1 SPOLEČNOST EVECO BRNO

Transkript

1 Martin KRŇÁVEK 1 TECHNOLOGIE PRO ENERGETICKÉ VYUŽITÍ BIOMASY A ODPADŮ Abstrakt Tento článek se věnuje technologiím pro energetické využití biomasy a odpadů a byl vytvořen v rámci odborné stáže ve společnosti EVECO Brno, s.r.o. V první části je popsána technologická jednotka pro energetické využití biomasy, kterou dodává společnost EVECO Brno, a jsou zde uvedeny stěžejní konstrukční a technické parametry jednotky. Dále jsou v tomto článku popsány vybrané technologie čištění spalin vhodné především pro termické zpracování odpadů. Klíčová slova Biomasa, obnovitelné zdroje energie, technologická jednotka, energetické využití odpadů, ekologie. 1 SPOLEČNOST EVECO BRNO Společnost EVECO Brno se zaměřuje na inženýrsko-dodavatelskou, výzkumnou a vývojovou činnost v oblasti zařízení pro ekologii a energetiku. V oblasti výzkumu a vývoje společnost spolupracuje s řadou tuzemských i zahraničních vysokých škol a vědeckých a výzkumných pracovišť. Nejtěsnější spolupráce je s Vysokým učením technickým v Brně a Ústavem chemických procesů Akademie věd ČR. Společnost nabízí komplexní přístup řešení spočívající v návrhu, projekci, dodávkách, realizaci až po uvedení provozu. Veškeré činnosti jsou založeny na rozsáhlém know how, výsledcích vlastního výzkumu a vývoje a dlouholetých praktických zkušenostech.[1] Mezi hlavní činnosti společnosti se řadí: Energetické využití odpadů Čištění spalin a odpadních plynů Odstraňování dioxinů/furanů Energie z biomasy Hořákové systémy Rekonstrukce, modernizace a ekologizace provozů 1 Bc. Martin Krňávek, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické Brno, Technická 896/, Brno, tel.: , y13369@stud.fme.vutbr.cz. 1

2 Tento článek se zaměřuje na technologie pro energetické využití biomasy a technologie čištění spalin, jež tvoří nejvýznamnější zastoupení v činnostech společnosti EVECO Brno. V rámci praxe se autor s těmito technologiemi seznámil v rámci řešení konkrétních zakázek. JEDNOTKA PRO ENERGETICKÉ VYUŽITÍ BIOMASY Jednotku, kterou dodává společnosti EVECO Brno, vyvinulo sdružení zavedených českých firem (EVECO Brno, s. r. o., VHS Brno, a. s., Ing. Bohumil Metelka Promet a Biopal Technologie, s. r. o.) ve spolupráci s Ústavem procesního a ekologického inženýrství FSI VUT v Brně. Tato jednotka je dodávána ve výkonovém rozsahu 1 až 5 MW (oblast středních výkonů) a je schopna spalovat různé druhy dendromasy a fytomasy..3 Popis jednotky Technologická jednotka je samonosná celosvařovaná konstrukce s protiproudou spalovací komorou s možností instalace teplovodního (horkovodního) nebo parního kotle. Palivo je nejprve navezeno nakladačem ze skladu do denního zásobníku paliva. Zásobník paliva zpravidla představuje vyvýšenou betonovou desku, která je po dvou protilehlých stranách osazená dřevěnými zábranami. Na této betonové ploše je zřízena pohyblivá podlaha, kterou tvoří na sobě nezávislá hrabla. Specifická konstrukce hrabel složená z klínových elementů zajišťuje při vratném pohybu posuv paliva jedním směrem, čímž se plní příčný žlab. Tento žlab je oplechovaný a na dně je umístěno pohyblivé hrablo, po jehož délce jsou nainstalované klínové elementy, a na konci je osazeno tzv. beranem. Palivo se cyklicky přesypává přes klíny vpřed, až se dostane před berana, který zatlačí palivo do stoupavého kanálu a dál na rošt kotle. Vratný pohyb zajišťují hydraulické válce poháněné olejovým čerpadlem. Součástí pohyblivého hrabla zavážecího lisu jsou i střižné hrany, které umožní zkrácení délky hranolků tak, aby nedocházelo k zaseknutí mechanismu. Stoupavý kanál (obr. 1/1) má rozšiřující se tvar, což způsobí optimální rozložení paliva na roštu a zamezí jeho zpěchování. Eventuální dopravní palivovou trasu do kotle představuje šnekový dopravník, který je určený zejména pro transport stébelnaté fytomasy a ústí přímo do spalovací komory (obr. 1/). Rošt spalovací komory je vratisuvný (obr. 1/3), což zajišťuje dobré prohoření i větší vrstvy paliva a její promísení v celém objemu během spalování. Kaskádovité uspořádání pravidelně se střídajících pohyblivých a nepohyblivých roštnic zajistí žádaný pohyb paliva po roštu. Po vyhoření paliva odchází popel společně s nespalitelnými zbytky redlerovým dopravníkem do kontejneru, který se po naplnění vyveze na skládku bez další složité manipulace. Primární vzduch (obr. 1/4) je zaveden pod rošt, a podílí se tak na spalování paliva na roštu. Před tím, než se dostane pod rošt, je vzduch zaveden do pláště spalovací komory, kde dojde k jeho předehřátí, čímž se zároveň chladí spalovací komora. Druhou možností jak vzduch předehřát, je pomocí rekuperačního výměníku, který odebírá teplo z horkých spalin (vstupní teplota je přibližně 0 C). Spalovací vzduch se předehřívá na teplotu 80 až 130 C, což vede ke zvýšení účinnosti kotle. Aby došlo k efektivnímu spálení i druhotných plynných složek paliva (metan, vodík, oxid uhelnatý), přivádí se do vybraných zón spalovací komory sekundární vzduch. Sekundární vzduch může být přiveden do bočních stěn protiproudé části spalovací komory (obr. 1/6) mezi rošt a klenbu, dále do bočních stěn obratové komory (obr. 1/8) nebo do zadní stěny obratové komory (obr.1/7). K dispozici je také možnost předehřátí sekundárního vzduchu v rekuperačním výměníku. Tato jednotka může být vybavena systémem recirkulace spalin, díky němuž se část horkých spalin

