VLIV TOPNÉHO REŽIMU NA EMISE KRBOVÝCH KAMEN SPALUJÍCÍCH DŘEVO Jiřina Čermáková, Martin Vosecký, Jiří Malecha a Bohumil Koutský V této práci byl sledován vliv topného režimu na emise krbových kamen spalujících březové nebo borové dřevo a dřevěné brikety. Emise vybraných znečišťujících látek byly sledovány v závislosti na druhu paliva a velikosti přílože. V provedených experimentech nebyl prokázán významný vliv sledovaných parametrů na emise znečišťujících látek, rozhodujícím činitelem byla pravidelnost přikládání paliva do kamen. Klíčová slova: spalování dřeva, znečišťující látky ÚVOD Spalování je nejstarším technologickým procesem využívaným lidmi, který odpradávna slouží především k zisku tepla. Vezmeme-li v úvahu pouze malé individuální zdroje, moderním tuhým palivem nahrazujícím zejména uhlí je palivo na bázi biomasy. Pro tento případ obvykle biomasou rozumíme dřevo ve formě polen, štěpky, pelet, pilin či pilinových briket. Spalování probíhá ve čtyřech vzájemně se překrývajících fázích. Po přívodu paliva do vyhřátého ohniště dochází nejdříve k odpařování vody, palivo se vysouší a při dosažení teploty 2 C dojde k uvolnění prchavé hořlaviny. Prchavá hořlavina se mísí se vzduchem, čímž dochází ke zvyšování teploty v topeništi a nastává hoření prchavé hořlaviny. V poslední fázi probíhá při nejvyšších teplotách spalování tuhého uhlíku, při němž se uvolňuje největší množství tepla. Vznik a průběh spalovacího procesu je ovlivněn některými vlastnostmi paliv. K těmto vlastnostem patří zejména měrný tepelný obsah paliva (spalné teplo či výhřevnost), vlhkost, obsah popelovin, meze zápalnosti, teplota vznícení paliva, rychlost hoření plamene, spalovací teplota a v neposlední řadě také složení. Spalování biomasy má oproti spalování fosilních paliv jako je uhlí řadu specifik. Vysoký obsah prchavé hořlaviny ve dřevě (7-8 hm.%) oproti uhlí (2- hm.%) vede k hoření dřeva dlouhým plamenem, u něhož obtížněji dochází k mísení spalitelných plynů se vzduchem. Tato skutečnost vede k delší době prohořívání plynů, což je nutno zohlednit již v konstrukci spalovacího zařízení volbou dostatečně velkého dohořívacího prostoru. Pro dokonalé prohoření biomasy je třeba přivádět vyšší množství spalovacího vzduchu (λ 2), problematická může být i teplota tání popela, která limituje spalovací teploty v zařízení [1-2]. Při spalování jsou do ovzduší uvolňovány znečišťující látky, jejichž množství je dáno zejména typem paliva, použitým spalovacím zařízením a provozním režimem spalování. Při spalování dřeva vznikají tyto majoritní znečišťující látky: Oxid uhelnatý CO Organické látky (OL) vyjádřené jako celkový organický uhlík (TOC) Oxid siřičitý SO 2 Oxidy dusíku NO x (suma NO a NO 2, vyjádřená jako NO 2 ) Tuhé znečišťující látky (TZL) tuhé částice ve spalinách Oxid uhelnatý je produktem nedokonalého spalování buď vinou nedostatečného přísunu spalovacího vzduchu nebo nedostatečnou teplotou spalování. Vyšší koncentrace CO lze očekávat zejména u malých zdrojů, kde není zajištěna vhodná distribuce spalovacího vzduchu. Organické látky, jako jsou vyšší uhlovodíky či dehty, jsou též produktem nedokonalého spalování. Oxid siřičitý je do spalin uvolňován jako produkt oxidace síry v palivu, vzhledem k velmi nízkému obsahu síry u dřeva (typicky,2 -,3 hm.%) nejsou emise oxidu siřičitého problematické. Oxidy dusíku vznikají více mechanismy, při teplotách 7-9 C charakteristických pro spalování dřeva je převažujícím mechanismem vznik oxidů dusíku z palivově vázaného dusíku, což opět vzhledem k nízkému obsahu dusíku ve dřevě (,2-1 hm.