Studium problematiky využití fluidní vrstvy pro spalování biomasy a alternativních paliv Pavel SKOPEC 1, *, Jan HRDLI KA 1, Jan OPAT IL 1, Ji í ŠTEFANICA 1 1 eské vysoké u ení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, Praha 6, 166 07 *Koresponden ní autor: p.skopec@fs.cvut.cz Abstrakt Tento lánek pojednává o projektu zam eném na studium stacionární fluidní vrstvy pro spalování biomasy a alternativních paliv. Sou ástí projektu je i stavba experimentálního za ízení, které je koncipováno tak aby umožnilo zkoumání široké škály elementárních jev spojených s problematikou spalování paliv ve fluidní vrstv. Jedná se o chování a vlastnosti samotné fluidní vrstvy a tvorbu emisí ve spalovací komo e. Projekt se také zam uje na nekonven ní metody spalování typu oxyfuel. lánek dále pojednává o návrhu distributoru, což je jedna z d ležitých sou ástí celého za ízení. Klí ová slova: stacionární fluidní vrstva, experimentální za ízení, spalování biomasy, oxyfuel spalování 1 Úvod V sou asnosti dochází nejen v eské republice k situaci, kdy je t eba hledat alternativní zdroje energie pro zajiš ování energetických pot eb spole nosti. R stojí p ed problematikou zna ného snižování zásob fosilních paliv, neustále roste závislost na jejich importu. Jistou cestou ke snižování závislosti na importu a spot eb vlastních fosilních paliv je jejich náhrada obnovitelnými a alternativními zdroji energie. Vzhledem ke geografické pozici R, jejímu podnebí a morfologii krajiny má z oblasti obnovitelných zdroj nejv tší potenciál využití biomasa Ro n je využíváno p ibližn 94 PJ energie biomasy na výrobu elekt iny a tepla. Nejv tší zbytkový potenciál má zem d lská biomasa (161,4 PJ), tradi n využívaná lesní dendromasa (28,3 PJ) a BRKO (25 PJ) mají mnohem nižší zbytkový potenciál. Velký potenciál se také skrývá v oblasti energetického využití odpad. Nejv tší problém obnovitelných zdroj energie je ve v tší geografické rozptýlenosti, proto je nutné je využívat v lokálním m ítku v systémech distribuované energetiky. [1] V dnešní dob existuje celá ada možností jak energeticky zpracovávat biomasu i alternativní paliva ve form odpad. Nejjednodušší cestou je jejich spalování. Technologie spalování t chto dvou paliv p edstavuje dv základní možnosti spalování ve fixní vrstv (roštové spalování) a spalování ve fluidní vrstv (spalování ve vznosu). P edevším z hlediska možnosti snižování emisí zne iš ujících látek, ízení procesu a zvýšení ú innosti spalování je preferováno spalování ve fluidní vrstv. Spalování ve fluidní vrstv p edstavuje dv varianty spalování ve stacionární (bublinkující) fluidní vrstv, které se obvykle volí pro výkony do 30 MW a spalování v cirkulující fluidní vrstv pro výkony nad 30 MW. Projekt, který je cílem v tomto lánku p edstavit, se zam uje na studium stacionární fluidní vrstvy, která je pro ú ely využití biomasy a alternativních paliv v rámci distribuované energetiky vhodn jší. 2 ešená problematika Cíle projektu je možné rozd lit do n kolika skupin. Bude ešen vlastní proces fluidace, detailní chování vrstvy, ov ení výpo tových vztah mezních rychlostí fluidace, zejména pro externí materiály fluidní vrstvy a p i reálných podmínkách spalovacího procesu. Dále bude ešena problematika spalování se zam ením na tvorbu emisí, zvlášt na emise oxidu si i itého a oxid dusíku. T etí ást problematiky, kterou se bude projekt zabývat, je studium procesu oxyfuel spalování ve stacionární fluidní vrstv se zam ením na charakteristiku a optimalizaci procesu a tvorbu emisí. 69
LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA 2.1 Vlastní proces fluidace Fluidní vrstva je z v tší ásti tvo ena inertním materiálem. P vodn byla technologie spalování ve fluidní vrstv navrhována na spalování uhlí, kde jako inertní materiál sloužil p ímo popel ze spalování. Z d vodu nízkého obsahu popelovin v biomase je nutné najít alternativní materiál, který by fluidní vrstvu vytvo il. V dnešní dob se nejvíce uplat ují k emenný písek, p ípadn olivín. Jedním z cíl projektu je studovat i další druhy materiál, p evážn keramického p vodu (keramzit). Je nutné ešit jejich chování, nap. meze fluidace, disperzi plynné fáze, rychlostní profily apod., a to jednak modelov a poté experimentálním ov ením. Je také d ležité, ešit jejich vlastnosti v kontextu s využitím r zných druh paliv. Zárove je nutné studium alternativních inertních materiál pro nízkopopelnatá uhlí, jako je nap íklad n mecký Mibrag. 2.2 Tvorba zne iš ujících látek Pokud se týká spalovacích zkoušek, tak se tento projekt zam uje na tvorbu zne iš ujících látek, zvlášt na tvorbu NOx a SO 2. V oblasti tvorby NOx existují predik ní modely, které jsou ovšem aplikovatelné p edevším na práškové spalování uhlí. P i spalování jiných paliv a spalování ve fluidní vrstv nemají vypovídající p esnost a jejich použití je zbyte né. Zám rem projektu je analyzovat zjednodušené predik ní modely a za pomoci experimentálního ov ení je uzp sobit pro aplikaci na spalování ve fluidní vrstv, a to i pro biomasu a další alternativní paliva. Pokud se týká emisí SO 2, je d ležité ešit problematiku p ímého odsi ování ve fluidní vrstv, hledat optimální druh vápence v kontextu s r znými materiály fluidní vrstvy a r znými palivy. Je t eba najít efektivní pom ry vápenec/palivo, teplotní optima a vhodnou granulometrii. Hlavní odlišností navrhovaného za ízení oproti laboratorním reaktor m je dobrá simulace reálných podmínek, které p i spalování nastávají. 2.3 Oxyfuel spalování T etí ást, která bude sou ástí ešeného projektu, je zam ená na snižování emisí CO 2 do ovzduší. Pro tento ú el se za ínají vyvíjet CCS (Carbon Capture and Storage) technologie. Z hlediska pot eby separace CO 2 je nutné jej nejd íve zakoncentrovat, nebo p i b žném spalovacím procesu dosahuje jeho koncentrace ve spalinách hodnot maximáln do 20 %, což je pro efektivní separaci p íliš nízká hodnota. Vyvíjejí se proto dva sm ry tzv. pre-combustion technologie, kde je CO 2 odstran n ješt p ed spálením paliva, typickým p íkladem je zplyn ní uhlí s následnou konverzí vodního plynu a separací CO 2 absorp ní metodou p ed vlastním spálením plynu. Druhým sm rem jsou tzv. post-combustion technologie, kde je odstra ován CO 2 ze spalin. Sou ástí postcombustion technologie je oxyfuel spalování, tj. spalování se vzduchem obohaceným kyslíkem, p ípadn s istým kyslíkem za použití recirkulace spalin. Tento p ístup umož uje zakoncentrování CO 2 ve spalinách (resp. odstran ní dusíku ze spalovacího vzduchu) a jeho následné jednodušší odstran ní. Dalšími p ínosy je možnost redukce emisí a zvýšení ú innosti spalování. Oblast oxyfuel spalování je velmi nová a výsledk výzkumu je k dispozici relativn málo, p i emž výzkum se soust e uje zejména na práškové spalování, p ípadn cirkulující fluidní vrstvu. Ve sv t bylo doposud realizováno pouze n kolik laboratorních experimentálních za ízení zam ených na cirkulující fluidní vrstvu a jeden pilotní projekt je v realizaci. Oblast stacionární fluidní vrstvy, která je pro menší výkony vhodn jší, je zatím ešena pouze okrajov a zatím není ani mnoho výsledk provád ných p i spalování s vyšším obsahem kyslíku, pop. v ist oxyfuel režimu s velkou ástí recirkulovaných spalin. V projektu bude ešeno oxyfuel spalování ve stacionární fluidní vrstv se zam ením na studium problematiky samotné