3 opětovně vhání pod rošt (obr. 1/5) a intenzifikuje proces zplyňování biomasy na roštu, což vede ke zvýšení účinnosti kotle a snížení koncentrací emisí CO. V dohořívací komoře (obr. 1/9) dochází ke zpomalení proudění spalin, poklesu teploty a odloučení části polétavého popílku. Následně horké spaliny vstoupí do teplovodního (horkovodního) žárotrubného výměníku (obr. 1/10). Výměník je horizontální třítahový a spaliny proudí nejprve spodním plamencem a v dalších dvou tazích jsou zavedeny do žárových trubek. Jakmile se ochlazené spaliny dostanou z kotle, proudí přes multicyklon a dále přes spalinový ventilátor do komínu. K dispozici je i varianta parního kotle, která se využívá zejména při kombinované výrobě elektrické energie a tepla. Dodávaný parní kotel je žárotrubný s možností instalace přehříváku pro zajištění kvalitnější páry. Spalovací komora je vyrobena z ocelové rámové konstrukce, jež je z vnějšku opatřena plechovými krycími panely. Stěny komory se skládají z tepelných izolací, šamotových cihel a žáropevných tvarovek. Plášť spalovací komory a rošt je chlazen topnou vodou, aby nedošlo k jejich přehřátí a následnému poškození. [3] [4] Obrázek 1 Schéma technologické jednotky spalující biomasu.4 Technické parametry jednotky Technologická jednotka je navržena tak, že je schopná spalovat heterogenní palivo s vysokým obsahem vlhkosti. Jednotka vykazuje vysokou variabilitu z hlediska použitelných paliv. Mezi tato paliva se řadí: Dřevní štěpka (všechny druhy) Piliny a hobliny Kůra Dřevní odřezky Obilná sláma 3