%) není problematické. Tvorba tuhých znečišťujících látek je dána jak vlastnostmi paliva, tak typem ohniště a u malých zdrojů je možné jejich tvorbu omezit pouze volbou vhodného paliva. U větších zařízení se pak používá odloučení tuhých částic ze spalin. Tvorba tuhých znečišťujících látek je značně závislá na dokonalém spalování, zejména na dostatečném přívodu spalovacího vzduchu, dostatečné teplotě spalování, homogenizaci spalin a dostatečné době zdržení nedohořelých spalin ve spalovacím prostoru [2-]. Jiřina Čermáková, VŠCHT, Technická, Praha 6, email: cermakoi@vscht.cz / 43 /
Práce se věnuje měření emisí vybraných majoritních znečišťujících složek (CO, NO x a SO 2 ) při spalování dřevní hmoty v krbových kamnech malého výkonu, které slouží pro vytápění rodinného domu. Sledovanými parametry byl druh paliva (březové či borové dřevo a pilinové brikety) a velikost přílože. Snahou během měření bylo napodobit běžné provozní podmínky s možností použít získané poznatky pro každodenní provoz spalovacího zařízení. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Dřevo bylo spalováno v kombinovaných krbových kamnech typu Golemek 9/ firmy Verner, a.s., jejichž základem je roštové topeniště s přívodem primárního vzduchu pod rošt a bočními přívody sekundárního vzduchu. Koncentrace vybraných znečišťujících látek (CO, NO x a SO 2 ) byly měřeny kontinuálně pracujícím analyzátorem HORIBA PG 2, který navíc měřil koncentraci CO 2 a O 2. Koncentrace CO, CO 2 a SO 2 byly analyzovány pomocí infračervené spektrometrie, NO x chemiluminiscenčně a O 2 paramagneticky. Měření pro každé palivo probíhalo v šestihodinových blocích, kdy se jako doprovodný údaj zaznamenávala teplota v komíně, teplota uvnitř vytápěné místnosti i venku a byla též pomocí dřevařského vlhkoměru měřena vlhkost jednotlivých kusů dřeva. Vlastní spalovací experiment byl proveden s různými typy dřev a jejich různou hmotností. Byly řešeny tři hlavní úkoly: Posouzení vlivu jednotlivých druhů paliv na hmotnostní koncentrace znečišťujících látek. Jako paliva byla použita bříza, borovice a dřevěné brikety, kdy hmotnost jednotlivých příloží byla pod 1 kg. Posouzení vlivu velikosti přílože na emise znečišťujících látek. Byly zvoleny kusy nad 2 kg a kusy pod 1 kg. Tento vliv byl posuzován u vybraného paliva, kterým byla borovice. Posouzení souvislosti mezi teplotou v komíně a hmotnostní koncentrací znečišťujících látek u jednotlivých druhů paliv. Palivo se skládá ze tří základních složek: hořlaviny, vody a popelovin, které tvoří tzv. hrubý rozbor paliva pro nějž platí: kde : W + A + h = 1 (kg.kg -1 ), W je voda obsažená v palivu, A jsou inertní popeloviny v palivu, H je hořlavina ( část palivové hmoty obsahující uvolňující teplo). Obsah vody, popela a prchavé hořlaviny byl stanoven dle postupů uvedených v [6]. Výsledky stanovení jsou uvedeny v Tab. 1. Obsah vody stanovený u vzorků dřeva laboratorně byl nižší než byl při měření dřevařským vlhkoměrem během spalovacích experimentů, protože zkouška byla prováděna později a dřevo bylo uloženo v laboratoři, kde docházelo k vysoušení. Hodnoty vlhkosti měřené dřevařským vlhkoměrem během spalovacích experimentů ukazovaly průměrnou vlhkost paliva přibližně v rozsahu 1-2 hm.%. / 44 /
