SPALOVÁNÍ FYTOENERGETICKÝCH ROSTLIN V KOTLI VIADRUS HERCULES ECO Ing. Pavel POLÁŠEK, Ing. Milan JEDLIČKA Vzhledem k rostoucím cenám zejména dovážených fosilních paliv je velmi pravděpodobné, že v příštích několika letech se v našem hospodářství začnou výrazněji prosazovat domácí obnovitelné zdroje. Podobně jako v zemích EU má biomasa u nás už dnes hlavní podíl na rozvoji obnovitelných zdrojů. Tento příspěvek shrnuje naše zkušenosti při spalování peletek z dřevní hmoty a dalších fytoenergetických rostlin jako je energetický šťovík Uteuša, Chrastice rákosovitá, Miscanthus, řepková sláma, obilná sláma. Výše jmenované energetické rostliny byly spalovány v kotli Viadrus Hercules ECO, a to v kombinaci s ostatními nebo samostatně. Klíčová slova: spalování, pelety, fytoenergetika, energetické rostliny, emise, spalování ÚVOD Česká republika patří podle různých analýz mezi země s velmi dobrým potenciálem pro využití biomasy jako zdroje energie. Poměrně novým zdrojem biomasy jsou porosty tzv. energetických rostlin. Tímto termínem jsou označovány botanické druhy dřevin, trvalek a bylin, jejich kultivary a sorty, přírodní i záměrní kříženci, které jsou testovány nebo již využívány pro záměrnou produkci biomasy vhodné k energetickému využití, zejména pro spalování a případně produkci bioplynu. Fenoménem posledních let se staly dřevěné pelety jejichž produkce stále narůstá. Pro zajímavost v roce 2000 vyrábělo Rakousko 60 000 tun, v následujícím roce 90 000 tun a do roku 2005 má Rakousko spalovat ročně až 350 000 tun peletek všeho druhu. Ve Švédsku se vyrábí kolem 700 000 tun ročně a peletky se zde spalují nejen v malých topeništích, ale i ve velkých výtopnách. Využívání pelet přináší komfort při obsluze kotle, kdy jedinou povinností obsluhy je starost o naplnění zásobníku palivem a výběr popela, kterého při spalování biomasy nevzniká mnoho (0,5 až 1% hmotnosti paliva). Spalování biopaliv je tzv. CO 2 neutrální. To znamená, že CO 2, které se uvolní při spalování, je zpátky navázáno na biopalivo při jeho pěstování. Emise ostatních znečišťujících látek jsou také velmi nízké. V současné době jsou na trhu téměř výhradně pelety ze dřeva, které se vyrábějí z odpadního dřeva (piliny, hobliny atd.). Do budoucna se nabízí využít k výrobě pelet energetické rostliny, které by byly cíleně pěstovány na nevyužitých zemědělských plochách. Pěstované energetické rostliny lze rozdělit na dřeviny a byliny. Při spalování dřevin můžeme očekávat obdobné výsledky jako u nyní používaných dřevěných peletek a jak známo, tak výsledky měření jsou velmi příznivé. Ovšem nesmíme zapomínat na cenu založení takové plantáže, která není zanedbatelná a pohybuje se v desetitisících. Dalším aspektem je sklizeň, se kterou se dá počítat za tři až čtyři roky. Oproti tomu pěstování bylin je cenově výhodnější a s první sklizní se dá počítat do dvou let. Zdá se, že byliny vypadají daleko zajímavěji. Nicméně je tady jeden problém, a to spalování těchto rostlin. Ve spolupráci s VÚZT jsme provedli spalování vybraných plodin v kotli Viadrus Hercules ECO. SPALOVACÍ ZAŘÍZENÍ Vzorky byly spalovány v automatickém kotli HERCULES ECO, výrobce ŽDB a. s. Bohumín, Závod topenářské techniky VIADRUS. Kotel je instalován v těžkých laboratořích Fakulty strojní ČVUT. Vzhled kotle ukazuje obr. 1, jeho technické údaje udává tabulka 1. Kotel je určen pouze pro spalování pelet ze slisované biomasy (dřevěné piliny, kůra, odřezky, sláma). Přívod paliva do topeniště je zajištěn šnekovým dopravníkem, který je propojen