4 Amarant Řepkové pokrutiny Kontaminovaná biomasa Jednotka vykazuje tepelnou účinnost v rozmezí 80 až 85 %. Výkonový tepelný rozsah je 1 5 MW t, přičemž je možná instalace teplovodního (horkovodního) či parního kotle. Maximální výstupní teplota horké vody je 135 C při přetlaku 0,6 MPa a maximální výstupní teplota páry je 30 C a přetlak 1,6 MPa. Řízení kotle je plně automatizováno a nevyžaduje trvalou obsluhu. Řídicí PLC je osazeno v elektrorozvaděči technologie a komunikuje se všemi přidruženými systémy. Ovládání jednotky se provádí skrze elektronický panel nebo prostřednictvím operátorského PC. Technologii je dále možné vybavit systémem zasílání informativních SMS o chodu technologie, případně systémem dálkového řízení přes internetové rozhraní [4]. Společnost EVECO Brno má k dispozici provozní testovací jednotku pro spalování různých druhů biomasy a fytomasy. Na této jednotce je možné realizovat různé zkoušky za účelem optimálního návrhu zařízení dle specifických požadavků zákazníka. Takto je možné dodat zařízení na míru, což výrazně omezí vznik eventuálních problémů při realizaci. Na této testovací jednotce také proběhly zkoušky s různými druhy paliv, aby byly odstraněny případné technické nedostatky zařízení []. V dnešní době se setkáváme i s nezanedbatelnou částí biomasy, která je nějakým způsobem kontaminována a nelze ji označit jako zelenou. K těmto palivům patří například biomasa znečištěná chemickými látkami (barvy, laky, mořidla, lepidla) či biomasa kontaminovaná jinými látkami během sklizně nebo skladování. Během spalování se pak můžou uvolňovat do spalin nadlimitní množství škodlivin. Tato skutečnost nutně vede k úpravě technologie, především v části čištění spalin. Technologie čištění spalin budou podrobněji popsány v následující kapitole. Obrázek Testovací jednotka spalující biomasu s výkonem 1 MW t, Kojetín [1] 4

5 3 ENERGETICKÉ VYUŽITÍ ODPADŮ TECHNOLOGIE ČIŠTĚNÍ SPALIN Existují určité skupiny materiálů, které nemohou být spalovány ve výše uvedené jednotce, a je nutné upravit celý proces termického zpracování. Mezi tyto materiály se řadí například kontaminovaná biomasa a zvláště pak odpady. V této kapitole budou popsány vybrané technologie čištění spalin, které společnost EVECO Brno dodává a mohou být aplikovány v zařízeních na energetické využití odpadů (ZEVO). 3.1 Selektivní nekatalytická redukce NO X Metoda selektivní nekatalytické redukce (SNCR), je pokročilou technologií, která se široce prosazuje mezi postupy pro snižování oxidů dusíků ve spalinách. Tato technologie se využívá u spalovacích zařízení na konvenční fosilní paliva, biomasu a také odpad s účinností redukce NO X okolo 90 %. SNCR umožňuje konverzi NO X na N a H O a hlavní podstatou této metody je použití redukčních prostředků (čpavková voda nebo močovina) štěpících se na čpavek (čpavkový radikál). Reakce probíhá při teplotách přibližně od 850 C do 1100 C bez přítomnosti katalyzátoru. Rozsah optimálních teplot pro tuto metodu se odvíjí od daného chemického složení spalin. Při SNCR jsou vstřikována redukční činidla ve vodném roztoku (čpavková voda, vodný roztok močoviny) nebo v plynné formě (čpavek) do horkých spalin. Močovina (NH CONH ) rozpuštěná ve vodě se vlivem vyšších teplot nejprve rozloží na reaktivní radikály NH, které následně reagují s oxidy dusíku. Souhrnně lze celou reakci vyjádřit následovně: NH CONH NO 1/ O N CO H O (1) Produkty této reakce jsou: molekulární dusík, voda a oxid uhličitý. V grafu 1 je vyjádřena závislost odloučených NOx na teplotě (v grafu zelená křivka) a závislost čpavkového skluzu na teplotě (v grafu červená křivka). Nad teplotou cca 1100 C v narůstajícím množství tvoří čpavek oxidy dusíku (nežádoucí reakce) a pro teplotou cca 850 C vzniká čpavkový skluz. Čpavkový skluz se vytváří v důsledku nižší reakční rychlosti a může vést ke tvorbě amoniakových solí, a tím k následným technickým problémům (tvorba usazenin). Z toho důvodu je žádoucí držet čpavkový skluz na nízké úrovni. [5] Graf 1 Odlučování NOx v závislosti na teplotě PŘEKLAD KE GRAFU 1.: Influence on Temperature Window Vliv na teplotní okno; NO x -Reduction Odloučení NO x ; NH 3 -Slip Skluz NH 3 ; Temperature Teplota; Range for NO x /NH 3 -optimised operation 5

