ENERGETICKÉ VYUŽITÍ A LIKVIDACE SMĚSI ČISTÍRENSKÝCH KALŮ, BIOMASY A HNĚDÉHO UHLÍ SPALOVÁNÍM V REAKTORU S CIRKULUJÍCÍ FLUIDNÍ VRSTVOU Ing. Anna CEMERKOVÁ Energy utilisation of the alternative fuels is one of main tasks for development of renewable sources in EU and CR. The topics of the research consists from combustion tests in experimental pilot stand with atmospheric fluidised bed located in the Technical University Dresden Germany for the brown coal, sewage sludge and termoanalytical studies of biofuels. Recommendations for suitability of thermal disposal of wastes in the atmospheric fluidised bed and minimalisation of harmful emissions. Klíčová slova: biofuels, coal, combustion, emissions, fluidised bed boilers ÚVOD Technologie spalování ve fluidní vrstvě (FV) umožňuje využívat tuhá paliva s širokým rozsahem základních parametrů (výhřevnost, obsah vody a popelovin), tedy i paliv méně kvalitních, např. tzv. paliv náhradních, jako je biomasa, popř. i jiné hořlavé odpadní látky. Na laboratorních fluidních reaktorech i na velkých průmyslových kotlích s cirkulující fluidní vrstvou byla zkouškami katedry energetiky VŠB TU Ostrava prokázána možnost a úspěšnost společného spalování uhlí a biomasy i odpadních hořlavých látek a získány tak poznatky popsané v literatuře [1,2,3]. Na základě těchto zkušeností nabídla ke spalovacím zkouškám na fluidním reaktoru firma AGRO EKO katedře energetiky VŠB TUO ekologické biopalivo vyrobené na bázi obnovitelných surovin (dřevo, sláma), obohacené vybranými kaly z čistíren odpadních vod, které jsou přidávány pro zlepšení soudržnosti produktu. Palivo je vyrobené fermentací, sušením a v případě pelet lisováním. Granulát je produkován ve formě drti o rozměrech částic do 10 mm. Pelety jsou válcového tvaru o průměru 30 mm a délce 20 70 mm. Pelety jsou dostatečně pevné, biologicky nezávadné a bez zápachu. Charakteristika paliva: Výhřevnost 14 17 MJ.kg -1 Popel 10 15 hm. % Vlhkost <10 hm. % Limitní obsahy: Těžké kovy: Síra <0,9 hm. % As+Co+Ni <50 mg.kg -1 Chlor <1,0 hm. % Cd+Hg <10 mg.kg -1 Sb+Sn+Cr celk +Cu+Pb+V+Zn <300 mg.kg -1 Spalovací zkoušky se uskutečnily v rámci vědeckotechnické spolupráce mezi TU Dresden, Institut für Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik a katedrou energetiky VŠB TU Ostrava na pilotním fluidním reaktoru s cirkulující fluidní vrstvou v laboratořích TU Dresden a to za technické pomoci provozovatele tohoto fluidního reaktoru Ing. Andrease Hillera. Program zkoušek, jejich přípravu a účast při měřeních zajišťovali pracovníci katedry energetiky VŠB-TU Ostrava. Na zpracování získaných údajů a odebraných vzorků z jednotlivých zkoušek se podílely laboratoře TU Dresden a VŠB-TU Ostrava. Popis zkoušek a získané výsledky jsou uvedeny v dalším textu tohoto referátu. Ing. Anna Cemerková, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, cemerkova@email.cz [7]
PILOTNÍ REAKTOR S CIRKULUJÍCÍ FLUIDNÍ VRSTVOU TU-DRESDEN Pilotní fluidní reaktor s cirkulující FV je konstruován pro tepelný výkon 300 kw při spalování tuhých paliv. Schéma reaktoru a jednotlivých funkčních prvků je na obr. 1. Obr. 1 Schéma reaktoru s cirkulující FV na TU Dresden Vertikální fluidní spalovací komora o průměru 320 mm má výšku 6,7 m a přechází vodorovným přechodovým kanálem do vertikálního cyklonového odlučovače o průměru 0,128 m a výšce 0,75 m. Odloučené tuhé částice padají vertikální svodkou do fluidního uzávěru (sifonu) a jsou dopravovány šikmou vratnou svodkou zpět do fluidní vrstvy. Vlastní reaktor je do dvou třetin výšky vyzděn žáruvzdornou keramickou vyzdívkou (šamotem) a horní třetina je