SPALOVACÍ ZKOUŠKY PALIV NA BÁZI ODPADNÍHO PAPÍRU

Transkript

1 SPALOVACÍ ZKOUŠKY PALIV NA BÁZI ODPADNÍHO PAPÍRU Daniel Tenkrát, Ondřej Prokeš, Čížek Štěpán, Tekáč Viktor Příspěvek volně navazuje na práci publikovanou na seináři Energie z bioasy III, která se zabývala produkcí (výrobou) alternativních paliv z odpadního papíru, bioasy a hnědého uhlí. Shrnuje výsledky spalovacích zkoušek několika typů pevných paliv na bázi odpadního papíru v kotli o výkonu 24 kw. V příspěvku jsou diskutovány základní vlastnosti těchto paliv a předevší průběh a výsledky spalovacích zkoušek s vyhodnocení eisních faktorů základních polutantů (NO x, CO, SO 2 a C x H y ) a jejich porovnání s eisníi faktory dřevěných briket, které jsou běžně koerčně dostupné na české trhu. Klíčová slova: energie, odpadní papír, spalování, eise, eisní faktor ÚVOD Výroba a spotřeba papíru a papírových výrobků v České republice vykazuje každoročně nárůst v řádu několika procent. V roce 2003 činil sběr použitého papíru v České republice 470 tis. tun, což je přibližně 45 % z celkové spotřeby papíru. V roce 2004 spotřeba papíru v České republice překonala hranici 100 kg na osobu a rok. Nezbytnost a význa recyklace papíru a s ní spojený sběr použitého papíru není třeba zdůrazňovat. Je třeba ovše upozornit na skutečnost, že na rozdíl od sběru průyslového, ať už se jedná o zbytky z tiskáren, ořezy z různých výrob, neprodané tiskoviny či kartony z obchodních doů, je probleatický předevší sběr papíru na kounální úrovni. Právě na kounální úrovni vzniká značné nožství sěsného odpadního papíru, suroviny z hlediska recyklace nejnižší kvality, jehož výkupní cena je veli nestálá a silně kolísá dle aktuálních potřeb odběratelů. Nejnepříjenější je ovše skutečnost, že veli často dosahuje záporných hodnot. To představuje problé předevší pro obce, které jsou nuceny sěsný papír ze separovaného sběru odpadů, pro který neají odběratele, deponovat. Kroě vysokých nákladů obcí na skládkování přestavuje anaerobní rozklad papíru význaný zdroj skleníkových plynů (CH 4 ) a navíc zůstává nevyužitý jeho energetický obsah. V první části tohoto projektu [1] bylo vyrobeno a několik typů pevných paliv ze sěsného odpadního papíru s přídavky hnědého uhlí čí dřevných štěpků. V druhé části pak byly stanovovány jejich eisní charakteristiky. CHARAKTERISTIKA PALIV Eleentární rozbor použitého sěsného papíru a ostatních sěsí použitých pro produkci pevný paliv byl proveden v centrálních laboratořích VŠCHT Praha. Stanovení C, H a N bylo provedeno na přístroji Eleentar vario EL III (fy ELEMENTAR) a výsledky jsou uvedeny v Tab. 1. Nízké obsahy síry (spalitelné) a chlóru byly stanoveny na přístroji Mitsubishi TOX-100. Vzorky byly spalovány v atosféře O 2 /Ar. Stanovení celkového obsahu síry bylo provedeno etodou Eschka. Obsahy vody, popela, prchavé hořlaviny byly stanoveny dle příslušných nore. Hodnoty spalných tepel byly určeny kalorietricky pro jednotlivé složky. Spalná tepla sěsných paliv byla stanovena výpočte z hodnot Q sp pro jednotlivé jejich složky (viz Tab. 2). Tab. 1 Eleentární složení surovin pro výrobu paliv Hořlavina S celk A d Popis C daf H daf N daf O daf S daf Cl daf (Eschka) prů. (h. %) (h. %) sěsný papír 45,1 6,2 < 0,1 48,4 0,06 0,02 0,3 17 papír - dřevo 46,2 6,1 0,1 47,3 0,05 0,02 0,2 15 papír - uhlí 50,7 6,0 0,2 42,4 0,2 0,02 0,4 17 Ing. Daniel Tenkrát, Vysoká škola cheicko technologická v Praze, /117/ Ústav plynárenství, koksocheie a ochrany ovzduší, Technická 5, Praha 6, e-ail: daniel.tenkrat@vscht.cz