fluidace, chování vrstvy p i oxyfuel podmínkách a tvorby emisí se zam ením na problematiku tvorby a odstran ní SO 2 3 Experimentální za ízení Pro celou nastín nou problematiku a vyty ené cíle ešení projektu bylo navrženo experimentální za ízení. Toto za ízení bude simulovat reálný provoz fluidního kotle se stacionární vrstvou, ale zárove bude použitelné jako modelové za ízení pro studium fundamentálních problém. Navržené za ízení musí spl ovat celou adu požadavk a jistou univerzálnost použití. Za ízení bude fungovat jak v bezspalovacím režimu tak i ve spalovacím režimu za použití vzduchu jako fluida ního média, i spalovacím režimu za použití vzduchu obohaceného kyslíkem (oxyfuel režimu) a s použitím recirkulace spalin. Proto je za ízení navrženo tak aby byly jeho jednotlivé ásti snadno 70
zam nitelné a pokrývaly širokou adu požadavk pro r zné provozní režimy. Pro studium vlastností a materiál fluidní vrstvy bude za ízení pracovat jak ve studeném tak v horkém stavu bez spalování. Horký režim, zajistí elektrický p edeh ev vzduchu o výkonu cca 15 kw. Elektrickým oh evem se zamezí zne išt ní vzduchu spalinami, které by nastalo v p ípad, kdy by se p edeh ívalo p ímo plynovým i naftovým ho ákem. Z ízení by m lo pracovat v rozmezí 20-600 C. Elektrický p edeh ev vzduchu bude sloužit také k oh evu fluidní vrstvy a zapalování paliva. Na obrázku 1 je ukázána hlavní ást návrhu experimentálního za ízení, konkrétn samotný fluidní reaktor. V bod jedna vstupuje do reaktoru vzduch, který již prošel elektrickým p edeh evem. P ívod vzduchu je zajišt n dmychadlem, které je schopno dodat 318 m3/h vzduchu a p ekonat tlakovou ztrátu 29 kpa, což by m lo s dostate nou rezervou vysta ovat pro všechny navrhované režimy. vym nitelný za jiný typ. Detailní popis návrhu distributoru je uveden v kapitole 4. ást ozna ená. 4 je modul, kde dochází k samotnému vznosu vrstvy. Tato ást má rozm ry pr ezu 15 x 22,5 cm a výšku 40 cm. Po celé výšce modulu jsou po 5 cm z p ední strany a z boku p ipraveny redukce na p ipojení celé ady m ících za ízení. O ekávaná výška vrstvy je 5 až 20 cm. Na další stran jsou umíst na po výšce 4 pr hledítka pro p ímou vizuální kontrolu. Výška vrstvy bude regulována pomocí p epadu (bod. 11). Palivo je pomocí šnekového dopravníku vynášeno ze zásobníku do spádové trubky, kterou padá palivo na vrstvu. Na ást. 4 navazuje freeboard, který má v tší pr ez (20 x 30 cm). Zv tšením pr ezu se sníží rychlosti média, tím dojde ke snížení úletu ástic a zvýší se doba setrvání a as pot ebný k proreagování. Bodem. 6 je ozna en vstup sekundárního vzduchu do freeboardu. V horní ásti odcházejí spaliny do cyklonu (. 7), kde se odlou í zbytek úletových ástic. Po výstupu z cyklonu se spaliny rozd lují, ást je odebírána recirkula ním ventilátorem, zbytek odchází ven do komína (. 10). Recirkulované spaliny (. 9) nejd íve prochází jednoduchým chladi em trubka v trubce (. 8 na obrázku zobrazena pouze vnit ní trubka) aby se zchladily a nepoškodily recirkula ní ventilátor. Recirkula ní ventilátor je pro b žný spalovací režim mírn p edimenzován kv li oxyfuel režimu, kdy bude t eba recirkulovat až 80% spalin. O ekávaný výkon jednotky je 7-10 kw, což odpovídá 2-5 kg paliva hodinov, v závislosti na jeho výh evnosti. Celé za ízení je vyrobeno z žáropevného plechu a je zav šeno v horní ásti nosné konstrukce a bude dilatovat sm rem dol. Reaktor bude izolovaný pr myslovou izolací Isofrax o tlouš ce 50 mm. Základní vlastnosti za ízení jsou shrnuty v tabulce 1. Obr. 1. Návrh experimentálního za ízení Vzduch potom vstupuje do ásti 2, tzv. pléna, které slouží k vyrovnání a usm rn ní toku fluida ního média a rovnom rnému zatížení distributoru. Ten je na obrázku 1 ozna en bodem. 3. Jak již bylo e eno, za ízení má sloužit pro studium celé ady materiál vrstvy, jejich r zné výšky apod., proto je distributor jednoduše 71
