VYSOKÉ U»ENÍ TECHNICKÉ V BRNÃ

Transkript

1 VYSOKÉ U»ENÍ TECHNICKÉ V BRNÃ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INÆEN RSTVÍ ENERGETICK ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE KOTLE PRO VYTÁPÃNÍ RODINNÉHO DOMU BOILERS FOR HOUSE HEATING BAKALÁÿSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR VIKTOR KÁDEK Ing. MAREK BALÁ, Ph.D. BRNO 2014

2

3

4 Abstrakt Tato bakalá ská práce se zab vá kotli na tuhá paliva pro vytápïní rodinn ch dom, p iëemæ je pojednáváno zejména o koltích vyuæivajících fosilní paliva i r zné formy biomasy. První Ëást je vïnována reπerπi tuh ch paliv pouæívan ch v souëasnosti, kde jsou popsány a vysvïtleny jejich vlastnosti, sloæení, d leæité technické charakteristiky a parametry a taktéæ jejich ekologick dopad. Druhá Ëást obsahuje struëné rozdïlení a popis kotl na tuhá paliva pro domácnosti, porovnání jednotliv ch typ kotl a p ehled trhu s kotly na tuhá paliva v»eské republice. V poslední Ëásti se tato práce zamï uje na v poëet náklad a porovnání jednotliv ch typ kotl pro zvolen referenëní d m. Summary This bachelor s thesis deals with solid fuel boilers for house heating. It contains information about boilers using fossil fuels and various forms of biomass. The first part is devoted to the search retrieval of solid fuels currently used. Their properties, composition, important technical characteristics and parameters and also their environmental impact are described and explained in this part. The second part contains a brief description and distribution of solid fuel boilers for house heating, comparision of varios types of boilers and an overview of the market for solid fuel boilers in the Czech Republic. The last part of this thesis focuses on calculating and comparing the costs of each type of boiler for the selected reference house. KlíËová slova biomasa, uhlí, palivo, vytápïní, kotel Keywords biomass, coal, fuel, heating, boiler KÁDEK, V.Kotle pro vytápïní rodinného domu. Brno: Vysoké uëení technické v BrnÏ, Fakulta strojního inæen rství, s. Vedoucí bakalá ské práce Ing. Marek Baláπ, Ph.D..

5 Prohlaπuji, æe svou bakalá skou práci na téma Kotle na tuhá paliva jsem vypracoval samostatnï pod vedením vedoucího bakalá ské práce a s pouæitím odborné literatury a dalπích informaëních zdroj, které jsou vπechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Viktor Kádek

6 DÏkuji vedoucímu bakalá ské práce Ing. Marku Baláπovi, Ph.D. za cenné p ipomínky a rady p i vypracovávání této práce. Taktéæ bych rád podïkoval Ing. Jakubu Zlámalovi, Ph.D. za technickú pomoc a rady p i zpracování bakalá ské práce. Viktor Kádek

7 OBSAH Obsah 1 Úvod 11 2 Tuhá paliva RozdÏlení paliv RozdÏlení podle skupenství RozdÏlení podle p vodu Odhadované zásoby paliv Vlastnosti tuh ch paliv Hrub rozbor Voda v palivu Popelovina v palivu Ho lavina v palivu MÏrná sirnatost Fyzikální a chemické vlastnosti Spalné teplo V h evnost Druhy tuh ch paliv Fosilní paliva Uhlí Uhelnatá paliva umïlá Biomasa RozdÏlení biomasy vyuæitelné k energetick m úëel m Zp soby vyuæívání biomasy k energetick m úëel m Tuhá biopaliva urëená ke spalování Odpadní paliva Ekologick dopad spalování tuh ch paliv Spalování fosilních paliv Spalování biomasy Porovnání obsahu a vlivu emisních látek u tuh ch paliv Emisní faktory Vliv oxid dusíku Vliv oxid síry Vliv oxid uhlíku a skleníkov efekt Kotle na tuhá paliva pro vytápïní rodinn ch dom Základní parametry kotl Základní rozdïlení kotl RozdÏlení kotl podle druhu spalovaného paliva RozdÏlení kotl podle zp sobu spalování Typy kotl na tuhá paliva podle zp sobu p ívodu paliva Kotle s manuálním p ikládáním Automatické kotle Typy kotl na tuhá paliva podle pouæité technologie spalování Proho ívací kotle Odho ívací kotle

8 OBSAH ZplyÚovací kotle P ehled trhu kotl na tuhá paliva Kategorie odho ívacích kotl Kategorie zplyúovacích kotl Kategorie automatick ch kotl Emisní t ídy kotl DotaËní politika V poëtové porovnání kotl Parametry modelového domu pro v poëty Parametry a v poëet vybran ch kotl Odho ívací kotel Hercules U Odho ívací kotel Variant SL 22D ZplyÚovací kotel AC 25 S ZplyÚovací kotel V25D Automatick kotel C 26 P Plynov kotel Vitopend 100-W Grafické znázornïní v sledk azávïreëné zhodnocení ZávÏr 51 6 Seznam pouæit ch zkratek a symbol 55 9

9 OBSAH 10

10 1. ÚVOD 1. Úvod Jednou ze základních lidsk ch pot eb v naπich zemïpisn ch πí kách je bezesporu pot eba dostaëujícího tepelného komfortu, kter je zajiπªován regulací tepelné energie. Jako vhodn zdroj tepelné energie se uæ od dávn ch Ëas osvïdëila energie ze d eva spalovaného v kamnech nebo krbech. Po rozmachu tïæby uhlí tento zdroj v raznï doplnila energie ze spalování uhlí a posléze i energie ze zemního plynu, kter rozvojem inæen rsk ch sítí ve 20. století umoænil lidem velmi pohodlnou a kontinuální dodávku paliva. Vπe má vπak své pre a proti a ponïvadæ zásoby fosilních paliv jsou omezené a jejich vyëerpání se stále p ibliæuje, je nutné p ehodnotit zuæitkování alternativních nebo naopak klasick ch zdroj energie. V souëasnosti se proto opït klade velk d raz na pouæívání energie z biomasy, p ípadnï z odpad. Její velkou v hodou je hlavnï obnovitelnost a p i pouæití moderních spalovacích technologií i mírnïjπí ekologické dopady. Proto se na energii z biomasy stále více zamï ují v robci kotl, ale také ji podporují vlády ve formï dotaëních program. SouËasn trh s kotly na tuhá paliva nabízí Ëím dál vïtπí moænosti vyuæití biomasy, a to od klasického kusového d íví, aæ po pelety Ëi brikety ze slámy, nebo z odpad vznikl ch p i zpracování biomasy. Cílem této práce je proto p edloæit Ëitateli informace o základních typech tuh ch paliv, p ehled souëasné nabídky kotl na tuhá paliva pro vytápïní rodinn ch dom a taktéæ orientaëní porovnání náklad na vytápïní jednotliv mi kotly. 11

