Technika a technologie zpracování odpadní biomasy

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Technika a technologie zpracování odpadní biomasy Bakalářská práce Vedoucí práce: Bc. Ing. Zdeněk Konrád, Ph.D. Vypracoval: Ing. Lukáš Bínek Brno 2013

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Technika a technologie zpracování odpadní biomasy vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis diplomanta.

3 PODĚKOVÁNÍ: Prostřednictvím bakalářské práce chci poděkovat lidem za veškerou pomoc, rady a připomínky týkající se této práce. Toto poděkování náleží především panu Bc. Ing. Zdeňku Konrádovi, Ph.D. za jeho vstřícné jednání.

4 Abstrakt Bakalářská práce je zaměřena na charakteristiku odpadní biomasy jako obnovitelného zdroje energie a na přehled jednotlivých technologií a technických zařízení používaných k jejímu zpracování a využití. V první části jsou popsány zdroje a charakteristika odpadní biomasy, možnosti její úpravy a zpracování pro energetické účely. V druhé části jsou uvedeny jednotlivé technologie, technická zařízení a možnosti konečného využití vzniklých produktů. Třetí část se zabývá zhodnocením jednotlivých technologií a technických zařízení, ve kterých je odpadní biomasa zpracovávána a využívána. Klíčová slova odpadní biomasa, úprava biomasy, spalování, zplyňování, pyrolýza, anaerobní fermentace Abstract The thesis is focused on the characteristics of waste biomass as a renewable energy source and an overview of the various technologies and technical equipment used for its processing and utilization. The first section describes the sources and characteristics of waste biomass, the possibilities of its treatment and processing for the energy industry. The second section lists the different technologies, technical equipment and the possibility of end-use of the resulting products. The third part deals with the evaluation of technologies and technical facilities in which waste biomass is processed and utilized. Key words waste biomass, treatment of biomass, combustion, gasification, pyrolysis, anaerobic fermentation,

5 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE CHARAKTERISTIKA ODPADNÍ BIOMASY POJEM BIOMASA, ODPADNÍ BIOMASA ZÁKLADNÍ ČLENĚNÍ BIOMASY Cíleně pěstovaná biomasa Biomasa odpadní PŘEHLED A CHARAKTERISTIKA ODPADNÍ BIOMASY Rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby Odpady živočišné výroby Lesní odpady Organické odpady průmyslové a potravinářské výroby Komunální organické odpady POJEM ODPADNÍ BIOMASA VE VZTAHU K PLATNÝM LEGISLATIVNÍM PŘEDPISŮM SOUČASNÝ STAV NAKLÁDÁNÍ S ODPADNÍ BIOMASOU VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE Z BIOMASY VÝROBA TEPELNÉ ENERGIE Z BIOMASY ÚPRAVA ODPADNÍ BIOMASY PRO ENERGETICKÉ ÚČELY ZPRACOVÁNÍ A ÚPRAVA BIOMASY MECHANICKÁ ÚPRAVA PEVNÉ BIOMASY Střihací zařízení Štěpkovače Drtiče Rychloběžné drtiče Pomaloběžné drtiče Kombinované drtiče Peletovací a briketovací lisy Paketování MECHANICKÁ ÚPRAVA ENERGETICKÝCH STÉBELNIN Lisy na slámu Lisy na válcové balíky Lisy na hranaté balíky... 29

6 Svinovací lisy při sklizni slámy TECHNOLOGIE ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍ BIOMASY SPALOVÁNÍ Spalování na roštu Spalování ve fluidní vrstvě Zařízení na spalování biomasy Lokální topeniště Malé kotle Střední kotle Velké kotle Zařízení pro kogeneraci ZPLYŇOVÁNÍ Zplyňovače s pevným ložem Protiproudý zplyňovač Souproudý zplyňovač Zplyňovač s křížovým tokem Zplyňovače s fluidním ložem Se stacionární fluidní vrstvou S cirkulující fluidní vrstvou PYROLÝZA Rychlá pyrolýza Pomalá pyrolýza karbonizace ANAEROBNÍ FERMENTACE Mokrý způsob fermentace Suchý způsob fermentace Zařízení na výrobu bioplynu Bioplynové stanice AEROBNÍ FERMENTACE - KOMPOSTOVÁNÍ ZHODNOCENÍ TECHNOLOGIÍ ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍ BIOMASY ZHODNOCENÍ TECHNOLOGIE SPALOVÁNÍ BIOMASY ZHODNOCENÍ TECHNOLOGIE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY ZHODNOCENÍ TECHNOLOGIE PYROLÝZY ZHODNOCENÍ TECHNOLOGIE ANAEROBNÍ FERMENTACE Zhodnocení zařízení anaerobní fermentace ZÁVĚR... 49

7 10 PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM ZKRATEK... 58

8 1 ÚVOD Biomasa zahrnuje z energetického a teplárenského pohledu energeticky využitelnou hmotu organického původu (hlavně dřevo, štěpky, kůru, energeticky využitelnou masu travin, křoví a rákosí, rychle rostoucí speciálně pěstované energetické plodiny aj.) a organické zemědělské, potravinářské, průmyslové (hlavně slámu obilovin a olejnin, energetické obilí, piliny, hobliny, brusný prach, exkrementy užitkových zvířat, odpad ze zpracování zeleniny apod.) a komunální energetické využitelné odpady. Biomasa je pojem, který označuje veškerou organickou hmotu vzniklou prostřednictvím fotosyntézy, nebo hmotu živočišného původu. Biomasa je jediným obnovitelným palivem. Průběžně dorůstá i v našich zeměpisných a klimatických podmínkách. V její současné skladbě dominují dřevo a kůra, s odstupem následuje sláma obilovin a sláma olejnin. Biomasa je z hlediska CO 2 neutrální, při její rostlinné produkci se na 1000 kg spotřebuje cca 1600 kg CO 2. Stejné množství tohoto plynu se uvolní při spalování identického množství biomasy. Biomasa se skládá zejména z uhlíku, kyslíku, vodíku a ve většině případů jenom v nepatrné míře z dusíku, síry a dalších prvků. Energii lze z biomasy získat buď termochemickou cestou (tzv. suché procesy), nebo biologicko-chemickou přeměnou (tzv. mokré procesy). Pro suché procesy je typické spalování a zplyňování, pro mokré procesy fermentace (produkce etanolu) nebo aerobní či anaerobní vyhnívání (produkce bioplynu). Osobité zpracování představuje lisování olejů a jejich následná mechanicko-chemická transformace (např. produkce bionafty a přírodních maziv). Tepelná energie obsažená v sušině biomasy je určena její výhřevností. Pohybuje se v rozmezí MJ.kg -1. 8

9 2 CÍL PRÁCE Cílem této práce je charakterizovat odpadní biomasu a zařadit ji do skupiny odpadů dle platných legislativních předpisů v České republice. Dále je popsán současný stav nakládání s odpadní biomasou. Dalším cílem je uvést dostupnou techniku a technologii využívanou při nakládání s odpadní biomasou, její popis a využití. Posledním cílem je zhodnocení jednotlivých technologii a technických zařízení a formulovat závěry a doporučení. 9

