Energie z biomasy V. odborný seminář Brno 2006 SPALOVÁNÍ ENERGOPLYNU NA VUT BRNO Lukáš Pravda Článek se zabývá problematikou spalování energoplynu na VUT v Brně, Fakultě Strojního inženýrství, Odboru energetického inženýrství při Energetickém ústavu. Ve stručnosti popisuje jeho výrobu, charakteristiky a složení. Podrobněji se zabývá návrhem experimentu pro jeho spalování. K produkci energoplynu na VUT v Brně je využívána experimentální jednotka atmosférického fluidního zplyňování Biofluid 100, pro jeho spalování spalovací komora navržená a vyrobená v dílnách Odboru energetického inženýrství. Klíčová slova: energoplyn, generátorový plyn, spalování, zplyňování, biopalivo, biomasa, OZE ÚVOD Technologie procesu, jejímž výsledkem je spalitelný plyn (energoplyn, generátorový plyn) z paliv obsahujících uhlík, je velmi stará. Už v roce 1812 společnost pro výrobu svítiplynu, nacházející se v Londýně, poprvé uskutečnila suchou destilaci na komerčním zařízení. První komerční protiproudý zplyňovač byl zprovozněn v roce 1839 a sloužil pro kontinuální zplyňování pevného paliva, kdy zplyňovacím mediem byl vzduch. Následoval velký vývoj protiproudých zplyňovačů s využitím pro různá paliva. Tyto zplyňovače se pak využívaly ve velkém měřítku v určitých průmyslových, elektrárenských a tepelných aplikacích, až do 20. let 20. století. ENERGOPLYN K tvorbě energoplynu dochází při zplyňování za přítomnosti zplyňovacího media (vzduch, kyslík O 2, vodní pára, kombinace předchozích) a vhodně zvolených reakčních podmínek. Energetický obsah produkovaného energoplynu z biomasy může být různý. Při zplyňování vzduchem je průměrná výhřevnost energoplynu běžně 4 6 MJ/m n3, dáno přítomností vysokého obsahu vzdušného dusíku při procesu zplyňování nízkovýhřevný plyn, při zplyňování kyslíkem lze dosáhnout průměrně výhřevnosti 14 18 MJ/m n 3 středně výhřevný plyn. Produkovaný energoplyn je úspěšně využíván jako náhradní palivo (např. jako náhrada ZP) v různých technologických procesech (cementárny, vápenky, různé pece) a šetří tak zde základní palivo. Výzkumně se ve světě zkouší využití také v teplárnách s plynovým cyklem, kde plyn slouží k pohonu tepelného motoru spalovací turbíny nebo spalovacího motoru. Ekonomický e ekologický efekt takovéto technologie je potom nejvyšší a představuje v globálním pohledu největší úspory primárních paliv. VÝROBA ENERGOPLYNU NA VUT BRNO Pro produkci energoplynu na VUT Brno je využívána experimentální jednotka atmosférického fluidního zplyňování Biofluid 100 o tepelném výkonu 100 kw t, nacházející se od roku 2000 v těžkých laboratořích Energetického ústavu Odboru energetického inženýrství. Zplyňovací generátor na zplyňování biomasy a vybraných odpadů používaný k experimentálním účelům je atmosférického fluidního typu. Tyto reaktory mají výhodu oproti typům se sesuvným ložem v možnosti použití různých paliv, včetně paliv s vyšším obsahem popela a pružnosti vůči změnám v obsahu vlhkosti a popela, nižší reakční teploty nečiní potíže s bodem měknutí popelovin a snižují vznik nánosů. U těchto reaktorů však bývá ve vyprodukovaném plynu vyšší obsah prachu a někdy i dehtů. U fluidních generátorů je maximální teplota v loži omezena teplotou měknutí popela, doba setrvání však může být podstatně delší. Technické parametry reaktoru: Výkon (v produkovaném plynu) 100 kw t Příkon ( v palivu) 150 kw t Spotřeba dřeva 40 kg/h Průtok vzduchu 150 m n3 /h Zařízení může pracovat jak ve zplyňovacím, tak i spalovacím režimu. Ing. Lukáš Pravda, VUT Brno, Fak. strojního inženýrství, Technická 2896/2, 616 69 Brno, lukas.pravda@post.cz / 109 /