2 Tab. 2 Charakteristika spalovaných paliv Popis Složení W Ad Qi (h. %) (h. %) (MJ/kg) papírové brikety 100 % sěsný papír 7, ,50 brikety papír-uhlí 80% papír- 20% hnědé uhlí 7, ,00 brikety papír-dřevo 80% papír - 20% dřevo 7, ,20 papírové pelety 100 % sěsný papír 6, ,50 pelety papír-uhlí 80% papír - 20% hnědé uhlí 6, ,00 dřevěné brikety 100% dřevo 9,0 2,5 17,20 Obr. 1 Spalovaná tuhá paliva Pro spalovací zkoušky bylo vyrobeno pět typů paliv. Brikety o průěru 50 z čistého papíru, ze sěsi papíruhlí (8:2) a sěsi papír-dřevo (8:2) a pelety z čistého papíru a ze sěsi s hnědý uhlí (viz Obr. 1). SPALOVACÍ APARATURA Nejdůležitější úkole ěření eisí stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší je stanovení hotnostního toku a následně také ěrné výrobní eise (eisního faktoru) znečišťujících látek eitovaných daný zdroje. Cíle spalovacích zkoušek, prováděných v ráci tohoto projektu, nebylo stanovení přesných hodnot eisních faktorů (to není ani ožné, neboť závisí předevší na použité spalovací zařízení a režiu spalování), ale porovnání eisních faktorů paliv na bázi papíru s jiný palive na stejné zařízení a za shodných podínek. Jako srovnávací palivo byly pro účely práce zvoleny brikety z dřevěných pilin. Spalování pevných paliv v lokálních topeništích alých výkonů, pro které je typické diskontinuální dávkování paliva, produkuje několikanásobně vyšší koncentrace škodlivin v kouřových plynech v porovnání se středníi či velkýi zdroji znečištění ovzduší. Konkrétně koncentrace organických látek a oxidu uhelnatého ohou dosahovat veli vysokých koncentrací. Pro charakteristiku paliv, spalovaných běhe této práce, byly v souladu se zákonnýi požadavky (vyhláška MŽP 356/2002 k zákonu 86/2002) zvoleny tuhé znečišťující látky (TZL), oxid uhelnatý, oxidy dusnatý a dusičitý (vyjádřené suárně jako NO x ), oxid siřičitý a plynné organické látky vyjádřené jako celkový organický uhlík (TOC). Metody ěření průtoku spalin a hotnostních koncentrací jednotlivých polutantů jsou poěrně detailně propracovány pro ěření eisí zdrojů s výkone nad 200 kw a jsou uvedeny v ezinárodních norách. Stejné ěřící etody lze použít i pro ěření eisí alých zdrojů znečišťování, avšak je nutné použít jinou etodiku. Pro vyhodnocení hotnostních toků hlavních polutantů z použitého zařízení s diskontinuální dávkování paliva byla použita etodika navržená Tekáče a Skácele [2]. Stanovení tuhých znečišťujících látek bylo provedeno anuální gravietrickou etodou, obsah ostatních plynných látek byl stanoven kontinuálně pracujícíi analyzátory. /118/