10 3 CHARAKTERISTIKA ODPADNÍ BIOMASY 3.1 Pojem biomasa, odpadní biomasa Jednotná definice biomasy v podstatě neexistuje. Biomasa je definována jako substance biologického původu (pěstování rostlin v půdě nebo ve vodě, chov živočichů, produkce organického původu, organické odpady). Biomasa je buď záměrně získávána jako výsledek výrobní činnosti, nebo se jedná o využití odpadů ze zemědělské, potravinářské a lesní výroby, z komunálního hospodářství, z údržby krajiny a péči o ni. [11] Dle zákona č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů je biomasa definována jako "biologicky rozložitelná část produktů, odpadů a zbytků biologického původu z provozování zemědělství a hospodaření v lesích a souvisejících průmyslových odvětvích, zemědělské produkty pěstované pro energetické účely a biologicky rozložitelná část průmyslového a komunálního odpadu. [20] Odpadní biomasa zahrnuje široký rozsah druhů biomasy vznikající sekundárně při zpracování primárních zdrojů rostlinné nebo živočišné biomasy. Hlavní objem pochází z průmyslu papíru a buničiny, z dřevovýroby, ze zpracování masa a ostatního potravinářského průmyslu a ze třídění komunálního odpadu. Patří sem také biomasa z živočišné zemědělské výroby, tj. exkrementy chovných zvířat. Odpadní biomasu tedy tvoří zejména vedlejší produkty a zbytky z papírenského, potravinářského, živočišného průmyslu, stejně jako lihovarnické výpalky, čistírenské kaly, biologicky rozložitelné odpady, pokrutiny a mláto. Biomasa v kontextu svého energetického využití je tedy organická hmota rostlinného nebo živočišného původu, která je biologicky rozložitelná a může být využita pro spalování či jiné přeměny s následným energetickým využitím. Je vidět, že definic biomasy je několik, ovšem všechny definice mají jedno společné a to, že jde o hmotu organického původu. 10

11 3.2 Základní členění biomasy Z technologického hlediska existují dvě hlavní skupiny zdrojů energetické biomasy Cíleně pěstovaná biomasa a) Energetické byliny Současný seznam, který se bude dále rozšiřovat, povolených energetických rostlin obsahuje rostliny jednoleté, pro které je nutno každým rokem připravovat půdu a provádět setí a kultivaci, což se projevuje vyššími náklady na získanou surovinu a rostliny víceleté a vytrvalé, u kterých se náklady na zřízení plantáže rozloží na delší období. [44] b) Rychle rostoucí dřeviny U rychle rostoucích dřevin se především jedná o topoly a vrby. Založení plantáže je však spojeno s využitím klonů topolů a vrb povolených Ministerstvem životního prostředí. [44] Biomasa odpadní Významnou část z celkového potenciálu biomasy, použitelné jako alternativní obnovitelný zdroj energie, tvoří odpadní biomasa. V současné době je pro každý průmyslový nebo zemědělský podnik vyprodukovaný odpad ztrátou, která by měla být minimalizována. Energie odpadů byla v minulosti značně nevyužitá. a) Rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby Kukuřičná, obilná, řepková sláma, zbytky po likvidaci křovin a lesních náletů, dřevní odpady ze sadů, chmelnic a vinic, luk a pastvin, odpady z údržby zeleně a travnatých ploch, odpady z čištění semen a obilí. b) Odpady z živočišné výroby Exkrementy z chovů hospodářských zvířat, zbytky krmiv. c) Lesní odpady Dřevní hmota z lesních probírek a prořezávek, kůra, větve, pařezy, kořeny, palivové dřevo, manipulační odřezky, klest. d) Organické odpady z potravinářských a průmyslových výrob Odpady z provozů na zpracování a skladování rostlinné produkce, odpady z jatek, mlékáren, lihovarů, cukrovarů, konzerváren, z vinařských provozů, odpady 11

12 ze stravovacích provozů, odpady z dřevařských provozů odřezky, hobliny, piliny, odpady z papíren. e) Komunální organické odpady Organický podíl tuhých komunálních odpadů, kaly z čistíren odpadních vod, odpadní organické zbytky z údržby zeleně a travnatých ploch. 3.3 Přehled a charakteristika odpadní biomasy Rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby V podmínkách České republiky přichází v úvahu využití slámy obilní (pšenice, tritikale, žito, ječmen, oves, kukuřice), slámy řepkové, slámy z luskovin, z lněných stonků, odpadní zrno a případně seno z trvalých travních porostů. Potřeba slámy pro stelivové účely se v posledních letech v České republice zmenšila vlivem snížení stavu skotu a přechodem části živočišné výroby na bezstelivové technologie. Pozvolna roste množství slámy využívané k energetickým a průmyslovým účelům. Sláma představuje jednu z nejdůležitějších surovin pro výrobu energií z obnovitelných zdrojů spalováním. Značnou předností slámy je, že obsahuje jen velmi málo popelu a neobsahuje síru ani těžké kovy. Podíl zplyňujících částí je však vysoký až 80 % a měrná hmotnost energie nízká, čemuž musí odpovídat topeniště. Pokud se ale ze slámy udělají brikety, můžou vyhovovat i stávajícím topeništím. [44] Jedná se především o: a) Obilní slámu Z celkového množství vyprodukované obilní slámy lze pro energetické účely využít maximálně %. Obilná sláma má výhřevnost 14,0-14,4 MJ.kg -1. Zbývající sláma zůstává v zemědělských podnicích ke krmení a na stelivo, část slámy zůstává na polích k zaorání. [43] b) Řepkovou slámu Řepka olejná patří z hlediska agroenergetiky k významným plodinám. Řepková sláma se svou výhřevností 15,0 17,5 MJ.kg -1 se přibližuje lepším druhům hnědého uhlí. Část této slámy je možno využít, maximálně 60 % vyprodukované řepkové slámy. [43] 12

13 c) Seno z trvalých travních porostů Seno z trvalých travních porostů má průměrnou výhřevnost 14,1 MJ.kg -1 suché píce. Předpokládáme, že je možno využít 30% vyprodukovaného sena. [44] Dalšími využitelnými rostlinnými odpady je kukuřičná sláma, zbytky po likvidaci křovin a náletových dřevin, odpady ze sadů a vinic, odpady ze zeleně a travnatých ploch. Náletové dřeviny a keře rostou hlavně na neobdělávaných plochách nebo na krajích polí. Odpady z prořezávek sadu a vinic, většinou se jedná o mladé jednoleté výhonky ovocných stromu, suché větve, stromy již po svém nejplodnějším období nebo jde o zbytky z výřezu vinic. [17] Odpady živočišné výroby Nejvyšší podíl odpadů vzniklých při živočišné výrobě představují exkrementy hospodářských zvířat. Pokud chceme tuto organickou hmotu energeticky využít, lze ji v bioplynových stanicích pomocí řízené anaerobní fermentace organické hmoty přeměnit na bioplyn (s obsahem % metanu), používaný k výrobě tepelné a elektrické energie. Zbytky krmiv, která zvířata při konzumaci zcela neupotřebí, se většinou stanou součástí chlévské mrvy nebo kejdy. Zbytky krmiv se podle druhu dají různě využít, seno spálit, obilí a čistý šrot bez přísad využít k výrobě lihu, krmné směsi použít k výrobě bioplynu. [44] Lesní odpady Zdrojem je odpadní dřevní biomasa z výchovných a mýtních těžeb v lesních porostech. I přes to, že je její potenciál vysoký, v současné době je téměř veškerý ekonomicky dostupný potenciál využíván pro spoluspalování. Při výchovných zásazích a těžbě dřeva v lesích, při probírkách a prořezávkách zůstává v lese určitá část biomasy nevyužita (dřevní a stromová hmota). Jedná se zejména o pařezy, kořeny, vršky stromů, větve a části nebo celé stromky. Dřevní odpad resp. biomasa má velmi různorodý charakter, od kulatiny a tyčoviny až po odřezky, štěpku, hobliny a piliny. V oblasti dřevních paliv je potom vzhledem k dobré manipulovatelnosti a standardizaci za palivo považována dřevní štěpka. Štěpka je vhodná zejména pro velká energetická zařízení, výtopny případně teplárny s komplexně 13