6 3. Polosuchá metoda odsíření Polosuché čištění spalin tzv. semi-dry, představuje kompromis mezi suchou a mokrou metodou z hlediska účinnosti odsíření a investičních a provozních nákladů. Do reaktoru je nastřikována kapalná suspenze vápenného mléka, kapalina se následně odpaří a dojde k neutralizaci kyselých složek (především SO, HCl, HF). Pevné částice jsou následně zachyceny látkovým (elektrostatickým) filtrem. [6] Suspenze se připravuje v hasicí nádrži tzv. hasnici, kde se zároveň upraví i koncentrace. Suspenze se následně přepustí do zásobní nádrže odkud je dále potrubím přivedena až k trysce reaktoru. Princip přípravy vápenné suspenze je chemická exotermická reakce mezi nehašeným (páleným) vápnem a vodou při vzniku vápenného hydrátu: CaO H O Ca(OH () ) Spaliny jsou v reaktoru skrápěny vápenným mlékem, čímž jsou polutanty v přímém kontaktu s neutralizačním činidlem. Snahou je dosažení maximální atomizace suspenze v reaktoru tak, aby byla zvýšena kontaktní plocha, kapalina se zcela odpařila a nedocházelo ke vzniku úsad. Rozprášení vápenného mléka je obvykle realizováno pomocí dvojfázové trysky nebo rotačního atomizéru. Základní reakční rovnice popisující proces odsíření pomocí vápenné suspenze, což je směs Ca(OH) a vody, je následující: Ca( OH) SO CaSO3 H O Ca( OH ) SO3 CaSO4 H O Ca( OH ) HCl CaCl H O Ca( OH ) HF CaF H O (3) (4) (5) (6) Obrázek 3 Dávkování vápenné suspenze do ústí reaktoru pomocí trysky Jak postupně suspenze prochází reaktorem, dojde k odpaření vody a z reaktoru vystupují pouze pevné částice. Odpadní plyn dále vstupuje do látkového (elektrostatického) filtru, kde dojde k odloučení pevných částic. Mezi prachovými částicemi jsou i též částice Oblast pro optimalizovaný provoz NO x /NH 3 ; Optimal temperature for SNCR alone (low ammonia slip) Optimální teplota pro samotné SNCR (nízký čpavkový skluz); Optimal temperature for SNCR + SCR (high ammonia slip) Optimální teplota pro SNCR + SCR (velký čpavkový skluz) 6

