí jako stav 5, stav 2 a stav 6. Během experimentů produkce NO X vykazovala zřejmou závislost na přebytku kyslíku, jak můžu být vidět na Obr. 2. Při změně přebytku kyslíku tak, že se zvýšil molární zlomek kyslíku v suchých spalinách z 3 na 9 %, se zvýšil i molární zlomek NO X v suchých spalinách z 336 na 469 ppm (nárůst přibližně o 40 %). Oproti tomu nebyl pozorován jednoznačný vliv teploty fluidní vrstvy na emise NO X, jak může být patrné z Obr. 3. Objemový zlomek NO X se pohyboval v rozmezí ppm pro teplotní rozsah C, avšak bez zjevného trendu. Tab. 3 - Experimentální data: Vznik NO X v závislosti na teplotě fluidní vrstvy a na přebytku kyslíku. stav 1 stav 2 stav 3 stav 4 stav 5 stav 6 t FB [ C] t OUT [ C] t FG_rec [ C] x CO2 [-] 0,8892 0,8986 0,8919 0,8932 0,9250 0,8698 x NOx [-] 0, , , , , , x O2 [-] 0,0678 0,0608 0,0606 0,0608 0,0288 0,

130 Obr. 2 - Výsledky experimentů (včetně směrodatných odchylek) a numerické výsledky: Závislost tvorby NO X na přebytku kyslíku Obr. 3 - Výsledky experimentů (včetně směrodatných odchylek) a numerické výsledky: Závislost tvorby NO X na teplotě fluidní vrstvy 6.2 Výsledky numerického modelování Výstupem numerického modelu jsou jak emise NO X (Obr. 2, Obr. 3 a spodní část Obr. 4 a Obr. 5), tak samostatně emise NO a NO 2 (Obr. 4 a Obr. 5). Z experimentů jsou známy pouze koncentrace NO X, jelikož byl použit NDIR analyzátoru. Při zohlednění recirkulace spalin ve výpočtovém modelu vychází koncentrace NO 2 až překvapivě vysoké (téměř stejné jako koncentrace NO). Např. de las Obras-Loscertales a kol. [16] nezjistili během experimentů pomocí FTIR analyzátoru žádnou měřitelnou koncentraci NO 2. V případě, že byla ve výpočtu recirkulace spalin nahrazena směsí kyslíku a oxidu uhličitého, byla koncentrace NO 2 přibližně o řád menší než koncentrace NO, což by odpovídalo očekáváním. Tento nedostatek může být způsoben zjednodušenou definicí prchavé hořlaviny, zejména pak nedostatkem radikálů (O, H, CN, NCO) potřebných k redukci NO 2. Průběh vzniku NO a NO 2 v závislosti na přebytku kyslíku je znázorněn na Obr. 4, kde každá křivka představuje jiný objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách. NO 2 vzniká zejména oxidací NO, proto má zvýšení přebytku kyslíku jednoznačně za následek i zvýšení koncentrace NO 2. Stejně tak je rostoucím přebytkem kyslíku podpořen i vznik NO oxidací prekurzorů NO X, jak může být patrné před výstupem plynu z fluidní vrstvy, kde ještě není 129

