HODNOCENÍ ROZDÍLNÝCH REŽIMŮ PŘI PROCESU SPALOVÁNÍ Radim Paluska, Miroslav Kyjovský V tomto příspěvku jsou uvedeny poznatky vyplývající ze zkoušek provedených za účelem vyhodnocení rozdílných režimů při procesu spalování palivového bukového dřeva ve formě polen v experimentálním ohništi o jmenovitém výkonu 8 kw. Bylo provedeno ověření výkonové křivky krbových kamen a vliv součinitele přebytku spalovacího vzduchu. Při těchto zkouškách byl zjištěn zajímavý poznatek v oblasti kinetiky hoření, který bude v budoucnu dále zkoumán. Klíčová slova: spalování, biomasa, spalovací režimy POPIS EXPERIMENTÁLNÍHO ZAŘÍZENÍ A MĚŘICÍ TRASY V závislosti na druhu a formě použitého paliva bylo pro provedení obou typů zkoušek použito experimentální ohniště (obr. 1a), které bylo upraveno ke spalování kusového palivového dřeva (polen), na kterém bylo také možno sledovat (pomocí tenzometrické váhy, na níž bylo zařízení umístěno) průběh vyhořívání vsázky. Na obrázku 1b je znázorněna celá měřicí trasa včetně sledovaných hodnot zaznamenávaných kontinuálně do ústředny napojené na PC. Obr. 1 A) Schéma experimentálního zařízení B) měřicí tratě [3] Základní koncepce experimentálního ohniště má jmenovitý výkon 8 kw. Konstrukce byla upravena tak, aby bylo možné přesně regulovat množství přiváděného vzduchu do ohniště a to jak přívodu primárního, tak také sekundárního spalovacího vzduchu. Při zkouškách bylo také využito možnosti přívodu terciálního vzduchu. Po celou dobu měření byl udržován podtlak na 12 Pa ± 2 Pa [4]. Ke spalovacím zkouškám bylo použito kusové bukové dřevo s obsahem vlhkosti w=10,42 % na jejímž základě byla vypočtena výhřevnost Q=16,16 MJ/kg. Vzhledem k získané výhřevnosti, jmenovitém výkonu zařízení a jeho účinnosti byla vypočtena hmotnost vsázky na 1 hodinu provozu m=2,55 kg/hod [3]. Ing. Radim Paluska, VŠB-TU Ostrava, Tř. 17. Listopadu 15, 708 33, radim.paluska@vsb.cz Ing. Miroslav Kyjovský, VŠB-TU Ostrava, Tř. 17. Listopadu 15, 708 33, miroslav.kyjovsky@vsb.cz / 89 /
OVĚŘOVÁNÍ VÝKONOVÉ KŘIVKY KRBOVÝCH KAMEN Cílem celého měření bylo popsat průběh hoření kusového dříví v experimentálním ohništi na tuhá paliva. Pro ověření výkonové křivky byly zvoleny hodinové vsázky o hmotnostech: 1. 1,5 kg paliva 2. 2 kg paliva 3. 2,6 kg paliva 4. 3,2 kg paliva 5. 4 kg paliva Při přípravě vsázky bylo snahou dosáhnout u každého kusu polen stejného měrného povrchu aby nedošlo k ovlivnění procesu hoření [2]. Dále byly zajištěny podmínky a měřeny hodnoty uvedené v předchozí kapitole. Z naměřených hodnot byly vypočteny přebytky vzduchu a účinnosti kotle pro jednotlivá měření (viz tabulka č. 1 a č. 2). Tab. 1 Naměřené průměrné hodnoty při různých hmotnostech vsázek 1,5 kg paliva 2 kg paliva 2,6 kg paliva 3,2 kg paliva 4 kg paliva O2 [%] CO [%] CO2 [%] 15,10 12,67 0,24 0,24 5,549 7,904 13,24 15,08 0,27 0,19 7,362 5,615 11,57 12,68 0,65 0,33 8,672 7,705 11,97 13,67 0,74 0,25 8,332 6,922 11,52 12,41 0,70 0,63 8,809 7,939 Tab. 2 Průměrná teplota spalin a vypočtené parametry 1,5 kg paliva 2 kg paliva 2,6 kg paliva 3,2 kg paliva 4 kg paliva teplota spalin [ C] přebytek vzduchu [1] účinnost [%] 360,0 312,2 3,4 3,3 62,4 67,2 332,0 285,6 3,8 5,5 61,4 56,6 330,3 307,1 3,5 3,8 62,7 64,0 345,2 305,5 3,5 4,5 61,1 61,1 360,4 346,7 3,3 4,1 62,3 58,3 Na základě takto zjištěných a vypočtených hodnot byly porovnány některé závislosti vyplývající z daného cíle. Na obrázku č. 2 je znázorněno porovnání křivek výkonu a účinnosti v závislosti na hmotnosti vsázky. Je zde patrná vzájemná souvislost mezi oběma křivkami. Na jedné straně lze pozorovat nárůst výkonu s množstvím dodaného paliva do topeniště, což se na druhé straně projeví poklesem účinnosti zdroje. Tento trend má poměrně lineární charakter. 11500,00 výkon účinnost 63,00 11000,00 62,50 10500,00 výkon [W] 10000,00 9500,00 9000,00 62,00 61,50 61,00 účinnost [%] 8500,00 8000,00 60,50 7500,00 1,5 kg paliva 2 kg paliva 2,6 kg paliva 3,2 kg paliva 4 kg paliva typ zkoušky 60,00 Obr. 2 Křivka výkonu a účinnosti v závislosti na množství dodaného paliva / 90 /
V průběhu vyhodnocování výsledků byly sestaveny tzv. křivky vyhořívání paliva. Jejich první derivací byly získány křivky rychlosti hoření (viz další kapitola). Na obrázku č. 3, kde jsou křivky rychlosti hoření zobrazeny lze pozorovat zajímavý průběh, který získáme vynesením spojnice protínající vrcholy jednotlivých křivek (maxima rychlostí hoření jednotlivých vsázek). Obr. 3 Křivka rychlosti uvolňování reakčního tepla Tato nově vzniklá spojnice byla označena jako tzv. Křivka rychlosti uvolňování reakčního tepla [1]. Tento poznatek bude zkoumán při dalších experimentech, při kterých budeme hledat další souvislosti a pokusíme se tento fakt ověřit. VLIV SOUČINITELE PŘEBYTKU VZDUCHU NA KVALITU SPALOVACÍHO PROCESU Vliv přebytku vzduchu na kvalitu spalovacího procesu byl stanovován v experimentálním ohništi. Jako palivo bylo použito bukové dříví. Schéma měřicí tratě, stejně jako parametry bukového dříví, jsou uvedeny na počátku tohoto příspěvku. Pro stanovení součinitele přebytku vzduchu byly zvoleny tyto režimy spalovacího vzduchu vstupujícího do ohniště: 1. otevření primárního vzduchu na 50% 2. otevření primárního vzduchu na 100% 3. otevření primárního vzduchu na 100% a sekundárního na 50% 4. otevření primárního vzduchu na 100% a sekundárního vzduchu na 100% 5. otevření primárního, sekundárního i terciálního vzduchu na 100% 6. všechny přívody vzduchu otevřeny na 100%, včetně dvířek Na počátku každé zkoušky bylo přiloženo stejné množství paliva, které odpovídalo jmenovitému výkonu ohniště. Pro zachování podobných podmínek spalování bylo snahou přikládat stejný počet polen spalovaného dříví, jakož i zachovávat stejný měrný povrch těchto polen. Po provedení těchto zkoušek byly sestaveny křivky úbytku paliva v závislosti na čase (obr. 4). / 91 /