konstruována ze žáruvzdorné oceli izolované minerální vlnou. Zbylé části kotle včetně kompenzátoru i sifonového uzávěru jsou konstruovány ze žáruvzdorné oceli. Ocelové části reaktoru jsou izolovány minerální vlnou a opláštěné kryty z pozinkovaného plechu. Spalovací vzduch je přiváděn do FV dmýchadlem přes elektrický ohřívák vzduchu o max. výkonu 64 kw, přičemž maximální teplota vzduchu je 420 C. Primární vzduch je přiváděn dvěma přívody do fluidního roštu na dně spalovacího reaktoru. Sekundární vzduch se přivádí ve třech úrovních po výšce spalovacího reaktoru. Přívody jsou zaústěny ve vzdálenosti 0,4 m, 1,15 m a 2,15 m od fluidního roštu. Palivo je do FV dopravováno jeřábem ve speciálně upravených nádobách, které zároveň slouží jako zásobníky paliva. Objem nádoby je dimenzován na provoz kotle po dobu cca 2 hodin. Z těchto nádob se palivo sesouvá na pásový váhový podavač (kg.h -1 ), který zajišťuje přesně nastavený hmotový tok paliva do kotle. Zařízení spalinového traktu reaktoru: Spaliny zbavené tuhých částic postupují z cyklonového odlučovače výstupním kanálem do chladiče (výměník tepla spaliny voda). Ve výstupním kanálu mohou být spaliny ochlazovány vstřikováním chladící vody tlakovým vzduchem. Ve výměníku se spaliny ochladí na teplotu 150 C. Dále pak postupují do látkového odlučovače, kde je z nich odloučena nejjemnější frakce tuhých částic. Chladící okruh reaktoru: Horký, v cyklonu odloučený popílek se vrací do fluidního ohniště a částečně je chlazen přes externí chladiče popílku. Tam se prostřednictvím ponořených teplosměnných ploch popílek ochladí cca na 400 C a zpátky se vrací do topeniště. Teplo je ze systému odváděno spalinami, dále pak vzduchem chlazeným [8]
cyklonem a sifonovým uzávěrem s vodním chlazením. Vzduchové chlazení cyklonového odlučovače je zajištěno přirozeným vertikálním prouděním okolního vzduchu prostorem mezi stěnou cyklonu a vrstvou izolace. Sifonový uzávěr je konstruován jako dvouplášťový a jeho stěny (prostor mezi plášti) je chlazen protékající chladící vodou. Měřicí okruh reaktoru: Tento okruh je možno rozdělit na několik částí: Měření teplot (TIR) se provádí ve zvolených místech systému. Proudové smyčky jsou od termočlánků svedeny kompenzačním vedením do měřicího systému a zaznamenávány spolu se všemi měřenými veličinami po celou dobu zkoušky ve zvoleném intervalu. Pro měření se používají termočlánky typu K (Ni / Cr Ni) pro rozsah měření teplot v rozsahu od - 200 C do + 1 370 C. Během měření se naměřená nebo vypočtená data ve zvoleném intervalu ukládají do databázového souboru na pevný disk počítače. Měření teplot probíhá ve ⅔ komory reaktoru a na výstupu do cyklonu. Měření tlaku (PIR) se provádí pomocí membránových tlakoměrů pracující v rozmezí od 0 do + 50 bar. Průtok (FIR) se měří pomocí rotametry a clonovým měřením. Koncentrace plynných emisí (QIR) jsou měřeny kontinuálně pomocí analyzátorů, měřicí ústředny a obslužného software umístěného v měřicím kontejneru, který je součástí pilotního spalovacího zařízení. Měření koncentrace plynných složek spalin se provádí ve dvou místech systému. Ve zvolených místech jsou kontinuálně odsávány vzorky spalin. Odsávání je prováděno nechlazenými odběrovými sondami, které jsou napojeny na speciální těsné odsávací ventilátory. V prvním měřicím místě (horní část spalovacího reaktoru) se měří koncentrace CO, NO x a O 2 analyzátory firmy Rosemount. Ve druhém měřicím místě (výstupní kanál z cyklonového odlučovače) se koncentrace CO, CO 2, NO x, SO 2 a O 2 měří analyzátory fy Horiba / Infralyt. Odběr vzorků popelovin: Při měření byly během každého režimu vždy