Mechanická odolnost pelet Pellet mechanical durability

Transkript

1 10/20/ Spalování tuhých biopaliv a výběr kotle Před zpracováním se upravuje : Úprava tuhých biopaliv velikost (granulometrie) - drcením, sekáním a tříděním vlhkost - sušením na % vlhkosti v palivu, speciálně se upravuje např. sláma Alternativní zdroje energie I. Ivo Jiříček Před využitím se upravuje: Lisováním balíky slámy, sena a pod. Briketováním umožňuje využít větší frakce vzhledem k větším rozměrům finálního výrobku, ale struktura je relativně drolivá a nestabilní - Pouze ruční použití Peletováním Stabilní, tvrdá struktura, hladký vzhled -Automatické nebo ruční použití 2 Fyzikálně-chemické vlastnosti: hustota Particle and bulk density Měrná hmotnost (částicová hustota)- hmotnost objemové jednotky homogenní látky za dané teploty. Zdánlivá hustota: objem mat. včetně pórů ρ = dm/dv [kg /m 3 ] Skutečná hustota: objem mat. bez pórů Sypná hmotnost (bulk density) hmotnost nespojitě v prostoru rozložené látky volně nasypané do jednotkového objemu ρ s = m/v [kg /m 3 ] Sypná hmotnost pelet se stanoví volným nasypáním do nádob předepsaných rozměrů, po sklepání a stržení přebytku, gravimetricky zdroj: nove/pdf/vlastnostibiomasy.pdf Mechanická odolnost pelet Pellet mechanical durability Parametr důležitý pro pelety dávkované automaticky (většinou šnekovým dopravníkem) do spalovacích zařízení Nedostatečná mechanická odolnost způsobuje: uvolňování jemných částic riziko prachové exploze potíže s dopravou paliva zdroj:cen/tc 335 biomass standards Holmen pellet durability tester Mechanická odolnost pelet je poměr hmotnosti pelet, které zůstanou na sítu po zkoušce k původní navážce (100 g). Pelety s odolností nižší než 97.5 mají nižší účinnost spalování a zvyšují produkci popílku. 3 4 Zásobník surového paliva Detail prstencové matrice granulačního lisu Drtič a sušárna Výroba pelet Peletizační jednotka Chladič Prosévání Zásobník pelet Nožem odsekané pelety se musí rychle zchladit pod 40 C, aby došlo k zatuhnutí ligninu na povrchu Předsušený materiál Granulační lis v peletizační jednotce Pelety o teplotě až 110 C 5 Průmyslové dřevní pelety ISO Třídy A1 a A2 reprezentují pelety vyrobené z čistého, nepoužitého dřeva, které nebylo chemicky ošetřeno, s nízkým obsahem popela a dusíku. Třídy B mohou obsahovat chemicky ošetřené vedlejší produkty dřevního průmyslu a jedná se o dřevní pelety pro průmyslové využití. Typ a množství pojiva musí být uvedeno v dokumentaci. 6 1

2 10/20/2016 Certifikace ENplus Certifikaci poskytuje např. společností TÜV Nord Czech. Typ dřeva ENplus A1 ENplus A2 EN B Kmenové dříví Chemicky neošetřené zbytky z dřevozpracujícího průmyslu Kůra Lesní těžební zbytky Celé stromy bez kořenů Chemicky neošetřené použité dřevo Lesní, plantážové a další surové dřevo Dřevo z demolic budov nebo jiných staveb Jeho použití je vyloučeno. Např. pelety ENplus A1 prvotřídní kvality, používané v kotlích a kamnech v domácnostech, jsou vyrobeny pouze z chemicky neošetřených zbytků dřeva z pil bez příměsí kůry, a mohou obsahovat pouze 0,7 % popela. Odpovědnost výrobce nebo dodavatele Nezáleží na tom, zda výrobce získá údaje o svém výrobku z analýzy či z literatury. Ovšem výrobce nebo dodavatel je odpovědný za to, že poskytuje správné a přesné informace. V normě ISO pro dřevní pelety se mimo jiné normativně sleduje přítomnost osmi těžkých kovů (arsen, kadmium, chróm, měď, olovo, rtuť, nikl a zinek). Informativním parametrem je tavitelnost popela. Typické hodnoty povolených obsahů kovů: Arzen As < 0.8 mg/kg Kadmium Cd < 0.5 mg/kg Měď Cu < 5 mg/kg