SPALOVÁNÍ KOMPOZITNÍCH BIOPALIV

Transkript

1 SPALOVÁNÍ KOMPOZITNÍCH BIOPALIV Ondřej Vazda, Milan Jedlička, Martin Polák V tomto článku je řešena problematika spalování biopaliv a biopaliv kombinovaných s uhlím. Cílem je ověřit možnosti využití těchto paliv k výrobě tepla v automatickém kotli na pelety o výkonu 25 kw. Vlastnosti paliv jsou sledovány především z hlediska tvorby emisí v průběhu spalovacího procesu. Klíčová slova: biopaliva, spalování, emisní koncentrace ÚVOD Vzhledem k závazku České republiky zvýšit využívání biomasy pro energii do roku 2010 na 6 až 8% z celkové energetické spotřeby, je nezbytné zajistit jednak dostatečné a stabilní množství biomasy, ale také získat zkušenosti s jednotlivými variantami energetického využití. Tento článek se zabývá problematikou spalování energetických plodin v kotlích nízkých výkonů. Problémem při spalování nových energetických plodin je jednak jejich výhřevnost a popelnatost, ale s ohledem na životní prostředí je to zejména tvorba emisí. Tyto emise jsou závislé na složení paliva, ale také na technologii spalování. Mezi problematické složky patří oxid uhelnatý, oxidy dusíku, oxidy síry a sloučeniny obsahující chlór. Cílem je ověřit možnosti využití kompozitních lisovaných biopaliv ve formě pelet k výrobě tepla v automatickém kotli o výkonu 25 kw. Vlastnosti paliv jsou sledovány především z hlediska tvorby emisí v průběhu spalovacího procesu. Spalovací zařízení MATERIÁL A METODY Biomasa je svým složením specifické palivo hlavně z důvodu vysokého obsahu prchavé hořlaviny, která dosahuje přibližně 85 % z celkové hořlaviny, a vyššího obsahu vázaného kyslíku v palivu. Rychlost hoření pro takováto paliva je závislá zejména na difusní složce rychlosti hoření, která je omezena fyzikálními pochody při míchání prchavé hořlaviny s okysličovadlem. Rychlost promíchání hořlavé směsi lze ovlivnit rozmístěním vstupních otvorů pro rozvod vzduchu, nastavením směru proudění vzduchu a rychlosti proudění. Kvalitu promíchání a prohoření prchavé hořlaviny lze hodnotit podle koncentrace oxidu uhelnatého ve spalinách. Pro měření byly použity dva kotle na spalování pelet pro rodinné domy o shodném výkonu 25 kw, ale lišící se právě konstrukcí hořáku. Jedná se o kotle Viadrus Herkules E a kotel Verner A25. Obr. 1 Hořák kotle Viadrus Herkules E Ing. Ondřej Vazda, TF, ČZU v Praze, Kamýcká 129, Praha 6, vazda@tf.czu.cz

2 Na kotli Verner A25 se navíc měřilo ve dvou modifikacích. Po prvních měřeních došlo k rozšíření ohniště z původních 200 mm na 235 mm a k přerozdělení vzduchu podle obr. 3. V původní variantě vzduch vstupoval otvory ohraničenými černou čarou. V nové variantě vzduch vstupuje otvory uvnitř bílé čáry. Tyto změny mají vést k lepšímu promíchání prchavé hořlaviny se vzduchem, k dokonalejšímu prohoření a ke snížení emisí oxidu uhelnatého. Obr. 2 Hořák kotle Verner A25 po rozšíření. Vpravo je pohled na otvory pro přívod vzduchu. Měřící aparatura Do kouřovodu odvádějícího spaliny z kotle do komína je umístěna sonda pro odběr spalin, které jsou nasávány pomocí čerpadla. Ze spalin musí být nejprve odstraněna veškerá obsažená vlhkost, což se provede jejich ochlazením pod teplotu rosného bodu. Následně jsou rozvedeny do jednotlivých ů, jejichž signál je vyhodnocen a zaznamenán ve společné kontrolní jednotce Yokogawa. Schéma zapojení měřících přístrojů je uvedeno na obrázku 3. odtah spalin odběrové sondy KOTEL chlazení spalin (kondenzace páry) NO a NO X a SO2 měření teploty měřící systém YOKOGAWA (sledování a ukládání hodnot, měření teplot) O2 TESTO spaliny el. signál Obr. 3 Schéma zapojení měřících přístrojů