3 Při sestavování aparatury a při provádění spalovacích testů se vycházelo ze zkušeností a výsledků získaných dřívějšíi testy prováděnýi na Ústavu plynárenství, koksocheie a ochrany ovzduší [3,4,5,6,7]. Schéa spalovací aparatury je uvedeno na Obr. 2. Obr. 2 Schéa spalovací aparatury A- kotel (24kW), B- vyhřívaný filtr, C- CxHy analyzátor a H2O analyzátor, D- CO analyzátor, E- CO,CO2, NOx, O2, SO2 analyzátor, F- stanovení TZL, G- oddělovač kondenzátu, H- ebránové čerpadlo, I- CO,CO2, NOx, O2, SO2 analyzátor, J-spalinová klapka, K- ventilátor, L- tepelný výěník, M- čerpadlo Spalovací zkoušky probíhaly v teplovodní kotli se spodní odhořívání palivové vrstvy Dakon DOR 24 o výkonu 24 kw. Kotel DOR 24 je určen pro spalování pevných paliv, výrobce předepsané palivo je hnědé uhlí, zrnění ořech I (20 až 40 ), o výhřevnosti 16 MJ/kg a obsahe vody do 28 %. Spaliny vznikající při hoření odcházely ze spalovacího prostoru do kouřovodu vybaveného ventilátore s plynulou regulací otáček. Kouřovod byl osazen ěření statického tlaku spalin, ěření rychlosti spalin a teročlánke pro ěření teploty. Vzorky kouřových plynů určené k analýze byly odebírány ze tří odběrných íst. První ísto bylo opatřeno vyhřívaný filtre za který byl uístěn analyzátor organických látek a obsahu vodní páry. Druhé odběrové ísto bylo rovněž opatřeno vyhřívaný filtre, za který byl uístěn oddělovač kondenzátu následovaný analyzátore CO (INFRALYT) a ultikoponentní analyzátore HORIBA. Třetí odběrové ísto sloužilo ke stanovení tuhých znečišťujících látek. Za odběrovou sondou byl zařazen odlučovač kondenzátu a ebránové čerpadlo za kterýi následoval analyzátor TESTO 350 XL vybavený elektrocheickýi detektory, který sloužil ke kontrolníu ěření. Teplovodní okruh kotle byl vybaven dvěa teploěry, průtokoěre a vyhodnocovací jednotkou, která uožňovala on-line sledování a zázna okažitého výkonu kotle. Toto uožňovalo běhe ěření udržovat kotel při axiální výkonu. /119/

4 Výstupy ze všech kontinuálně pracujících přístrojů byly napojeny na datalogery, nebo přío do počítače. Veškerá data byly ukládány v třicetivteřinových intervalech. Saotné spalovací experienty byly prováděny vždy s 5 kg paliva, které bylo jednorázově nadávkováno do ohniště se zbytky rozžhaveného paliva z předešlého cyklu. Přídavek paliva byl prováděn při poklesu výkonu kotle pod cca 19 kw (doba odhořívání jedné dávky paliva činila přibližně 30 inut). Jedna spalovací zkouška se skládala celke ze čtyř cyklů. Při přechodu na jiný druh paliva byl spalovací prostor řádně vyroštován a zbaven zbytků popela, načež bylo nadávkováno palivo nové. VÝSLEDKY Vzhlede k rozdílnéu naředění spalin způsobenéu kolísající poěre spalovacího vzduchu neohou být koncentrace porovnávány přío a je třeba jejich přepočet na referenční obsah kyslíku ve spalinách. Protože pro paliva odvozená ze dřeva a bioasy je stanoven referenční obsah O 2 ve spalinách na 11 % byl i pro paliva na bázi papíru zvolen tento referenční obsah O 2. Výpočet průěrných hodnot objeových zloků znečišťujících látek nelze provést jako aritetický průěr1, nýbrž je nutno provést hotnostní bilanci systéu. Pro výpočet eisí neustáleného zdroje byly použity následující vztahy: 0, υ ( 1 ( H O) ), υ 0 Ń Ń ( 1 ( H O) ) d 2 2 d, (1) je střední hodnota objeového zloku znečišťující látky (ZL) v suchých spalinách (SP), okažitá hodnota objeového zloku ZL v SP,, υ Ń okažitá rychlost proudění vlhkých spalin přepočtená na norální podínky, ( H 2 O) objeový zloek vodní páry, doba ěření. Průěrná hotnostní koncentrace znečišťující látky v suchých spalinách za norálních podínek s daný referenční obsahe kyslíku byla určena jako: ρ N, r pn R T N M ab ab ( O2 ) r ( O2 ) ( O2 ) ( O2 ), (2) ρ ZL ) je průěrná hotnostní koncentrace ZL v suchých spalinách za norálních podínek s udaný ( N,r referenční stave kyslíku, 1 Výpočet průěrných hodnot jako aritetický průěr se připouští pouze u ěření středních a velkých zdrojů a to v případě, že časové kolísání výkonu činní axiálně 10 % a hodnota objeového zloku kyslíku se ění axiálně o 2 %. /120/