14 mechanizovanými a automatizovanými provozy. Při spalování štěpky se dosahuje rovněž vyšší účinnosti než při spalování kusového dříví, spalovací proces však probíhá při celkově vyšších teplotách. Výhřevnost dřevní hmoty se pohybuje mezi MJ.kg -1. [44] Organické odpady průmyslové a potravinářské výroby Mezi organické odpady průmyslové a potravinářské výroby řadíme zbytky z jídelen a kuchyní, odpady z provozů na zpracování a skladování rostlinné produkce, dále odpady z jatek, mlékáren, lihovarů, konzerváren a odpady z vinařských provozoven. Nejčastějším zdrojem bývají pilařské a dřevozpracující provozy, které často jako odpadní produkt poskytují piliny, odřezky, hobliny a kůru. [5] Dalším zdrojem odpadu je papírenský průmysl, kde rovněž vznikají významné zdroje odpadních produktů, použitelné k energetickým účelům Komunální organické odpady Komunální sféra je dalším významným zdrojem zbytkové biomasy. Biologicky odpad tvoří asi 40 % podíl komunálního odpadu. Důležitým zdrojem biomasy jsou také odpady z údržby zeleně a kaly z čistíren odpadních vod. Vytříděný organický odpad jsou kuchyňské zbytky vzniklé při výrobě jídel, zbytky jídel, odpad po údržbě zeleně v domácnostech, papír. [43] 14

15 4 POJEM ODPADNÍ BIOMASA VE VZTAHU K PLATNÝM LEGISLATIVNÍM PŘEDPISŮM Odpadní biomasu z hlediska zákona č. 185/2001 Sb., o odpadech, a o změně některých dalších zákonů ve znění pozdějších předpisů, lze brát jako odpad nebo vedlejší produkt. Odpad je každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl nebo povinnost se jí zbavit a přísluší do některé ze skupin odpadů uvedených v příloze č. 1 k zákonu o odpadech. Ke zbavování se odpadu dochází vždy, když osoba předá movitou věc, příslušející do některé ze skupin odpadů uvedených v příloze č. 1 k zákonu o odpadech, k využití nebo k odstranění ve smyslu tohoto zákona. [18] Vedlejším produktem je movitá věc, která vznikla při výrobě nebo jiné podnikatelské činnosti, jejichž prvotním cílem není výroba nebo získání této věci a pokud vzniká jako nedílná součást výroby, její další využití je zajištěno, její další využití je možné bez dalšího zpracování způsobem jiným, než je běžná výrobní praxe a její další využití je v souladu se zvláštními právními předpisy a nepovede k nepříznivým účinkům na životní prostředí a lidské zdraví. [19] Zařazení odpadní biomasy, v souladu s vyhláškou MŽP č. 381/2001 Sb., kterou se stanoví Katalog odpadů, Seznam nebezpečných odpadů a seznamy odpadů a států pro účely vývozu, dovozu a tranzitu odpadů a postup při udělování souhlasu k vývozu, dovozu a tranzitu odpadů (Katalog odpadů), ve znění pozdějších předpisů. [21] Základní členění vybraných druhů odpadní biomasy dle Katalogu odpadů Kód skupina 02 Odpady z prvovýroby v zemědělství, zahradnictví, myslivosti, rybářství a z výroby a zpracování potravin 03 Odpady ze zpracování dřeva a výroby desek, nábytku, celulózy, papíru a lepenky 19 Odpady ze zařízení na zpracování (využívání a odstraňování) odpadu, z čistíren odpadních vod pro čištění těchto vod mimo místo jejich vzniku a z výroby vody pro spotřebu lidí a vody pro průmyslové účely 20 Komunální odpady (odpady z domácností a podobné živnostenské, průmyslové odpady a odpady z úřadů) včetně složek z odděleného sběru 15

16 Podrobnější členění jednotlivých skupin 02 ODPADY ZE ZEMĚDĚLSTVÍ, ZAHRADNICTVÍ, RYBÁŘSTVÍ, LESNICTVÍ, MYSLIVOSTI A Z VÝROBY A ZPRACOVÁNÍ POTRAVIN Odpady ze zemědělství, zahradnictví, lesnictví, myslivosti, rybářství Odpad živočišných tkání Odpad rostlinných pletiv Zvířecí trus, moč a hnůj (včetně znečištěné slámy), kapalné odpady, soustřeďované odděleně a zpracovávané mimo místo vzniku Odpady z lesnictví Odpady z výroby a zpracování masa, ryb a jiných potravin živočišného původu Odpad živočišných tkání Suroviny nevhodné ke spotřebě nebo zpracování Odpady z výroby a ze zpracování ovoce, zeleniny, obilovin, jedlých olejů, kakaa, kávy a tabáku; odpady z konzervárenského a tabákového průmyslu z výroby droždí a kvasničného extraktu, z přípravy a kvašení melasy Suroviny nevhodné ke spotřebě nebo zpracování Odpady z mlékárenského průmyslu Suroviny nevhodné ke spotřebě nebo zpracování Odpady z pekáren a výroby cukrovinek Suroviny nevhodné ke spotřebě nebo zpracování Odpady z výroby alkoholických a nealkoholických nápojů (s výjimkou kávy, čaje a kakaa) Odpady z destilace lihovin Suroviny nevhodné ke spotřebě nebo zpracování 03 ODPADY ZE ZPRACOVÁNÍ DŘEVA A VÝROBY DESEK, NÁBYTKU, CELULÓZY, PAPÍRU A LEPENKY Odpady ze zpracování dřeva a výroby desek a nábytku Odpadní kůra a korek Piliny, hobliny, odřezky, dřevo, dřevotřískové desky a dýhy Odpady z výroby a zpracování celulózy, papíru a lepenky 16