SPALINY 8 CO,CO 2, C H4, DEHTY F4 A ZEMNÍ PLYN VZDUCH T106 T103 6 Pd21 F33 4 Pd23 T105 1 T102 T104 SQ 2 F32 Pd22 T107 3 T101 F31 9 7 P5 VZDUCH 5 10 Obr. 1 Schéma experimentálního zplyňovacího zařízení BIOFLUID 100 (1) zásobník paliva, (2) hrablo, (3) šnekový podavač, (4) fluidní reaktor, (5) dmychadlo, (6) cyklon, (7) šnekový podavač úletu, (8) hořák na ZP, (9) nádoba na popel, (10) elektroohřívač Tab. 1 Průměrné složení energoplynu produkovaného na VUT Brno složka CO CO 2 H 2 CH 4 C 2 H 6 C 2 H 4 C 2 H 2 N 2 O 2 x (% obj. ) 15,16 15,85 11,53 2,77 0,22 0,09 0,01 54,14 0,20 a stopová množství dalších složek: - vyšší uhlovodíky - BTX (benzen, toluen, xylen,...) - dehet - pevné částice - popeloviny, nedopal,.. - sloučeniny síry - H2S, SOx,. - sloučeniny dusíku - HCN, NH3, NOx,. - sloučeniny chloru a fluoru - HCl, HF, PCDD, PCDF,. - alkalické kovy, Si výhřevnost energoplynu: Qi d = 4,35 MJ.m n -3 hustota: ρ = 1,22 kg.m n -3 EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM Experiment je zaměřen na docílení úspěšného spalování energoplynu vzniklého zplyňováním alternativních paliv (především biomasy) na experimentálním fluidním atmosférickém generátoru Biofluid 100, s cílem dosáhnout optimální spálení plynu v experimentální spalovací komoře za tím účelem navržené, tj. dokonalé spálení při dodržení emisních charakteristik (NO x, SO 2, CO, CO 2, O 2, tuhé látky, HCl, HF, PCB, PCDD/F, PAH). / 110 /
Experimentální část se skládá z následujících dílčích etap: návrh experimentu příprava experimentu realizace experimentu zpracování výsledků experimentu zhodnocení a posouzení experimentu A) Zdůvodnění použití experimentu: Pro zajištění využití energoplynu z alternativních paliv (biomasy) jeho spalováním ve spalovací komoře je použito experimentu. Je tak učiněno z následujících důvodů: spalování energoplynu ve spalovací komoře je jedním ze způsobů jeho využití nežádoucí látky obsažené v energoplynu způsobují při jeho spalování problémy stanovení vhodného plynového hořáku a vhodných podmínek pro přímé spalování energoplynu náhrada fosilních paliv B) Popis experimentu: Energoplyn z alternativních paliv (biomasy) je odebírán z odběrového místa zplyňovacího generátoru (očekávaná teplota 200 250 C) a veden experimentální tratí do hořáku spalovací komory, viz. obr. 2. Obr. 2 Přívod energoplynu experimentální tratí do hořáku Energoplyn postupně prochází přes: (1) experimentální trať, viz obr. 2 sestává se z trubek a cyklonu pro odloučení kondenzátu z energoplynu. V místě odběrového místa je předpokládaná teplota energoplynu 200 250 C. Experimentální trať přivádí energoplyn do plynového hořáku. Na jeho konci (těsně před plynovým hořákem) jsou dvě odběrová místa pro analýzu složení energoplynu a pro měření teploty energoplynu na vstupu do plynového hořáku. (2) plynový hořák, viz obr. 3 byl zvolen plynový atmosférický ejekční hořák, který ale po prvních experimentálních měření bylo zapotřebí modifikovat. Zejména zajistit konstantní přívod primárního a sekundárního vzduchu po obvodu hořáku. Obr. 3 Plynový hořák pro spalování energoplynu / 111 /