131 dominantní oxidace NO na NO 2. Nad vrstvou, kde již nedochází k odplynění paliva, se však NO rychle spotřebovává a proto zde s rostoucím přebytkem kyslíku koncentrace NO klesá. Celková koncentrace NO X pak při změně molárního zlomku kyslíku v suchých spalinách z 3 na 9 % roste z 263 na 323 ppm (nárůst přibližně o 23 %). To sice není tak výrazný nárůst jako v případě experimentů (nárůst o 40 % z 336 na 469 ppm), ale trendy jsou si velice podobné, jak může být vidět na Obr. 2. Rozdíly mezi numerickými a experimentálními výsledky mohou být způsobené zjednodušeným řešením reaktoru a složením prchavé hořlaviny. Numerický model by měl proto sloužit spíše k pozorování trendů, než porovnávání absolutních hodnot. Vliv teploty na produkci NO a NO 2 je znázorněn v Obr. 5. Ve výpočtovém modelu byl použit stejný teplotní rozsah jako během experimentů a navíc byla zvolena i jedna výrazně vyšší teplota (1360 C), aby byl vidět i hypotetický možný vývoj, ačkoliv taková teplota je zcela mimo provozní rozsah kotlů s bublinkující fluidní vrstvou, jelikož by při ní docházelo k tavení popelovin a spékání vrstvy. Je patrné, že zvýšení teploty potlačuje oxidaci NO na NO 2. Při 960 C již ve freeboardu NO 2 nevzniká a koncentrace NO 2 zůstává na stejné úrovni jako na výstupu z fluidní vrstvy. Při 1360 C nevzniká NO 2 vůbec. To se projevuje také na koncentraci NO. Ta v důsledku potlačené oxidace na NO 2 ve freeboardu s výškou klesá pro teploty nižší než 960 C a celkově vykazuje rostoucí závislost na teplotě. Teplotní vliv na celkovou koncentraci NO X je v rozmezí teplot typickém pro kotle s bublinkující fluidní vrstvou ve výsledku nejednoznačný. To ostatně potvrzují i již publikované laboratorní výsledky Lupiáñez a kol. [13] a de las Obras-Loscertales a kol. [16]. Obr. 4 - Numerické výsledky: Vznik NO, NO 2 a NO X po výšce reaktoru v závislosti na přebytku kyslíku. Svislá čerchovaná čára značí hladinu fluidní vrstvy. Výška reaktoru je v logaritmickém měřítku. 130

132 Obr. 5 - Numerické výsledky: Vznik NO, NO 2 a NO X po výšce reaktoru v závislosti na teplotě fluidní vrstvy. Svislá čerchovaná čára značí hladinu fluidní vrstvy. Výška reaktoru je v logaritmickém měřítku. 7 Závěr V této práci byl zkoumán vliv přebytku kyslíku a teploty fluidní vrstvy na produkci NO X při oxy-fuel spalování v kotli s bublinkující fluidní vrstvou prostřednictvím numerického PFR modelu. Získané výsledky pak byly ověřeny experimenty provedenými na laboratorním 30 kw th zařízení. Jak numerický model, tak experimentální výsledky vykazovaly výraznou závislost na přebytku kyslíku, kdy vyšší přebytek kyslíku podpořil oxidaci prekurzorů NO X, což vedlo ke zvýšení koncentrace NO X ve spalinách. Pro teploty odpovídající typickému provoznímu rozsahu kotlů s bublinkující fluidní vrstvou nebyl zjištěn jednoznačný vliv na emise NO X, a to jak prostřednictvím výpočtového modelu, tak experimentálním ověřením. Poděkování Tato práce byla podpořena z Norských fondů , programem CZ08, fondem pro bilaterální spolupráci na programové úrovni, iniciativa č. NF-CZ08-BFB a grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS16/211/OHK2/3T/12 s názvem Snižování emisí NO X při oxy-fuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě. 131