5 průěrný objeový zloek znečišťující látky v suchých spalinách, p N je norální tlak (101,325 kpa), R plynová konstanta (8,315 J.ol-1.K-1) T N norální terodynaická teplota (273,15 K), M olární hotnost znečišťující látky, ab ( O 2 ) objeový zloek kyslíku ve spalovací vzduchu, r ( O 2 ) referenční objeový zloek kyslíku (11 vol.%), ( O 2 ) průěrný objeový zloek kyslíku v suchých spalinách vypočtený z naěřených údajů. Hotnost znečišťující látky uvolněné do venkovního ovzduší za dobu ěření byla vypočtena podle vzorce: p A M 1 T ( 1 ( H O) ) υ d, (3) R 2 0 je nožství polutantu uvolněné za dobu spalování, p A T průěrný statický tlak spalin v ěřící průřezu, plocha vzorkovacího průřezu, okažitá terodynaická teplota spalin v ěřící průřezu. Hotnostní tok znečišťující látky byl určen následující vztahe: q, (4) q je hotnostní tok znečišťující látky. Eisní faktory jednotlivých znečišťujících látek byly vypočteny takto: ZL ( ) ( fuel), (5) h Q r i, (6) /121/

6 eisní faktor znečišťující látky vztažený na hotnost spáleného paliva, h eisní faktor znečišťující látky vztažený na výhřevnost paliva, ( fuel ) hotnost paliva, r Q i výhřevnost paliva. Výsledné eisní faktory jsou průěry ze třech spalovacích zkoušek a jsou uvedeny v Tab. 3 a Tab. 4. Tab. 3 Eisní faktory vztažené na hotnost paliva ( ) Označení [g/kg] CO NOx SO2 TOC TZL papírové brikety 8,1 0,9 < 0,1 1,0 0,30 brikety papír-uhlí 9,8 1,2 < 0,1 0,9 0,16 brikety papír-dřevo 23,0 0,6 < 0,1 3,0 0,21 papírové pelety 95,0 4,7 < 0,1 20,9 0,14 pelety papír-uhlí 140,0 1,2 < 0,1 26,0 0,31 dřevěné brikety 34,0 0,7 < 0,1 3,5 0,75 Tab. 4 Eisní faktory vztažené na výhřevnost paliva ( h ) Označení [g/mj] CO NOx SO 2 TOC TZL papírové brikety 0,60 0,07 < 0,01 0,07 0,02 brikety papír-uhlí 0,65 0,08 < 0,01 0,06 0,01 brikety papír-dřevo 1,62 0,04 < 0,01 0,21 0,01 papírové pelety 7,04 0,35 < 0,01 1,55 0,01 pelety papír-uhlí 9,33 0,08 < 0,01 1,73 0,02 dřevěné brikety 1,98 0,04 < 0,01 0,20 0,04 h ZÁVĚR Běhe experientů bylo spáleno pět různých paliv na vyrobených z odpadního papíru a výsledné eise byly porovnány s eisei ze spalování briket z pilin, které jsou běžně dostupné na naše trhu. Z výsledků je zřejé, že eisní faktory alternativních paliv na bázi papíru jsou veli podobné a v některých ohledech i írně příznivější, než u porovnávaných dřevěných briket. Pouze u pelet, spalovaných v dané zařízení, se projevila nevhodnost granuloetrie paliva pro toto zařízení, což je patrné z několikanásobně vyšších eisních faktorů CO a TOC. /122/

7 POUŽITÁ LITERATURA [1] Tenkrát D., Prokeš O., Tenkrát D., Prokeš O.; Možnosti energetického využití odpadní bioasy a papíru vývoj produkce a spotřeby, Energie z bioasy III., , Brno. ISBN [2] Tekáč V., Skácel F., Čížek Š., Šec K.; Main pollutants eissions fro doestic stoves burning solid fuels, in Effective production, transission and consuption of energy, 6th Int. Scientific Conference, Malá Lůčivná , SK, Acta Mechanica Slovaca, 8 (2004), 93-98, ISSN [3] Tekáč V.; Doktorská disertační práce, VŠCHT Praha, [4] Tenkrát D., Prokeš O., Ciahotný K., Tekáč V.; Využití černouhelných kalů pro energetické účely, in 50. let Ústavu plynárenství, koksocheie a ochrany ovzduší, , Praha. ISBN [5] Kordač J.; Diploová práce, VŠCHT Praha, [6] Skácel F., Tekáč V., Buryan P., Machačová M., Ciahotný K.; in Eission Reduction for the Industrial Utilisation of Doestic Solid Fuels In Eastern European Countries. Final Report. IVD Stuttgart, EU Contract ERBJOU2CT930331, Stuttgart [7] Váňa R.; Diploová práce, VŠCHT Praha, /123/

8 /124/