se zásobníkem pelet prostřednictvím výškově přesazeného druhého šnekového dopravníku, který je opatřen regulačními prvky. Duté těleso topeniště, které je propojeno s nuceným přívodem vzduchu, je opatřeno pro přívod primárního vzduchu soustavou štěrbin v bočních stěnách a dně. Výhodou tohoto uspořádání topeniště je fakt, že nedochází k zanášení funkčního prostoru topeniště spalovaným materiálem. Ten je průběžně po spálení mechanicky odstraňován působením přiváděného čerstvého paliva. Nedochází k připékání neshořelého paliva, ani k jeho přichycování na stěny topeniště. Topeniště je shora zakryto keramickou klenbou, která usměrňuje plameny k přívodům sekundárního vzduchu. Výsledkem je dokonalejší spalování s výrazným omezením ulétavých částic. Ing. Pavel Polášek, Ing. Milan Jedlička, ČVUT v Praze, Technická 4, 166 07 Praha [71] e-mail: pavelpolasek@seznam.cz milan.jedlicka@fs.cvut.cz
Obr. 1 Spalovací zařízení spolu se zásobníkem paliva (vlevo) Tab. 1 Technické údaje spalovacího zařízení TECHNICKÁ SPECIFIKACE KOTLE Jmenovitý výkon kw 24 Regulovatelný výkon kw 7-24 Spotřeba paliva (výhřevnost 17,5 MJ.kg -1 ) kg.h -1 1,8-5,9 Výkon v režimu "útlum" kw 1,5 Spotřeba paliva v režimu "útlum" kg.h -1 0,37 Účinnost % 85 Teplota spalin C 110-170 Třída kotle dle ČSN EN 303-5 3 Emise jmen. výkonu kotle (přepočt. hodnoty na O 2 = 10%): CO mg.m -3 185 NOx mg.m-3 216 CxHy mg.m-3 14 tuhé znečišťující látky mg.m-3 23,7 Hmotnost kg 441 Obsah vodního prostoru dm 3 40,9 Doba hoření při jmenovitém výkonu h 80 Doba hoření při minimálním výkonu h 261 Rozměr kotle : šířka x výška x hloubka mm 1750 x 1404,5 x 1149 Teplota topné vody C 60-90 Komínový tah mbar 0,15-0,3 Hmotnostní průtok spalin na výstupu: při jmenovitém výkonu kg.s -1 0,017 při maximálním výkonu kg.s -1 0,011 ROZBOR PALIVA Palivo dodal Výzkumný ústav zemědělské techniky v Praze. Analýza vzorků biomasy byla provedena v laboratořích Vysoké školy chemicko-technologické v Praze, Fakulta technologie ochrany prostředí, Ústav energetiky. Výsledky byly poskytnuty VÚZT v Praze a jsou zaznamenány v tabulce 2. [72]
Tab. 2 Složení vzorků biomasy Čísla vzorků Složení 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 Voda 5,29 5,79 5,96 4,83 5,66 5,90 5,14 5,43 5,64 5,65 6,11 5,28 Prchav á hořlav ina (%) 71,48 73,06 70,57 75,61 70,64 69,58 72,45 69,36 70,65 63,32 69,59 69,18 Neprchav á hořlav ina (%) 16,49 17,47 19,55 16,50 17,06 16,82 16,07 17,86 15,57 25,09 16,56 18,19 Popelovina (%) 6,74 3,68 3,92 3,06 6,64 7,70 6,34 7,35 8,14 5,94 7,74 7,35 Spalné teplo (MJ/kg) 17,41 17,94 17,68 18,32 17,32 17,64 17,50 16,89 17,03 18,88 17,01 17,09 Cl 0,11 0,09 0,07 0,05 0,19 0,29 0,12 0,13 0,14 0,08 0,17 0,18 Výhřev nost (MJ/kg) 16,10 16,57 16,28 17,05 15,94 16,21 16,07 15,65 15,65 17,47 15,62 15,70 Měknutí popele ( o C) 1170,00 1190,00 1210,00 1100,00 1140,00 860,00 1160,00 1240,00 1150,00 1250,00 1180,00 1050,00 Tání popele ( o C) 1210,00 1200,00 1240,00 1150,00 1150,00 1290,00 1220,00 1250,00 1290,00 1290,00 1190,00 1070,00 Tečení popele ( o C) 1220,00 1210,00 1250,00 1160,00 1160,00 1290,00 1250,00 1260,00 1290,00 1290,00 1200,00 1080,00 Čísla vzorků 1 Šťov ík + sláma 1:1 12 Chrastice Složení 14 15 16 17 18 2 Miscanthus + kůra 1:1 13 Šťov ík Voda 6,10 5,79 5,58 5,60 5,97 3 Šťov ík + kůra 1:1 14 Šťovík + kůra 3:1 Prchav á hořlav ina (%) 68,52 69,13 69,86 69,33 68,51 4 Šťov ík + topol 1:1 15 Šťovík + chrastice 3:1 Neprchav á hořlav ina (%) 19,66 18,84 18,32 18,50 19,55 5 Šťovík + chrastice 1:1 16 Šťov ík + sláma 3:1 