11 2. Tuhá paliva Palivo obecnï je kaædá látka, ve které je nahromadïna urëitá forma energie. Tuto energii získáváme zejména spalováním, a to za ekonomicky a ekologicky p ijateln ch podmínek. P i spalování paliva obvykle dochází k p emïnï jeho chemické energie na energii tepelnou, kterou dál vyuæíváme. V naπich geografick ch πí kách uæ odpradávna sehrávají d leæitou roli p edevπím tuhá paliva, která pat í historicky k nejstarπím vyuæívan m zdroj m energie v bec. Mezi nejpouæívanïjπí tuhá paliva pat í bezesporu paliva fosilní, jejichæ zásoby jsou vπak stále omezenïjπí a je nutno hledat nové zdroje. Mezi dalπí, v souëasnosti stále vyuæívanïjπí, zdroje energie pat í obnovitelné palivo známé pod názvem biomasa. Energetickému vyuæití biomasy je vïnována v razná pozornost ve vπech rozvinut ch zemích svïta a je taktéæ podporován v zkum zamï en na zv πení její efektivity [2]. Bliæπímu rozdïlení a charakteristice paliv, zejména paliv tuh ch, bude vïnována následující kapitola RozdÏlení paliv Paliva m æeme rozdïlit dle poëetn ch kritérií. Základním rozdïlením je rozdïlení podle skupenství, k jehoæ urëení je podstatná vizuální stránka paliva a rozdïlení podle p vodu, kter m posuzujeme zp sob vzniku daného druhu paliva RozdÏlení podle skupenství tuhá uhlí, biomasa, zemïdïlské, pr myslové a komunální odpady, atd., kapalná topné oleje, topná nafta, petrolej, benzín, atd., plynná zemní plyn, vodní plyn, koksárensk plyn, bioplyn, d evoplyn, atd RozdÏlení podle p vodu fosilní tïæené palivo, neobnovitelné (uhlí, ropa, zemní plyn), obnovitelné zejména biomasa, odpadní paliva vzniklá jako vedlejπí produkt lidské Ëinnosti (odpadní plyny, komunální a pr myslov odpad, kaly z Ëistíren odpadov ch vod Odhadované zásoby paliv Fosilní paliva sehrávají d leæitou roli na celosvïtovém energetickém trhu. Podle publikace World Energy Outlook (WEO) 2007 bude energie z fosilních paliv v roce 2030 stále pokr vat p ibliænï 84 % veπkeré vyprodukované energie. P esto uæ pár let bïæí celosvïtov v zkum hledající vhodnou náhradu za fosilní paliva. OËekává se vπak, æe globální trh s energiemi bude závisl majoritnï na fosilních palivech jeπtï nïkolik budoucích dekád. Na základï pomïr svïtové spot eby ku svïtov m rezervám jsou odhadované zásoby fosilních paliv stanoveny na 40 let pro ropu, 200 let pro uhlí a 70 let pro zemní plyn. Tyto údaje potvrzují, æe na fosilních palivech, zejména na uhlí, bude svïtová ekonomika jeπtï dlouhou dobu závislá [4,5]. 12

12 2. TUHÁ PALIVA Navzdory této závislosti je vπak z ejmé, æe fosilní paliva budou Ëím dál více nahrazovány jin mi, obnoviteln mi zdroji energie. Velmi vhodnou alternativou se jeví pouæití biomasy, která se skládá hlavnï ze d eva a d evních v robk Ëi odpad, ale i z jin ch produkt zemïdïlské v roby ( epka, traviny,...). Neopomenutelnou v hodou biomasy je její obnovitelnost a nevyëerpatelnost p i zodpovïdném vyuæívání Vlastnosti tuh ch paliv Mezi tuh mi palivy nalezneme zástupce fosilních, obnoviteln ch i odpadních zdroj energie. V souëasnosti je nejv znamnïjπím a nejpouæívanïjπím tuh m palivem biomasa, uhlí a jejich umïle vyrobené podoby. K tomu abychom zhodnotili kvalitu tïchto paliv, urëujeme jeho sloæení: hrub m rozborem spoëívá ve stanovení pomïrného obsahu vody, popeloviny a ho laviny v daném typu tuhého paliva, elementárním obsahem ho laviny urëuje se pomïrné zastoupení chemick ch prvk vho lavinï Hrub rozbor Hrub m rozborem stanovujeme pomïr meziho lavinou (h), popelovinou (A r ) a vodou (W r ), které jsou v palivu obsaæeny. Platí: h + A r + W r = 100% (2.1) kde index r znaëí, æe se jedná o hmotnostní obsahy v surovém palivu. V následující tabulce 2.1 je graficky znázornïn hrub rozbor tuh ch paliv. p ímísená (= surové palivo =) voda voda popeloviny ho lavina p ítïæ (balast) prchav podíl tuh podíl bezvodé uhlí (suπina) spálením vznikne vodní pára tuhé zbytky - πkvára (struska), popílek spaliny Tabulka 2.1: Hrub rozbor tuh ch paliv [3] Voda v palivu Vodu obsahuje kaædé tuhé palivo a její obsah je jedním ze základních palivov ch charakteristik. Obsah vody kolísá v πirokém rozmezí: nap íklad u uhlí se pohybuje v rozmezí 1 aæ 60 %, u raπeliny m æe b t dokonce i vyππí neæ 90 %. Mnoæství vody obsaæené v palivu závisí na druhu paliva, místï jeho tïæby, jeho úpravï, skladování, aj. ObecnÏ m æeme íci, æe geologicky mladπí paliva obsahují více vody neæ paliva velmi prouhelnïná [6]. P ítomnost vody je vπak ve vïtπinï p ípad neæádoucí, protoæe sniæuje v h evnost paliva a taktéæ je p íëinou potíæí p i dopravï, skladování i samotném spalování paliva. Mal obsah vlhkosti m æe ovπem nïkdy p sobit i blahodárnï na rychlost ho ení, teplotu v kotli apod. Voda 13

13 2.3. VLASTNOSTI TUH CH PALIV bïhem spalování odchází se spalinami ve formï vodní páry, coæ zvïtπuje objem spalin. P i spalování taktéæ pohlcuje Ëást uvolnïného tepla a zvyπuje komínovou ztrátu, navíc p i kondenzaci vodní páry m æe tato voda zp sobit korozi kotle ze strany spalin [3]. Voda m æe b t v palivu vázána více zp soby [3, 7]: voda p ímïsná do paliva se dostává po tïæbï, lze ji odstranit odkapáváním, filtrací nebo odst edïním, povrchová voda voda na povrchu zrn paliva, kapilárnï vázaná (tzv. zbytková) voda nachází se v kapilárách paliva, z stává i po odstranïní hrubé vody, její mnoæství je ziπªováno z úbytku hmotnosti po vysuπení p i 105 C, chemicky vázána voda p i bïæné anal ze se nestanovuje nelze ji vysuπit, uvolúuje se aæ p i spalování, hydrátová Ëást vody vázaná na popeloviny, odkludovaná voda chemicky vázaná na ho lavinu, voda hrubá souëást paliva, uniká voln m odpa ováním (teplota 20 C, relativní vlhkost vzduchu 50 %), voda volná celková suma povrchové, p imísené a hrubé vody, veπkerá voda - celkov obsah vody W r [kg vody kg 1 paliva ],zp sob urëení je p edepsán normami (»SN ,»SN P CEN/TS 15414,»SN P CEN/TS a dalπí) Popelovina v palivu Popelovinu v tuhém palivu tvo í zejména minerální látky jako k emiëitany, uhliëitany, sírany a dalπí. P i spalování probíhají v popelovinï chemické reakce a vzniká tuh zbytek popel. Popel odchází ze spalovací komory ve formï strusky, πkváry nebo popílku. Pro stavbu a provoz kotl na tuhá paliva jsou velmi d leæité charakteristické teploty popel, a to teplota mïknutí (t A ), teplota tavení (t B ) a teplota teëení (t C ). Tyto charakteristické teploty urëují chování popela p i r zn ch teplotách. Jedním ze zp sob urëování tïchto teplot je Segerova metoda jehlan. Segerovy jehlánky umoæúují mï it teplotu s p esností na nïkolik desítek stupú Celsia. MÏ ení probíhá tak, æe je ada po sobï jdoucích Segerov ch jehlánk vloæena na nïkolik minut do pece. Jehlánky zaënou tát a ten, kter se ohne, ale πpiëkou se jeπtï nedotkne podloæné plochy, udává zjiπªovanou teplotu. Pro teplotu mïknutí (t A ) je charakteristické ohnutí πpiëky jehlanu, p i teplotï tání (t B ) se jehlan zhroutí v polokuli a p i teplotï teëení (t C ) se jehlan rozteëe na podloæce, jako m æeme vidït na obrázku 2.1 [8, 9]. Z praktického hlediska nám teplota mïknutí (t A )urëuje minimální teplotu, kdy uæ dochází k nalepování popela na v h evné plochy, coæ samoz ejmï zhorπuje prostup tepla ze spalin do média. Teplota teëení (t C )urëuje situaci, kdy dochází k roztavení popela [9]. Popel v palivu komplikuje p ístup kyslíku pot ebného ke spalování ho laviny.»ásteëky popela taktéæ vytvá ejí nánosy na teplosmïnn ch plochách, které následnï zhorπují p enos tepla v kotli. Spaliny jsou ménï ochlazovány a roste komínová ztráta. Ucpané tahy kotle tïmito nánosy kladou pr toku spalin vïtπí odpor, Ëímæ roste p íkon sacího ventilátoru. NÏkdy se také vyskytuje eroze (oπlehávání) trubek popelem. Obojí vede k nutnosti zvïtπení teplosmïnn h ploch kotle a ke sníæení rychlosti spalin [3]. Se sniæujícím se obsahem popeloviny docházi ke sniæování emise tuh ch 14