Olovo Pb < 10 mg/kg Rtuť Hg < 0.05 mg/kg Nadlimitní obsah některých ekotoxických kovů či organických sloučenin často brání využití jako tuhé palivo z biomasy (např. dřevo z demolic, chemicky ošetřené dřevo, sběrný papír) 7 8 Jak jednoduše poznat kvalitu palivových pelet? Vlhkost: mezi 8-10 % Rozměry: většina částic o průměru D=6 až 8 mm při délce L= 3 až 4 D Množství jemných částic: propad sítem pod 1 % hm. Obsah popela: posouzením barvy v lomu dřevěné pelety. Světlejší barva v lomu značí nižší obsah popela, než barva tmavší, indikující obsah kůry. Sypná hmotnost: alespoň 650 kg/m 3 posuzovat v nádobě o objemu min. 1 litr. Obsah pojiva: 1. Přičichnutím k zapálenému konci pelety. Měla by vonět po dřevu. 2. Zkouškou hydratace. Celkové rozpuštění pelety ve vodě nesmí přesáhnout několik minut, neboť hydratace pojiv je pomalejší než hydratace ligninu. Nevyhovující rozměry 9 Fázové reakce při spalování 1. Uvolnění plynného prchavého podílu z částic paliva při ohřevu 2. Reakce v plynné fázi 3. Reakce v pevné fázi Oxidace uvolněného plynu Oxidace odplyněných částic(koksu) 2H 2 (g)+o 2 (g) =2H 2 O(g) Reakce radikálů: H 2 =2H H +O 2 =OH +O H 2 +O =OH +H H 2 +OH =H 2 O+H 2C(s)+2O 2 (g)=2co 2 (g) Co se skutečně děje na atomové úrovni? Reakce vazeb: C-C + 2xO-O= 4xCO 10 Nemůže být větší než 100 %. Účinnost spalování Výpočet účinnosti předpokládá kompletní spalování a zahrnuje tyto faktory: 1. chemické složení paliva 2. teplotu komínových spalin (komínová ztráta) 3. obsah O 2 a CO 2 ( v % obj.) po spalování Úspora paliva (snížení emisí CO 2 ) [%] přebytek paliva přebytek vzduchu stechiometrický bod η 1 účinnost kotle před modernizací η 2 účinnost po modernizaci vysoký podíl prchavé hořlaviny (až 85 hm.%), proto převažující část spalovacího vzduchu musí být přivedena nad vrstvu paliva dlouhá doba prohořívání spalitelných plynu (až 0,5 s), kdy plamen nesmí být ochlazován (potřeba šamotové vyzdívky), obtížné míšení s kyslíkem, obtížné dokonalé spálení, proto vysoký přebytek spalovacího vzduchu (1.5<λ<2.0) nízký podíl popelovin (max. 6 hm. %), popel se může spékat kvůli nízkým teplotám měknutí, tečení a tavení popela ( C) kotle vyšších výkonů je nutno odprašovat kvůli obsahu popílku s obsahem těžkých kovů nízká energetická hustota paliv. Specifika spalování biomasy Účinnost kotle má přímý dopad do úspory paliva či snížení emisí CO

3 10/20/2016 Regulace kotle a přebytek vzduchu λ U kotlů do 100 kw se měří %O 2 ve spalinách a teplota spalin. Přebytek vzduchu se zajišťuje ventilátorovým regulátorem tahu. Regulační systém se snaží přiblížit těmto hodnotám ve spalinách: kapalná a plynná paliva 3 % O 2 pevná paliva 6 % O 2 biomasa 11 % O 2 Ve skutečnosti je %O 2 ve spalinách vyšší zvláště při zatápění. Problémy mohou dále nastat při změně paliva. palivo ohniště λ odpady roštová 2.0 biomasa roštová 1.8 uhlí roštová 1.5 uhlí prášková 1.2 zemní plyn plynová 1.1 bioplyn plynová 1.1 Velké kotle regulují λ na základě měření %CO ve spalinách. Kotle na tuhá paliva s ručním přikládáním Nejčastější Bez zásobníku paliva Široká škála paliv Čím jednoduší kotel, tím potřebuje sušší palivo (< 20 % M ar ). Nepřetěžovat kotel velkými dodávkami paliva. 13 Zdroj: Regulace výkonu % Řízení prostorovým termostatem Nutnost použití suchého paliva. 