17 Odpadní kůra a dřevo Mechanicky oddělený výmět z rozvlákňování odpadního papíru a lepenky Odpady ze třídění papíru a lepenky určené k recyklaci Výmětová vlákna, kaly z mechanického oddělování obsahující vlákna, výplně a povrchové vrstvy z mechanického třídění 19 ODPADY ZE ZAŘÍZENÍ NA ZPRACOVÁNÍ (VYUŽÍVÁNÍ A ODSTRAŇOVÁNÍ) ODPADU, Z ČISTÍREN ODPADNÍCH VOD PRO ČIŠTĚNÍ TĚCHTO VOD MIMO MÍSTO JEJICH VZNIKU A Z VÝROBY VODY PRO SPOTŘEBU LIDÍ A VODY PRO PRŮMYSLOVÉ ÚČELY Odpady z čistíren odpadních vod jinde neuvedené Kaly z čištění komunálních odpadních vod 20 KOMUNÁLNÍ ODPADY (ODPADY Z DOMÁCNOSTÍ A PODOBNÉ ŽIVNOSTENSKÉ, PRŮMYSLOVÉ ODPADY A ODPADY Z ÚŘADŮ), VČETNĚ SLOŽEK Z ODDĚLENÉHO SBĚRU Složky z odděleného sběru (kromě odpadů uvedených v podskupině 15 01) Biologicky rozložitelný odpad z kuchyní a stravoven Dřevo neuvedené pod číslem Odpady ze zahrad a parků (včetně hřbitovního odpadu) Biologicky rozložitelný odpad Ostatní komunální odpady Směsný komunální odpad Odpad z tržišť Uliční smetky Kal ze septiků a žump Odpad z čištění kanalizace Objemný odpad Komunální odpady jinak blíže neurčené 17

18 5 SOUČASNÝ STAV NAKLÁDÁNÍ S ODPADNÍ BIOMASOU Biomasa je z hlediska potenciálu pro Českou republiku jedním z nejperspektivnějších obnovitelných zdrojů energie. Představuje značný nevyužitý potenciál vzhledem k tomu, že ji lze využít pro různé formy energie, ať už pro elektrickou nebo pro výrobu tepla, či stále více preferovanou kombinovanou výrobu, tak i pro výrobu pohonných hmot. Její využití je technicky zvládnuto a není spojeno s problémy s nestabilitou dodávek přírodního charakteru, jako je tomu u jiných typů energií. Stabilitu dodávek biomasy lze zvýšit jejím současným využíváním spolu s dalšími neobnovitelnými zdroji. Hlavním a zároveň obtížně překonatelným omezením pro využití biomasy je její množství na trhu a dopravní dostupnost. Součástí potenciálu jsou vedlejší produkty zemědělské prvovýroby, především exkrementy hospodářských zvířat, sláma obilovin a řepky, vedlejší produkty ze zpracování zemědělských komodit (např. z výroby biopaliv, produkty z čištění obilí apod.). Nedílnou součástí celkového energetického potenciálu biomasy je vedle potenciálu zemědělské biomasy i potenciál lesní dendromasy. Do lesní dendromasy jsou zahrnuty lesní těžební zbytky s využitím ve formě štěpky převážně pro teplárenství a elektroenergetiku a zbytky ze dřevozpracujícího průmyslu s částečným využitím pro vlastní potřebu. S předpokládaným vývojem ve využívání biomasy potenciál odpadní biomasy není zcela dostačující. Proto je nutné, aby byl v budoucnu zajištěn dostatek biomasy prostřednictvím cíleně pěstovaných energetických plodin. Česká republika patří podle různých analýz mezi země s relativně vysokým potenciálem biomasy. Potenciál energeticky využitelné biomasy je na území České republiky poměrně rovnoměrně rozložen, samozřejmě se však liší podle druhové skladby (dřevní odpad z výroby, dřevní štěpka z lesní těžby, zbytkové slámy, sena atd.). Energetickou bilanci (energetickou efektivnost) vedlejších produktů a odpadní biomasy je obtížné vyhodnocovat. Existují nejméně čtyři možnosti, jak rozdělit energetické vstupy při větším počtu výstupních komodit. Energetickým využíváním biomasy se pro účely této energetické statistiky rozumí spalování dřevní a rostlinné hmoty, včetně celulózových výluhů a to jak samostatné, tak spolu s neobnovitelnými palivy za účelem výroby elektřiny či tepla. [42] 18

19 Pracovně je biomasa zjednodušeně rozdělována na následující kategorie: Palivové dřevo Dřevní odpad, piliny, kůra, štěpky, zbytky po lesní těžbě Rostlinné materiály Brikety a pelety Celulózové výluhy Kapalná biopaliva (pro energetické využití) Ostatní biomasa 5.1 Výroba elektrické energie z biomasy Statistickými výkazy MPO byla zjišťována výroba elektřiny z biomasy u všech firem, které sledovanou činnost v daném roce prováděly. Výroba elektrické energie pouze z biomasy se u nás využívá jen u menších dřevozpracujících podniků, které si vyrábí elektřinu samy pro své účely. Pro výrobu elektřiny se využívá spíše spoluspalování biomasy s fosilními palivy. [42] Tab. 1 Vývoj výroby elektřiny z biomasy [42] 19

20 Tab. 2 Vývoj výroby elektřiny z biomasy podle druhů biomasy [42] Výroba elektrické energie z biomasy výrazně vzrostla až v roce 2006 v důsledku přijetí zákona č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů). V předchozím roce 2005 výroba elektrické energie dokonce mírně poklesla oproti roku Od roku 2006 výrazně vzrůstá výroba elektrické energie z biomasy a tento trend pokračuje do současnosti. 5.2 Výroba tepelné energie z biomasy Statistika výroby tepelné energie z biomasy je prováděna v rámci kombinovaného šetření, jež pokrývá všechny subjekty s kombinovanou výrobou elektřiny a tepla z biomasy. Biomasa je v současné době využívána více k výrobě tepelné energie než k výrobě elektrické. Hlavním důvodem je spotřeba velkého množství biomasy pro výrobu elektřiny. Proto se k výrobě elektřiny využívá metoda spoluspalování biomasy s uhlím. [42] 20

21 Tab. 3 Vývoj výroby tepla z biomasy [42] Tab. 4 Vývoj výroby tepla podle druhu biomasy [42] Výroba tepla z biomasy výrazněji vzrostla v roce V roce 2005 z ní bylo vyrobeno nejvíce tepla. Od té doby výroba stagnuje. V letech 2007 až 2009 se dokonce výroba snížila. Z hlediska typu jsou nejvíce využívány celulozové výluhy a dřevní odpad piliny, kůry, štěpky a zbytky po lesní těžbě. Ostatní biopaliva ve spotřebě, tím i ve výrobě tepla, hodně zaostávají. 21