14 2. TUHÁ PALIVA zneëiπªujících látek (prach) a zmenπuje se nároënost údræby spalovacího za ízení (odpopelnïní tuh zbytek po spálení naz váme popelem) [11]. Obrázek 2.1: P íklad Segerovych jehlan v r zn ch stadiich roztavení [10] Ho lavina v palivu Ho lavina je Ëást paliva, kterou chceme mít obsaæenou v co nejvïtπí mí e, protoæe je nositelem tepelné energie. Tato organická sloæka paliva se skládá z pïti základních prvk : C uhlík, H vodík, O kyslík, N dusík a S síra. První t i prvky zásadním zp sobem ovlivúují vlastní spalovací proces a poslední dva spíπe ovlivúují produkci zneëiπªujících látek (tvorba oxid dusíku NO x a oxidu si iëitého SO 2 ). Uhlík, vodík a síra p edstavují aktivní prvky ho laviny a jsou nositeli chemicky vázané energie, která se jejich spalováním uvolúuje. Kyslík a dusík tvo í pasivní sloæku ho laviny, protoæe nep ináπí æádnou energetickou hodnotu. Sloæení ho laviny jednotliv ch paliv je promïnlivé, pro moænost porovnání jsou na obrázku 2.2 uvedeny pr mïrné hodnoty sloæení ho laviny. Mladá paliva (nap. biomasa) jsou málo prouhelnïna, proto obsahují nejménï uhlíku (cca 45 %), ale více vodíku (cca 5 %) a kyslíku (cca 40 %). StejnÏ tak obsahují více prchavé ho laviny (ho lavina, která se po dostateëném zah átí uvolúuje v podobï ho lav ch plyn ), takæe se snáze zapalují a ho í vïtπím plamenem [11]. Mnoæství ho lav ch sloæek v ho lavinï b vá dáno elementárním obsahem ho laviny: C h + H h + S h + N h + O h = h (2.2) D leæitou charakteristikou paliv je prchavá ho lavina, která se uvolúuje p i zaëátku spalování p i teplotách nad 250 C a napomáhá vznïcování paliva. Taktéæ stabilizuje spalovací proces. ObecnÏ má geologicky starπí palivo menπí podíl prchavé ho laviny. Zb vající Ëást ho laviny je neprchav zbytek v podobï tuhého uhlíku. K dalπím vlastnostem tuh ch paliv pat í [3, 9]: melitelnost paliva (schopnost desintegrace uhlí p i jeho drcení nebo mletí), zrnïní paliva (% podíl zrn urëité velikosti), mïrná hmotnost, sypná hmotnost (volnï sypaného paliva), abrazivita popela (schopnost popela rozruπovat materiál otïrem) MÏrná sirnatost Dalπím d leæit m parametrem paliva, kter je sledován zejména u uhlí, je obsah síry, Ëili mïrná sirnatost S. P estoæe je síra jedním z prvk ho laviny, negativní dopad oxidu siriëitého na æivotní prost edí v raznï p evyπuje její energetick p ínos. Vyππí obsah síry v palivu taktéæ v raznï zvyπuje rosn bod spalin, coæ zp sobuje korozi a zalepování v h evn ch ploch kotle 15

15 2.3. VLASTNOSTI TUH CH PALIV Obrázek 2.2: Srovnání prvkového sloæení ho laviny r zn ch paliv vëetnï jejich v h evností [11] v oblasti nízk ch teplot, a sniæuje charakteristické teploty popela, kv li kterému se ve spalovacím za ízení vytvá ejí struskové nánosy v oblasti vyππích teplot. Neopomenutelnou nev hodou síry je, æe její obsah p ispívá k samovznícení uhlí na skládkách [9, 14]. Obsah síry v palivu je kromï pomïrného obsahu (v %) vyjád ován ponïkud názornïjπím ukazatelem mïrnou sirnatostí S, která udává hmotnost síry na jednotku v h evnosti S = 10 S Q i r [g MJ 1 ] (2.3) kde S[g kg 1 ] vyjad uje obsah síry v palivu a Q i r [MJ kg 1 ] v h evnost paliva. V tabulce 2.2 jsou uvedeny charakteristické st ední hodnoty nïkter ch veliëin tuzemsk ch paliv. PomÏrn obsah síry S r [%] V h evnost Q r i [MJ kg 1 ] MÏrná sirnatost S[g MJ 1 ]»erné uhlí (Ostrava) 0,6 24,0 0,25 HnÏdé uhlí (Most) 1,2 9,6 1,25 HnÏdé uhlí (Sokolovo) 1,2 9,0 1,33 Lignit 0,6 7,6 0,75 Topn olej tïæk 3,0 41,0 0,73 Zemní plyn 0 44,0 0 Tabulka 2.2: Obsah síry, v h evnost a mïrná sirnatost fosilních paliv ve srovnání se zemním plynem a tïæk m topn m olejem [9] Fyzikální a chemické vlastnosti Mezi základní a nejd leæitïjπí parametry, které charakterizují dané palivo, jsou spalné teplo a v h evnost. Tyto veliëiny vyjad ují mnoæství chemicky vázaného tepla (nap. v MJ nebo kwh), 16

16 2. TUHÁ PALIVA které se uvolní p i dokonalém spálení jednotkové hmotnosti paliva (nap. vkg paliva ). Hodnota v h evnosti závisí na obsahu aktivních prvk ho laviny (C, H, S), Ëím vïtπí Ëást paliva bude tvo ena tïmito prvky, tím více energie bude obsahovat a tím vïtπí v h evnost bude dané palivo mít. Se zvyπujícím se obsahem vody a popeloviny se sniæuje obsah aktivních prvk a tedy v h evnost klesá. Závislost spalného tepla a v h evnosti d eva na jeho vlhkosti je znázornïna na obrázku 2.3.[11] Obrázek 2.3: Závislost v h evnosti a spalného tepla d eva na jeho vlhkosti [11] Spalné teplo Spalné teplo Q s [kj kg 1 ] je mnoæství tepla, které se uvolní dokonal m spálením 1 kg paliva p i ochlazování spalin na teplotu 20 C, p iëemæ voda ve spalinách zkondenzuje. Spalné teplo stanovuje na základï platn ch norem [12]. V praxi se vπak bïænï pouæívá veliëina v h evnost, neboª z d vodu ochrany p ed korozí má vïtπina kotl teplotu spalin vyππí neæ je jejich teplota rosného bodu a tím pádem obsahují vodu v plynné fázi V h evnost V h evnost Q i r [kj kg 1 ] vyjád uje mnoæství tepla, které se uvolní dokonal m spálením 1 kg paliva p i ochlazování spalin na teplotu 20 C, p iëemæ voda ve spalinách nezkondenzuje, ale z stane v plynné fázi. Hodnota v h evnosti paliva je tedy niæπí neæ spalné teplo o mnoæství tepla pot ebného k oh evu vody z p vodní teploty paliva na 100 C a o skupenské teplo vypa ování vody.[13] Stanovuje se v poëtem ze zmï eného spalného tepla Q s [3] Q i r = Q s r (W r +8, 94 H 2 ) [kj kg 1 ] (2.4) kde W r [ ] vyjad uje obsah vody v palivu, r[kj kg 1 ] je v parné teplo vody a H 2 [ ] vyjad uje obsah vodíku v surovém palivu (z 1 kg vodíku vznikne 8,94 kg vody). V h evnost paliva m æeme taktéæ urëit pomocí empirick ch vztah na základï elementárního rozboru paliva. V praxi se taktéæ Ëasto spalují smïsi r zn ch paliv (tuh ch nebo tuh ch a kapaln ch). Pro v poëet v h evnosti takovéto smïsi pouæívame vztah [3] Q i r = Q i r 1 m 1 + Q i r 2 m Q i r n m n [kj kg 1 ] (2.5) kde m n [kg kg 1 ] je hmotnostní podíl n-tého paliva ve smïsi a Q i r n [kj kg 1 ] je jeho v h evnost. 17