3 Emisní limity 1. Nařízení vlády č. 352/2002 Pro dřevo a biomasu, výkon 200kW až 50MW, přepočítáno na 11% O mg.m -3 NO X mg.m Směrnice MŽP č. 13/2002 (Ekologicky šetrný výrobek) Výkon do 200kW, přepočítáno na 11% O mg.m -3 NO X mg.m -3 VÝSLEDKY A DISKUSE V následujících grafech jsou porovnány průměrné koncentrace oxidu uhelnatého a oxidů dusíku pro jednotlivé kotle a různé druhy paliv. Jedná se zejména o šťovík Uteuša a jeho kombinace s dalšími biopalivy. Dřevo je pro tato zařízení nejsnáze spalitelným materiálem a slouží především jako porovnávací palivo. Koncentrace a NO x přepočítané na 11% O NOx dřevo šťovík+dřevo 1:1 šťovík+chrastice 1:1 šťovík Obr. 4 Průměrné koncentrace a NO X (kotel Viadrus) Jak můžeme vidět, dřevo vykazuje nejnižší emise i NO X ve všech případech. Jako jediné palivo splňuje emisní limity pro udělení známky Ekologicky šetrný výrobek na všech testovaných zařízeních. Při spalování čistého šťovíku byl naopak ve všech případech zjištěn značný chemický nedopal, což se projevuje ve formě vysokých koncentrací. Spalovací proces není navíc příliš stabilní, neboť v jeho průběhu dochází k velkým výkyvům ve tvorbě [4]. U šťovíku tak byly ve všech případech značně překročeny emisní limity. Nestabilita spalovacího procesu může být způsobena vyšším obsahem popela a zejména pak jeho nízkou teplotou tání. Vlivem toho vznikají během spalování spečené kusy popela, které brání kvalitnímu promíchání prchavé hořlaviny se vzduchem

4 Průměrné koncentrace přepočítané na 11% O ,0 7000,0 6000,0 5000,0 4000,0 NOx 3000,0 2000,0 1000,0 0,0 dřevo 50% šťovík + 50% chrastice šťovík + chrastice sláma + obilí sláma + obilí 75% šťovík + 25% dřevo šťovík šťovík šťovík palivo Obr. 5 Průměrné koncentrace a NO X (kotel Verner před úpravou topeniště) Průměrné koncentrace přepočítané na 11% O ,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 NOx 1000,0 500,0 0,0 dřevo šťovík + 30% uhlí konopí 40% šťovík + 40% kůra + 20% uhlí 45% šťovík + 45% štěpka + 10% uhlí šťovík + topol 1:1 + 10% uhlí 45% šťovík + 45% kůra + 10% uhlí šťovík + kůra 3:1 + 10% uhlí 50% šťovík + 50% konopí šťovík + 20% uhlí šťovík + konopí šťovík + 5% uhlí palivo šťovík + 10% uhlí 35% šťovík + 65% uhlí šťovík (velký pytel) 50% šťovík + 50% uhlí odpad z čištění obilí šťovík Obr. 6 Průměrné koncentrace, NO X a SO 2 (kotel Verner po úpravě topeniště)