7 nezreagovaného vápenného hydrátu, přičemž se část zachycených částic vrací zpět do reaktoru. Touto recirkulací lze dosáhnout vysokého odloučení SO a vysokého využití dávkovaného vápna. 3.3 Katalyticko-filtrační systém Remedia Katalyticko-filtrační systém Remedia vyvinula americká společnost W. L. Gore & Associates a je navržen k odstraňování dioxinů a furanů ze spalin. Tato technologie kombinuje principy povrchové filtrace pevných částic a katalytického rozkladu plynných polutantů. Filtrační elementy jsou umístěny v komoře filtru s výsypkou, kde dochází k jímání škodlivin a k jejich odstranění. Elementy představují látkové rukávce, které jsou vyztuženy drátěnou konstrukcí, jež zaručí jejich tvarovou stálost v podobě válce během provozu. Na povrchu tkaniny je tzv. nalaminována vrstva Gore-tex membrány, kterou tvoří expandovaný polytetrafluorethylen (PTFE). Membrána zachytává jemné pevné částice (popílek) a zároveň propouští plynné molekuly dioxinů a furanů dále do tkaniny. Katalytická část filtru je tvořená specifickými PTFE koherentními vlákny. Tato vlákna jsou vpichována do netkané textilie Rastex a dohromady tvoří speciální plstěné rouno. Katalyzátor reaguje s molekulami dioxinů a furanů a rozloží je na nepatrné množství CO, H O a HCl.[7] Obrázek 4 Princip povrchové a katalytického filtrace 3 [7] Na povrchu filtru se v průběhu času vytvoří tzv. filtrační koláč (popílek případně částice suchého sorbentu z odsíření spalin). Regenerace filtru se uskutečňuje pomocí pulzu tlakového vzduchu, který se do každého rukávce vhání skrze Venturiho dýzu. Tato dýza je umístěna v hrdle rukávce a zajišťuje lepší usměrnění proudu vzduchu, a tím efektivnější odprášení. Tlakový ráz v rukávci způsobí odpadnutí zachycených částic na vnějším povrchu filtru. Tyto částice následně propadnou do výsypky, kde se shromažďují, a poté jsou odstraněny pomocí šnekových či pásových dopravníků. Jakmile je filtr zregenerován (odprášen), tak se celý cyklus opakuje. Doba trvání jednoho cyklu se odvíjí přímo od stupně znečištění spalin.[4] Účinnost redukce dioxinů a furanů je vysoká a dosahuje hodnoty přibližně 90 %, což umožní splnění přísných emisních limitů s bezpečnou rezervou. Maximální provozní teplota spalin vstupujících do filtru je 60 C (ve špičkách až 74 C). Filtrační materiál také vykazuje vynikající odolnost vůči kyselinám a zásadám.[7] Filtrační systém Remedia předčí 3 PŘEKLAD K OBRÁZKU 4..: Raw gas Surový plyn; Clean gas Čistý plyn; Particulate Matter (dust) Pevná částice (prach); Airflow Proudění vzduchu; GORE-TEX Membrane Membrána GORE-TEX; Surface Filtration Povrchová filtrace; Catalyst/ePTFE Felt Katalyzátor/ePTFE plsť; Catalytic Filtration Katalytická filtrace 7

8 jiné systémy svou jednoduchou instalací, zároveň se jedná o pasivní systém filtrace, což sníží nároky na údržbu a zajistí lepší kontinuálnost provozu D filtrace Základem celého systému jsou filtrační elementy ve tvaru dutého válce vyrobené z porézní keramiky, do které jsou implementovány částice katalyzátoru (obr. 5). Systém 4D filtrace spojuje následující funkce do jednoho celku: 1. DeDusting Tato funkce zajišťuje filtraci tuhých znečišťujících látek, které ulpívají na povrchu keramických elementů. Tuhé látky vytvářejí společně se suchým sorbentem (z odsíření spalin) tzv. filtrační koláč (obr. 5). Regenerace filtru se uskutečňuje pomocí pulzu tlakového vzduchu. Obrázek 5 Schéma konstrukce keramického filtračního elementu. DrySorption Jedná se o neutralizaci kyselých složek spalin (SO, HCl, HF) a v omezené míře i NO X. Za kotlem se do horkých spalin dávkuje suchý sorbent v podobě hydrogenuhličitanu sodného (NaHCO 3 ). Sorbent se spalinami proudí následně do kontaktoru, ve kterém se proudění zpomalí, sorbent se promíchá se spalinami a proběhne v něm neutralizační reakce. NaHCO 3 se při teplotě nad 70 C začíná pomalu rozkládat na uhličitan sodný (Na CO 3 ), avšak až při teplotách nad 140 C je rozklad dostatečně rychlý. Během tohoto rozkladu dochází ke značnému zvětšení reakčního povrchu (pórovitosti). Tento proces je označován jako popcorn effect nebo kalcinace. Dále probíhá proces neutralizace, čímž dochází ke zneškodnění příslušných polutantů. NaCO3 HCl NaCl CO H O (7) NaCO3 HCl NaCl CO H O Na (8) CO3 SO Na SO3 CO (9) 3. DeDiox Tato funkce zajišťuje katalytický rozklad látek typu polychlorované dibenzo-pdioxiny (PCDD) a polychlorované dibenzofurany (PCDF) v plynné fázi. Keramické filtrační elementy obsahují příměsi částic katalyzátoru, které rozkládají PCDD/F na CO, H O a nepatrné množství HCl. 4. DeNO X 8