17 2.4. DRUHY TUH CH PALIV 2.4. Druhy tuh ch paliv Tuhá paliva, jak uæ bylo eëeno v kapitole 2.1, m æeme z hlediska p vodu rozdïlit na fosilní, obnovitelná a odpadní Fosilní paliva Fosilní paliva tvo í zbytky prehistorické organické hmoty. Tyto zbytky jsou tvo eny p edevπím uhlíkem a uhlovodíky. V p írodï se fosilní paliva vyskytují ve vπech t ech skupenstvích, a to jako uhlí (tuhé skupenství), ropa (kapalné skupenství) a zemní plyn (plynné skupenství). VyznaËují se vysok m obsahem chemicky nevázaného uhlíku a vodíku, coæ zp sobuje jejich pomïrnï vysokou v h evnost (viz tabulka 2.2). Produkty fosilních paliv se vyuæívají p edevπím jako paliva ve spalovacích za ízeních pro v robu tepla nebo elektrické energie, vyuæití vπak najdou i jako stavební materiál p i stavbï silnic, v robï plast, nebo ve farmaceutickém pr myslu [15]. Jedná se o jeπtï stále velice dostupn a levn zdroj energie. Bez fosilních paliv by byla energie podstatnï draæπí. Pro ilustraci, kdyby se mïla v roba energie z fosilních paliv v»eské republice nahradit jadernou, bylo by zapot ebí aæ 47 temelínsk ch blok. V roce 2005 bylo ve svïte spot ebováno takové mnoæství fosilního paliva, které v p írodï vznikalo po dobu dvou milion let [15] Uhlí Uhlí vzniklo p eváænï z rostlinn ch zbytk nahromadïn ch v oblastech mírného pásu ve vodních tocích, jezerech, mo sk ch zálivech a lagunách. Zde postupn m zaplúováním vznikaly baæiny, které v nïkter ch geologick ch obdobích pokr vala dalπí vegetace. Nejvíce Ëerného uhlí vzniklo v geologick ch útvarech karbon a perm, nejvíce hnïdého uhlí v t etihorách (viz obrázek 2.4)[7]. Uhlí je nejvïtπím zdrojem fosilního uhlíku na svïtï a jeho zásoby znaënï p esahují æivotnost zásob ropy i zemního plynu. Podíl uhlí na svïtové spot ebï primárních energetick ch zdroj Ëiní 23,5 %. Vzhledem ke svému sloæení (uhlík a vodík) je vhodn m materiálem k p emïnï na kapalné a plynné produkty. Jeho odplynïním, zplynïním nebo zkapalnïním vznikají produkty jako dehty, oleje, uhlovodíky, amoniak, sulfan a jiné [7]. Podle geologického stá í rozdïlujeme uhlí na antracit, Ëerné uhlí, hnïdé uhlí, lignit a raπelinu. ObecnÏ platí, æe Ëím je uhlí geologicky starπí, tím má vyππí hodnotu spalného tepla, v h evnosti a menπí podíl prchavé ho laviny. Taktéæ platí, æe u geologicky starπího uhlí stoupá obsah uhlíku a klesá obsah kyslíku a vodíku. SouËasná enviromentální politika vede dodavatele uhlí k nabídce uhlí s menπím obsahem síry, p ípadnï uhlí obohaceného o vápenec. V hodou jsou niæπí emiseso 2 bez pouæití odsi ovacích technologií, nev hodou je vπak vyππí cena [3]. Pro porovnání jednotliv ch druh uhlí jsou v tabulce 2.3 uvedeny jejich základní charakteristiky. 18

18 2. TUHÁ PALIVA Obrázek 2.4: NahromadÏní uhlí v jednotliv ch geologick ch útvarech. [7] piliny raπelina lignit hnïdé uhlí Ëerné uhlí antracit vlhkost [%] 16,5 20,0 33,3 23,4 5,2 7,7 prchavá ho lavina [%] 78,6 68,0 43,6 40,8 40,2 6,4 pevn uhlík [%] 45,3 54,0 50,7 83,1 popelovina [%] 5,2 12,0 11,1 5,2 9,1 10,5 spalné teplo Q s [MJ kg 1 ] 9,9 21,0 16,5 21,4 29,2 34,7 teplota mïknutí popele - t a [ C] Tabulka 2.3: Hrub rozbor a základní kalorimetrické charakteristiky r zn ch druh tuh ch paliv. [3] Antracit Antracit se vyznaëuje nejniæπím obsahem prchavé ho laviny (6 12 %), vysok m obsahem uhlíku (80 90 %) a velkou v h evností (od 33,9 do 34,8 MJ kg 1 ). Jedná se o Ëerné uhlí, které bylo vystaveno vysokému tlaku a teplotï. Vyuæívá se jako palivo a k v robï koksu. Ze vπech druh uhlí produkuje p i spalování nejménï neæádoucích emisí. Po zapálení dob e ho í stál m plamenem [17]. 19

19 2.4. DRUHY TUH CH PALIV»erné uhlí»erné uhlí b vá vïtπinou lesklé, vrstevnatého slohu, úderem se rozpadá v hranolovité kusy srovn mi plochami a má Ëern vryp. Obsahuje pouze 2-10 % vody. V ho lavinï je % uhlíku a pouze 3-11 % kyslíku. Obsah vodíku i obsah prchavé ho laviny b vá menπíneæ uhnïdého uhlí [1]. U Ëern ch uhlí zpravidla rozeznáváme podle vnïjπího vzhledu uhlí lesklé, matné a vláknité. Není v jimkou, æe se vπechny t i druhy vyskytují v jednom kusu uhlí uloæeny ve vrstvách; takové uhlí naz váme páskové (nap. kladenské). Lesklá Ëerná uhlí jsou nejbïænïjπí a nejrozπírenïjπí. Vznikla pravdïpodobnï z vïtví, kmen a ko en. Matná uhlí se vyskytují jen z ídka samostatnï a Ëasto je najdeme spolu s leskl m uhlím. Pochází pravdïpodobnï ze spor, pyl, list a jehliëí. Vláknité uhlí se strukturou podobá d evïnému uhlí a vyskytuje se pouze spolu s leskl m a matn m uhlím [1]. (a) Lesklé antracitové uhlí. (b)»erné uhlí (lesklé uhlí páskované) Obrázek 2.5: Antracit a Ëerné uhlí. [18] HnÏdé uhlí HnÏdé uhlí je geologicky mladπí neæëerné uhlí. Jeho hlavním znakem je vedle hnïdé barvy a hnïdého vrypu ËásteËná rozpustnost v louhu, celistv sloh a nepravideln lom.»erstvï tïæené hnïdé uhlí obsahuje 20 aæ 60 % vody, v ho lavinï b vá více kyslíku (asi 20 %), ménï uhlíku (asi 70 %). Má i menπí v h evnost neæ uhlí Ëerné. P esná hranice mezi hnïd m a Ëern m uhlím vπak definována není [1]. HnÏdé uhlí se pouæívá p edevπím v energetice, v menπí mí e i v chemickém pr myslu. Velká Ëást se koksuje. Pro vytápïní domácností je hnïdé uhlí pouæíváno nejëastïji. Lignit Nejmladπí a nejménï karbonizované hnïdé uhlí se naz vá lignit. Lignit má obecnï vyππí vlhkost, obsahuje ménï uhlíku a více kyslíku v ho lavinï neæ hnïdé uhlí. Jeho v h evnost je taktéæ menπí. Raπelina Raπelina je z fosilních zdroj energie geologicky nejmladπí. Je smïsí ËásteËnÏ rozloæen ch bitumen, prysky ic, huminov ch kyselin a r zn ch jin ch produkt rozkladu rostlinného materiálu. 20