na konci ustáleného stavu odebrány vzorky popílku, cirkulačního materiálu a také vzorky ložového popela. Vzorky ložového popela se odebíraly výpustí ze dna spalovacího reaktoru, vzorky cirkulujícího materiálu speciálním odběrovým otvorem umístěným ve svislé svodové trubce mezi cyklonovým odlučovačem a sifonovým uzávěrem. Vzorky popílku se odnímaly z výsypky pod látkovým odlučovačem. Základní materiál FV tvoří inertní písek, a to jak ve spalovací části, tak i ve fluidním uzávěru. Zrnitost písku musí vyhovovat fyzikálním podmínkám fluidace primárním vzduchem, tzn. že nejvyšší četnost mají frakce 0,3 0,5 mm (tab. č.1). Sypná hmotnost písku ze spalovací fluidní vrstvy je nepatrně vyšší proti písku ze sifonu (1,420 g.cm -3 proti 1,364 g.cm -3 ) a to podle měření po tříhodinové zkoušce se směsí uhlí a biopaliva. Najíždění reaktoru probíhá po naplnění inertním materiálem a kalibrací analyzátorů NO x, SO 2, O 2, CO 2 a CO. Po startu ohříváku vzduchu a dosažení teploty 400 C se najelo dávkování hnědého uhlí (HU) a to ~ 18 kg.h -1. Granulometrie zrna hnědého uhlí je 5-9 mm, proto nebylo potřeba uhlí nijak upravovat. Po vstupu do reaktoru se začne HU ohřívat a dochází tak k jeho zplyňování. Hnědé uhlí se zapálí při teplotě přibližně 400 C. Po ustálení teploty, která doposud stoupala, se dávkování HU zvýší na 42 kg.h -1. Ohřátý vzduch se nastaví tak, aby se teplota ustálila na teplotu asi 800 C. Po ustálení provozu je reaktor připraven ke zkouškám. PALIVO A JEHO ÚPRAVA Konstrukční rozměry reaktoru včetně dávkovacího zařízení paliva a vracených částic omezují největší velikost částic ve spalovací cirkulující FV na cca 5 mm. Hnědé uhlí jako základní palivo bylo na tuto velikost upraveno drcením, a jeho zrnitost byla během zkoušek dvakrát ověřována. Výsledná granulometrie je uvedena tab. 1. Biopalivo fy AGRO EKO bylo z přepravních důvodů dodáno v lisovaných briketách a muselo být proto drceno hydraulickým lisem, šnekovým podavačem a na závěr sítem s oky 5 mm na požadovanou jemnou frakci. Při drcení lisovaného biopaliva se uvolňovala jemná prachová frakce o velikosti částic pod 50 µm z podílu suchých čistírenských kalů v palivu fy AGRO EKO. Z takto upravených paliv byla dále připravena směs uhlí a biomasy v hmotnostních poměrech uhlí/biomasa = 85/15, 75/25, 50/50, 25/75. Analytický rozbor čistých paliv a jejich směsí včetně výhřevností je uveden v tab. 2. Zjištěná zrnitost směsí paliv byla vyhovující u zkoušek s podílem biomasy do cca 25 %. U vyššího podílu biomasy ovlivnily podíl částic > 5 mm částečky drcené slámy o délce 5 8 mm (viz. tab. 1). [9]
Tab. 1 Granulometrie směsi paliv Uhlí Biomasa Velikost částic [%] hm.% hm. % > 5,0 mm 5,0-2,0 2,0-1,0 1,0-0,8 0,8-0,6 0,6-0,5 0,5-0,4 0,4-0,315 < 0,315 85 15 7,6 26,2 15,7 7,6 8,3 2,3 5,7 8 18,5 75 25 4,3 31,9 16,4 7,9 7,9 6,1 5,3 6,9 13,4 50 50 13,8 34,6 16,9 7,3 6,9 4,7 3,7 4,5 7,7 25 75 12,1 27 14,8 7,7 7,6 5,5 4,8 6,3 14,2 Tab. 2 Elementární analýza paliv Uhlí Biomasa Voda Popel C H N S Prchavé č. Výhřevnost Přepočtená Qv % % % % % % % % % kj/kg kj/kg 100 0 14,0 5,2 55,0 3,86 1,03 0,70 45,8 20 599 75 25 13,9 8,0 50,4 3,83 1,04 0,65 47,4 18 749 18 772 50 50 12,6 11,9 45,2 3,79 0,92 0,54 50,6 16 728 16 945 25 75 12,9 14,0 42,3 3,73 1,08 0,47 51,9 15 688 15 118 0 100 14,6 13,7 36,6 4,31 1,34 0,24 57,8 13 291 PRŮBĚH A VÝSLEDKY SPALOVACÍCH ZKOUŠEK Všechny zkoušky proběhly v termínu leden až březen 2003. Trvání vlastní zkoušky s měřením parametrů spalovacího procesu bylo ve všech případech omezeno množstvím biopaliva na dobu asi 3 hodin po ustálení režimu reaktoru. U všech spalovacích zkoušek