22 6 ÚPRAVA ODPADNÍ BIOMASY PRO ENERGETICKÉ ÚČELY 6.1 Zpracování a úprava biomasy Způsob úpravy biomasy závisí na druhu biomasy a na technologickém postupu při konečném využití. Biomasu pro potřeby spalování je nutno upravit a přizpůsobit tak, aby spalovací proces probíhal s co největší účinností. Mechanická úprava zlepšuje vlastnosti pevného paliva. Úpravu biomasy pro přímé spalování lze rozdělit do dvou kategorií. První kategorií je úprava pevné biomasy - dřevní hmoty. Zde se jedná o mechanické procesy, jako jsou stříhání, sekání, řezání a drcení, které slouží k zmenšení a sjednocení rozměrů dřevní hmoty. Paketování, briketování a peletování slouží naopak k homogenizaci nesourodého vstupního materiálu. Druhou kategorií je mechanická úprava stébelnin, hlavně jejich sběr a homogenizace do balíků různých tvarů pro jednodušší dopravu do teplárny a do topeniště. 6.2 Mechanická úprava pevné biomasy Mezi hlavní zařízení pro úpravu pevné biomasy řadíme střihací zařízení, štěpkovače a drtiče Střihací zařízení Využívají se na výrobu klasického kusového palivového dřeva. Používají se jednonožová střihací zařízení na principu gilotiny, vlastní střih probíhá tlakem o ostří protinože. Součástí zařízení je též podavač zajišťující posuv vkládaného materiálu. Při následném zdvihu střihacího nože posune podávací zařízení stříhané dřevo obvykle o 250 až 300 mm. Pro velké kotelny se používají střihací zařízení s větším počtem nožů, vzdálených od sebe přibližně 50 cm, umístěných vertikálně na spodní části násypky. Střihací zařízení se využívá ke zpracování odpadového dřeva, které lze jen obtížně štěpkovat. Po ustřihnutí padá dřevo přímo na dopravník vedoucí do spalovacího zařízení. Vzhledem k potřebě velkého množství odpadového dřeva je využití takovéhoto zařízení v našich podmínkách nerentabilní. [11] 22

23 6.2.2 Štěpkovače Štěpkovače dřevního odpadu jsou zařízení používaná k beztřískovému dělení dřeva způsobenému řezným účinkem sekacích nožů napříč vlákny a zároveň dělením na potřebnou tloušťku podél vláken díky klínovému tvaru nože. Štěpkovače zpracovávají především dlouhý kusový dřevní odpad na vysoce kvalitní štěpku. Štěpkovače můžeme rozdělit podle několika kritérií: [33] a) Podle provedení pracovního ústrojí: Diskové štěpkovače patří mezi nejrozšířenější a nejvýkonnější zařízení na výrobu štěpek. Umožní štěpkování dřeva do průměru 500 mm. Rotující disk, na jehož přední straně jsou umístěny nože, plní funkci setrvačníku, což umožňuje snáze překonávat nerovnoměrnost materiálu. U diskových štěpkovačů je úhel řezu konstantní a je zde dosahováno lepší homogenity vyrobených štěpek. Nejčastěji se tedy zpracovává dřevo větších délek. Vyznačují se velkou kvalitou vyrobené štěpky. [15] Mezi hlavní nevýhody patří skutečnost, že velikost vstupního otvoru je omezena poloměrem sekacího disku a že nejsou vhodné pro sekání chaotického materiálu vzhledem k omezené velikosti vstupního otvoru. [4] Obr. 1 Diskové pracovní ústrojí štěpkovače [30] Bubnové štěpkovače mají nože umístěné po obvodu rotujícího válce (bubnu) rovnoběžně s jeho osou, častěji však šikmo. Obvykle jsou vybaveny podávacím pásem a vtahovacími válci, které jsou opatřeny speciálně tvarovanými hroty, umožňující posun nesourodého materiálu k rotoru s břity (noži). Horní podávací válec je uložen pohyblivě, to umožňuje přizpůsobení velikosti vstupního otvoru různým velikostem vkládaného materiálu při zachování schopnosti posuvu materiálu. Vtahovací pás je tvořen řetězovým nebo jiným dopravníkovým systémem. [16] 23

24 Jsou vhodné pro štěpkování nesourodého materiálu jako klestu, vyžadující velký vstupní otvor, další výhodou je menší rozměr. [15] Nevýhoda je, že široký vstupní otvor umožní stočení podávaného materiálu kratšího než je šířka otvoru tak, že není sekán napříč, ale podélně. Nedojde k produkci štěpky, ale dlouhých třísek. Horší homogenita materiálu je taktéž způsobena rozdílným úhlem řezu v průběhu štěpkování, tím se mění geometrie štěpky a její rozměry. [11] Obr. 2 Bubnové pracovní ústrojí štěpkovačů [16] a) s přímými noži, b) s kruhovými noži Šnekové štěpkovače jsou jednoúčelové malé štěpkovače ke štípání tenkých stromků a kmínků do velikosti přibližně mm na palivovou štěpku s tloušťkou okolo 10 mm. [14] Materiál se přivede k odřezávacímu šneku, který ho účinkem závitů tlačí na opěrnou desku. Sekací orgán má tvar šroubovice se stoupajícím průměrem až nakonec v posledním závitu šroubovice dochází k oddělení štěpky a její následné vypadnutí z pracovní komory. Šroubovice se při otáčení postupně zařezává do dřeva a zároveň vtahuje dřevo k většímu průměru. [11] Obr. 3 Šnekový štěpkovač [30] 24

25 b) Podle celkového technického řešení: Stacionární štěpkovače sekací ústrojí je pevně zabudováno do technologické linky s pevnými základy. Před sekacím ústrojím je pro energetické účely v lince zařazeno přísunové a podávací zařízení, za sekacím ústrojím je připojen dopravník či potrubí pro odvod štěpky. Pohon je většinou zajištěn elektromotorem. Mobilní štěpkovače jsou vybaveny podvozkem umožňujícím jejich přesun. V praxi se vyskytují štěpkovače umístěné na samostatném podvozku, podvozcích nákladních automobilů, vyvážecích souprav a přívěsech. [11] c) Podle způsobu dávkování materiálu do štěpkovače: S ručním dávkováním zařízení s ručním dávkováním vstupující suroviny se užívají pro zpracování tenkého odpadového dříví menších objemů. S mechanickým dávkováním dřeva pro přísun štěpkovaného materiálu se obvykle využívá hydraulická ruka, která je součástí podvozku, na němž je umístěn štěpkovač. d) Podle způsobu pohonu sekacího a ostatních agregátů: Štěpkovače s pohonem od motoru bázového stroje zařízení s menším výkonem na sekání tenkého odpadového dřeva. Štěpkovače s pohonem od separátního motoru zařízení tohoto typu jsou vhodná pro zpracování koncentrovaných zbytků po těžbě, korunových částí nebo celých stromů Drtiče Své uplatnění nacházejí při zpracování dřevního odpadu a dřeva. Jejich produktem je štěpka vhodná k spalování na menších i větších topeništích. Drtiče jsou u dřevnaté biomasy používány v případech, kdy nejsou kladeny přísné požadavky na velikost výstupních částic. Při činnosti drtičů dochází ke kombinaci několika druhů namáhání. Podle druhu drtícího zařízení převládají při drcení nárazy, lom a roztírání. Drtiče jsou méně náchylné na poškození pracovního ústrojí vlivem cizorodých předmětů, ale mají větší spotřebu energie a nerovnoměrnost velikosti výstupních částic. [16] Drtiče drtí prakticky všechno, co je rostlinného původu. Dají se použít na zelené hmoty, ořezané větve, kůru šišky, atd. Drtiče jsou v komponovacích linkách určené pro drcení tenčích větví, zelené hmoty a dalších měkčích odpadů. Na materiál působením 25

