VLASTNOSTI BIOPALIV VE VZTAHU K JEJICH SPALOVÁNÍ A ZPLYŇOVÁNÍ Ing. Jiří KUBÍČEK This article in general recapitulates properties, that are important for biomass combustion and gasification and for biomass boilers design. Moisture, granulometry, heat value, ash properties and content of ash, sulphur, chlorine and volatile combustible are analysed. Some values of above-mentioned quantities are introduced for wood, bark, peat, straw, rape straw and dock. Klíčová slova: biopaliva, vlastnosti, fluidní zplyňování ÚVOD Článek v krátkosti shrnuje některé vlastnosti charakteristické pro biopaliva, které podstatnou měrou ovlivňují jejich využití ve spalovacích a zplyňovacích zařízeních. Spalovací zařízení jsou myšlena obecně, zplyňovacím zařízením je konkrétně myšlen atmosférický fluidní zplyňovací generátor Biofluid 100, který je instalován v laboratořích EÚ FSI VUT v Brně. Pro oba procesy spalování i zplyňování a pro konstrukci zařízení spalujících či zplyňujících biomasu jsou podstatné následující vlastnosti paliva: vlhkost, výhřevnost, granulometrie, charakteristika a poměrné množství popela a obsah prchavé hořlaviny. Neméně důležitý je však i obsah síry, chloru a alkalických kovů v palivu. BIOPALIVA Paliv vhodných pro energetické využití v termických procesech je celá řada, jako nejperspektivnější se však jeví dřevní hmota (štěpky, piliny, hobliny, pelety), kůra, rašelina, obilní sláma, řepková sláma a v poslední době i krmný šťovík Uteša [1]. Jejich získávání či pěstování je již dostatečně prakticky ověřeno a tudíž s nimi lze počítat jako s palivem pro širší energetické využití. Možnou alternativou jsou také směsi biomasy a klasických paliv, popř. biomasy a čistírenských kalů. V tomto článku je však věnována pozornost výše zmíněným nesměsným biopalivům. VLASTNOSTI PALIV OBSAH VODY V PALIVU Obsah vody v palivu je významnou veličinou jak pro kvalitu samotného spalovacího procesu, tak pro dopravní charakteristiky paliva, především u zařízení používajících šnekových dopravníků. Zvláště jedná-li se o biomasu s jemnou granulometrií, bývá vysoká vlhkost příčinou tvorby slepených shluků, které jsou obtížně rozrušitelné, vytváří klenby a brání tak plynulému dávkování paliva. Tento jev je zejména patrný u malých zařízení, kde i lokální u velkého zařízení nevýznamné slepence mohou ucpat celý dopravní systém. Při spalování snižuje vysoký obsah vody v palivu energetický výtěžek, neboť se významná část energie spotřebuje pro její odpaření. Vyšší obsah vody také znesnadňuje proces hoření, což se projeví zvýšeným obsahem CO a uhlovodíkových sloučenin ve spalinách. Při zplyňování je vysoký obsah vody také příčinou zvýšené tvorby dehtu. Obsah vody v biomase se pohybuje v širokém rozmezí od surového stavu (dřevo a rašelina W rel 55 %hm., kůra i 65 %hm.) po stav vysušený (obvykle W rel > 10 %hm.). U stébelnatých paliv závisí vlhkost na stavu dozrávání a klimatických podmínkách v období sklizně. Pro bezproblémové dávkování a spalování je vhodné snížit vlhkost biomasy přirozeným, nebo umělým sušením pod relativní vlhkost 20 %hm. Zde je však nutno poznamenat, že jsou na trhu kotle na biomasu, které jsou schopny pracovat i s vyšší vlhkostí a některé dokonce využívají potenciál kondenzačního tepla vody ve zvláštním výměníku [2]. Ing. Jiří Kubíček, Vysoké učení technické v Brně, FSI OTJEZ, Technická 2, 616 69 Brno, jri.kubicek@seznam.cz [41]