Tab. 1 : Výsledky hrubého rozboru paliv. Typy dřeva Stanovení Voda* Popel* Prchavá hořlavina* Bříza 16,3,44 73,9 Borovice 18,6, 68,7 Brikety 1,6,2 73,2 * hmotnostní procenta Naměřené hodnoty koncentrací znečišťujících látek ve formě objemových zlomků byly dle následujícího vztahu přepočteny na hmotnostní koncentrace za normálních stavových podmínek a referenčního obsahu kyslíku ve spalinách, který je pro spalování dřeva 11 obj.%: ρ N, r ( ZL) pn R T ϕ ϕ( ZL) M ( ZL) ϕ ( O2) ϕr ( O2 ) ( O ) ϕ ( O ) air =, N air 2 m 2 kde: ρ N,r (ZL) je hmotnostní koncentrace znečišťující látky při vztažných podmínkách, p je normální tlak (11,32 kpa), R plynová konstanta (8,314 J.mol -1.K -1 ), T N normální teplota (273,1 K), φ(zl) objemový zlomek znečišťující látky v suchém odpadním plynu zjištěný měřením, M(ZL) molární hmotnost znečišťující látky, φ air (O 2 ) objemový zlomek kyslíku v suchém spalovacím vzduchu, φ r (O 2 ) referenční objemový zlomek kyslíku pro vztažné podmínky, φ m (O 2 ) objemový zlomek kyslíku v suchém odpadním plynu zjištěný měřením. VÝSLEDKY A DISKUSE Vliv jednotlivých druhů paliv na koncentrace znečišťujících látek Průměrné hodnoty hmotnostních koncentrací znečišťujících látek, které byly sledovány u jednotlivých druhů paliv po dobu trvání experimentu (tedy po dobu šesti hodin), jsou uvedeny na Obr. 1. hmotnostní koncentrace/g.m -3 7 6 4 3 2 1 CO hmotnostní koncentrace/g.m -3 hmotnostní koncentrace/g.m -3,18,16,14,12,1,8,6,4,2 NOx SO2 BŘÍZA BOROVICE BRIKETY BŘÍZA BOROVICE BRIKETY Obr. 1 Průměrné hodnoty hmotnostních koncentrací sledovaných znečišťujících látek pro jednotlivá paliva. / 4 /
Jak je vidět na Obr. 1, průměrné hmotnostní koncentrace NO x byly pro všechna paliva v rozmezí,8,12 g.m -3, což je hodnota velmi nízká. Emisní limit pro propůjčení známky Ekologicky šetrný výrobek udává pro spalování biomasy hodnotu 2 mg.m -3, která je bezpečně splněna. Z provedených měření navíc vyplývá, že koncentrace NO x není tak citlivá na provozní režim kamen jako je tomu u dále diskutovaného CO. Průměrná hmotnostní koncentrace SO 2 je obdobná pro břízu i pilinové brikety (,14 g.m -3 ), zatímco pro borovici je nižší (,3 g.m -3 ). Vzhledem ke skutečnosti, že obsah síry nebyl v palivech stanovován, nelze doložit předpoklad poněkud nižšího množství síry v borovém dřevu oproti bříze a borovici. Hmotnostní koncentrace CO, která indikuje správné nastavení spalovacího procesu byla u všech testovaných paliv přibližně stejná, což je ve zdánlivém rozporu s Obr. 1. Výrazně vyšší hodnotu koncentrace CO dosažené při spalování briket je možno vysvětlit z průběhu spalovacího experimentu, kdy došlo k pozdnímu přiložení do téměř vyhaslých kamen. Nová přílož tak byla pomalu ohřívána, přičemž došlo k odplynění prchavých podílů za nízké teploty v topeništi, které se projevilo na razantním nárůstu koncentrace CO. Tato skutečnost je patrná na Obr. 2 pro hodnotu z intervalu měření 4: 4:3. V případě CO je emisní limit pro propůjčení známky Ekologicky šetrný výrobek 2 mg.m -3, čehož nebylo dosaženo ani pro jedno měřené palivo. Závislost průměrných půlhodinových hmotnostních koncentrací na čase měření pro všechna paliva je uvedena na Obr. 2. 2 CO hmotnostní koncentrace/g.m -3 2 1 1 :3 1: 1:3 2: 2:3 3: 3:3 4: 4:3 : :3 čas/hh:mm briketa břiza borovice Obr. 2: Závislost průměrných hmotnostní koncentrací na půlhodinových intervalech měření. Z uvedeného obrázku je patrné, že koncentrace CO je při standardním průběhu spalování srovnatelná pro všechna sledovaná paliva, značný nárůst koncentrace CO po 4. hodině pro brikety byl popsán výše. Vliv velikosti přílože na koncentraci oxidu uhelnatého Vliv velikosti přílože na koncentraci CO je zobrazen na Obr. 3. Přestože je koncentrace CO značně rozkolísaná pro obě velikosti paliva, nelze z provedených měření usoudit jednoznačnou závislost mezi velikostí polen a koncentrací CO. Sledovaný průběh indikuje, že převažující vliv má správné přiložení, tj. přiložení ve vhodný čas, kdy ještě nepoklesla teplota v ohništi pod mez, která je potřebná pro rychlé rozhoření nové přílože. Dojde-li k poklesu pod tuto teplotu, koncentrace CO značně narůstá nezávisle na tom, jak velká (ve sledovaném rozsahu) je přílož. / 46 /