133 Použitá literatura [1] UNITED NATIONS AND CANADA. United Nations Framework Convention on Climate Change [online]. New York: United Nations, General Assembly ISBN Dostupné z: ation/pdf/conveng.pdf [2] GLARBORG, P., A. D. JENSEN a J. E. JOHNSSON. Fuel nitrogen conversion in solid fuel fired systems. Progress in Energy and Combustion Science [online]. 2003, 29(2), ISSN Dostupné z: doi: /s (02)00031-x [3] JOHNSSON, Jan E. Formation and reduction of nitrogen oxides in fluidized-bed combustion. Fuel [online]. 1994, 73(9), ISSN Dostupné z: doi: / (94) [4] SKOPEC, Pavel, Jan HRDLIČKA, Jan OPATŘIL a Jiří ŠTEFANICA. NOx emissions from bubbling fluidized bed combustion of lignite coal. Acta Polytechnica [online]. 2015, 55(4), 275. ISSN Dostupné z: doi: /ap [5] MAHMOUDI, Shiva, Jan BAEYENS a Jonathan P K SEVILLE. NOx formation and selective non-catalytic reduction (SNCR) in a fluidized bed combustor of biomass. Biomass and Bioenergy [online]. 2010, 34(9), ISSN Dostupné z: doi: /j.biombioe [6] JENSEN, A, J E JOHNSSON a K DAM-JOHANSEN. Nitrogen chemistry in FBC with limestone addition. Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion/ The Combustion Institute. 1996, (1), ISSN [7] KONTTINEN, Jukka, Sirpa KALLIO, Mikko HUPA a Franz WINTER. NO formation tendency characterization for solid fuels in fluidized beds. Fuel [online]. 2013, 108, ISSN Dostupné z: doi: /j.fuel [8] LI, C Z, P F NELSON, E B LEDESMA a J C MACKIE. An experimental study of the release of nitrogen from coals pyrolyzed in fluidized-bed reactors. Symposium (International) on Combustion [online]. 1996, 26(2), ISSN Dostupné z: doi: /s (96) [9] LI, Chun Zhu a Peter F. NELSON. Interactions of quartz, zircon sand and stainless steel with ammonia: implications for the measurement of ammonia at high temperatures. Fuel [online]. 1996, 75(4), ISSN Dostupné z: doi: / (95) [10] WINTER, Franz, Christian WARTHA, Gerhard LÖFFLER a Hermann HOFBAUER. The NO and N2O formation mechanism during devolatilization and char combustion under fluidized-bed conditions. Symposium (International) on Combustion [online]. 1996, 26(2), ISSN Dostupné z: doi: /s (96) [11] DUAN, Lunbo, Changsui ZHAO, Qiangqiang REN, Zhou WU a Xiaoping CHEN. NOx precursors evolution during coal heating process in CO 2 atmosphere. Fuel [online]. 2011, 90(4), ISSN Dostupné z: doi: /j.fuel [12] GIMÉNEZ-LÓPEZ, J., A. MILLERA, R. BILBAO a M. U. ALZUETA. HCN oxidation in an O2/CO2 atmosphere: An experimental and kinetic modeling study. Combustion and Flame [online]. 2010, 157(2), ISSN Dostupné z: doi: /j.combustflame

134 [13] LUPIÁÑEZ, Carlos, Isabel GUEDEA, Irene BOLEA, Luis I. DÍEZ a Luis M. ROMEO. Experimental study of SO2 and NOx emissions in fluidized bed oxy-fuel combustion. Fuel Processing Technology [online]. 2013, 106(x), ISSN Dostupné z: doi: /j.fuproc [14] SMITH, Gregory P., David M. GOLDEN, Michael FRENKLACH, Niegel W. MORIATY, Boris EITENEER, Mikhail GOLDENBERG, C. Thomas BOWMAN, Ronald K. HANSON, Soonho SONG, William C. GARDINER, Vitali V. LISSIANSKY a Zhiwei QIN. GRI- MECH 3.0 [online]. [vid ]. Dostupné z: [15] HRDLICKA, Jan, Pavel SKOPEC, Jan OPATRIL a Tomas DLOUHY. Oxyfuel combustion in a bubbling fluidized bed combustor. Energy Procedia [online]. 2016, 86, ISSN Dostupné z: doi: /j.egypro [16] DE LAS OBRAS-LOSCERTALES, M., T. MENDIARA, A. RUFAS, L.F. DE DIEGO, F. GARCÍA-LABIANO, P. GAYÁN, A. ABAD a J. ADÁNEZ. NO and N2O emissions in oxy-fuel combustion of coal in a bubbling fluidized bed combustor. Fuel [online]. 2015, 150, ISSN Dostupné z: doi: /j.fuel