Praktická poznámka: V některé literatuře je uváděna vlhkost absolutní, tj. vztažena na hmotnost vzorku v bezvodém stavu. Pro přepočet na vlhkost relativní, která je vztažena na celkovou hmotnost vzorku je nutno použít vztah: W rel 1 abs 1 = 1 (% hm. ) a naopak W = 1 (% ) abs rel hm. 1+ W 1 W GRANULOMETRIE PALIVA Z hlediska geometrického může mít biopalivo mnoho forem. Dřeviny jsou obvykle k dispozici ve formě polen, drcených větví, štěpky, briket, pelet, nebo odpadních odřezků, pilin či hoblin. Stébelnatá paliva mohou být dodávána ve formě balíků, kde jsou slisována celá stébla, nebo ve formě řezanky (nasekaných stébel). Při konstrukci kotle je nutno uzpůsobit podávací systém i spalovací komoru daným rozměrům a tvaru paliva. Prioritou je samozřejmě co nejjednodušší systém přípravy a podávání paliva (např. cigaretové spalování balíků slámy bez nutnosti jejich rozrušování). Z hlediska konstrukce spalovací komory je nutno znát předem rozměry paliva, aby mohla být vhodně navržena soustava přívodu spalovacího vzduchu. Ještě větší pozornost granulometrii je nutno věnovat u fluidních zařízení, kde má tato svůj význam také pro parametry fluidní vrstvy. Praktické zkušenosti na zařízení Biofluid 100, které má svá zvláštní specifika jednak z titulu fluidního zařízení, jednak z titulu své velikosti, ukazují, že hutné palivo velikých rozměrů bývá často příčinou nestabilního režimu a zahlcení reaktoru. Problémy vznikají také u krácené slámy (zvláště obilní). Z fyzikálního hlediska se jedná o duté válce různé délky a nízké hmotnosti. Při dávkování tohoto materiálu do fluidní vrstvy odchází značná část materiálu jako úlet. Zmenšit tento úlet je možno snížením rychlosti v reaktoru. Změníme-li však rychlost snížením průtoku vzduchu, může při zespoda omezených otáčkách podávacího zařízení dojít k nežádaně nízkému poměru vzduch/palivo. Při použití fluidní technologie je tedy nutno pro každé palivo předem znát jeho granulometrii a jeho chování v proudu vzduchu. Jako příklad jsou na obrázcích 1 a 2 uvedeny tyto charakteristiky pro řepkovou slámu. Pozn.: Problémy jiného druhu mohou nastat pří úpravě a podávání kůry, která obvykle obsahuje množství cizorodých látek přimíšených při těžbě (kamínky, písek, ), jenž mohou poškodit použitá technická zařízení. Obr. 1 Rozměrová charakteristika řezané řepkové slámy [3] [42]
Obr. 2 Vznosná rychlost řezané řepkové slámy o rozměrovém rozdělení z obr. 2 [3] VÝHŘEVNOST PALIVA Výhřevnost paliva závisí na jeho relativní vlhkosti, a to přímo úměrně. U všech dřevin bez ohledu na jejich tvrdost je prakticky stejná. Ostatní druhy biomasy se svou výhřevností od dřevin do jisté míry liší. Na obrázku 3 je za použití rozborů paliv a literatury [4] vypočítána závislost výhřevnosti na relativní vlhkosti pro dřeviny, rašelinu, obilní a řepkovou slámu a krmný šťovík Uteša. Výhřevnost obilní slámy je stejná jako výhřevnost dřevin, a proto se obě přímky v obrázku překrývají. Z obrázku je patrné, že výrazně vyšší výhřevnost má pouze rašelina, která ovšem v surovém stavu vykazuje také výrazně vyšší vlhkost. Na obrázku není uvedena výhřevnost kůry. Obecně je tato vyšší než výhřevnost dřevní hmoty, ale stejně jako rašelina má i kůra v surovém stavu vyšší vlhkost. Výhřevnost