20 2. TUHÁ PALIVA Podle p vodu i podle hloubky, ze které pochází, m æe mít r znou barvu i strukturu - od svïtle hnïdé barvy a vláknitého vzez ení aæ ktmavï hnïdé kompaktní hmotï, tu a tam promísené s rozeznateln mi zbytky rostlin. Tvo í se v raπeliniπtích, která mohou vzniknout tam, kde je vlhko a p da má p íhodné sloæení pro r st raπeliniπtních rostlin [1]. Raπelina je první stádium vzniku uhlí. Obsahuje vysoké procento vody, obsah popeloviny a uhlíku s hloubkou klesá. Jako palivo má vπak pouze lokální v znam. AËkoliv má vysuπená raπelina stejnou v h evnost jako mladπí hnïdé uhlí, její nev hodou je nízká mïrná hmotnost v suchém stavu. Proto je její transport na vzdálenïjπí místa neefektivní [1]. Raπelina se kromï paliva vyuæívá i v zemïdïlství a zahradnictví, ale i jako stelivo Ëi izolace. V menπích mnoæstvích v lázeúství a jako filtraëní materiál. (a) HnÏdé uhlí (b) Lignit (c) Vysuπená raπelina Obrázek 2.6: HnÏdé uhlí, lignit a raπelina. [18] Uhelnatá paliva umïlá Zejména v menπích kotlech se k vytápïní pouæívají kromï tïæen ch uhlí i umïlá uhelnatá paliva. Jedná se hlavnï o uhlí upravené koksováním a briketováním. V porovnání s tïæen mi palivy jsou umïlá paliva draæπí, ale v h evnïjπí [3]. Vybrané charakteristické hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.4. voda W r [%] popel A r [%] v h evnost Q r i [MJ kg 1 ] obsah síry vho lavinï [%] koks otopn ,5-2 hnïdouhelné brikety Ëerné uhlí ,5-2 Tabulka 2.4: Základní vlastnosti koksu a briket v porovnání s Ëern m uhlím.[3] Koks Koks je hlavním produktem vysokoteplotní karbonizace. Vysokoteplotní karbonizace je soubor proces probíhajících p i ízeném oh evu uhlí na vysoké teploty (asi 1000 C) za nep ístupu vzduchu. Pro koksování jsou vhodná zejména Ëerná uhlí s vhodn mi chemicko-technologick mi parametry. V roba koksu je i v souëasnosti p edmïtem inovací s cílem co nejvíce vyuæít vzniklé teplo a sníæit ekologickou zátïæ [18]. V roba koksu se tradiënï provádí v koksovacích komorách sdruæen ch do blok (baterií) vyh ívan ch spoleënï regulovan m topn m systémem. Uhelná vsázka je v komo e oboustrannï zah ívána spalinami topného plynu [7]. 21

21 2.4. DRUHY TUH CH PALIV NejvÏtπí vyuæití koksu je v metalurgii a hutnictví, kde se pouæívá jako palivo a redukëní Ëinidlo nap. ve vysoké peci. Koks se vπak pouæívá i jako palivo pro vytápïní v menπích spalovacích za ízeních a je také jedin m tuh m palivem, které je povoleno spalovat i v centrech mïst díky jeho nízk m emisním hodnotám. Uhelné brikety Uhelné brikety se vyrábïjí rozemletím p edsuπeného hnïdého Ëi Ëerného uhlí na prach a následn m lisováním pod velk m tlakem. Do briket se nep idávïjí æádne pojiva ani aditiva, co je dïlá pomïrnï ekologick m palivem vhodn m i pro vytápïní rodinn ch dom. AËkoliv cena briket je p ibliænï srovnatelná s cenou uhlí, ho í podstatnï déle. Mezi nejkvalitnïjπí brikety pat í ty, které se v rábïjí z rozemletého antracitu. Dalπími v hodami uheln ch briket je jejich dobrá skladovatelnost a nenáchylnost k vytvá ení jisker bïhem spalovacího procesu [20]. (a) Koks (b) Luæické hnïdouhelné brikety REKORD Obrázek 2.7: Koks a uhelné brikety. [19] Biomasa Biomasa je definována jako substance biologického p vodu a na rozdíl od fosilních paliv se jedná o obnoviteln zdroj energie. Je získávána buô zámïrnï jako v sledek v robní Ëinnosti, nebo z odpad ze zemïdïlské, potraviná ské a lesní v roby [21]. Podle teoretick ch p epoët roëní svïtová produkce biomasy Ëiní 100 miliard tun a její energetick potenciál je p ibliænï 1400 EJ, coæ témï pïtkrát p ekraëuje roëní svïtovou spot ebu fosilních paliv (300 EJ). Vyuæití tohoto potenciálu biomasy na energetické úëely je vπak limitováno uæitím biomasy zejména k potraviná sk m, krmivá sk m a v neposlední adï i k pr myslov m úëel m [21]. Nesporn mi v hodami biomasy jsou její obnovitelnost, menπí negativní dopad na æivotní prost edí a také její πiroká dostupnost, coæ sniæuje závislost na dováæení jin ch energetick ch zdroj RozdÏlení biomasy vyuæitelné k energetick m úëel m FundamentálnÏ m æeme biomasu rozdïlit do dvou základních skupin, a to na biomasu æivoëiπného p vodu a rostlinného p vodu (fytomasa). Energetickou biomasu jeπtï m æeme blíæe rozdïlit do pïti základních skupin [21]: fytomasa s vysok m obsahem lignocelulózy, fytomasa olejnat ch plodin, fytomasa s vysok m obsahem πkrobu a cukru, organické odpady a vedlejπí produkty æivoëiπného p vodu, smïsi r zn ch organick ch odpad. 22

22 2. TUHÁ PALIVA Podle zp sobu získávání biomasy ji m æeme rozdïlit na [21]: biomasa zámïrnï pïstovaná k energetick m úëel m: cukrová epa, obilí, brambory, cukrová t tina, olejniny (nap. epka olejná), energetické d eviny (vrby, topoly, olπe, akáty apod.), odpadní biomasa, rostlinné zbytky zemïdïlské prvov roby: sláma, zbytky z luëních a pastevních areál, zbytky po likvidaci k ovin a lesních nálet, atd., odpady z æivoëíπné v roby: exkrementy hospodá sk ch zví at, zbytky krmiv, atd., komunální organické odpady: kaly z odpadních vod, organick podíl tuh ch komunálních odpad, atd., organické odpady z potraviná sk ch a pr myslov ch v rob: odpady z jatek, odpady z mlékáren, lihovar, vina sk ch provozoven, d evá sk ch provozoven lesní odpad (dendromasa): k ra, vïtve, pa ezy, ko eny, palivové d evo, manipulaëní od ezy, klestí. V tabulce 2.5 je uveden odhad potencionálu energetick ch paliv v»r. Druh paliva Zdroj Produkce [t/rok] d evo, k ra odpady z lesní tïæby a d evozpracujícího pr myslu sláma obilovin 25 % celkové skliznï slámy p i v nosu 4 t/ha sláma olejnin do 100 % celkové skliznï p i v nosu 4 t/ha traviny, rákos cca z 20 % trval ch porost p i v nosu 2 t/ha d evní πrot, obaloviny a spaliteln komunální odpadové d evo a obaly odpad polní d evo a energetické obilí potravin úëelovï pïstované na p dï vyëlenïné z v roby Tabulka 2.5: Odhad potencionálu energetick ch paliv v»r. [22] Zp soby vyuæívání biomasy k energetick m úëel m Zp sob vyuæívání biomasy k energetick m úëel m je do znaëné míry urëen fyzikálními a chemick mi vlastnostmi biomasy. Velmi d leæit m parametrem je vlhkost, resp. obsah suπiny v biomase. Na základï obsahu suπiny se urëuje hranice mezi mokr mi procesy (obsah suπiny menπí neæ 50 %) a such mi procesy (obsah suπiny nad 50 %). Z principiálního hlediska rozliπujeme nïkolik zp sob získávání energie z biomasy a její p ípravy pro dalπí energetické vyuæití [21]: termochemická p emïna (suché procesy pro energetické vyuæití biomasy): spalování, zplyúování, pyrol za, biochemická p emïna (mokré procesy pro energetické vyuæití biomasy): alkoholové kvaπení, 23