26 pracovního ostří úderem nebo pomalým tlakem dochází k jeho lámání, štípání či rozmělnění odpadu na menší kusy. [11] Podle rychlosti otáčení pracovního orgánu dělíme drtiče na rychloběžné, pomaloběžné a kombinované Rychloběžné drtiče Rychloběžné drtiče jsou vybaveny rychle se otáčejícím rotorem s volně uloženými kladivy. Velikost výstupního materiálu je možné volit použitím celé řady dodrcovacích košů s různou velikostí otvorů ( mm). Tyto drtiče jsou vhodné pro zpracování bioodpadů, starého dřeva, palet, zahradních a parkových odpadů, ořezů ze stromů. Mohou být nasazeny na zpracování zbytků dřeva po těžbě. Podle tvaru drtícího orgánu je můžeme rozdělit na diskové a bubnové. Diskové - disk je umístěn vertikálně s malými nožíky instalovanými v čelní ploše disku. Dřevo k disku přitlačuje hydraulicky ovládaná protilehlá stěna. Tyto drtiče jsou vhodné na drcení pařezů, kusového odpadu, těžebního odpadu a podobných surovin. Pracovní orgán bubnových rychloběžných drtičů může být vybaven spirálovitě rozmístěnými noži nebo kladívky. Drtiče vybavené noži jsou vhodné na drcení větví, kusového odpadu apod. Drtiče opatřené kladívky je vhodné využít na drcení tenkých větví, křovin, kůry a podobných materiálů. [11] Pomaloběžné drtiče Základní pracovní součástí pomaloběžného drtiče je obvykle válec, po jehož obvodu jsou spirálovitě rozmístěny nože různých tvarů (hranaté, trojúhelníkové). Podle tvaru nožů je tvarován i protinůž. Podle počtu rotujících válců jsou drtiče jednoválcové nebo dvouválcové. Dvouválcové drtiče mohou být i bez protinožů, se směrem otáčení válců proti sobě. Jsou vhodné pro drcení starého dřeva (nábytek, stavební dřevo, železniční pražce, pařezy), dále pak k drcení tuhého komunálního odpadu. Tyto stroje mohou být řešeny jako mobilní nebo stacionární. [29] Kombinované drtiče Tento stroj kombinuje výhody pomaloběžného a rychloběžného drtiče do jednoho zařízení. Díky tomuto spojení lze na vstupu zpracovávat hrubý materiál a na výstupu získat menší frakci podrceného materiálu. Drtiče mohou být vybaveny magnetickými separátory kovových příměsí. [29] 26

27 Pracovní ústrojí drtičů rozlišujeme: a) talířové (osazeno 1, 2, nebo více noži, talíř uložen kolmo nebo šikmo k přiváděnému materiálu) b) nožové (2 4 zahnuté nože v kombinaci s nožovou hvězdicí tzv. systém,,mixér ) c) spirálové ostří (kotouč uložen kolmo nebo šikmo k přiváděnému materiálu, tlumí rázy a způsobuje větší plynulost řezu u silnějších materiálů) d) kladívkové (použití k drcení na malé částice) e) kombinované [16] Obr. 4 Kladivový drtič [30] Peletovací a briketovací lisy Pelety a brikety je možno vyrábět jak z dřevní tak z rostlinné biomasy, peletovat se dají i kaly z čistíren odpadních vod. [7] Pelety jsou vysoce stlačené výlisky válcového tvaru, nejčastěji vyráběny v průměru 6 mm a různorodé délce 5 40 mm. Pelety umožňují kotlům spalujícím biomasu jejich částečný, anebo automatický provoz. Pelety jsou vyrobeny výhradně z odpadového materiálu, jako jsou například piliny, nebo hobliny, bez jakýchkoliv chemických přísad. Lisováním pod vysokým tlakem se dosahuje vysoká hustota paliva. Výhodou je, že mají nízký obsah vlhkosti, cca 8 10 %. Výhřevnost pelet se pohybuje v rozmezí od 17 do 18 MJ.kg -1. [34] Brikety jsou vyráběny lisováním dřevěných odpadů vhodné zrnitosti a vlhkosti za vysokého tlaku a teploty. Lisováním se dosahuje vysoká hustota, což je důležité pro objemovou minimalizaci paliva. Vysoká výhřevnost (19 MJ.kg -1 ) je zárukou nízkých nákladů na topení. Brikety se vyznačují nízkým obsahem síry (přibližně 0,07 %), nízkou popelnatostí (asi 0,5 %), neomezenou skladovatelností, bezprašností a jednoduchou manipulací. Dřevěné brikety mají rozličné tvary. [35] 27

28 U briketovacích a peletovacích lisů rozlišujeme tři základní systémy zpracovacích zařízení: a) Pístové hydraulické nebo mechanické lisy jednorázové Jedná se o univerzální stroje schopné tvarovat slámu, piliny, papír či pazdeří. Součástí samotného lisu je většinou i drtič. [10] b) Šnekové lisy jednovřetenové nebo dvouvřetenové Brikety z toho typu lisu se vyznačují vysokým stupněm zhutnění a velkou trvanlivostí. Výsledkem jsou velice kvalitní a pevné brikety. Tyto lisy jsou vhodné na lisování pilin. Materiál je nejprve šnekovým dopravníkem dopraven do předzhutňovače, kde je stlačen. V další fázi je již briketa lisována v hlavním pracovním válci. [10] c) Protlačovací granulační lisy Rozlišují se dva typy lisů, s kruhovou, vertikální matricí a horizontální deskovou matricí. Dřevěné pelety či brikety vznikají protlačením materiálu skrz oka matrice. Vlivem vysokého tlaku a teploty lignin obsažený ve vstupním materiálu plastifikuje a slouží jako pojivo ve vzniklých peletách. Takto vzniklé palivo lze spalovat v běžných kotlích na dřevo či štěpku. [10] Obr. 5 Pístový briketovací lis [41] Paketování Paketování je jednou z možností homogenizace těžebního odpadu. Paketování je proces, při kterém klest lisuje do balíků obdobně jako sláma. Lisovací tlaky jsou zde však podstatně vyšší, než při lisování slámy, protože větve jsou při lisování namáhané podélným tlakem, a proto kladou lisování velký odpor. Pakety usnadňují dopravu, 28