stejného druhu biomasy se může u různých vzorků v rozsahu několika desetin, příp. až jednotek MJ lišit, což je demonstrováno na příkladu řepkové slámy. Pro praktické výpočty, kde je obsah vlhkosti spalovaného paliva dán odborným odhadem, však tento fakt nehraje tak významnou roli. Pro přesné výpočty je vhodné znát rozsah výhřevnosti paliva garantovaný dodavatelem na základě jeho rozboru. OBSAH PRCHAVÉ HOŘLAVINY V PALIVU Oproti ušlechtilým klasickým palivům má biomasa vysoký podíl prchavé hořlaviny. Její spalování pak probíhá následovně: při pohybu na roštu kotle se nejprve z paliva uvolňuje ve formě uhlovodíků prchavá hořlavina (při teplotách 200 až 500 C) a potom nastává hoření neodplyňeného zbytku. Uvolněná prchavá hořlavina částečně vyhořívá v oblasti nad roštem a její zbytek postupuje spolu se spalinami kotlem do pásma nižších teplot. Pokud hořící uhlovodíky prchavé hořlaviny v podobě mohutného plamene přijdou do styku s chladnou výhřevnou plochou (t steny < 450 C) ochladí se a dochází k jejich rozkladu na H 2 a C, přičemž vzniklý amorfní uhlík má vyšší zápalnou teplotu, nevyhoří a ukládá se na výhřevných plochách v podobě sazí [4]. Proto je nutné kolte na biomasu konstrukčně uzpůsobit a na vhodném místě dávkovat do zařízení sekundární, příp. terciální vzduch, aby došlo ke kvalitnímu spálení veškeré hořlaviny. Obecně platí, že čím více prchavé hořlaviny palivo obsahuje, tím větší je poměr součtu množství sekundárního a terciálního vzduchu k množství vzduchu primárního. Ve fluidních kotlích nejsou pásma uvolňování prchavé hořlaviny a hoření zbytku fyzicky oddělena, nicméně přeneseně pro ně platí totéž co pro kotle roštové. Při zplyňování je vyšší obsah prchavé hořlaviny příčinou vyššího množství uhlovodíků v generovaném plynu, a to ve formě permanentních plynů (etylen, acetylen), BTX (benzen, toluen, xylen) a dehtů (fenol a vyšší C x H y ). [43]
20 výhřevnost Qi r (MJ/kg) 15 10 5 dřevo šťovík řepka rašelina řepka2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 relativní vlhkost paliva W r (%hm.) sláma Obr. 3 Závislost výhřevnosti paliva na jeho vlhkosti Množství prchavé hořlaviny je vhodné z praktických důvodů uvádět jako podíl vztažený na (zdánlivé) množství hořlaviny, neboť relativní obsahy jsou vzhledem k různým relativním vlhkostem obtížně porovnatelné. Obsah prchavé hořlaviny pro některá z posuzovaných paliv je uveden v tabulce 1. Tab. 1 Obsah prchavé hořlaviny (vztaženo na zdánlivé množství hořlaviny) palivo rašelina řepková sláma dřevní hmota obilní sláma V daf (% hm. ) okolo 70 % 80 86 80 86 až 88 Uvedené hodnoty jsou pouze informativní. Statisticky jsou dány hodnoty pro rašelinu V daf = 70 % hm. a pro jehličnaté dřevo V daf = 84 % hm. [4]. OBSAH POPELA V PALIVU Biopaliva se vyznačují nízkým obsahem popelovin. Z tohoto důvodu mají kotle na biomasu méně složitou soustavu na jejich odvod než kotle na paliva klasická, kde tvoří popeloviny až 40% (lignit). V případě menších zařízení bývá odvod popelovin i diskontinuální. Tato výhoda je ovšem poněkud snížena tím, že oproti uhlí má popel biomasy méně příznivé vlastnosti viz. níže. Pro snadné porovnání je vhodné uvádět obsah popela vztažený na bezvodý stav. Obsah popelovin pro některá paliva je uveden v tabulce 2. Tab. 2 Obsah popelovin (vztaženo na bezvodý stav) palivo rašelina řepková sláma dřevní hmota šťovík obilní sláma A d (% hm. ) 0,5 4 3 10 0,3 2 2,1 okolo 3 6 ale i mnohem více Kůra může mít i několikanásobně vyšší obsah popelovin než čistá dřevní hmota. SLOŽENÍ A VLASTNOSTI POPELA Složení a vlastnosti popela mohou do značné míry ovlivnit bezporuchový chod a životnost kotle, resp. zplyňovacího zařízení. Popeloviny se hodnotí i po stránce ekologické, a to především při využívání biomasy [44]