135 Dávkování jemně mletého hydrogenuhličitanu sodného do spalin za účelem záchytu SO 2 Boleslav ZACH 1,2,*, Michael POHOŘELÝ 1,2, Michal ŠYC 1, Lukáš KULAVIAK 1, Oleg SAMUSEVICH 1,2, Jaroslav MOŠKO 1,2, Karel SVOBODA 1, Miroslav PUNČOCHÁŘ 1 1 Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i., Rozvojová 1/135, Praha 6 Suchdol 2 Ústav energetiky, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6 * zach@icpf.cas.cz Příspěvek pojednává o problematice dávkování jemně mletého hydrogenuhličitanu sodného do spalin v laboratorním měřítku s ohledem na velikost částic a reologické vlastnosti dávkovaného materiálu. Následně je představen navržený dávkovací systém. Klíčová slova: dávkování, hydrogenuhličitan sodný, jemně mletý, čištění spalin 1 Úvod Pro účely testování vlivu parametrů na odstraňování polutantů ze spalin pomocí hydrogenuhličitanu sodného v laboratorním zařízení bylo nutno zvolit vhodný dávkovací systém umožňující dávkování NaHCO 3 namletého na jemnost kolem 10 μm. Malá velikost částic je nezbytná kvůli tvorbě filtračního koláče. V případě použití příliš velkých částic (nad 40 μm) by docházelo k usazování částic ve filtračním reaktoru a čištěné spaliny by nepřicházely s usazeným sorbentem do styku. Původně zamýšlený dávkovač založený na principu objemového dávkování pomocí komory o přesně definovaném objemu se ukázal být pro takto malé částice nepoužitelným. Bylo tedy nutno navrhnout systém jiný. 2 Vlastnosti mletého sorbentu Prvním krokem pro volbu způsobu dávkování bylo stanovení vlastností dávkovaného materiálu. U takto jemně mletých materiálů sice lze určit vlastnosti, které udávají minimální průměr hrdla násypky a maximální sklon stěny násypky, aby materiál v násypce samovolně tekl a nedocházelo k tvorbě kleneb a dalším jevům omezujícím nebo zastavujícím tečení materiálu. Odhad chování v komplikovanějších systémech je však obtížný. V Tab. 1 jsou uvedeny vlastnosti jemně mletého hydrogenuhličitanu sodného. Podle těchto hodnot by pro samovolné tečení měla mít násypka průměr hrdla alespoň 95 cm a úhel náklonu stěn násypky (od svislé roviny) by měl být maximálně 16. Vnitřní průměr spalinovodu, do kterého bylo sorbent potřeba dávkovat je ale 27 mm. Z naměřených hodnot tedy vyplývá, že mletý NaHCO 3 má silné tendence k tvorbě kleneb a je tedy při dávkování (obzvláště v laboratorních podmínkách) třeba činit opatření, aby se tvorbě kleneb předešlo. 134

136 Pro zlepšení reologických vlastností sorbentu byl otestován přídavek malého množství stearátu hořečnatého a Aerosilu (malých částic SiO 2 ). Přidávaná množství odpovídala 1-5 % (g/g). Ani jedna z variant ovšem nezlepšila reologické vlastnosti sorbentů dostatečně pro použití v malých laboratorních dávkovacích zařízeních. Bylo tedy nutno přistoupit k návrhu zařízení, které bude klenby rozrušovat mechanicky. Tab. 1: Vlastnosti * mletého NaHCO 3 Název vzorku α [ ] B [cm] CBD [g/cm 3 ] Komprese 1-15 kpa [%] Permeabilita 1-15 kpa [*10-9 cm 2 ] NaHCO , , ,3 * α maximální úhel náklonu stěn násypky od svislé roviny (hopper half angle) B průměr ústí násypky (hopper outlet size) CBD stardandizovaná sypná hustota měřená přístrojem FT4 (conditioned bulk density) Komprese změna objemu materiálů v závislosti na aplikovaném tlaku ff tekutostní funkce podle Jenikeho (flowability function/flow factor) ϕ eff efektivní úhel vnitřního tření (effective angle of internal friction) ϕ x úhel tření o stěnu (angle of wall friction) AE pokles energie aerace při průtoku 10 mm s -1 (aeration energy drop) GSC skupina C Geldartovy klasifikace fluidovatelných materiálů (Geldart s group C) Permeabilita (k): ff ϕ eff [ ] ϕ x [ ] AE [mj] 1,8 GSC v rychlost plynu [m s -1 ] µ dynamická viskozita [Pa s] ΔH tloušťka materiálu [m] Δp pokles tlaku napříč materiálem [Pa] 3 Dávkovací zařízení V případě pohyblivých dávkovacích systémů je těžké odhadnout, jak se takovýto materiál bude chovat. Proto je dobré, je-li možné způsob dávkování otestovat dříve, než je na jeho realizaci vynaloženo velké množství prostředků, ať už se jedná o finanční prostředky nebo čas strávený nad problémem. Účelem zařízení je dávkování sorbentu do proudu spalin a vzhledem k tomu, že se jedná o experimentální zařízení na testování čištění spalin, není vhodné používat pro dávkování nosný plyn a dávkovací systém musí být uzavřený. Základem nového dávkovacího zařízení se stalo kuchyňské sítko, protože běžné slouží k dávkování srovnatelně velkých částic a jeho prvotní otestování nebylo časově ani finančně náročné. Ke kuchyňskému sítu byl přidán krokový motor, pro ovládání míchacího mechanismu. Pod sítko byla zařazena skleněná násypka a kulový ventil. Násypka je v případě tohoto dávkovače neustále prázdná a slouží jen k usměrnění pádu částic. Ovládání krokového motoru je realizováno pomocí programu, který pracuje v prostředí LabVIEW. K automatické regulaci dávkování dochází na základě koncentrace SO 2 ve spalinách měřené analyzátorem Horiba PG-350. Schéma a obrázek dávkovacího systému jsou na Obr. 1 a Obr. 2. Dávkovací systém 135

