Vlastnosti tuhých paliv. Formy podle velikosti částic. Ústav energetiky, VŠCHT Praha 10/15/2015. Ústav energetiky, VŠCHT Praha 1

Transkript

1 10/15/ Spalování tuhých biopaliv a výběr kotle Alternativní zdroje energie I. Ivo Jiříček Vlastnosti tuhých paliv Fyzikální vlastnosti Granulometrické složení (tvar a velikost částic) Mechanická pevnost (hustota, sypná hmotnost) Abrazivnost Náchylnost k oxidaci Chemické vlastnosti Elementární, technický a skupinový rozbor Energetický obsah (spalné teplo a výhřevnost) Chemické vlastnosti popela (deformační teploty, stopové prvky, vyluhovatelnost) Formy podle velikosti částic kusové (přířezy kulatiny, metrové dříví a polena, odpadní dřevo*) drcené (dřevní štěpky, hobliny, piliny, výlisky, kůra) lisované (brikety a pelety, balíky slámy, lesknice a sloní trávy) ostatní (ovocné pecky a jádra, energetické zrno) *s výjimkou dřeva obsahující halogenované org. sloučeniny nebo těžké kovy z konzervačního ošetření dřeva nebo nátěrů Mechanická pevnost Měrná hmotnost (částicová hustota)- hmotnost objemové jednotky homogenní látky za dané teploty ρ = dm/dv [kg /m 3 ] 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 Před zpracováním se upravuje : Úprava paliva velikost (granulometrie) - drcením, sekáním a tříděním vlhkost - sušením na % vlhkosti v palivu, speciálně se upravuje např. sláma Před využitím se upravuje: briketováním umožňuje využít větší frakce vzhledem k větším rozměrům finálního výrobku, ale struktura je relativně drolivá a nestabilní -ruční použití peletováním stabilní, tvrdá struktura, hladký vzhled -automatické nebo ruční použití Suroviny pro pelety a brikety a výrobci ČR Dřevní pelety - surovinou je dřevní odpad z primárního zpracování dřeva tedy piliny, hobliny a odřezky z pil o vlhkosti M=50-60 % Nedřevní pelety - surovinou jsou granulované odpady vznikající při zpracování obilí, či přímo obilí a kukuřice z důvodu jejich nadbytku na trhu nebo napadení škůdci. Nedřevní pelety jsou specifický druh paliva, pro jehož spalování je zatím problém nalézt cenově dostupný kotel. Výrobci: dřevní pelety-biomac, Iromez, Holztherm, Envitherm (většinou firmy) nedřevní pelety: Ekover, Vopol, Agrochem (často zemědělská družstva) Obecně platí, že světlejší barva v lomu značí vyšší výhřevnost než barva tmavší, indikující obsah kůry. Kotle nižších výkonů vyžadují vyšší kvalitu paliva a mají menší toleranci k odchylkám v jeho kvalitě. 1

2 10/15/2015 Zásobník surového paliva Výroba pelet Peletizační jednotka Prosévání Předsušený materiál Tuhá paliva z biomasy Detail prstencové matrice granulačního lisu Drtič a sušárna Chladič Zásobník pelet Nožem odsekané pelety se musí rychle zchladit pod 40 C, aby došlo k zatuhnutí ligninu na povrchu Granulační lis v peletizační jednotce Pelety o teplotě až 110 C řepková sláma pšeničná sláma lněná sláma dřevo papírenský lignin rašelina dřevěné uhlí Požadavky na kvalitu tuhých biopaliv -normativní hodnoty zdroj ČSN EN Brikety: Původ: viz výše 1, 2, 3 nebo 4 ZNAČENÍ Průměr D (diameter) 40mm až >125 mm D40 až D125+, Délka L (length) v mm 50 mm až >400 mm L50 až L400+ Voda M (moisture) 10 % až 15 % M10 až M15 Popel A (ash) 0,5 % až >10 % A0.5 až A10+ Hustota částic DE (particle density) >0.8 g/cm 3 až 1,2 g/cm 3 DE0,8 až DE1,2 Výhřevnost v původním stavu Q, (LHV) v MJ/kg nebo kwh/m 3 Mechanická odolnost DU (mechanical durability) 95 % až <90 % DU95 až DU90 Chlor Cl 0,02 % až >0,1% Cl0,02 až Cl0,1+ Pelety: D, L, M, A, DE, Q, DU, N, S, Cl ale jiná čísla např. D0,6 až D25, L40 až L50+ navíc: Množství jemných částic F 1,0 % až >5,0 % (na sítech) F1,0 až F5,0+ Sypná hmotnost BD 550 kg/m 3 až >700 kg/m 3 BD550, BD700+ Požadavky na kvalitu tuhých biopaliv -informativní hodnoty zdroj ČSN EN Normativní hodnoty se uvádějí vždy, informativní podle požadavku s ohledem na chemické ošetření* či přísady v biomase Brikety, pelety, dřevní štěpky, piliny, hobliny, kůra Dusík N 0,3 % až >3% při chem. ošetření normativní Síra S 0,02 % až >0,2% při chem. ošetření normativní tavitelnost popela DT (deformation temperature) Kulatiny, palivové dřevo: Hustota energie E [kw/m 3 nebo kwh/kg] Povrch odřezku, podíl nařezaného paliva Plíseň a hniloba Balíky slámy, lesknice a sloní trávy: DT, metoda výroby, typ svázáni balíku Energetické traviny, pokrutiny, ovocná dužnina a semena: Cl, S, DT, BD, F * ošetření látkami jinými než vzduch, teplo nebo voda-lepidla, nátěry, povlaky Mechanická odolnost pelet 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 Mechanická odolnost pelet (pelet durability index PDI) je poměr hmotnosti pelet, které zůstanou na sítu po zkoušce k původní navážce (100 g). Pelety s nedostatečnou odolností mají nižší účinnost spalování a zvyšují produkci popílku zdroj:cen/tc 335 biomass standards Holmen pellet durability tester Certifikace ENplus 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, doporučené pro domácí používání, mají tyto vlastnosti: výhřevnost > 16,5 MJ/kg, M< 10 %, A< 0,7 %, podíl jemných částic do 1 % 2