5 Na kotli Verner s upraveným topeništěm byly provedeny zejména zkoušky šťovíku v kombinaci s různými podíly uhlí. Z tohoto důvodu byla u vybraných vzorků také měřena koncentrace SO 2. Kompozitní biopaliva na bázi šťovíku mají, jak je vidět z uvedených grafů, výrazně nižší hodnoty emisí ve srovnání s čistým šťovíkem. Při kombinování šťovíku se dřevem, chrasticí i uhlím dochází ke stabilizaci spalovacího procesu a tím ke snížení tvorby oxidu uhelnatého. Koncentrace ve většině případů nepřekračuje hranici 2000 mg.m -3, a tudíž je splněn požadavek stanovený pro udělení značky Ekologicky šetrný výrobek. K významnému snížení emisí dochází při zmenšení šťovíkového podílu pod dvě třetiny [5] Jak lze vidět z obr. 6, již při 5% obsahu uhlí v palivu došlo ke snížení emisí o zhruba 2/3. Při 30% obsahu uhlí v palivu je pak spalovací proces velmi stabilní a průměrná hodnota koncentrací ve spalinách je téměř 20krát nižší než u čistého šťovíku. Zvyšování podílu uhlí v palivu má však za následek tvorbu SO 2. Jeho přítomnost ve spalinách byla zjištěna při 20 a 30% podílu uhlí v palivu. Problém zatím zůstává s oxidy dusíku. Koncentrace NO X ve většině případů překračují hranici 250 mg.m -3, a tudíž z tohoto hlediska není splněn požadavek stanovený pro udělení značky Ekologicky šetrný výrobek. Vznik NO X je závislý zejména na složení paliva a na teplotě spalování. Jejich tvorbu lze výrazně ovlivnit nastavením spalovacího zařízení a v tomto směru bude potřeba provést další spalovací zkoušky. Koncentrace přepočítané na 11% O šťovík dřevo šťovík dřevo šťovík dřevo Viadrus Verner Verner upravený Obr. 7 Porovnání průměrných koncentrací u dřeva a šťovíku pro jednotlivé kotle Z obr. 7 plyne, že úpravy spalovací komory kotle Verner měly na kvalitu spalovacího procesu příznivý dopad. Jejich vliv je patrný zejména při spalování dřeva, kdy došlo ke snížení hladiny 5krát. U šťovíku ani po úpravách nedošlo ke snížení emisí pod přijatelnou mez, ale jsou přibližně o 25 % nižší než u kotle Viadrus

6 ZÁVĚR Pro kotle na dřevěné pelety, dostupné v současné době na českém trhu, nelze čistý šťovík doporučit jako alternativní biopalivo. Důvodem jsou zjištěné koncentrace, které ve všech případech překročily emisní limity. V případě kotle Verner A25 nebylo dosaženo přijatelných hodnot ani po úpravě spalovací komory. Jak je vidět z uvedených výsledků, kombinací šťovíku s jinými biopalivy lze dosáhnout výrazného snížení koncentrací a stabilizace spalovacího procesu. Tato paliva již ve většině případů emisní limit splňují. Kombinace šťovíku s uhlím se také jeví jako vhodná, neboť uhlí vytváří vyšší spalovací teplotu a tím přispívá ke snížení emisí. Vyšší spalovací teplota však má za následek zvýšení tvorby oxidů dusíku. Emisní limity NO X byly překročeny ve většině případů kromě dřeva a je tedy nezbytné kotel pro takovéto palivo nastavit, případně provést další úpravu spalovacího prostoru. Další problém při použití uhlí je obsah síry, která způsobuje vznik SO 2. Přítomnost SO 2 ve spalinách byla zjištěna při 20 a 30% podílu uhlí. Vyšší podíl uhlí než 30 % nelze z tohoto důvodu doporučit a není potřebný ani z hlediska dalšího snížení koncentrací. POUŽITÁ LITERATURA [1] Adamovský, R., Neuberger, P. Termomechanika II : Termodynamika par, vlhký vzduch, sdílení tepla. 1. vyd. Praha : TF ČZU, str. ISBN [2] Hutla, P., Kára, J., Strašil, Z. Technologické systémy pro využití biopaliv z energetických plodin. Periodická zpráva řešení projektu NAZV QD Praha : VÚZT, [3] Rybín, M. Spalování paliv a hořlavých odpadů v ohništích průmyslových kotlů. 2. vyd. Praha : SNTL, str. ISBN [4] Polášek P., Jedlička M.: Spalování fytoenergetických rostlin v kotli Viadrus Herkules E, VUT Brno, Sborník příspěvků ze semináře Energie z biomasy, 2003 [5] Hrdlička J., Polášek P.: Spalování fytoenergetických rostlin, Konference Technika ochrany prostredia - TOP 2004, Častá Papiernička Výsledky uvedené v tomto příspěvku byly získány v rámci výzkumného projektu QE1206 Kompozitní lisovaná paliva, který je finančně podporován NAZV Ministerstva zemědělství ČR, výzkumného záměru CEZ J04/98 : a projektu MŽP ČR VaV 320/14/03. Kontaktní adresa: Ing. Ondřej Vazda TF, ČZU v Praze Katedra mechaniky a strojnictví Kamýcká , Praha 6 Suchdol vazda@tf.czu.cz Ing. Milan Jedlička FS, ČVUT v Praze Odbor tepelných a jaderných energetických zařízení Technická , Praha 6 Dejvice milan.jedlicka@fs.cvut.cz