29 manipulaci a skladování. Použití celých balíků jako paliva je komplikováno nerovnoměrným prohoříváním paketu, proto je lze použít pouze v topeništích, kde je hoření stabilizováno jiným palivem. [10] 6.3 Mechanická úprava energetických stébelnin Energetické stébelniny se stejně jako pevná paliva mechanicky zpracovávají na vhodnější formu pro transportování, skladování a pozdější využívání k energetickým účelům Lisy na slámu Pro sklizeň energetických stébelnin v suchém stavu, tj. slámy obilnin a olejnin, energetických obilnin, se stále více používají sběrací lisy na obří hranaté nebo válcové balíky. Další často užívanou variantou jsou kompaktní lisy, kdy výsledkem je hutný materiál ve tvaru špalku. Lis nejdříve materiál nařeže, dále slisuje a sváže do požadovaného tvaru a velikosti. Lisy na hranaté balíky jsou výhodnější, protože hranatý tvar je pro skladování ideální. Tyto lisy jsou ovšem dražší než lisy na válcové balíky. Teplárny a výtopny dávají přednost hranatým balíkům, na farmách se pro menší kotle používají levnější svinovací lisy na válcové balíky a lisy na klasické malé balíky. [11] Lisy na válcové balíky Pro svou nižší pořizovací cenu jsou stále oblíbeným typem sběracích lisů. Dnes se vyžaduje možnost změny velikosti lisovací komory a tím i velikosti balíků s ohledem na druh zpracovávaného materiálu a řezací ústrojí. Řezací ústrojí je vyžadováno především pro silážování, ale také pro spalování. Lis však potřebuje o něco výkonnější motor traktoru. [5] Lisy na hranaté balíky Řezací ústrojí je umístěno za sběračem. Plný počet nožů se využívá především při silážování. Balíky jsou tvořeny ve dvou základních rozměrech. Lis má u sebe mechanizovaný vozík na dva nebo čtyři balíky, což usnadňuje nakládku a odvoz. Tenzometrická čidla ukazují řidiči několik skutečností, např. údaj o namáhání klikového hřídele nebo měření vlhkosti právě nakládaného materiálu. [5] 29

30 Svinovací lisy při sklizni slámy Svinovací kompaktor vytváří svinuté provazce válcového tvaru se značným stupněm stlačení, které je větší než u běžných obřích a vysokotlakých lisů a přibližuje se stupni stlačení briketovacích lisů. Průměry svinováním vytvořených válců se pohybují od 300 do 800 mm a nekonečně vytvářený válec se přídavnou pilou řeže na potřebné délky. Z pole nebo louky se odváží hotový výrobek schopný jakékoliv dopravy, o vysoké objemové hmotnosti, připravený k použití ve vhodné kotelně, pokud je vyroben ze suchého materiálu. [5] 30

31 7 TECHNOLOGIE ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍ BIOMASY Využití biomasy pro energetické účely a způsob, jakým bude přeměněna v energii, je do značné míry předurčen jejími fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Z čistě energetického hlediska lze energii z biomasy získávat téměř výhradně termochemickou přeměnou, tedy spalováním. Pro tento proces je podstatnou vlastností její výhřevnost, která je dána především množstvím tzv. hořlaviny (organická část bez vody a popelovin, směs hořlavých uhlovodíků, celulózy, hemicelulózy a ligninu). Biomasu je v závislosti na druhu možné spalovat buďto přímo, nebo jsou spalovány kapalné, či plynné produkty vzniklé jejím vhodným zpracováním. Vedle výhřevnosti je velmi důležitým parametrem především vlhkost, respektive obsah sušiny v biomase. Obsahuje-li materiál do 50 % sušiny, je pro zpracování biomasy využíváno tzv. mokrých procesů. V opačném případě, tedy je-li obsah sušiny větší než 50 %, uplatňují se procesy suché. [11] Mezi základní technologie zpracování odpadní biomasy řadíme a) termochemická přeměna biomasy (suché procesy) spalování zplyňování pyrolýza b) biochemická přeměna biomasy (mokré procesy) anaerobní fermentace aerobní fermentace c) fyzikální a chemická přeměna biomasy mechanicky (štípání, drcení, lisování, briketování, peletování, apod.) Přestože existuje více způsobů využití biomasy k energetickým účelům, v praxi převládá ze suchých procesů spalování biomasy a z mokrých procesů výroba bioplynu anaerobní fermentací. [13] 31

32 7.1 Spalování Z energetického hlediska je i dnes základním a nejčastějším konečným využitím biomasy její spalování, tedy termická přeměna (oxidace) biomasy za dostatečného přístupu kyslíku. [31] Technologie spalování je dokonale zpracovaná, produktem je tepelná energie, která se následně využije pro vytápění, technologické procesy nebo pro výrobu elektrické energie. Spalování většinou nevyžaduje předběžnou speciální úpravu biomasy. Je přijatelná i vyšší vlhkost suroviny. Vzhledem k charakteru biomasy a jejímu proměnnému složení je nutno věnovat značnou pozornost optimálním podmínkám při spalování a při čištění výstupních spalin, kde je nutno především kontrolovat emise oxidu uhelnatého a tuhých látek, v některých případech i emise oxidů dusíku a organických látek. [27] Spalování biomasy je v současnosti technicky dostatečně vyřešeno a to ve dvou koncepcích: [39] spalování na roštu, spalování na fluidní vrstvě Spalování na roštu V těchto zařízeních se dá spalovat téměř veškerá rostlinná biomasa, výjimku tvoří pouze biomasa s jemnou frakcí. U roštových kotlů se dbá na zajištění přívodu spalovacího vzduchu do jednotlivých míst tak, aby spalování probíhalo při optimálním přebytku vzduchu. Roštové kotle se dále dělí na kotle s pevným a pohyblivým roštem. Spalování na pevném roštu je typické pro kotle o malých výkonech. Rošt je nehybný, zbytky po spalování přes něj propadávají do popelníku a jeho velikost do jisté míry ovlivňuje výkon zařízení. Pro odvod zbytků po spalování má rošt pohyblivý mechanismus. U těchto zařízení je široká různorodost provedení roštů dána jejich rozdílným tvarem, velikostí otvorů v roštu, nakloněním roštu, mechanismem k odvodu popela a mnohými dalšími odlišnostmi. Pro rošty mechanické, které jsou pohyblivé a zajišťují pohyb paliva směrem do míst spalování, jsou typické kotle o větších výkonech. Primární vzduch je přiváděn v několika fázích a výkon zařízení je ovlivněn rozměry roštu. Mezery mezi roštnicemi musí mít přesnou velikost pro dané palivo, aby nedocházelo k jeho propadání. Palivo je na rošt přiváděno pomocí šnekového dopravníku přímo z násypky. Pohyblivé rošty mají 32

33 též různé technické provedení a jsou to rošty pásové, přesuvné, vratisuvné a válcové. [10] Obr. 6 Spalování paliva na pásovém roštu [25] 1 sušení paliva 2 odplynění a vznícení paliva 3 hoření prchavé hořlaviny 4 hoření tuhé hořlaviny 5 dohořívání paliva 6 popel Spalování ve fluidní vrstvě Při fluidním spalování dochází ke spalování paliva ve fluidní vrstvě, která má vysokou tepelnou kapacitu a je schopna absorbovat změny vlastností paliv způsobené kolísavým obsahem vlhkosti. Spalování probíhá ve vznosu, kdy je palivo udržováno ve fluidním stavu prouděním vzduchu. Odpor proudícího média odpovídá tíze částeček a hmota částic se chová jako kapalina. Se zvětšováním rychlosti proudění roste výška fluidní vrstvy. Částice se pohybuje v ohništi až do svého vyhoření, případně je do ohniště vrácena. Fluidní kotle dovolují u biomasy spalování drceného paliva do 15 mm, mají stacionární fluidní vrstvu a jsou převážně menších výkonů. [10] Zařízení na spalování biomasy Zařízení na spalování biomasy jsou určena pro výrobu tepelné energie a nezatěžují tolik životní prostředí. Podle výkonu a technického řešení se tato zařízení mohou rozdělit na lokální topeniště, na malé, střední a velké kotle Lokální topeniště Do této skupiny můžeme zařadit kamna, krby, krbová kamna, cihlové pece a kachlová kamna, tedy zařízení pro spalování biomasy o několika kw. Tato topidla předávají teplo převážně v místnosti, ve které jsou umístěny. 33