23 2.4. DRUHY TUH CH PALIV metanové kvaπení, fyzikální a chemická p emïna biomasy: mechanicky (πtípání, drcení, lisování, briketování, peletování, mletí apod.), chemicky (esterifikace surov ch bioolej ), získávání odpadního tepla p i zpracování biomasy (kompostování, aerobní ËiπtÏní odpadov ch vod, anaerobní fermentace pevn ch organick ch odpad apod.). Z mnoha proces zpracování biomasy p evládá v praxi spalování (ze such ch proces )a v roba bioplynu anaerobní fermentací (z mokr ch proces ). Protoæe v kotlech pro vytápïní rodinn ch dom je dominantním procesem spalování, dalπí kapitoly budou vïnovány hlavnï procesu zpracování a spalování tuh ch biopaliv Tuhá biopaliva urëená ke spalování Jako biopalivo v kotlech urëen ch pro domácnosti se v nejvïtπí mí e pouæívá d evná biomasa (dendromasa), p ípadnï i bylinná (fytomasa). Hlavním zdrojem dendromasy je lesní hospodá ství, kde Ëást vytïæené suroviny není vhodná ke zpracování v d evozpracujícím pr myslu. Dalπím zdrojem jsou odpady ze d eva sk ch provozoven. Perspektivním zdrojem je i d evná hmota z tzv. rychlorostoucích d evin [23]. P i správném spalování a správné vlhkosti d evo ho í prakticky bez kou e, snadno se zapaluje, neπpiní p i manipulaci a tvo í málo popela, p ibliænï 1% p vodní hmotnosti. Optimální obsah vlhkosti d eva je 15 aæ 20 %, coæ zaruëuje jeho velmi dobré ho ení. ObecnÏ je na vysuπení vyæadována doba 18 aæ 24 mïsíc, una ezaného d eva je moæné tuto dobu úëinnï zkrátit na 12 aæ 15 mïsíc [23]. Porovnání procentuálního zastoupení ho laviny, vody a popela ve d evï vyschlém a surovém je v tabulce 4.5. Proces suπení surového d eva názornï popisuje obrázek 2.8. V levé Ëásti obrázku je znázornïno polínko o hmotnosti 1 kg ze surového (mokrého) d eva, které obsahuje p ibliænï 0,5 kg vody (50 %). Po prvním roce suπení je obsah vody 30 % a po druhém roce uæ jen 20 % z p vodní hodnoty. Protoæe se vysuπením sníæila celková hmotnost d eva, ale celková hmotnost ho laviny z stala nezmïnïna, nyní je procentuální zastoupení aktivní ho laviny vyππí (z p vodních 27,5 % na 44 %). Toto zp sobilo i nárust v h evnosti a spalného tepla paliva [11]. Palivo Ho lavina [%] Voda [%] Popel [%] D evo po tïæbe ,1 D evo uschnuté na vzduchu ,5 D evní pelety Tabulka 2.6: Pr mïrné zastoupení ho laviny, vody a popela ve d evï. [23] Kusové palivové d evo Biomasa ve formï kusového d eva (viz obrázek 2.9) pat í mezi nejdéle vyuæívaná paliva. Palivové d evo m æeme rozdïlit podle toho, z jaké d eviny pochází (listnaté, jehliënaté) a podle tvrdosti (tvrdé, mïkké). Pro krby je vhodnïjπí d evo listnaté, v kotlech najde své uplatnïní i d evo 24

24 2. TUHÁ PALIVA Obrázek 2.8: Schématické zobrazení zmïn hlavních parametr bïhem suπení d eva. [11] jehliënan. Tvrdé d evo slouæí k vytvo ení stabilního a dlouhotrvajícího æáru, mïkké d evo je vhodné pro zapalování a rychlé vytopení vytápïného prostoru [24]. Mezi mïkké d evo pat í nejëastïji d evo jehliënan, ale i nap. lípa nebo topol. VÏtπinou obsahuje prysky ici, ho í rychle, jisk í a kou í. Tvrdé d evo tvo í listnaté d eviny. Nejisk í, ho í dlouho a stabilnï [24]. V tabulce 2.7 je uvedeno spalné teplo suπiny nïkter ch jehliënat ch a listnat ch d evin. ObecnÏ mají jehliënany vyππí spalné teplo, ale pro spalování jsou z technick ch duvod (nap. jisk ení) vhodnïjπí d eviny listnaté. Dubové d evo je povaæováno za nejkvalitnïjπí, protoæe je tvrdé(aæ velmi tvrdé) a má dobrou v h evnost. Srovnatelnou kvalitu má dále buk, habr nebo jasan [24]. Zvláπtní kategorii tvo í rychlorostoucí d eviny (tzv. energetické) - vrby, topoly, jasany apod. V sadba tïchto druh d evin je jednou z moæností vyuæití málo produktivních zemïdïlsk ch p d. Rychlorostoucí d eviny mají oproti lesním p edevπím tu v hodu, æe doba mezi v sadbou a tïæbou je podstatnï kratπí. Pohybuje se mezi 2 aæ 5letyav sadba se obnovuje aæ po 20 aæ 30 letech. Rychlorostoucí d eviny zároveú dokáæou na stejné ploπe roënï vyprodukovat vïtπí objem biomasy [23]. D evní πtïpka D evní neboli lesní πtïpka je dendromasa strojnï zpracovaná na Ëástice o délce 3 aæ 250 mm (viz obrázek 2.9). Je získávána z odpad p i lesní tïæbï a z pr myslového zpracování d eva a rychle rostoucích d evin. V hodou πtïpky je její niæπí cena a rychlejπí suπení. Také umoæúuje automatick provoz kotl p i pouæití zásobníku a dopravníku paliva. D evní πtïpku ze zbytk lesní tïæby tvo í tïæební zbytky a kmínky strojnï zpracované na délku 50 aæ 250 mm. Obsah vody bezprost ednï po tïæbe dosahuje 55 %, po p irozeném vysuπení vπak zpravidla klesá na 30 %. V h evnost je vysoce závislá na obsahu vody, její hodnota se pohybuje mezi 8 aæ 12 MJ kg 1. Na trhu se objevují p edevπím t i druhyd evní πtïpky [26]: 25

25 2.4. DRUHY TUH CH PALIV D evina Palivo Spalné teplo Q s [MJ kg 1 ] Smrk ztepil d evo 20,1-20,6 k ra 20,2-20,5 Jedle bïlokorá d evo 20,4 k ra 20,3 Borovice lesní d evo 21,3 k ra 21,3 Dub zimní d evo 18,8 k ra 19,6 Buk lesní d evo 18,8 k ra 18,9 Topol d evo 17,9 k ra 17,6 B íza bïlokorá d evo 22,2 Trnovník akát d evo 18,6 Tabulka 2.7: Spalné teplo suπiny nïkter ch jehliënat ch a listnat ch d evin. [23] (a) Kusové palivové drevo [25] (b) D evní πtïpka vyrobená noæov m πtïpkovaëem [26] (c) D evní πtïpka vyrobená kladivov m drtiëem [26] Obrázek 2.9: D evní πtïpka a kusové d evo Zelená πtïpka (lesní) - získaná ze zbytk po lesní tïæbï. Lze v ní nalézt Ëásti drobn ch vïtví, listí, jehliëí. Má vysokou poëáteëní vlhkost. HnÏdá πtïpka - získaná ze zbytkov ch Ëástí kmen, pila sk ch od ezk apod. Obsahuje k ru. Bíla πtïpka - získaná z odkornïného d íví. Vyuæívá se p edevπím pro v robu d evot ískov ch desek. D evní πtïpku ze zbytk z pr myslového zpracování d eva tvo í odpad z d eva sk ch závod strojnï zpracovan na délku 30 aæ 150 mm. Obsah vody b vá od 1 do 45 % v závislosti na druhu pr myslového zpracování. V h evnost se pohybuje mezi 9 aæ 16 MJ kg 1. Optimální relativní vlhkost d evné πtïpky na spalování je 30 aæ 35 %. Pokud je πtïpka p íliπ suchá, proces ho ení má explozivní charater a velká Ëást tepelné energie m æe uniknout prost ednictvím kou ov ch plyn [23]. 26