v malém měřítku (peletizace), kde jsou normami (směrnice MŽP č. 14-98; DIN 517 31) dány maximální povolené obsahy těžkých kovů As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn a Hg, nicméně pro energetické účely, tedy pro návrh a provoz kotlů, jsou nejdůležitější charakteristické teploty popelovin a obsah alkalických kovů. Charakteristické teploty popelovin pro vybraná paliva jsou uvedeny v tabulce 3. Tab. 3 Charakteristické teploty popela palivo rašelina řepková sláma dřevní hmota šťovík 1 obilní sláma teplota měknutí T A ( C) 900 750 1160 1306 830 teplota tavení T B ( C) x x 1340 nad 1500 850 900 teplota tečení T C ( C) x x 1350 nad 1500 pramen [5] [5] [6] [1] [7] 1 teplota spékání popela 1191 C Pozn. Charakteristické teploty popelovin mohou být zjišťovány v oxidační, poloredukční, nebo redukční atmosféře. Teploty stanovené v oxidační atmosféře mohou být i o desítky až stovky stupňů vyšší, než teploty zjištěné v atmosféře redukční. V kotli lze očekávat atmosféru poloredukční až redukční, ve zplyňovači redukční [4]. Z tabulky je patrné, že zejména při spalování obilní slámy vzniknou potíže se spékáním popelovin a zalepováním stěn spalovací komory. Praktické zkušenosti ze spalovacích zařízení poukazují na nebezpečí zanesení spalovací komory sklovitou hmotou, kterou běžnými prostředky prakticky nelze odstranit. Spalovací komoru kotle je tedy nutno konstrukčně přizpůsobit tak, aby byl plamen co nejlépe a nejdříve vychlazen pod teplotu T A. Toho lze dosáhnout použitím dostatečně velké spalovací komory, vhodným pásmováním vzduchu a vyšším přebytkem vzduchu, nebo recirkulací spalin. Zajištění vyššího přebytku vzduchu je technicky jednoduší, avšak toto opatření zvětšuje komínovou ztrátu. Recirkulace spalin je naopak konstrukčně náročnější, ale co do míry využití primárního paliva o něco úspornější opatření (nutno počítat s náklady na provoz recirkulačního ventilátoru). Při zplyňování lze prostým nastavením poměru palivo/vzduch vést reakce v rozsahu teplot 750 až 900 C, tedy pod teplotou T A, což konstrukčně zvýhodňuje tento proces oproti spalování. Obr. 4 Vliv teploty na korozi IN 718 při Na, K a V Popel biomasy obsahuje poměrně vysoké množství alkalických kovů. Páry alkalických kovů jsou jednou z příčin vysokoteplotní koroze. Jedná se především o prvky Na a K, které mohou být problematické zvláště při směsném spalování biomasy s jiným palivem, které obsahuje vanad. Příklad vlivu spolupůsobení těchto tří prvků na úbytek materiálu IN 718 a na snížení životnosti spalovací komory (zde je myšlena spalovací komora plynové turbíny, s jistými omezeními však závislost platí i pro jiné ocelové prvky) je uveden na obrázku 4 a 5 [8]. [45]