14 Automatické kotle na tuhá paliva Požadavky na minimální účinnost ČSN EN Kotle prodávané v ČR musí prokázat splnění parametrů účinnosti a emisí při certifikaci ve zkušebně. Minimální účinnost kotlů je definovaná v závislosti na jmenovitém (instalovaném) výkonu a třídě kotle. Doplňování paliva desítky hodin až jednotky dnů. Potřeba topit výlučně palivem předepsaným výrobcem (pelety). Kotle nižších výkonů vyžadují vyšší kvalitu paliva a mají menší toleranci k odchylkám v jeho kvalitě. Bez instalace akumulační nádoby je průměrný reálný (provozní) výkon spalovacího zařízení po větší část topné sezóny nižší než jmenovitý. Se sníženým výkonem klesá účinnost zařízení a zhoršuje se kvalita spalování Povinnosti výrobce a dovozce spalovacího zařízení EN 303-5:2012, a 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší Leden 2014 ukončení prodeje kotlů na tuhá paliva 1. a 2. emisní třídy Leden 2017 povinnost předložit revizi kotle (včetně označení em. třídy) Leden 2018 ukončení prodeje kotlů na tuhá paliva 3. emisní třídy Leden 2020 ukončení prodeje kotlů na tuhá paliva 4. emisní třídy Září 2022 zákaz používání kotlů 1. a 2. emisní třídy Min. emisní požadavky na stac. zdroje spalující tuhá paliva <0,3 MW, od Dodávka paliva Palivo Jmenovitý tepelný příkon [kw] CO *[mg.m 3 N, 10% TOC *[mg.m 3 N, 10% Ruční Biologické/Fosilní Samočinná Biologické/Fosilní TZL *[mg.m 3 N, 10% *suché spaliny, teplota 0 C a tlak 101,325 kpa a referenční obsah kyslíku 10 %. Povinnosti provozovatele spalovacích zařízení do příkonu 0.3 MW 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší Provádět jednou za dva roky kontrolu stavu a provozu kotle prostřednictvím odborně způsobilé osoby. Jako nejdůležitější zdroj informací o emisích a ostatních parametrech budou hodnoty ze štítku kotle. (V Německu a Rakousku již nestačí jen certifikace, ale splnění emisních požadavků je prokazováno na základě výsledků pravidelných měření, které provádí kominické firmy.) Pokutu Kč(od ), od září Kč lze uložit v případech, že provozovatel nepředloží na vyžádání obecnímu úřadu doklad o provedení kontroly Pokutu Kč lze uložit (dle 23, odst. 2 b) v případech, že: provozovatel nedodrží přípustnou tmavost kouře (od září 2012), provozovatel spaluje hnědé uhlí energetické, lignit, uhelné kaly (od září 2012) Na instalované sálavé zdroje (např. krbová kamna, vložky) s vodním výměníkem, které mají celkový příkon zařízení do 10 kw, se tyto změny nevztahují. I nadále pro ně ale platí pravidelné kontroly spalinových cest

4 10/20/2016 Zapojení kotle do otopné soustavy Potřeba natápěcí smyčky: Smyčka umožňuje kotli pracovat na vyšší teplotě (>65 C) než topný okruh a nedochází tak ke kondenzaci, dehtování a rychlé korozi kotle, zejména při zatápění. Jaký teplovodní kotel na pevná paliva? výkonově nepředimenzovaný (odpovídající tepelné ztrátě vytápěného objektu)- vyšší účinnost, snížení rizika dehtování a nízkoteplotní koroze. s natápěcí smyčkou - zvýšení životnosti a snížení rizika nízkoteplotní koroze. s velkou násypkou a silnějšími a odolnějšími materiály kotlového tělesa s akumulační nádrží - vyšší účinnost Kotel s natápěcí smyčkou řízenou trojcestným ventilem Kotel s trojcestným ventilem a akumulační nádrží Podpora akumulační nádrží výhoda, protože kotel pracuje na plný výkon a přebytečné teplo nabíjí akumulační nádrž. Po nabití nádrže je možné kotel odstavit a v závislosti na objemu nádrže a tepelných ztrátách objektu topit cca 1 den teplem pouze z nádrže. Parametry pro kotle 4. emisní třídy splní již dnes: automatické (peletové) kotle většina zplyňujících kotlů na dřevo Potenciál cíleně pěstovaných ostatních rostlin ČR pro výrobu tepla Jednoleté rostliny Výnosy suché hmoty (t/ha) Spalné teplo (GJ/ha) Konopí seté 12,05 217,62 Čirok hyso 19,33 341,31 Čirok cukrový 14,77 259,77 Vytrvalé plodiny Křídlatka 37,50 729,15 Šťovík krmný 43,00 