(3) spalovací komora, viz obr. 4 jedná se o válcovou vodou chlazenou spalovací komoru navrženou spolu s plynovým ejekčním hořákem na OEI. Komora je vybavena průzorem, umožňující pozorování plamene při spalování a přívodem a odvodem vody pro chlazení spalovací komory. Obr. 4 Spalovací komora (4) komín, viz obr. 5 - slouží k analýze spalin a jejich rozptýlení do okolí. Na vstupu spalin do komína jsou umístěny odběrová místa pro analýzu spalin. Provádí se měření teploty spalin vystupujících ze spalovací komory (resp. na vstupu do komína) a analýza složení složek spalin obsahy CO, CO 2, O 2, NO x, SO 2, tuhého úletu, HCl, HF, PCB, PCDD/F, PAH. Obr. 5 Komín Teplota energoplynu i spalin je měřena digitálním teploměrem COMMETER C 0321. Přístroj je určen pro měření dvou teplot pomocí připojitelných termočlánkových sond typu K (Ni Cr Ni) v rozmezí teplot -200 1300 C s možností přímého zobrazení rozdílu obou teplot. Naměřené hodnoty jsou zobrazovány na dvouřádkovém LCD displeji a mohou být ukládány do paměti. Z paměti je lze vyvolat na displej nebo stáhnout do počítače. Rozbor složení energoplynu se provede jeho odběrem do MYŠI (skleněná nebo nerezová válcová nádoba na obou stranách opatřena uzávěry) a následnou analýzou na VŠCHT v Praze. Vlastní spalovací proces probíhá prostřednictvím plynového atmosférického ejekčního hořáku ve spalovací komoře. Plynový ejekční hořák byl zvolen s ohledem na specifické vlastnosti energoplynu, nerovnoměrný průběh zplyňovacího procesu a předpokladu autoregulačního provozu, jednoduché konstrukce a snadné výroby. Tento hořák ovšem vykazoval při prvních zkouškách velkou nestabilitu, proto bylo nutné jej upravit, především v podobě jeho zpevnění pro zajištění stabilní polohy a zajištění regulace konstantního přívodu primárního a sekundárního / 112 /
vzduchu po obvodu hořáku (směšovače a hubice plynového hořáku) a zcela změnit hubici hořáku, viz obr 6. Vlastní ejekční hořák se sestává z: trysky, směšovače a hubice hořáku. Obr. 6 Hubice plynového hořáku Analýza složení spalin z hlediska obsahů CO, CO 2, O 2, NO x, SO 2, tuhého úletu, HCl, HF, PCB, PCDD/F a PAH je prováděna externí firmou. Z komína jsou následně spaliny rozptýleny do ovzduší. V současné době probíhá měření a zpracovávání výsledků, proto zde nebylo možné uvést konkrétní výsledky měření. ZÁVĚR Výše uvedený článek navazuje na dříve uveřejněný autorův článek s názvem Návrh experimentu pro spalování energoplynu, kdy se po provedení dříve navrženého experimentu ukázalo, že je zapotřebí změnit plynový hořák a upravit spalovací komoru. Dále díky výstavbě tepelných filtrů pro čištění produkovaného energoplynu ze zařízení Biofluid 100, bylo změněno odběrového místo pro odběr čistějšího energoplynu. Dále na rozdíl od předcházejícího článku jsou zde zobrazeny fotografie jednotlivých komponent místo jejich schémat. Energoplyn lze využit jako náhradu fosilních paliv ve výrobních procesech (např. náhrada ZP v cementářských pecích, ve vápenkách, v cihelnách), a v energetice, kde nachází velmi široké uplatnění. V případě energetických zařízení může například sloužit jako předtopeniště ke klasickým kotlům na fosilní paliva, nebo jako generátor plynu určeného k náhradě fosilních plynných paliv v kogenerační výrobě elektrické energie a tepla. Energoplyn, jako náhrada ZP, lze použít pro vznětové i zážehové motory, pro spalování turbíny (po patřičných úpravách) i jako topný plyn. LITERATURA [1] Bridgwater, A. V.: The Technical and Economical Feasibility of Biomass Gasification for Power Generation, Fuel, Vol. 74, No.5, pp. 631 653, 1995 [2] Fík, J.: Spalování plynných paliv a plynové hořáky. Informační systém GAS č. 24. GAS, s.r.o., První vydání, ISBN 80-86176-01-0, Praha 1998 [3] Pravda, L.: Využití Energoplynu z Alternativních Paliv ve Spalovací Komoře. Písemné pojednání ke státní doktorské zkoušce. VUT Brno, 2004, 57 str. / 113 /
/ 114 /