Obr. 5 Vliv Na, K a V na životnost spalovací komory OBSAH SÍRY V PALIVU Množství síry obsažené v biomase je nízké na to, abychom jej sledovali z hlediska tvorby SOx, ovšem stejně jako alkalické kovy způsobuje síra vysokoteplotní korozi. Jedná se o tzv. sulfidaci, která je aktivní při teplotách nad 560 C, zvláště intenzivní pak při teplotě nad 810 C. Podle švédských zkušeností je měřítkem korozivity poměr síry a chloru S/Cl, přičemž při poměru S/Cl > 4 se koroze neprojevuje, v oblasti 4 > S/Cl > 2 záleží vznik koroze na dalších ovlivňujících parametrech a při poměru S/Cl < 2 je koroze nevyhnutelná. Obsah síry pro posuzovaná paliva je uveden v tabulce 4, obsahem chloru se článek zabývá níže. Tab. 4 Obsah prchavé síry (vztaženo na zdánlivé množství hořlaviny) palivo rašelina řepková sláma dřevní hmota šťovík obilní sláma S daf (% hm. ) 0,27 0,04 0,3 0,03 0,05 0,1 OBSAH CHLORU V PALIVU Jak bylo právě zmíněno, podílí se chlor významně na korozi konstrukčních materiálů. Mimoto je nežádoucím prvkem i z hlediska tvorby polychlorovaných bifenylů a PCDD-DF, které jsou v poslední době bedlivě sledovány. Tyto sloučeniny se tvoří jak při spalování, tak při zplyňování a jejich toxický ekvivalent často převyšuje normu stanovenou pro spalovny odpadů. Přibližný obsah chloru pro posuzovaná paliva je uveden v tabulce 5. Tab. 5 Obsah chloru palivo rašelina řepková sláma dřevní hmota šťovík obilní sláma Cl (% hm. ) 0 0,2 0,02 1 0,248 0,2 [46]
Vrátíme-li se ke korozivním vlastnostem chloru a k poměru S/Cl, je zřejmé, že mimo rašelinu zapříčiňují všechna biopaliva korozi použitých ocelových konstrukčních materiálů. ZÁVĚR Z výše uvedeného je zřejmé, že biomasa, ačkoli propagována jako široce využitelný zdroj, má jako palivo řadu omezení. Především je nutné přizpůsobit konstrukci kotle teplotním limitům z hlediska teplot měknutí popela a z hlediska koroze a zvolit vhodné pásmování vzduchu, aby byla co nejvíce prchavá využita hořlavina bez nebezpečí zalepování teplosměnných ploch sazemi. Taky je patrné, že biomasu nelze bez problémů spalovat v kotlích na klasická paliva, ba problémy se vyskytují i při spoluspalování biomasy s klasickými paliva, a to právě v důsledku odlišných charakteristik hoření a popelovin. Korozitvorné prvky jsou významným omezením také pro případné spoluspalování s odpadem. K dalším omezením využití biomasy patří ekonomická (zvláště investiční náklady) a dopravní náročnost. To však do jisté míry patří k otázkám energetické politiky. POUŽITÁ LITERATURA [1] PETŘÍKOVÁ, V. (2003): Zkušenosti s pěstováním energetických rostlin v polních kulturách. Sborník příspěvků seminářů PRAGAAGRO 2003 (poskytnut i rozbor paliva). [2] Nové technologie pro využití biomasy Sborník příspěvků seminářů ČEA. [3] ALDORF, Z. (2001): Využití dřevních a jiných lignocelulozových odpadů. Sborník přednášek semináře Zplyňování biomasy a tuhých odpadů VUT v Brně, 64 s. [4] ČERNÝ, V. a kol. (1983): Parní kotle. SNTL Praha, 864 s. [5] SLADKÝ, V. (1983): Pevná paliva doplňkový energetický zdroj. Sborník přednášek z konference PRAGAAGRO 99. [6] TRNOBRANSKÝ, K. (1998): Spalování biomasy. Sborník přednášek z konference Kotle pro rok 2000. Společnost pro techniku prostředí. [7] ŘEZNÍČEK, P. (1998): Spalování biomasy. Sborník Iniciativa pro individuální vytápění. [8] P. BOYCE, M. : Gas Turbine Engineering Handbook. [9] BRIDGWATER, A.V. (1994): The technical and economic feasibility of biomass gasification for power generation. Fuel 1995 Vol. 74, No. 5 [47]