763,29 Bělotrn 16,50 323,65 Komonice 20,10 399,82 Pokud uvažujeme průměrnou energetickou spotřebu tepelně izolovaného rodinného domu 75 GJ, mohla by být jeho roční spotřeba tepla pokryta např. spálením suché hmoty křídlatky z plochy cca 1210 m 2, což odpovídá cca 4,5 tunám suché hmoty. Vzniká však potřeba dostatečně velkého a suchého zásobníku. log p log α Rozdělení průmyslových spalovacích systémů Ohniště Roštová Fluidní Fluidní Prášková s nehybnou vrstvou kypné cirkulující Palivo sítování drcení (štěpkování) a doplnění pískem jemné mletí Rychlost plynu, [m/s] Rychlost plynu 0,3 1 < 8 > 8 [m/s] Střední velikost [mm] částice Stechiometrické spalování paliv Výpočet spalování biomasy ze sumárního vzorce: Reálné složení spalin: kompletní spalování neexistuje!!! + αco + βh 2 + γno x + trochu O 2 a PAU (z rovnovážné disociace) (tvorba NO X ) (nedopal) (dehet) 23 Spalování paliv -výpočty Chemické vyjádření pro vzduch (21 % obj. O 2 a 79 % obj. N 2 ): O N 2 Příklady stechiometrického spalování: Spalování uhlíku (koksu) vzduchem: C (s) + (O N 2 ) (g) CO N 2 12 kg m m m m 3 1 kg m m m m 3 1 kmol + 1 kmol + 3,76 kmol 1 kmol + 3,76 kmol Spalování metanu vzduchem: CH 4 + 2(O N 2 ) CO 2 + 2H 2 O N m m m m m ,45 m

5 10/20/2016 Spalování paliv-výpočty Rovnice ideálního plynu p V = n R T molární objem (0 C, 101,32 kpa) = 22,4 m 3 kmol -1 Minimální množství vzduchu V vz min potřebného pro kompletní spálení paliva je teoretický či stechiometrický vzduch Minimální objem spalin V sp min - množství spalin, které vznikne dokonalým spálením jednotky paliva stechiometrickým vzduchem Součinitel přebytku vzduchu λ: poměr vzduchu skutečného k teoretickému λ = V vz skut /V vz min = přebytek vzduchu v % /100 Přepočet spalin z průměrného sumárního vzorce Sumární vzorec: C x H y O z V CO2 = x 22.4 m d /M paliva (dm 3 ) V H2O = (y/2) 22.4 m d /M paliva (dm 3 ) m CO2 = x M c m d /M paliva = x 44 m d /M paliva m H2O = (y/2) M c m d /M paliva = x 18 m d /M paliva (g) (g) kde: M c molekulová hmotnost složky (g/mol) M paliva prům. molekulová hmotnost paliva (g/mol) m d hmotnost paliva v suchém stavu (g) Spalná teplota Tepelná rovnováha spalovací reakce: Q ch +Q p +Q vz = Q sp +Q ned +Q dis +Q z Q ch chemické teplo, které určuje výhřevnost paliva Q i Q p, Q vz, Q sp fyzické teplo předehřátého paliva, předehřátého vzduchu a spalin Q ned chemický a mechanický nedopal Q dis disociační teplo (disociace zejména CO 2 a H 2 O při T>1500 C odebírá spalinám teplo) Q z teplo odvedené do okolí (přes izolovanou stěnu ohniště) [kj] Adiabatická spalná teplota (teplota nechlazeného plamene): Q p =0, Q vz =0, Q ned =0, Q dis =0, λ=1 (stechiometrické spalování) T ad = Q i /(V sp,min c p ) [K] Odhad T ad = Q i /(V sp,min 1,7) [K] Reálná spalná teplota bude vždy nižší než T ad. Iterační řešení, protože c p [kj m -3 K -1 ] je funkcí T 27 Výběr kotle Příklad: Dosluhující kotel v RD o výkonu 25 kw s účinností 60 % a původními náklady na palivo 30 tis. Kč rok -1 zvažuje investor modernizovat. Na trhu se nabízejí tyto kotle: Kotel 3. emisní třídy ruční za cenu Kč Kotel 4. emisní třídy automatický za cenu Kč Kotel 5. emisní třídy automatický za cenu Kč Náklady na údržbu jsou 1 % z roční úspory. Určete: 1. Jaká je roční úspora nákladů po modernizaci? 2. Které řešení má kratší návratnost? 28 Výpočet spalování Příklad: 1kg suchého papíru, chemicky jako celulóza -(C 6 H 10 O 5 ) n -, jehož spalné teplo je q gr,d = 18 MJ kg -1, bylo spalováno vzduchem. Určete: 1. Teoretické množství vzduchu V Zmin 2. Výhřevnost q net,d 3. Odhad adiabatické spalné teploty. 29 5