Obr. 4 Úbytek paliva Protože všechny zkoušky netrvaly úplně stejnou dobu, je časová osa vyjádřena v bezrozměrném tvaru. Toto v podstatě odpovídá délce trvání jedné zkoušky. Avšak k posouzení kinetiky spalování je vhodnější vycházet z rychlosti hoření paliva, proto byly sestaveny křivky rychlosti hoření paliva (obr. č. 5). Tyto křivky lze získat první derivací křivek úbytku paliva [1]. Obr. 5 Rychlost hoření paliva Dle obrázku 5 je patrné že se zvyšujícím se množstvím přiváděného vzduchu do ohniště roste rychlost hoření paliva. To lze vysvětlit tím, že je do ohniště přiváděno dostatečné množství okysličovadla a rychlost reakce tak může narůstat. Avšak toto probíhá pouze v intervalu, kdy je přiváděno jen 50% primárního vzduchu až do hodnoty 100% primárního a 50% sekundárního vzduchu přiváděného do ohniště. Pokud proběhly zkoušky s větším přívodem vzduchu do ohniště, jako 100% primárního se 100% sekundárního vzduch a více, lze na obrázku pozorovat snižující se rychlost hoření paliva. I v tomto případě roste množství okysličovadla přiváděného do ohniště, ale jelikož má okysličovadlo resp. vzduch, přiváděný do ohniště okolní teplotu, dochází k nadměrnému vychlazování prostoru ohniště, a tak k poklesu rychlosti hoření. Tyto skutečnosti lze pozorovat i na obrázku č. 6 a 7. Obr. 6 Doba dosažení maxima rychlosti hoření u jednotlivých zkoušek. / 92 /
Obr. 7 Maximální rychlost hoření u jednotlivých zkoušek. Z obrázků č. 6 a 7 je zřejmé, že nejvyšší rychlosti hoření paliva dojde při přívodu 100 % primárního s 50 % sekundárního vzduchu. Při takto nastaveném přívodu vzduchu dojde k maximální rychlosti hoření již za cca 4 minuty. Průměrné naměřené hodnoty z jednotlivých zkoušek jsou uvedeny v tabulce 3. Dané hodnoty jsou závislé na množství vzduchu vstupujícího do ohniště. Z těchto hodnot lze např. učinit závěry, že s rostoucím obsahem kyslíku v ohništi resp. se zvyšujícím se přebytkem vzduchu klesá účinnost. Tab. 3 Průměrné naměřené hodnoty O 2 [%] CO [%] CO 2 [%] I - 50% 9,77 10,67 1,74 0,70 10,13 9,53 I - 100% 10,28 12,49 0,95 0,79 9,83 7,71 I - 100%, II - 50% 11,44 12,68 0,65 0,33 8,79 7,71 I - 100%, II - 100% 12,32 12,07 0,41 0,68 8,05 8,17 I - 100%, II - 100%, III - 100% 15,12 13,31 0,13 0,32 5,49 7,12 Vše otevřeno i dvířka 19,45 19,18 0,05 0,05 1,33 1,58 teplota spalin [ C] přebytek vzduchu [1] účinnost [%] I - 50% 280,05 226,09 2,72 3,12 70,79 76,45 I - 100% 306,98 282,85 2,81 3,81 69,28 65,11 I - 100%, II - 50% 332,28 307,08 3,46 3,76 62,68 63,97 I - 100%, II - 100% 324,67 322,42 3,94 3,75 61,33 61,71 I - 100%, II - 100%, III - 100% 309,17 367,70 5,72 4,32 50,91 52,51 Vše otevřeno i dvířka 151,78 181,35 20,31 16,25 28,00 27,39 Ze získaných výsledků lze říci, že spalovací proces velice závisí na množství přivedeného vzduchu do ohniště. Jeho optimálním přívodem a rozložením v ohništi spalovacího zařízení lze ovlivňovat kvalitu spalovacího procesu, jako například rychlost hoření paliva, množství CO 2, ale i účinnost celého spalovacího zařízení. / 93 /
POUŽITÁ LITERATURA [1] NOSKIEVIČ, P. (2002): Spalování uhlí. Ediční středisko VŠB TU Ostrava, Ostrava, 62s. [2] JANÁSEK, P. (2006): Výzkum parametrů ovlivňujících Spalování biomasy disertační práce, VŠB TU Ostrava. [3] JANÁSEK, P., KRPEC, K.(2004): Metodika zkoušení krbových kamen, VŠB TU Ostrava [4] ČSN EN 13229 Vestavné spotřebiče k vytápění a krbové vložky na pevná paliva Požadavky a zkušební metody Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Energie z biomasy GAČR 101/03/H064 / 94 /