9 Jedná se o selektivní katalytickou redukci (SCR) oxidů dusíku. Díky katalyzátoru na bázi oxidu titaničitého (TiO ) a oxidu vanadičného (V O 5 ) probíhají rozkladné reakce oxidů dusíku na molekuly dusíku a vody. Reakce probíhají při současném nástřiku denitrifikačního činidla (NH 3 nebo močoviny) do spalin před filtr při teplotách 50 C až 400 C.[4] [8] 4 ZÁVĚR 4NO 4NH 3 O 4N 6H O (10) NO 4NH 3 O 3N 6H O (11) Při návrhu technologických jednotek je důležité počítat se skutečností, že biomasová paliva vykazují různé specifické vlastnosti, které je třeba zohlednit během jejich spalování a dalších přidružených procesů. Konstrukci technologie a spalovací proces je tedy nutné přizpůsobit konkrétnímu palivu tak, aby byla dosažena požadovaná účinnost a nedocházelo k technickým problémům. Vybrané technologie čištění spalin reprezentují moderní a efektivní metody, které jsou úspěšně instalovány jak v České republice, tak v zahraničí. Při samotném návrhu technologie čištění spalin je důležité brát v úvahu emisní limity, výkon spalovacího zařízení, provozní podmínky, investiční náklady apod. Během odborné stáže ve společnosti EVECO Brno, s. r. o. autor plnil dílčí úkoly týkající se konkrétních zakázek především z oblasti technologií pro energetické využití biomasy, odpadů a systémů čištění spalin. Jednalo se například o kompletaci dokumentace, úpravy výkresů, výpomoc při řešení poptávek na subdodávky, případně nabídek a další administrativní a marketingové činnosti v rámci firmy. Autor se účastnil také samotných realizací zakázek, kde se jednalo o výpomoc při uvádění do provozu a servis zařízení. V rámci stáže se autor jednak seznámil se samotnou společností EVECO Brno (způsob práce, řešení zakázek apod.) a jednak s technologiemi, které jsou dodávány. Poděkování Tímto bych rád poděkoval zaměstnancům společnosti EVECO Brno, s.r.o. za výbornou spolupráci během stáže a za poskytnutí podkladů k technologickým jednotkám a systémům čištění spalin. Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/.4.00/ Literatura [1] EVECO Brno [online]. Brno, 011 [cit ]. Dostupné z: [] ŠTULÍŘ, Roman. Roční zpráva o řešení projektu v programu IMPULS, v roce 007. Brno, 008. [3] Kotle na spalování biomasy. Biopal technologies s.r.o. [online]. 008 [cit ]. Dostupné z: [4] KRŇÁVEK, Martin. Moderní technologie pro energetické využití biomasy a odpadů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s., 3 s. příl. Vedoucí bakalářské práce Ing. Marek Šarlej, Ph.D. [5] HEIDE, Bernard, Zdenek ŠIMEK a Rostilav MALÝ. Pokročilá technologie SNCR - nové možnosti a hranice. All for Power. Praha: AF POWER agency a.s., 01, roč. 6, č.. ISSN

10 [6] Polosuché odsiřovací zařízení s rozprašováním suspenze. Tenza [online]. 014 [cit ]. Dostupné z: zarizeni-pro-cisteni-spalin/polosuche-odsirovaci-zarizeni-s-rozprasovanim-suspenze/ [7] Remedia: Catalytic filter system. W. L. GORE & ASSOCIATES. Gore [online]. Spojené státy americké, 006 [cit ]. Dostupné z: MungoBlobs/868/858/Remedia_brochure pdf. [8] ORAL, Jaroslav, PUCHÝŘ Radim a Petr STEHLÍK. Kam kráčí moderní technologie pro energetické využití odpadů?. All for Power. 01, č. 1. ISSN TECHNOLOGY FOR UTILISATION OF BIOMASS AND WASTE Keywords Biomass, renewable energy sources, technological unit, waste to energy, environmental protection. Summary The article deals with technologies for energy utilisation of biomass and waste and it was made in context of internship in EVECO Brno. The first part is dedicated to describe technological unit for energy utilisation of biomass, which supply EVECO Brno. There are introduced main design and technical parameters of the unit. Furthermore there is described selected technologies for flue gas cleaning suitable especially for thermal treatment of waste. 10