7 hmot. koncentrace CO/g.m -3 6 4 3 2 1 :3 1: 1:3 2: 2:3 3: 3:3 4: 4:3 : :3 6: čas/hh:mm CO velká CO malá Obr. 3: Vliv velikosti přílože borového dřeva na hmotnostní koncentraci CO. Souvislost mezi teplotou v komíně a hmotnostní koncentrací znečišťujících látek ve spalinách Uvažovanou znečišťující látkou je v této části pouze CO jako převažující znečišťující látka. Hmotnostní koncentrace CO je spolu s teplotou v komíně během spalování borového dřeva uvedena na Obr.4. Z obrázku je patrné, že při přiložení paliva do kamen dojde nejdříve k prudkému nárůstu koncentrace CO vlivem odplynění nového paliva. Spalování uvolněných plynů po krátké době značně zvýší teplotu v komíně, a tedy i v topeništi. Odezva přílože paliva do kamen se na teplotě v komíně projeví s určitým zpožděním, protože nejprve dochází k vysoušení paliva a uvolňování prchavé hořlaviny, a pak teprve dochází k zapálení a hoření paliva. Jak dochází k postupnému odhořívání nové přílože, teplota pozvolně klesá za současného pozvolného nárůstu koncentrace CO. Tyto děje se cyklicky opakují s novými příložemi. Závěrem lze říci, že se snižující teplotou v komíně, a tedy i v topeništi, roste hmotnostní koncentrace CO. teplota v komíně/ C 18 16 14 12 Borovice 2 2 1 1 hmotnostní koncentrace/g.m -3 1 : 1: 2: 3: 4: : čas/hh:mm t přílož CO Obr. 4: Závislost hmotnostní koncentrace CO a teploty v komíně na době měření při spalování borovice. ZÁVĚR Příspěvek je zaměřen na sledování emisí vybraných znečišťujících látek (CO, NO x a SO 2 ) vznikajících při spalování paliv na bázi dřeva ve spalovacích zařízeních malých výkonů. Snahou bylo sledovat emise krbových kamen za obvyklých provozních podmínek v domácnosti při spalování borového a březového dřeva a pilinových briket. / 47 /
Ze spalovacích experimentů provedených se všemi palivy, během nichž bylo kontinuálně měřeno složení spalin a teplota v komíně, vyplývá, že za obvyklých provozních podmínek je vliv velikosti přílože paliva, stejně jako vliv druhu paliva na koncentraci sledovaných znečišťujících látek zanedbatelný. Nejvyšší koncentrace znečišťujících látek vznikají při rozhořívání a dohořívání přílože paliva, tedy v době, kdy teplota v topeništi (v této práci indikovaná teplotou v komíně) dosahuje nejnižších hodnot. Optimálního režimu spalování z hlediska minimalizace tvorby znečišťujících látek lze tedy dosáhnout především rovnoměrným přikládáním paliva do kamen, které zabrání nežádoucímu poklesu teploty v ohništi. Je však patrné, že tento zdánlivě jednoduchý požadavek nebývá při běžném provozu často splněn. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla díky finanční podpoře Ministerstva mládeže, školství a tělovýchovy ČR v rámci projektu číslo MSM 64613734. POUŽITÁ LITERATURA [1] NOSKIEVIČ, P a kol. (1996): Biomasa a její energetické využití, VŠB-TUO [2] PASTOREK, Z., KÁRA, J., JEVIČ, P. (24): Biomasa, obnovitelný zdroj energie, FCC Public [3] BAŠTA, J., BROŽ, K., CIKHART, J., ŠTORKAN, M., VALENTA, V. (21): Topenářská příručka, GAS s.r.o., Praha [4] TEKÁČ, V. (23): Doktorská disertační práce, VŠCHT Praha [] POSPÍŠIL, M. (26): Spalovací procesy, VŠCHT Praha [6] Kolektiv autorů (1981): Laboratorní cvičení z koksárenství a plynárenství, SNTL / 48 /