Popelovina (%) 5,72 6,24 6,24 6,57 5,97 6 Vojtěška 17 Šťovík + řepkov á sláma 3:1 Spalné teplo (MJ/kg) 17,32 16,86 16,97 16,92 17,08 7 Chrastice + topol 18 Šťovík + kůra + chrastice 66:17:17 Cl 0,14 0,15 0,17 0,18 0,13 Výhřev nost (MJ/kg) 15,90 15,46 15,58 15,53 15,70 8 Chrastice + kůra 1:1 Měknutí popele ( o C) 1210,00 950,00 1040,00 1280,00 950,00 9 Chrastice + sláma Tání popele ( o C) 1230,00 990,00 1050,00 1290,00 970,00 10 Šťov ík + 30% mleté sokolov ské uhlí Tečení popele ( o C) 1250,00 1020,00 1060,00 1290,00 1000,00 11 Šťov ík + sláma 1:1 nízký obsah v ody [73]
ANALÝZA SPALIN Experimentální měření bylo provedeno v těžkých laboratořích Fakulty strojní ČVUT v Praze. Pro účely měření bylo ve stěnách kouřovodu vytvořeno odběrové místo do kterého byla zavedena odběrová sonda. Spalované směsi byly posuzovány z hlediska emisí. Na obrázcích 2 a 3 jsou časové záznamy koncentrací emisí dvou vybraných vzorků. Jelikož měření bylo prováděno na více vzorcích a pro každý vzorek je sestaven takovýto graf, bylo by vzhledem k rozsahu příspěvku nutno ostatní grafy podstatně zmenšit a tím by byla výrazně snížena jejich vypovídací hodnota. Proto jsou naměřené veličiny přehledně seřazeny v sloupcovém grafu na obr. 4. CO(mg/m3) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 CO(mg/m3) teplota Kyslík(%x10) NOx(mg/m3) Emise šťovík a řepková sláma 800 700 600 500 400 300 200 100 kyslíkx10(%),teplota(oc),n ox (mg/m3) 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 t(min) 0 Obr. 2 Průběh měřených veličin u pelet složených ze šťovíku + řepková sláma CO,Nox (mg/m 3 ), kyslík (%x10), teplota ( o C) 350 300 250 200 150 100 50 0 Emise Dřevo teplota průměr kyslík průměr CH04 CO(mg/m3) CH04 Nox(mg/m3) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t(min) Obr. 3 Průběh měřených veličin u dřevěných pelet [74]
Množství CO a NO x přepočítáno na 11% O 2 Emise [mg/m 3 ] 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 chrastice+topol CO [mg/m3] NOx [mg/m3] Spalované vzorky Obr. 4 Naměřené hodnoty CO a NO x PRŮBĚH MĚŘENÍ Spalovací zkoušky byly prováděny již na výše zmíněném zařízení obr.1. Cílem bylo ověřit možnost spalování energetických rostlin, pokud možno s nízkými hodnotami emisí. Princip spalování v našem kotli umožňoval nastavení tzv. přikládání a dohořívání. Přikládací proces probíhal pomoci šnekového dopravníku. U pelet, které měly nadměrnou délku ( 6 až 10cm), nastal problém s pravidelností dodávky paliva do spalovací komory, proto bylo nutné pelety upravit na standardní velikost. Délka měření se odvíjela od množství jednotlivých vzorků. Průměrná doba měření byla asi dvě hodiny u každého vzorku (v případě vzorku dřeva se jednalo o šestihodinové měření). Regulace spalovacího procesu probíhala pomocí nastavení přikládání, dohořívání a klapky vzduchového ventilátoru. [75]
ZÁVĚR Na obrázcích 2 a 3 jsou znázorněny průběhy spalování dvou vzorků paliv (šťovík + řepková sláma a dřevo). Na těchto grafech je patrný rozkmit jednotlivých měřených veličin okolo střední hodnoty, který je způsoben přikládacím a dohořívacím procesem. Při přiložení dochází k nárůstu CO a poklesu NOx a v průběhu dohořívání je tomu naopak. Při měření jsme se snažili nastavit dobu přikládání, dohořívání a přebytek vzduchu tak, abychom dosáhli co nejnižších hodnot emisí pro dané palivo. Na základě vyhodnocení výsledků je možné konstatovat následující: Z hlediska směrnice MŽP č. 13/2002 (ekologicky šetrný výrobek) je obsah CO a NO x ve spalinách pro výkon do 200 kw při 11% O 