ENERGIE Z BIOMASY XIV, 10. - 12. 9. 2013 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA Tab. 1. Hlavní parametry za ízení Rozm ry ásti s fluidní [cm] vrstvou (Š x H x V) Rozm ry freeboardu (Š x H x V) [cm] Celková výška [cm] 280 O ekávaný výkon [kw] 7-10 Spot eba paliva [kg/h] 2-5 Pracovní teploty Primární ventilátor (pr tok; p etlak) Recirkula ní ventilátor (pr tok; p etlak) [ C] [m3/h ; kpa] [m3/h ; kpa] 4 Návrh distributoru 15x22,5x40 20x30x150 20-900 (do 600 bez spalování) 318; 29 265; 22 Návrh distributoru je d ležitou sou ástí experimentálního za ízení. Jeden z nejd ležit jších návrhových parametr je tlaková ztráta distributoru. Dle [1] by se m la pohybovat v závislosti na tlakové ztrát vrstvy v intervalu: Tlaková ztráta distributoru musí být dostate n vysoká, aby došlo k rovnom rnému pr toku média skrz celý pr ez distributoru (spodní hranice intervalu). Zvyšování tlakové ztráty distributoru nad uvedou hranici vede pouze k zvyšování celkové tlakové ztráty a zvyšování požadavk na ventilátor. Postup návrhu distributoru je následující: 1) Ur í se tlaková ztráta vrstvy : Kde je mezerovitost, je hustota materiálu, je hustota fluida ního média, gravita ní konstanta, je výška vrstvy. 2) Dle uvedeného intervalu se ur í požadovaná tlaková ztráta distributoru. 3) Spo te se Reynoldsovo íslo pro celkový pr tok nádobou, kde je umíst n distributor a z následující tabulky se vybere odpovídající odporový koeficient jednoho otvoru 5) Z mimovrstvové rychlosti media lze použitím následujícího vzorce a volbou velikosti pr m ru otvoru ur it množství otvor v distributoru na jednotku plochy : Dále je nutné optimalizovat velikost d r a jejich po et. P íliš malé díry mají tendenci se ucpávat, naopak velké díry mohou zp sobit nerovnom rnou distribuci plynu. V tabulce 3 jsou shrnuty základní výpo tové údaje pro vrstvu tvo enou keramzitem. Tlaková ztráta distributoru je napo ítána pro maximální teplotu pod distributorem, která se rovná maximální teplot p edeh evu, tedy 600 C. Se snižující se teplotou roste hustota fluida ního média, zvyšuje se rychlost a roste tlaková ztráta. Tím je zajišt na podmínka minimální tlakové ztráty. Tab. 3. Výpo et distributoru pro keramzit Mezerovitost [ - ] 0,34 Hustota [kg/m3] 800 Výška vrstvy [cm] 20 Tlaková ztráta vrstvy [Pa] 1035 Minimální tlaková ztráta distributoru [Pa] 210 Mezní rychlost fluidace [m/s] 0,5 Rychlost v otvoru [m/s] 20,5 Navržený pr m r otvoru [mm] 3 Po et otvor na cm -2 [cm -2 ] 0,354 Po et otvor [ - ] 120 Z tabulky t i vyplívá, že pot ebný po et d r je 120. Vzhledem k pom ru stran je t eba 10 x 12 otvor. Záv r Navrhovaný projekt je zam en na oblast stacionární fluidní vrstvy. Koncepce ešení vychází z literárních poznatk zpracovaných ešitelským týmem ale také z praktických zkušeností, které lenové týmu získali, jak na studeném modelu fluidní vrstvy, tak i s provozem pilotního kotle se stacionární fluidní vrstvou o výkonu 500 kw. Tab. 2. Koeficient odporu 100 300 500 1000 2000 >3000 0,68 0,7 0,68 0,64 0,61 0,6 4) Ur í se rychlost p i pr chodu otvorem Pod kování Tato práce byla podpo ena grantem Studentské grantové sout že VUT. 72
SGS13/181/OHK2/3T/12 s názvem Studium chování fluidní vrstvy pro spalování nekonven ních paliv. Použitá literatura [1] M. zem d lství, (2012): Ak ní plán pro biomasu 2012-2020, Praha [2] KUNII, D.; LEVENSPIEL, O. Fluidization Engineeing, Second Edition. Stoneham : Butterworht - Heinemann, 1991. p. 491. ISBN 0-409-90233-0. 73