ĚŘENÍ VLHKOSTI V ENERGOPLYNU Ing. aek Baláš, Ing. atin Lisý V tomto článku je teoeticky popsán poblém měření vlhkosti v enegoplynu. Po plyn geneovaný zplyňovací jednotkou Biofluid 100 je zde vybána metoda a navžena měřící tať, kteá mimo měření vlhkosti řeší i znečistění plynu dehty, pachem a dalšími nečistotami. Dále jsou zde vzoce po zjištění obsahu vody v plynu, kteých použijeme po kontolní výpočty a tak povedeme kontolu měření. Klíčová slova: biomasa, měření, vlhkost plynu, zplyňování ÚVOD Zmenšující se zásoby ušlechtilých fosilních paliv a zvyšující se zátěž atmosféy uvolňovaným CO ze spalovacích pocesů vedou ve světě k maximálnímu šetření pimáních enegetických zdojů a k jejich náhadě altenativními palivy. Pespektivním enegetickým zdojem v České epublice jsou ůzné fomy obnovitelné biomasy a odpady. I když v budoucnosti nemohou být u nás tyto zdoje dominantní, počítá se s nimi jako s doplňkovými egionálními zdoji užitné enegie tj. tepla nebo tepla a elektřiny. Výhodou této koncepce je vedle enegetického efektu též ekologická likvidace těchto altenativních paliv. Nejozšířenější možností využití altenativních paliv je jejich spalování s přímým využitím tepla nebo s použitím paní tubíny s výobou elektické enegie. Duhou možností je zplyňování biomasy a odpadů a následné využití geneovaného plynu v plynových motoech nebo plynových tubínách. ožnosti využití plynu vzniklého zplyňováním biomasy po následnou výobu elektické enegie bání především poblémy související s čištěním tohoto poduktu. Zplyňovací geneáto na zplyňování biomasy a pevných odpadů používaný k pokusným účelům na OTJEZ EÚ je atmosféického fluidního typu. Používá se po zplynování ůzných duhů odpadních mateiálů z komunální sféy, dřevozpacujícího půmyslu nebo zemědělské výoby. Výsledkem zplyňovacího pocesu je plyn, v němž jsou jako hlavní složky zastoupeny H, CO, CO, CH 4, N, H O, vyšší uhlovodíky, případně H S a NH 3. Složení a výhřevnost plynu jsou závislé na složení biomasy, vlhkosti, způsobu zplyňování, ganulometii biomasy a na dalších faktoech. Po jejich učení existují ůzné výpočtové modely, jejichž přesnost se dá ověřit pouze měřením. Výhřevnost tohoto plynu se mění v ozmezí od 5 do 7 J/m n3. Vyšší obsah H O a CO ve vyobeném plynu způsobuje pokles jeho výhřevnosti. Čištění a úpava plynu je velkým poblémem při enegetickém využití geneátoového plynu ve spalovacích tubínách a motoech. URČENÍ VLHKOSTI V PLYNU Důvodů, poč zjišťovat obsah vody v plynu je několik. Vlhkost plynu má na následný poces zplyňování negativní vliv snižuje výhřevnost plynu, kondenzuje na stěnách potubí a zařízení, takže způsobuje koozi a společně s dehty a pachem zařízení zanáší. Obsah vody v plynu také učuje teplotu osného bodu. Dále potřebujeme vlhkost znát kvůli celkové bilanci zplyňovacího geneátou. V dalším výzkumu na OTEZ EÚ se budeme věnovat přidáváním vodní páy do zplyňovacího pocesu a zkoumat její vliv na výhřevnost. Při těchto pokusech bude přímo nutné vlhkost plynu měřit. Učování vlhkosti v enegoplynu je poblematické. Vlhkost můžeme buď teoeticky učit z pvkové bilance, nebo učit expeimentálně. Oba tyto postupy mají své po a poti. ĚŘENÍ OBSAHU H O V PLYNU Jak je napsáno výše, plyn tvoří nejen pvky přispívající ke kvalitě plynu (H, CO, CH 4, C H 6 ) a pvky snižující výhřevnost plynu (CO, N ), ale i pvky a sloučeniny škodlivé: H O nejen snižuje výhřevnost, ale také kondenzuje na stěnách zařízení a tak způsobuje koozi vyšší uhlovodíky (dehet, benzen, toluen, xylen, ) asi % amoniak Ing. aek Baláš, Ing. atin Lisý, VUT v Bně Fakulta stojního inženýství,technická, Bno, balasm@centum.cz - 151 -