2 stanoven na CO - 2000 mg/m 3 a NO x - 250 mg/m 3. V našem případě to splňuje pouze vzorek dřevěných pelet. U tohoto paliva byla koncentrace CO (při 11% O 2 ) v průměru za celou šestihodinovou zkoušku 200 mg/m 3. V případě ostatních paliv vyhovuje asi polovina vzorků pouze z hlediska CO. U ostatních vzorků byly překročeny průměrné hodnoty NO x. Všechny měřené vzorky (dřevní pelety pocházejí ze dřevozpracujícího průmyslu) jsou klasifikovány jako rychle rostoucí biomasa (biomasa má z hlediska základního prvkového složení sušiny standardní zastoupení hlavních posuzovaných prvků C, H, S, O, N. Díky tomu je zařazena do kategorie palivo [2]) a je pěstována v místech, kde docházelo nebo stále dochází ke kultivaci půdy (hnojiva, postřiky ), což má za následek obsah těžkých kovů (množství těchto prvků v biomase je obvykle stopové [2]). Vzhledem k různorodosti vzorků je nutno počítat s velkým rozptylem stopových prvků v palivu a jejich vliv na spalovací proces a následnou tvorbu emisí. Naše výsledky by tomu napovídaly (vysoké CO a u některých vzorků bílý povlak uvnitř kotle)[2]. Značně vysoké hodnoty emisí CO nám mohou indikovat pravděpodobnost výskytu vyšších koncentrací PCDD/F látek ve spalinách [2]. Palivo spalované v tomto kotli, v našem případě fytoenergetické rostliny, má zásadní vliv na výsledné emise u tohoto kotle. Citelný nárůst emisí CO jsme zaznamenali u vzorků, které obsahují 3 díly šťovíku a 1díl další plodiny. Lze říci, že tam, kde je zastoupena ve větším podílu bylina oproti dřevu (kůra, topol, dřevní štěpka) je tvorba emisí větší. Nejlepším vzorkem z hlediska emisí bylo dřevo, pro které je také tento kotel navržen. Zlepšení emisních hodnot pomocí regulace spalovacího vzduchu bylo velmi obtížné a povedlo se pouze při spalování dřevěných pelet. Regulace pomocí přikládacího a dohořivácího procesu je velmi časově náročná a každý zásah se projevuje až po několika minutách (10 15 min). Teplota spalin za kotlem se pohybuje u všech vzorků v průměru mezi 180-200 o C. Komínová ztráta je kolem 10% a ztráta mechanickým nedopalem je 0,5 1,5 % [1]. Spalování probíhalo v průměru u většiny vzorků se součinitelem přebytku vzduchu cca α = 2 a obsahem kyslíku ve spalinách kolem 11%. Pouze u jednoho vzorku (šťovík + řepková sláma v poměru 3:1) byla zaznamenána ztráta mechanickým nedopalem 2,6%. Tento nedopal byl způsoben spékáním popele. [76]
Na závěr můžeme konstatovat: Měření probíhala na větším množství vzorků, ale pouze vzorek dřevních pelet dokázal splnit požadavek, aby spalovací zařízení dodrželo směrnici pro udělení značky ekologicky šetrný výrobek. Tento vzorek se jako jediný neřadí mezi rychle rostoucí dřeviny, ale složení hořlaviny je obdobné [2]. Dle tohoto usuzujeme vliv široké škály stopových prvků na spalovací proces. Podstatné snížení emise CO a NO X bude s největší pravděpodobnosti možné hlavně úpravou spalovacích podmínek (závislost tvorby CO a toxických emisí na střední teplotě v ohništi [2]) a konstrukcí spalovacího zařízení. Za odbornou pomoc a cenné rady bychom rádi poděkovali Doc. Ing. Františku Hrdličkovi, CSc. a Josefu Havránkovi. Výsledky zde uvedené byly získány v rámci výzkumného projektu Q:1206 Kompozitní lisovaná paliva, který je finančně podporován NAZV Ministerstva zemědělství ČR a výzkumného záměru CEZ J04/98 : 212200009. CITACE LITERATURY [1] DLOUHÝ, T.:Výpočty kotlů a spalinových výměníků. Skriptum ČVUT, Praha 2002 [2] HRDLIČKA, F.:Profesorské přednášky, Biomasa zdroj obnovitelné energie.čvut, Praha 2003 [77]