26 2. TUHÁ PALIVA D evïné brikety Z d evních odpad (drª, piliny, hobliny apod.) vhodné zrnitosti a vlhkosti se v briketovacích lisech za vhodného tlaku (asi 31,5 MPa) a teploty (kdy se plastifikovan lignín stává pojivem) vyrabïjí brikety (viz obrázek 2.10). Lisováním je dosaæena vysoká hustota (1200 kg m 3 ), coæ je velmi d leæité pro objemovou minimalizaci paliva. Vysoká v h evnost (aæ 19 MJ kg 1 ) zaruëuje nízké náklady na vytápïní. Brikety se taktéæ vyznaëují nízk m obsahem síry (asi 0,07 %), nízkou popelnatostí (0,5 %), velmi dobrou skladovatelností, bezpraπností, jednoduchou manipulací a r znorodostí vyroben ch tvar [23]. D evïné pelety Pelety (obr. 2.10) umoæúují ËásteËnÏ nebo úplnï automatick provoz kotl m spalujících biomasu. Peleta je název pro granuli kruhového pr ezu s pr mïrem kolem 6 aæ 8 mm a délkou 10 aæ 30 mm. Pelety jsou vyrobeny v hradnï z odpadového materiálu, jako jsou piliny anebo hobliny, bez jak chkoliv chemick ch aditiv. Lisováním pod vysok m tlakem je dosaæena vysoká hustota paliva. V hodou pelet je jejich nízk obsah vlhkosti (asi 8 aæ 10 %). V h evnost pelet se pohybuje v rozmezí od 17 do 18 MJ kg 1 [23]. TÏmito parametry se pelety dostávají na místo mezi Ëern m a hnïd m uhlím.mají vπak vyππí úëinnost spalování a podíl odpadu dosahuje pouze 0,5 aæ 1 % (na rozdíl od uhlí, které má aæ 30 %). Popel z pelet m æe navíc slouæit i jako zahradní minerální hnojivo [13]. (a) D evïná briketa[27] (b) D evïné pelety [28] Obrázek 2.10: Brikety a pelety Obiloviny Obilí, které nelze pouæít na potraviná ské ani krmivá ské úëely, je taktéæ moæno spálit. V EvropÏ je nejëastïji spalován oves a pπenice, v USA kuku ice. V h evnost obilí má velké v kyvy a v raznï závisí na v πi obsahu lepku (vysok obsah zp sobuje neho lavost obilí). Za energetické obilí se povaæuje obilí s v h evností od 15,5 MJ kg 1. Z hlediska provozu kotl se snadnïji spaluje oves neæ pπenice, tvo í vπak objemnïjπí popel a p i spalování je nutno pouæívat také odpopelúovací za ízení. Je také nutné p idávat aditiva (nap. nehaπené vápno), aby se zamezilo tvorbï spékanc, které se p i spalování obilí vytvá ejí. Spalování obilí je tedy mnohem sloæitïjπí neæ spalování d evních pelet, umoæúuje ale vyuæít jinak nevyuæitelnou surovinu. Obilí se doporuëuje spalovat v automatick ch kotlech o v konu od 12 do 200 kw. Toto palivo se vlastnostmi i cenou adí zhruba mezi d evní a alternativní pelety [24]. 27

27 2.5. EKOLOGICK DOPAD SPALOVÁNÍ TUH CH PALIV Odpadní paliva KromÏ spalování fosilních paliv a biomasy m æeme v souëasné dobï spalovat i odpady, které do tïchto dvou kategorií nepat í. Prvotním cílem je vπak sníæit celkov objem a mnoæství odpadních látek a zachytit tïæké kovy v popelovinách. Energetické vyuæití vzniklého tepla je pozitivním vedlejπím jevem. Mohou se spalovat buô samostatnï ve spalovnách k tomu urëen ch, nebo jako p ídavná paliva k základním paliv m v kotlích [3, 29]. Odpady vhodné ke spalování [29]: komunální odpady, pr myslové odpady, Ëistírenské kaly, zvláπtní odpady (nap. nemocniëní). V tabulce 2.8 jsou uvedeny charakteristiky nejbïænïjπích pr myslov ch odpad.vïtπina z tïchto odpad má mnohem vïtπí v h evnost neæ komunální odpady (v h evnost komunálních odpad je od 4,2 do 10,5 MJ kg 1 ) [29]. Druh odpadu V h evnost Voda Popelovina Prchavá ho lavina Síra [MJ kg 1 ] [%] [%] [%] [%] D evïn odpad 14,6-16, ,5-0, Papírov odpad 14,6 8 0, PVC odpad 18,8-0,5 49 (Cl) - Pryæov odpad 13, Koæené od ezky 18, Prysky icov odpad 16, Staré pneumatiky 36,2-6,5-1,2 Polyetylénov odpad 41, Tabákov prach 12, Raπelina suchá 12,5-21, Drª po v robï papíru 3,4 65,8 4,7 - - Tabulka 2.8: P ibliæné charakteristiky vybran ch tuh ch odpad [29] ObecnÏ vyæaduje spalování odpad speciální a sloæitïjπí konstrukce spalovacích za ízení. Navíc spalování odpad m æe b t doprovázeno vznikem toxick ch látek. Proto se odpady v souëasné dobï jako palivo pro vytápïní rodinn ch dom nepouæívají Ekologick dopad spalování tuh ch paliv Spalování fosilních paliv Po procesu spalování mají v stupní spaliny jiné sloæení neæ spalovací vzduch. Ve spalinách jsou obsaæeny vπechny prvky a slouëeniny jako ve vzduchu a navíc dalπí prvky a slouëeniny, které byly obsaæeny v palivu anebo vznikly bïhem jeho spalování. NÏkteré vzniklé plyny jsou zdraví i p írodï πkodlivé (πkodlivé emise). Tyto emise je nutné odstraúovat Ëi redukovat v co nejvïtπí mí e, jinak by mohly uπkodit jak ËlovÏku, tak p írodï. NÏkteré slouëeniny v atmosfé e reagují dál ap etvá ejí se. Mohou se rozpouπtït vevodï a s kapkami vody zpïtnï ukládat na zemsk povrch, nebo unikají do stratosféry, kde vlivem sluneëního zá ení dochází k jejich rozkladu na jiné Ëástice. Mimo slouëenin bïænï obsaæen ch v emisních plynech (oxidy síry, dusíku, uhlíku) mohou spaliny obsahovat i dalπí slouëeniny a πkodliviny, jako jsou halogeny (plynn chlorovodík HCl, fluorovodík HF), stopové prvky organick ch slouëenin, tuhé Ëástice (prach). Uhlí m æe obsahovat 28