pevné částice (popeloviny, nedopal) vytváří nánosy na stěnách zařízení, zanášejí ložiska atp. sloučeniny síy, dusíku, chlóu (většinou kyseliny) alkalické kovy, křemík UNIVERZÁLNÍ ETODA ĚŘENÍ VLHKOSTI Většina běžných metod měření vlhkosti, je po naše účely nepoužitelná pávě po znečištění plynu (hlavně pachem a dehty). Jednou z měřících metod, kteá se po náš plyn může použít, je univezální metoda měření vlhkosti. Jde o obdobu Gavimetické metody. Tato metoda umožňuje měřit vlhkost za ůzných tlaků a teplot. Pincip metody spočívá v kondenzaci veškeé vody v odlučovácích při vychlazení plynu na 0 C a výpočtu elativní vlhkosti ze známého množství vody a potečeného plynu [ 1 ]. Celá měřící apaatua (ob. 1) se skládá ze sondy (děovaná tubka) (1), šktícího ventilu (), odlučováků vody(3 a 5), chladiče (4), ohříváku (6), tlakoměu (7), psychometu (8), plynoměu (9) a odsávací ventiláto (10). Ob. 1 - Apaatua po univezální měření vlhkosti plynu Při měřeni se seřídí ventily tak, aby absolutní tlak p 1 před psychometem byl blízký atmosféickému. Dále se vyeguluje chladič, popř. ohřívák tak, aby vlhký teplomě psychometu udával teplotu τ i > 0 C. Zařízeni se takto nechá v povozu po dobu asi 10 min, přičemž se v intevalech 0,5 až 1 min odečítají hodnoty p 1, t 1, τ 1 a měří absolutní tlak p i teplota t v kanále, kde zjišťujeme vlhkost. Po skončeném pokusu učíme vážením množství vody G [kg], kteé se zachytilo v odlučovácích a z údajů počitadla plynoměu zjistíme objem potečeného plynu V [m 3 ]. Z odpočtu údajů na ostatních přístojích vypočítáme aitmetické půměy a elativní vlhkost ϕ vypočítáme z empiické ovnice (1) podle lit [ 1 ]. ϕ = 1+ 47,1 p p p 1 p1 G V ( t + 73,15) ϕ ρ 1 1 1 ( 1 ) kde p // a p // 1 jsou tlaky syté vodní páy po teploty t a t 1 ρ // 1 je hustota syté vodní páy při teplotě t 1 φ 1 je elativní vlhkost učená psychometem teplota plynu v měřící tati t 1-15 -
Výhodou této metody je značná univezálnost a přesnost měření, nevýhodou je delší tvání pokusu a nemožnost zjištění okamžité hodnoty vlhkosti. Zjištěná vlhkost je půměnou hodnotou a v případě ychlých změn vlhkosti nevystihuje skutečnost. ÚPRAVA ĚŘÍCÍ TRATI K aplikaci této metody na měření musíme tať upavit. Jak již bylo dříve napsáno, plyn vzniklý v našem fluidním zařízení obsahuje velké pocento dehtů a pachu, kteé by zanesly a ucpaly celou tať. Poto je třeba na začátek tati umístit filt po odstanění těchto nečistot. Filt však musí plnit několik podmínek: nesmí absobovat ani uvolňovat žádnou vlhkost nesmí do plynů uvolňovat své exhalace a pach nesmí plyn zchladit pod teplotu osného bodu musí filtovat hlavně dehty a pach, případně amoniak, sloučeniny síy, dusíku a chlóu nesmí být filtovány hlavní pvky plnu (H, CH 4, CO) Zvolili jsme kombinovaný filt s olejem a aktivním uhlím. Jako olej jsme použili metyl-este řepkového oleje (základní vlastnosti obsah vody 0,01% hm., bod vzplanutí 180 C). Důležitou vlastností oleje je jeho minimální těkavost, aby jeho výpay