KONTINUÁLNÍ MĚŘENÍ VLHKOSTI BIOMASY Pavel Janásek Existují přístroje a zařízení, které umožňují poměrně spolehlivě měřit vlhkost různých materiálů. Na druhou stranu kontinuální měření vlhkosti v biomase je oblast, která není v současné době dostatečně prozkoumána. Tento příspěvek popisuje experimenty, ve kterých je pozornost věnována testování měřícího přístroje, jenž umožňuje kontinuální měření vlhkosti v biomase. Klíčová slova: biomasa, kontinuální měření, vlhkost biomasy, experimenty ÚVOD Problematika měření vlhkosti různých materiálů, resp. paliv je stále více diskutované téma. Při měření vlhkosti rozlišujeme dva různé druhy vlhkosti. tj. relativní rovnovážnou vlhkost a absolutní vlhkost daného materiálu. Relativní rovnovážná vlhkost látek udává rovnovážný stav materiálu s relativní vlhkostí okolního vzduchu a zároveň při tomto stavu již žádnou vlhkost materiál nepřijímá, ale také ani žádnou nevydává. Absolutní materiálová vlhkost charakterizuje procentní obsah vody v materiálu, jenž je vztažený na celkovou hmotnost, případně u některých látek vztažený na sušinu tj. na hmotnost vysušeného vzorku. Téměř všechny látky v našem okolí jsou hygroskopické. To znamená, že nasávají do sebe vlhkost z prostředí, nebo naopak vlhkost odevzdávají. Je také všeobecně známo, že vlhkost paliva souvisí s výhřevností, což je údaj, který je pro nás významný. Při komplikacích se zařízením kvůli vlhkému palivu je cenným údajem hodnota vlhkosti paliva, čímž se můžou snížit výpadky daného zařízení. Kromě toho je zde také nutnost měřit vlhkost již u nákupu paliva, jelikož při příliš vysokém obsahu vody se zvýší také nákupní cena paliva. V případě sušení materiálu je na základě měření možnost optimalizovat jeho obsah vlhkosti. Není potom nutnost sušit materiál příliš dlouho a prodávat tím levně. Pokud je nezbytností měřit obsah vlhkosti v palivu, je možnost v praxi aplikovat některý z dostupných přístrojů. SOUČASNÝ STAV MĚŘÍCÍ TECHNIKY Přístroje, které se používají pro měření vlhkosti různých materiálů, ať už mobilní nebo stacionární, využívají princip odporu nebo tenzometrie. Také je využívána kombinace principů termografie a vážení, kde je zaznamenána počáteční hmotnost a hmotnost vzorku po sušení a následně lze z těchto údajů vypočítat vlhkost materiálu. V případě měření obsahu vlhkostí u materiálů, které mají konstantní hustotu (písek, moučka, atd.) lze uplatnit výše zmiňovaný princip měření. Např. u sádry nebo u materiálů, které mají chemicky vázanou vodu, se u přístrojů kromě infračerveného zářiče přidává křemenný tepelný zdroj, aby s využitím vysoké teploty (až 380 C) narušil chemické vazby a vysušil ve vzorku vázanou krystalickou vlhkost. U paliv z fytomasy a dendromasy není možné používat stejně vysoké teploty, jelikož by se kromě vody uvolňovala taktéž prchavá hořlavina. Skutečné množství potřebného paliva roste s výkonem spalovacího zařízení. U spalovacího zařízení velkého výkonu, které spaluje biomasu, je palivo dočasně skladováno v zásobníku, do kterého se podle potřeby dopravuje palivo ze skládky a současně je palivo dopravováno do spalovacího zařízení. Pokud rostou požadavky na palivo, je důležité znát vlhkost paliva, která nám dále určuje výhřevnost spalovaného paliva a tím i jeho potřebné množství. Pro provoz spalovacího zařízení je okamžitá spotřeba paliva cenným údajem. Proto je důležité změřit skutečnou a aktuální hodnotu vlhkosti paliva. V praxi ale dosud není znám způsob, jak kontinuálně měřit vlhkost paliva. Ing. Pavel Janásek, VŠB-Výzkumné energetické centrum, 17.listopadu 15/2172, Ostrava, e-mail:pavel.janasek@vsb.cz /39/