137 je možné kdykoli během experimentu odpojit od zařízení a zvážit, čímž je možné docílit dobré hmotností bilance nadávkovaného sorbentu v jednotlivých fázích experimentu. Obr. 1 Schéma dávkovacího zařízení Obr. 2 Fotografie dávkovacího zařízení 136

138 4 Regulace Regulovaní výsledné koncentrace SO 2 ve spalinách s dobrou stabilitou komplikuje relativně dlouhá doba odezvy, protože sorbent nezreaguje ihned po nadávkování a trvá několik vteřin, než se plyn dostane skrz sondu a úpravnu plynu do analyzátoru spalin. Protože experimentální zařízení pracuje s reálnými spalinami, je dalším faktorem, který znesnadňuje regulaci, kolísání koncentrace v původních spalinách. Nicméně i tak je možné dosahovat relativně stabilních hodnot. Jak hodnoty koncentrace SO 2 kolísají, závisí především na kolísání koncentrace SO 2 ve vstupujících spalinách. Na Obr. 3 je znázorněn průběh koncentrace SO 2 v čištěném plynu, kdy docházelo k relativně malém kolísání vstupní koncentrace SO 2. I při větších výkyvech se ale průměr dosahovaných koncentrací SO 2 ve spalinách velmi blíží nastavené hodnotě, což je pro experimentální činnost klíčové. Obr. 3 Záznam koncentrace SO 2 regulované na 80 ppm Vzhledem k tomu, že v optimální regulační konstanty se pro ustálený stav a pro startování čištění spalin liší, bylo přistoupeno k manuálnímu náběhu čištění a automatické regulace je zapínána, až když je dosaženo blízkosti žádané koncentrace SO 2 ve spalinách. 137

139 5 Závěr Hydrogenuhličitan sodný namletý na částice o velikosti 10 μm vykazuje špatné tokové vlastnosti. Vzhledem k těmto vlastnostem není možné očekávat samovolné tečení v násypce o velikosti použitelné pro laboratorní činnost. Pro experimentální testování čištění spalin bylo třeba dávkovat tento materiál do trubky o vnitřním průměru 27 mm z uzavřeného systému bez použití nosného plynu. Z toho důvodu byl navržen a sestrojen dávkovací systém, který dávkování takto jemných částic NaHCO 3 umožnuje. V tomto systému jsou klenby rozrušovány míchacím mechanismem. Dávkovací systém je možné kdykoli během experimentu odpojit od aparatury a zvážit, čímž je možné docílit dobré hmotností bilance nadávkovaného sorbentu v jednotlivých fázích experimentu. Dávkování je regulováno na základě koncentrace SO 2 ve spalinách měřené online analyzátorem spalin. Poděkování Práce vznikla v rámci Centra kompetence pro energetické využití odpadů (projekt TE ) s podporou Technologické agentury České republiky a byla spolufinancována z účelové podpory na specifický vysokoškolský výzkum (MŠMT č. 20-SVV/2017). 138

140

141 editoři: Veronika Vencúrik Pituková Martin Lisý Publikace neprošla jazykovou úpravou ENERGIE Z BIOMASY XVIII Sborník Příspěvků z konference Vydavatel: Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Elektronické vydání Vydání: první Rok vydání: září, 2017 Náklad: 40 Počet stran: 138 ISBN

142 ISBN