28 2. TUHÁ PALIVA i malé mnoæství radioaktivních prvk a tïæké kovy, které jsou vyluëovány v prachu ve spalinách i v popelu [15] Spalování biomasy V posledních letech se do pop edí dostává vyuæití obnoviteln ch zdroj energie oproti fosilním paliv m. Jedním z ekologick ch d vod je fakt, æe se biomasa p i spalování chová tzv. CO 2 neutrálnï. Znamená to, æe bïhem spalování dochází k uvolnïní pouze takového mnoæství CO 2, které v sobï biomasa naakumulovala v období jejího r stu. Biomasa se tak oproti fosilním paliv m v znamnou mírou podílí na omezování vzniku skleníkov ch plyn. Na rozdíl od fosilních paliv, jejichæ vyuæívání a nesprávné spalování vede k nadmïrnému zatïæování enviromentálního prost edí (látkami jako CO 2, SO 2, halogeny, atd.), biomasa p edstavuje obnovitelnou a ekologicky Ëistou surovinu, ovπem pouze v p ípadï jejího správného spalování, proto nelze íct, æe by i biomasa byla naprosto neπkodná v Ëi æivotnímu prost edí [24] Porovnání obsahu a vlivu emisních látek u tuh ch paliv Emisní faktory Emisní faktor je jedním z kvantitativních ukazatel enviromentální zátïæe spalovacích za ízení. Je vyjád en pomïrem hmotnosti zneëisªující látky ku jednotce hmotnosti spáleného paliva [kg t 1 ], nebo k jednotce produkce vyrobeného tepla danou technolgií [kg GJ 1 ]. Charakterizuje pomïrné mnoæství emisí vystupujících z daného technologického procesu do ovzduπí [30]. V následujících podkapitolách budou porovnány emisní faktory vybran ch tuh ch paliv. Uvedená data pocházejí z mï ení p edevπím mal ch aæ st edních spalovacích za ízení, která v soukrom ch obytn ch objektech p evládají. Z v sledk lze vyëíst, æe spalování biomasy ne vædy znamená p ímé sníæení πkodliv ch emisí. D leæit m faktorem je zejména zp sob spalování, kter je dán zp sobem p ivádïní paliva do spalovací komory [31]. Emisní faktory CO Koncentrace oxidu uhelnatého ve spalinách nejlépe ukazuje kvalitu spalovacího procesu. Nedoho el CO znaëí πpatné nastavení spalovacích parametr (mnoæství vzduchu apod.) nebo nevhodnou konstrukci spalovacího za ízení pro dané palivo. Podle dat z experimentu provedeného s kotly malého v konu z pohledu produkce CO vychází nejlépe Ëerné uhlí (viz obrázek 2.11). Biomasa se adí p ed hnïdé uhlí. Tyto hodnoty vπak mohou b t v závislosti na pouæité metodï r zné [31]. Emisní faktory NO x Emise oxid dusíku závisí p edevπím na obsahu dusíku v palivu a na teplotï ve spalovací komo e. Vysoká teplota (nad 1000 C) zp sobuje vznik termick ch oxid dusíku. Této teploty vπak vïtπina spalovacích za ízení mal ch v kon nedosahuje, proto termické oxidy dusíku netvo í hlavní podíl emisí NO x. Hlavní podíl na tvorbï NO x má tedy dusík obsaæen v palivu. Nejniæπí hodnoty emisních faktor NO x byly dosaæeny p i spalování d evních pelet, tedy biomasy (viz obrázek 2.12), coæ je zp sobeno menπím obsahem dusíku v palivu v porovnání s uhlím. P i spalování uhlí se v d sledku vyππích teplot tvo í také termické NO x [31]. 29

29 2.5. EKOLOGICK DOPAD SPALOVÁNÍ TUH CH PALIV Obrázek 2.11: Emisní faktory CO p epoëtené na v h evnost paliva. [31] Obrázek 2.12: Emisní faktory NO x p epoëtené na v h evnost paliva. [31] Emisní faktory CO 2 Uvádí se, æe stejnémnoæství CO 2, které vznikne spálením biomasy, je biomasou absorbováno bïhem období r stu. Proto m æeme emisní faktor CO 2 biomasy povaæovat za nulov, hodnoty z mï ení jsou nenulové [31]. Z obrázku 2.14 tedy plyne, æe nejvíceemisíco 2 produkuje hnïdé uhlí. Je také vidït, æe biomasa je v oblasti produkce CO 2 mnohem ekologiëtïjπí, neæ Ëerné nebo hnïdé uhlí. Obrázek 2.13: Emisní faktory CO 2 p epoëtené na v h evnost paliva. [31] 30

30 2. TUHÁ PALIVA Vliv oxid dusíku Oxid dusiëit NO 2 spoleënï soxidysírytvo í tzv.kyselédeπtï, které mají velmi negativní dopad na vegetaci, stavby, okyselují vodní plochy a toky atd. Oxid dusiëit spolu s kyslíkem a tïkav mi organick mi látkami (VOC) také p ispívá k tvorbï p ízemního ozonu a vzniku tzv. fotochemického smogu. Vysoká koncentrace p ízemního ozonu poπkozuje æivé rostliny a zemïdïlské plodiny. Oxid dusnat NO je jedním ze skleníkov ch plyn (viz ) [32] Vliv oxid síry Oxidy síry mají πirokou πkálu negativních vliv na æivotní prost edí a zdraví ËlovÏka. Oxid si iëit SO 2 je v ovzduπí hydratován na oxid sírov SO 3 a reakcí se vzduπnou vlhkostí vzniká aerosol kyseliny sírové. Kyselina sírová m æe reagovat s alkalick mi Ëásticemi praπného aerosolu za vzniku síran. Ty se postupnï dopadají na zemsk povrch ve formï sráæek. Tímto zp sobem oxidy síry spoleënï s oxidy dusíku tvo í kyselé deπtï, jejichæ negativní dopad je zmínïn v podkapitole Oxidy síry jsou také podstatnou p íëinou smogu lond nskeho typu [33] Vliv oxid uhlíku a skleníkov efekt Oxid uhlenat CO je produktem nedokonalého spalování a p edstavuje jeden z hlavních a nejvíce nebezpeën ch meziprodukt. Po vdechnutí oxid uhlenat okamæitï raguje v tïle ËlovÏka s hemoglobinem a tvo í velmi stabilní a karcinogenní vazbu. Oxid uhelnat p echází v atmosfé e fotochemickou oxidací na oxid uhliëit CO 2,kter je jedním z hlavních skleníkov ch plyn [13].»ást sluneëního zá ení dopadajícího na povrch ZemÏ se odráæí zpït do vesmíru ve formï elektromagnetického zá ení transmitovaného Zemí jakoæto tepl m tïlesem. Vyππí koncetrace skleníkov ch plyn (CO 2,H 2 O, CH 4 )vπak zp sobuje opïtovné pohlcování tepla vyzá eného Zemí a také jeho zpïtné reflektování na porvch ZemÏ.»ím vyππí je koncentrace skleníkov ch plyn v atmosfé e, tím vyππí bude i podíl zachyceného zá ení. Skleníkov efekt je jednou z p íëin globálního oteplování. Obrázek 2.14: Schéma skleníkového efektu. [34] 31

31 3. Kotle na tuhá paliva pro vytápïní rodinn ch dom Kotel je spalovací za ízení urëené k oh evu média (voda, p íp. olej v ORC cyklech) a k v robï páry (pro energetické úëely). V kotli dochází k transormaci chemické energie paliva na tepelnou energii a k následnému p enosu tepla do pracovního média. V sledkem je pára (sytá nebo p eh átá), teplá voda (do 110 C), resp. horká voda (nad 110 C) poæadovaného tlaku. Podle uæití v energetické centrále rozliπujeme kotle elektrárenské (v roba vodní páry pro turbínu), teplárenské (v roba vodní páry pro turbínu a zároveú pro vytápïní) a v topenské (slouæí v hradnï k zásobování teplem) [3]. K vytápïní rodinn ch dom se v souëasné dobï pouæívají zejména kotle teplovodní o jmenovitém v konu do 50 kw. Pot ebn v kon je dan tepeln mi ztrátami, které ovlivúují faktory jako rozloha a konstrukce obydlí, klimatické podmínky a zp sob vyuæívání domu. P i rozhodování o druhu paliva a typu kotle je zapot ebí vzít v potaz vπechny tyto faktory a stanovit vhodn kompromis mezi uæivatelsk m komfortem a provozními a investiëními naklády. V následujících kapitolách bude pojednáváno zejména o kotlech na tuhá paliva urëen ch k vytápïní a oh evu vody v rodinn ch domech Základní parametry kotl Pro kotle jsou charakteristické následující parametry [3]: jmenovit hmotnostní tok vyprodukované páry na v stupu, v p ípadï horkovodního kotle se jedná o hmotnostní pr tok vody, jmenovit tlak, jmenovitá teplota v stupní páry, resp. vody, jmenovitá tepota napájecí vody, druh a vlastnosti spalovaného paliva. U horkovodních a teplovodních kotl se Ëasto udává v kon kotle Q v = M w (i w2 i w1 ) [kw] (3.1) kde M w [kg s 1 ] udává hmotnostní tok vody kotlem a i w1,i w2 [kj kg 1 ] je entalpie vody na v stupu a vstupu [3] Základní rozdïlení kotl RozdÏlení kotl podle druhu spalovaného paliva Podle druhu spalovaného paliva rozliπujeme kotle [35]: pro spalování tuh ch, pro spalování plynn ch paliv, pro spalování kapaln ch paliv, pro spalování alternativních paliv a smïsí paliv. 32