3 10/15/2015 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. Typické hodnoty povolených obsahů kovů: Arzen As < 0.8 mg/kg Kadmium Cd < 0.5 mg/kg Měď Cu < 5 mg/kg Rtuť Hg < 0.05 mg/kg Olovo Pb < 10 mg/kg Zinek Zn < 100 mg/kg Příčiny odchylek, následky manipulace odchylka příčina popel A vysoká hodnota znečištění půdou/pískem, vyšší než specifikovaný obsah kůry, anorganické přísady nebo chemické ošetření výhřevnost q p,net,ar nízká hodnota vysoký obsah popela obsah látek s nižším spalným teplem (lepidla) výhřevnost q p,net,ar vysoká hodnota obsah látek s vyšším spalným teplem (pryskyřice, oleje, plasty) znečištění při manipulaci a dopravě mechanické následek znečištění půdou/pískem chlorem v důsledku solení silnic težkými kovy (Pb a Zn) z dopravy železem a chromem z pracovních nástrojů/strojů Nadlimitní obsah některých ekotoxických kovů (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Nb, Pb, V, Zn) často zabrání využití jako tuhé palivo z biomasy (např. sběrný papír). prostředím chlorem z mořských vodních tříští těžkými kovy (Cd, Pb) z umělých hnojiv (odpadních vod) 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 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 Účinnost kotle má přímý dopad do úspory paliva či snížení emisí CO 2. Kotle na dřevo a uhlí Ruční: Čím jednoduší kotel, tím sušší je nutné palivo (< 20 % M ar ). Ruční Nepřetěžovat kotel velkými dodávkami paliva. Odhořívací Prohořívací Zplyňovací Automatický (peletový) Nové požadavky (ČSN EN 303-5): Od je povoleno prodávat pouze kotle 3. a vyšší třídy, od roku 2018 pouze 4. a vyšší třídy. První revize je povinná do , pak každé dva roky. Kvalita paliv pro malé kotle Prováděcí vyhláška č. 415/2012 Sb. Požadavky na kvalitu uhlí a výlisků z biomasy pro stac. zdroje s tep. příkonem <0,3 MW. Uhlí od Vlhkost W r [%] < 33 < 15 Výhřevnost Qi d [MJ/kg] > 15 > 15 Výhřevnost Qi r [MJ/kg] - - Popel A d [%] < 13 < 10 Výlisky z biomasy od Měrná sirnatost [g/mj] < 0,65, převaha sulfidů <0,3 %, převaha síranů Je zakázáno spalovat ve zdrojích s příkonem <300 kw energetické HÚ, lignit, uhelné kaly a proplástky. U výlisků z biomasy jsou specifikovány ještě limity stran obsahu Cl, As, Cd, Hg, Pb a jejich sloučenin. Emise SO 2 jsou u biomasy až o dva řády nižší než u uhlí. 3