PŘÍSTROJ PRO KONTINUÁLNÍ MĚŘENÍ OBSAHU VODY A JEHO VYUŽITÍ V souvislosti s touto problematikou byl do zkušebního provozu uveden přístroj, který využívá principu radiačního měření. U tohoto rozměrově malého přístroje jsou v cca 20-30 cm kulovité oblasti zaznamenávány počty impulsů, které jsou důležité pro zjištění vlhkosti v měřeném palivu. Tento přístroj byl umístěn na zásobníku s dřevní hmotou a na snímacím zařízení byly kontinuálně zaznamenávány počty impulsů. Pro ověření správnosti funkce měřícího zařízení byly také ve stejné výšce zásobníku odebírány vzorky paliva. Ty byly odebírány v intervalu 15 minut. Každý vzorek se dále dělil na dvě části. První část vzorku byla analyzována v místní laboratoři a pro ověření správné hodnoty vlhkosti byla analýza provedena také na Výzkumném energetickém centru. Obě laboratoře se řídily metodikou pro stanovení sušiny ve dřevě, jejíž princip je založen na vážkovém stanovení obsahu sušiny (resp. vlhkosti) v daném vzorku. Ten určuje postup, který spočívá ve zvážení váženky (cca 10g) vzorku, který se dále suší při 105 ± 2 C do konstantní hmotnosti po dobu dvou hodin. Po vysušení a ochlazení v exikátoru se váženka se vzorkem zváží a vypočte se vlhkost. Na Výzkumném energetickém centru bylo využito novějšího přístroje pro stanovení vlhkosti - analyzátor HR 73. Tento analyzátor může být použit ke stanovení obsahu vlhkosti prakticky jakékoliv látky. Přístroj pracuje na principu termografie a na váhovém principu. Na počátku měření stanoví analyzátor vlhkosti počáteční hmotnost vzorku, vzorek je pak rychle ohříván zabudovanou halogenovou sušící jednotkou a vlhkost se odpařuje. Během sušení přístroj stanovuje hmotnost vzorku. Výslednou hodnotou je hodnota vlhkosti nebo sušiny. Analyzátor má zabudovanou databázi pro sušící metody, která ukládá nastavení parametrů pro specifický rozměr. Také charakter sušení může být přizpůsoben typu vzorku. Na tomto analyzátoru byly dodrženy všechny parametry dle metodiky pro stanovení sušiny ve dřevě. Analyzátor má zabudovanou vyhodnocovací jednotku s tiskovým výstupem a proto byl daný výsledek k dispozici ihned po měření. ZPRACOVÁNÍ A VYHODNOCENÍ EXPERIMENTŮ Všechny vzorky a jejich hodnoty vlhkostí z obou laboratoří, včetně počtu impulsů byly vyhodnocovány a následně zpracovány do grafů. Z grafu 1 je zřejmé, že počet impulsů převyšuje hodnotu reálných vlhkostí a také je možné shlédnout, že charakteristiky křivek nejsou navzájem totožné. V první fázi nebyl původní záměr porovnat jednotlivé měření vlhkosti z obou laboratoří a počty impulsů z měřícího přístroje, ale zkalibrovat měřící přístroj pro další měření. Proto byl na základě první série měření přístroj zkalibrován. POROVNÁNÍ VLHKOSTÍ 180 160 VLHKOST [%], POČET IMPULSŮ [i/s] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 VZORKY 1. LABORATOŘ 2. LABORATOŘ MĚŘÍCÍ PŘÍSTROJ Graf 1 Vlhkosti a počty impulsů u jednotlivých vzorků v první sérii měření /40/
Po kalibraci přístroje následovala další série měření. Aby se předešlo případným rozdílům ve výsledcích mezi jednotlivými laboratořemi, byla upravena metodika analýz odebraných vzorků tak, že se každý vzorek nechal sušit po dobu potřebnou k důkladnému vysušení. Této teorii odpovídá skutečnost, že vlhkost v palivu se již dále nevypařuje, pokud se diference hmotnosti daného sušeného vzorku v čase nemění. Na základě tohoto principu bylo větší množství vzorku umístěno v sušící peci. Ta byla spolu se vzorky umístěna na váhovém mostu, který po celou dobu zaznamenával hodnotu hmotnosti. Tímto způsobem bylo možno efektivně sledovat ustálení hmotnosti v čase. Při stejné teplotě (105 ± 2 C) byl každý vzorek sušen v peci 2-3 dní. Výsledky shrnuje Tab. 1. Tab. 1 Zpracované výsledky z měření Číslo vzorku Údaj z měřícího přístroje Vlhkost z 1.laboratoře [%] Vlhkost z 2.laboratoře [%] Vlhkost z analyzátoru vlhkosti HR 73 [%] (průměr) 1 39,18 56,3-2 54,78 58,6 53,52-3 48,46 56,5 56,615-4 71,26 58,8 57,91-5 49,39 57,6 54,52-6 46,31 58,9 57,16-7 43,00 58,7 55,315-8 51,28 57,7 56,155-9 53,11 59,0 58,13-10 33,78 58,2 56,7 57,265 11 77,84 58,0 56,255 58,62 12 69,28 57,8 56,885 53,34 13 44,46 57,1 51,65-14 65,63 57,7 55,18 52,27 15 81,21 60,0 58,825-16 84,54 59,1 54,9-17 76,01 62,0 58,025 - V pravém sloupci tabulky jsou údaje z analyzátoru vlhkosti HR 73, které byly pro kontrolu u vybraných vzorků zaznamenány. Je zřejmé, že hodnoty vlhkostí z obou laboratoří jsou téměř totožné. Po této druhé sérii zkoušek tj. po kalibraci měřícího přístroje se i hodnoty počtu impulsů upravily. Pro lepší představu jsou výsledky zpracovány v grafu 2. POROVNÁNÍ VLHKOSTÍ 90 80 VLHKOST [%], POČET IMPULSŮ [i/s] 70 60 50 40 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 VZORKY MĚŘÍCÍ PŘÍSTROJ 2. LABORATOŘ 1. LABORATOŘ Graf 2 Vlhkosti a počty impulsů u jednotlivých vzorků v druhé sérii měření V souvislosti s rozsahem údajů je možno se zaměřit na hodnoty počtu impulsů z měřícího zařízení. Pokud bychom brali v úvahu že po první sérii zkoušek byl měřící přístroj zkalibrován a počet sledovaných impulsů by /41/