neovlivňovali složení plynu. Úkolem olejového filtu není jen filtace od pachu, dehtů a jiných nečistot, ale také ochlazení plynu na pacovní teplotu aktivního uhlí. Vzhled tvaované uhlí, ganule Sypná hmotnost po setřesení 450 +/- 5 kg/m 3 aximální použitelná teplota 90 C Půmě ganulí cca 4 mm Obsah vody (při balení) max. 6 % Specifický povch cca 1100 m /g Půtočné množství 19 m 3 /h Ob. - Technická specifikace aktivního uhlí Silcabon SIL 40 Aktivní uhlí bylo vybáno uhlí Silcabon SIL40 fimy Silcabon CZ. Jeho technická specifikace je v tabulce ne Ob.. Uhlí je v filtační patoně od fimy KS Klima-sevice. Nádoba filtu je vyobena z plechu a je na ni kladen požadavek, aby se teplota stěn pohybovala nad teplotou osného bodu. Pak by na stěnách docházelo ke kondenzaci vody a dehtů a naměřená vlhkost by byla ovlivněna velkou chybou. Poto byla nádoba vyobena jako dvouplášťová. ezi dvěma stěnami je voda, jejíž teplota se blíží bodu vau. Celá nádoba je zaizolována buničitou tepelnou izolací a během pokusu neustále přihřívána, aby teplota stěn nepodkočila námi požadovanou teplotu. Odlučováky jsou dvě skleněné pobublávačky naplněné skleněnými kuličkami po větší chladící plochu kontaktu s plynem. Jsou chlazeny nasyceným oztokem vody a soli. Více odlučováků ani psychomet nejsou v této tati potřeba. Původně byla zařazena ještě jedna pobublávačka a psychomet, ale v poslední pobublávačče se již nekondenzovala žádná voda a nulová vlhkost měřená psychometem byla menší než je jeho měřící chyba udávaná výobcem. Schéma naší tati je na Ob. 3. 1 sonda a škticí ventil, filt po odstanění dehtů (olejová lázeň a patona s aktivním uhlím), 3 chlazené odlučováky vody, 6 moký plynomě a odsávací ventiláto - 153 -
Ob. 3 Schéma měřící tati ROSNÝ BOD Největším poblémem této tati je úzké teplotní pásmo použitelnosti. Jsme omezeni teplotou osného bodu, aby se nám voda nezačala kondenzovat na stěnách tati před odlučováky vody, a maximální teplotou použitelnosti aktivního uhlí. Znalost teploty osného bodu plynuje důležitá poto, aby vlhkost kondenzovala pouze v lapačích a ne před nimi na stěnách spojovacích tubek nebo ve filtu. Teplotu osného bodu zjistíme tak, že z upavené ovnice ( ) vypočteme paciální tlak syté vodní páy a v tabulkách vodní páy po tento tlak odečteme teplotu. ěná vlhkost po výpočet osného bodu můžeme získat z teoetického výpočtu. ěná vlhkost x = 311 46 ϕ p p ϕ p [ kg/kg ] ( ) φ elativní vlhkost vzduchu x měná vlhkost vzduchu p // paciální tlak syté vodní páy, závislý na teplotě p tlak plynu - po nasycený vzduch φ=1 - Teplota plynu [ C ] 90 80 70 60 50 40 4 6 8 10 1 14 16 18 0 ěná vlhkost plynu [ % ] Ob. 4 Závislost teploty osného bodu na vlhkosti paliva - 154 -
Podle Tuyena [ 3 ] se vlhkost plynu pohybuje v ozmezí od 9 do 16 % v závislosti na vlhkosti a duhu paliva. TEORETICKÝ VÝPOČET OBSAHU H O V PLYNU Jak již bylo napsáno, duhou možnost získání obsahu vody v plynu je výpočet z hmotnostní a pvkové bilance. Nevýhodou výpočtu množství vody v plynu je nepřesnost měření množství jednotlivých složek plynu. Výpočet povádíme několikát podle ůzných pvků. Nejpřesnější je bilance podle kyslíku, potože je v palivu a vzduchu obsažen poměně ve stejném množství a jeho bilance není zatížena špatně vyčíslitelným nedopalem. Další výpočty podle jiných bilancí jsou