34 Malé kotle Jedná se o kotle malých výkonů od 20 do 100 kw. Těchto kotlů se využívá pro vytápění rodinných domků nebo menších budov. Jako palivo se využívá převážně dřevo, a to buď kusové nebo ve formě pelet či briket. [11] Využívají se zplyňovací kotle na kusové dřevo, kdy při spalovacím procesu se z paliva odpařuje voda, tím se palivo vysušuje. Poté se s dodávaným teplem uvolňuje spalitelný plynný podíl paliva. Takový systém umožňuje velmi dobrou regulaci výkonu. V kotlích je možno spalovat polenové dřevo či dřevěné brikety, někdy v kombinaci se štěpkou nebo dřevním odpadem. V těchto případech je ovšem nezbytná manuální obsluha kotle (cca 3 4krát denně přikládání, 1krát týdně vybírání popela). [8] Speciální technické řešení mají automatické kotle na dřevní pelety s podavačem paliva a upraveným hořákem. Použití pelet ze dřeva či jiného rostlinného materiálu, které jsou v posledních letech populární nejen v zahraničí, ale i v České republice, umožňuje bezobslužný provoz kotle a komfortní dopravu a skladování Střední kotle Tyto obvykle roštové kotle, o výkonu mezi 100 kw až 5 MW, vybavené posuvným, pásovým či řetězovým roštem, se používají pro větší zdroje ústředního vytápěni. Vzhledem k automatizaci procesu spalování se používá palivo ve formě štěpky, odřezků nebo pilin. Kotle jsou schopny spalovat i méně kvalitní či vlhčí biomasu. K dosáhnutí středních výkonů je potřeba přitápět větším množstvím paliva. Přikládání probíhá automaticky pomocí šnekových dopravníků a podávacího zařízení. S aplikací šnekového podávacího zařízení se palivo do spalovací komory přivádí zdola a odhořívá shora. [8] Velké kotle Patři sem kotle o výkonu vyšším jak 5 MW. Používají se při centralizovaném zásobování teplem. U kotlů těchto výkonů je nutný plně automaticky provoz. Jako palivo je možné použít jakoukoliv biomasu, nejčastěji se však používá štěpka, sláma nebo dřevní odpad. Spalování biomasy ve velkých kotlích je v současnosti technicky dostatečně vyřešeno, a to ve dvou koncepcích: spalování na roštu, spalování na fluidní vrstvě. Rozšířenější je dosud spalování na roštu, avšak fluidní technologie má některé významné výhody a její technický vývoj stále postupuje. Fluidní technologie spalování 34

35 je také převážně využívaná pro spoluspalování biomasy s tuhými fosilními palivy v konvenčních elektrárnách a teplárnách. [27] Zařízení pro kogeneraci Pod slovem kogenerace si můžeme představit kombinovanou výrobu elektřiny a tepla (KVET). Tento kombinovaný způsob je velmi výhodný, neboť samotná výroba elektřiny v tepelných elektrárnách dosahuje nízkých účinností (přibližně 35 %). Vyrobené teplo se tedy nevypouští do okolí, ale využívá (např. k vytápění nebo ohřevu vody) a celková účinnost tak dosahuje %. Mezi přednosti kogenerace patří malé náklady na rozvod energie, jelikož teplo i elektřina vznikají v místě své spotřeby. S tím souvisí i snížené ztráty v rozvodných sítích. Další výhodou kogeneračních jednotek je i možnost jejich využití jako záložního zdroje, který není závislý na výpadcích sítě. Energie pro kogeneraci se získává spalováním tuhých paliv jako je např. štěpka, dřevo a sláma. Pro tyto účely existuje celá řada zařízení: organický Rankinův cyklus (ORC) Stirlingův motor spalovací turbíny palivový článek paroplynová zařízení spalovací motor parní turbíny Mezi nejperspektivnější postupy, které se u kogenerace využívají, patří organický Rankinův cyklus, který využívá základní termodynamické změny. Organický Rankinův cyklus (ORC) je v podstatě elektrárenský kondenzační cyklus, který používá namísto vody jako pracovní látku v primárním okruhu směs organických sloučenin (silikonový nebo minerální olej). Výhodou oleje je, že při dané teplotě (obvykle C) se udrží v kapalném stavu při značně nižším tlaku než voda. Ve výparníku předává olej teplo do sekundárního okruhu, ve kterém se pracovní organická látka vypařuje. Organické páry jsou pak vedeny do parní turbíny, kde 35

36 expandují. Pára je za turbínou vedena do kondenzátoru, kde po odebrání výparného tepla chladicí vodou, dodává teplo do objektů připojených na tuto tepelnou síť. [45] 7.2 Zplyňování Zplyňování je termomechanická přeměna biomasy při vyšších teplotách a za přívodu omezeného množství kyslíku. Tento proces probíhá při pečlivé kontrole teploty ( C), obsahu kyslíku a doby setrvání částic biomasy v zařízení (reaktoru), která trvá sekundy až desítky sekund, je možno prakticky všechen organický materiál přeměnit na plyn. Zplyňovací proces popisuje celá řada reakcí, ale obecně lze popsat pomocí těchto pochodů: sušení, pyrolýza, redukce a oxidace. Tyto procesy probíhají souměrně v případě fluidních generátorů nebo postupně, např. u sesuvných generátorů. [26] V současné době jsou pro zplyňování biomasy používány dva základní způsoby: zplyňování v generátorech s pevným ložem zplyňování ve fluidních generátorech. Při obou způsobech dochází ke zplyňování při atmosférickém tlaku. [9] Zplyňovače s pevným ložem Zplyňování v generátorech s pevným ložem je jednodušší, méně investičně náročné, avšak je použitelné jen pro malé tepelné výkony. Zplyňování probíhá při nižších teplotách (kolem 500 C) a za atmosférického tlaku ve vrstvě biomasy. Vzduch jako okysličovací médium proudí bud' v souproudu (směr dolů) nebo v protiproudu (směrem nahoru) vzhledem k postupnému pohybu zplyňovaného biopaliva. Popelové zbytky se odvádějí ze spodní části reaktoru. Nevýhodou tohoto systému je značná tvorba dehtových látek, fenolů apod., jejichž odstranění je pak největším problémem. [27] Protiproudý zplyňovač Hlavní výhodou tohoto typu zplyňovacího zařízení je její jednoduchost a vnitřní výměna tepla, která vede k vysoké účinnosti zplyňování. Díky vnitřní výměně tepla je palivo na vrcholu zplyňovacího zařízení vysušeno. Proto můžeme užít palivo s vysokým obsahem vlhkosti (až 60 %). Kromě toho může tento druh zplyňovacího zařízení zpracovat dokonce i malé částice v palivu a zpracuje i některé rozdíly velikosti v palivu. Hlavní nevýhodou je vysoké množství dehtu a produktů pyrolýzy. Protože plyny z pyrolýzy neprocházejí ohništěm, nedojde k jejich spálení. Tento problém je nevýznamný, 36