dále měl být roven hodnotě vlhkosti, nesměla by tudíž tato hodnota vlhkosti přesáhnout hodnotu 100 % (to se v první sérii měření běžně vyskytovalo). Toto tvrzení o správnosti měření a kalibraci přístroje je zřejmé při pohledu na graf 2, kde žádná hodnota počtu impulsů již nepřevyšuje zmíněnou hranici. Na druhou stranu se ani v tomto případě nepodařilo získat hodnoty počtu impulsů, které by byly v souladu se skutečnou hodnotou vlhkostí vzorků. Výše popsané experimenty nepotvrdily přesnou funkci měřícího zařízení. Ověřování přesnosti je dáno časem, který je nutný pro testování tohoto zařízení, aby výsledky byly reprezentativní. KALIBRACE VLHKOMĚRU Pro uvedení dané technologie do praxe je také důležité přesně zkalibrovat měřící přístroj. Na základě experimentů lze usoudit, že pro tento účel není vhodné měřič vlhkosti biomasy aplikovat v místech, kde se u materiálu v čase mění jeho vlhkost (viz. zásobník dřevní štěpky) a navíc je pro přesnou kalibraci vhodné otestovat různé druhy materiálů. V souvislosti s touto problematikou bylo sestrojeno stacionární zařízení, které slouží nejen pro měření vlhkosti biomasy, ale také pro otestování a kalibraci samotného vlhkoměru. V tomto zařízení je umístěn odjímatelný koš pro biomasu a je zde samozřejmě umístěn i vlhkoměr, který je z hlediska požadavků radiační ochrany trvale stíněný (viz Obr. 1). Legenda: 1 stínění obvodové 2 stínění spodní 3 stínění horní 4 zářič (trvale zabudovaný) 5 koš pro biomasu 6 bezpečnostní zámek Obr. 1 Schéma stacionárního zařízení pro měření vlhkosti biomasy Na tomto zařízení bude testováno několik materiálů, jež se budou navzájem lišit. Pro sestrojení kalibrační křivky bude nutné znát několik hodnot vlhkostí. K tomuto účelu bude v metodice měření obsahu vody v biomase začleněná topná jednotka, v které se vzorky biomasy budou sušit na požadovanou hodnotu vlhkosti. Pro kontrolu se budou data ze stacionárního mařícího zařízení porovnávat s analyzátorem vlhkosti HR 73. Na základě získaných kalibračních křivek je možno specifikovat správnou funkci vlhkoměru. /42/
ZÁVĚR Na našem trhu je možnost shlédnout přístroje a zařízení, které umožňují poměrně spolehlivě měřit vlhkost různých materiálů. Na druhou stranu kontinuální měření vlhkosti v biomase je oblast, která není v současné době dostatečně prozkoumána. V našich experimentech byly odebírány vzorky, které se analyzovaly v laboratořích a na základě zpracovaných výsledků bylo provedeno vzájemné porovnání výsledků z měřícího zařízení a skutečných hodnot vlhkostí ve dřevě obsažené. První měření bylo určeno ke kalibraci měřícího přístroje a následně byla provedena druhá část měření. Druhá série měření přinesla více přijatelné výsledky, přestože charakteristika výsledných počtů impulsů nebyla v souladu s charakteristikou vlhkosti z průběhu měření. Na základě těchto experimentů byla provedena konstrukce zařízení, které upřesní správnou funkci kontinuálního měřiče vlhkosti v biomase. Pokud tyto zkoušky budou mít pozitivní výsledky, kontinuální měření biomasy bude možno úspěšně aplikovat v praxi. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Energie z biomasy, GAČR 101/03/H064 POUŽITÁ LITERATURA [1] JANÁSEK, P. Alternativní paliva z biomasy. In Sborník příspěvků ze semináře: Možnosti energetického využití biomasy. Visalaje 27.-29.4.2005. s 28-36. ISBN 80-248-0834-X. [2] FS-3 Vlhkoměr dřevěných štěpků, přístroj pro laboratorní a terénní měření, fa. Ekotechnika, www.ekotechnika.cz /43/
/44/