kontolní. Vodík je obsažen v obou složkách v malém množství a jen malá chyba jednoho bilančního toku způsobuje velkou chybu ve výsledku. Při bilanci podle uhlíku je výpočet závislý na přesnosti zjištění množství paliva, potože je v něm zastoupen ve velkém množství a ve vzduchu téměř vůbec, a na učení množství popele a přesnost množství uhlíku v něm (chemický nedopal). A při bilanci podle dusíku je poblém opačný. Relativní složení plynu je nutno v několika kocích přepočítat na stav odpovídající vypočtenému množství vody (iteace). Schéma: O CO, CO, H O BILANCE O O = pal. O W. + O H O + vzd O W. + O H O pl V pl,4 CO O CO + CO pl. V Pl O CO,4 BILANCE C A N Schéma: N N, C CO, CO, CH 4, C H 6 W H O = 1 N N V Pl,4 pal + ( C + N ) ( CO + CO + CH + C H ) + vzd 4 N 6 C V Pl,4 molání hmotnost kg/kmol vzd hmotnostní tok vzduchu kg/h pal množství paliva kg/h X hmotnostní podíl j- té složky v palivu, vzduchu a plynu % W elativní vlhkost paliva, vzduchu a plynu % - 155 -
VÝSLEDKY ĚŘENÍ Na námi navžené tati poběhlo několik měření. Výsledky z pvních měření byly ovlivněny chybami, kteé vznikly dobnými nedokonalostmi tati. Největší poblém byl s udžením teploty vnitřních stěn filtační nádoby nad osným bodem a udžení teploty filtačního oleje nad teplotou kondenzace dehtů, kteé mají v měřeném plynu největší zastoupení. Po dalších úpavách tati poběhly dvě měření, při kteých se dosáhlo požadovaných výsledků. Vlhkost paliva byla pováděna xylenovou metodou. V tabulce na Ob. 6 a 8 jsou výsledky měření a po poovnání tam jsou i výsledky vypočtené po daná paliva. 1. měření Složení paliva Složení plynu O 36,64 % hm H 13,75 % obj N 0,5 % hm CO 1,59 % obj H 5,31 % hm CO 16,63 % obj C 38,98 % hm CH 4,51 % obj W 14,5 0 % hm C H 6 0,04 % obj A 4,05 % hm N 54,48 % obj Ob. 5 Tabulka složení paliva a geneovaného plynu po pvní pokus vlhkost paliva 14,50 naměřená vlhkost plynu 13,40 vypočtená vlhkost plynu bilancí O 13,06 vypočtená vlhkost plynu bilancí C a N 1,9 Ob. 6 výsledky měření vlhkosti plynu po pvní pokus. měření % Složení paliva Složení plynu O 37,95 % hm H 13,75 % obj N 0,1 % hm CO 1,59 % obj H 5,3 % hm CO 16,63 % obj C 44,65 % hm CH4,51 % obj W 11,34 % hm CH6 0,04 % obj A 0,6 % hm N 54,48 % obj Ob. 7 Tabulka složení paliva a geneovaného plynu po duhý pokus vlhkost paliva 11,34 naměřená vlhkost plynu 13,0 vypočtená vlhkost plynu bilancí O 1,31 vypočtená vlhkost plynu bilancí C a N 1,38 Ob. 8 výsledky měření vlhkosti plynu po duhý pokus % - 156 -
ZÁVĚR Z výsledků našich pokusů je patno, že námi navžená tať po měření vlhkosti je po měření enegoplynu geneovaného v jednotce Biofluid 100 je vhodná a výsledky měření jsou v námi požadované toleanci. Po další zpřesňování metody a další ověření spávnosti výsledků je třeba změřit vlhkost enegoplynu ve větším ozsahu vlhkosti paliva (od 8 % do 35 %). Dalším kokem bude výměna filtu s aktivním uhlím a olejem hokým otápěným filtem, kde filtačním mediem je kalcinovaný dolomit. POUŽITÁ LITERATURA [1] BAŠUS V. a kol.: Příučka měřící techniky po stojíenství a enegetiku. SNTL, Paha, 1965. [ ] Holoušek J. a kol.: Temomechanika. Nakladatelství VUT v Bně, 199. [ 3 ] Tuyen N.V.: Expeimentálví a teoetický výzkum vlastností plynu ze zplyňování biomasy v atmosféické fluidní vstvě. Disetační páce VUT v Bně, 003. - 157 -
- 158 -