4 10/15/2015 Právní předpisy provozu malých kotlů <0,3 MW zákon o ochraně ovzduší 86/2002 Sb., zákon č.201, 2012 S platností od (další zpřísnění od ) jsou stanoveny minimální emisní požadavky na zdroj pro spalování pevných paliv. Zavádí se povinnost provádět jednou za dva kalendářní roky kontrolu technického stavu a provozu tohoto zdroje odborně způsobilou osobou (neplatí pro zdroje v RD, bytě, v rekr.ob). Min. emisní požadavky na stac. zdroje spalující tuhá paliva <0,3 MW, platné od Specifika spalování biomasy 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) Dodávka paliva Palivo Jmenovitý CO tepelný příkon *[mg.m 3 N, [kw] 10% O 2ref ] TOC *[mg.m 3 N, 10% O 2ref ] Ruční Biologické/Fosilní Samočinná Biologické/Fosilní *suché spaliny, teplota 0 C a tlak 101,325 kpa a referenční obsah kyslíku 10 %. TZL *[mg.m 3 N, 10% O 2ref ] 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. Automatické peletové kotle Výstup tepla do vzduchu nebo do otopné soustavy sekundární vzduch spalinový ventilátor primární vzduch Provádí samozátop, ale vyšší cena kotle a paliva. Pelety jsou dobrou alternativou pro vytápění RD s možností předzásobení tam, kde není přístup k plynu a je požadován vysoký komfort vytápění. shazovací systém: nejlépe zabezpečen proti zpětnému hoření hořáková pánev s horním podavačem hořák se spodním podavačem rošt se horizontálním podavačem Zplyňovací kotle Na zplyňovacím roštu dochází k tvorbě žhavého dřevěného uhlí, ze kterého ze uvolňují hořlavé plyny. Plyny jsou odváděny do spodního spalovacího prostoru, kde vyhoří s dolů směrovaným plamenem s vyšší účinností (nižším λ). Nad žhavou vrstvou dřevěného uhlí dochází navíc k předsoušení přiváděného paliva, čímž se zvyšuje účinnost spalování na %. Umožňuje přesnou regulaci výkonu % s možností řízení prostorovým termostatem, ale vyšší cena kotle a nutnost použití suchého paliva. 1 plnící dvířka; 2 plnící komora; 3 vysokoteplotní litinový rošt; 4 popelník; 5 servopohon přívodu vzduchu; 6 přívod primárního vzduchu; 7 přívod sekundárního vzduchu; 8 vysokoteplotní hořáková komora (tryska); 9 čistící víko; 10 trubkový výměník; 11 komora zachycující prach a popel; 12 čistící kanál; 13 odtahový ventilátor; 14 λ sonda; 15 dotykový displej; 16 páka čištění výměníku 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. 4

5 10/15/2015 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. 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. Rozdělení průmyslových spalovacích systémů Ohniště Roštová Fluidní Fluidní Prášková s nehybnou vrstvou kypné cirkulující Palivo sítování drcení (štěpkování) a doplnění pískem jemné mletí Spoluspalování biomasy s fosilními palivy log p log α Rychlost plynu, [m/s] Rychlost plynu 0,3 1 < 8 > 8 [m/s] Střední velikost [mm] částice přímé spalování nepřímé spalování paralelní spalování Do 20% obsahu biomasy. Vhodné pro rekonstrukce, stejné hořáky a systémy pro podávání paliva, nejnižší investiční náklady. Popel je směsný. Nejnižší ekologické dopady, Lze dosáhnout vysokého podílu protože plyn se před biomasy v palivu, rozšířené v spalováním čistí, ale papírenském průmyslu a v nejnákladnější díky instalaci celulózkách zplyňovací jednotky Popely z biomasy a fosilního paliva jsou oddělené Po roce 2020 bude podporováno pouze spalování čisté biomasy v kogeneračním režimu. 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) 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 3 5

6 10/15/2015 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 (g) m H2O = (y/2) M c m d /M paliva = x 18 m d /M paliva (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 Výběr kotle Příklad: Místo dosluhujícího kotle o výkonu 25 kw s účinností 60 % v RD zvažuje investor koupit nový: kotel 3. emisní třídy za cenu kotel 4. emisní třídy za cenu Původní roční cena paliva je 30 tis. Kč. Náklady na údržbu jsou 1 % z roční úspory. Určete: Jaká je roční úspora paliva? Které řešení má kratší návratnost? Výpočet spalování Příklad: 1kg suchého papíru, chemicky jako celulóza -(C 6 H 10 O 5 ) n -, bylo spalováno vzduchem. Určete: 1. Teoretické množství vzduchu V Zmin 2. Výhřevnost q net,d, když spalné teplo q gr,d = 18 MJ kg Odhad adiabatické spalné teploty. 6