byly sledovány teploty v celém spalovacím i vzduchovém traktu kotle, analyzovány spaliny v reaktoru a odebírány vzorky paliva a tuhých zbytků (popelovin) z filtru a svodky cyklonu do fluidního uzávěru. Zvláštní zřetel byl věnován zkoušce č. 5, která byla zaměřena na určení hmotové bilance spalování směsi paliv v poměru 85 %hm uhlí a 15 %hm biopaliva. Tento poměr se předpokládá pro průmyslové spalování paliva AGRO EKO ve fluidních kotlích velkého výkonu. Hmotnostní bilance je vyhodnocena ze zachycených množství tuhých zbytků a z analýzy jejich obsahu hořlaviny. Popelová bilance pro zkoušku č. 5: Přivedený popel do reaktoru = popeloviny po zkoušce zachycené v reaktoru m = m + m + m = m + m + p p p1 p2 p, r p, f p, ch (kg) při obsahu nedopalu C x (%). Kde m p je hmotnost písku (inert) (kg), m p1 - hmotnost z 96 kg uhlí při najíždění (kg), m p2 - hmotnost ze 135 kg paliva (kg), m p,r - hmotnost písku z reaktoru (kg), m p,f - hmotnost popele z filtru (kg), m p,ch - hmotnost popele z chladiče (kg) m p = 25 kg v reaktoru + 45 kg v cyklonu = 70 kg m p1 = 96 * 0,052 = 4,99 kg m p2 = 135 * 0,08 = 10,8 kg m p,r * (1-C r ) = 77 * (1 0,00935) = 76,28 kg m p,f * (1-C f ) = 4,6 * (1 0,082) = 2,223 kg m p,ch = 5,17 * (1 0,2246) = 4,00 kg [10]
Součet popelovin po zkoušce: m 70 + 4,99+ 10,8 = 76,28+ 2,223+ 4,00 85,79= 82,503kg p Diference cca. 3 kg popelovin za celkovou dobu provozu může být kromě tolerance měření vysvětlitelná ukládáním popelovin v horizontálních kanálech reaktoru, případně netěsnostmi v přetlakových částech zařízení. Zkouška č. 6 byla provedena jako informativní, pouze s cílem zjistit možnosti spalování čisté biomasy ve FV tvořené pouze inertem. Z tohoto důvodu nemohou být výsledky považovány za srovnatelné s pokusy společného spalování biomasy a hnědého uhlí. Tab. 3 Výsledné zhodnocení experimentálních zkoušek na TU Dresden Zkouška č.1 Zkouška č.2 Zkouška č.3 Zkouška č.4 Zkouška č.5 Zkouška č.6 Datum zkoušky 16.1.2003 16.1.2003 23.1.2003 24.1.2003 6.3.2003 13.3.2003 100:0%hm 75%:25%hm 50%:50%hm 25%:75%hm 85%:15%hm 0%:100%hm Palivo 126 kg HU M pal = 132kg M pal = 159,3kg M pal = 180kg M pal = 135kg M pal = 203kg Dávkování paliva 42 kg.h -1 44 kg.h -1 53,1 kg.h -1 44 kg.h -1 42 kg.h -1 67,7 kg.h -1 Tepelný výkon reaktoru 240,3 kw 229,2 kw 246,7 kw 261 kw 222,2 kw 250 kw Teplota FV 870 C 850 C 850 C 804 C 886 C 800 C O 2 = 3,2% O 2 = 5,01% O 2 = 1,616% O 2 = 1,94% O 2 = 4,35% O 2 = 3,35% Složení spalin CO = 201 ppm CO = 1 887 ppm CO = 1 842 ppm CO = 577 ppm SO 2 = 260 ppm SO 2 = 714 ppm SO 2 = 950 ppm SO 2 = 967 ppm NOx = 197 ppm NOx = 191 ppm NOx = 215 ppm NOx = 195 ppm Přebytek vzduchu n 1,18 1,32 1,083 1,1 1,154 1,189 Nedopal v úletu 0,051 0,035 0,042 0,086 0,0828 0,047 Stř. rychlost spalin v horní části reaktoru w sp 4,25 m.s -1 4,50 m.s -1 4,50 m.s -1 3,30 m.s -1 4,24 m.s -1 4,73 m.s -1 HODNOCENÍ ZKOUŠEK A ZÁVĚRY Palivo z lisovaných briket firmy AGRO EKO má po mechanických úpravách podobnou zrnitost jako čisté hnědé uhlí, má však vyšší podíl frakcí pod 1 mm. Čistá biomasa má menší sypnou hmotnost a obsahuje lehké částice delší než 5 mm. Při manuelní úpravě směsi paliv do žádaných poměrů uhlí / biopalivo se nepodařilo dosáhnout dokonalé homogenity směsi při automatickém dávkování paliva do reaktoru, kde m pal = 12 15 g.s -1 se projevovalo rychlým kolísáním obsahu O 2 a CO ve spalinách reaktoru viz. záznam z průběhu zkoušek na obr. 2. Dokonalost spalovacího procesu je přitom ovlivňována tepelně kinetickými poměry fluidní vrstvy. Zatímco dosahované a udržované teploty v horní části reaktoru 800 900 C jsou pro vyhoření vyhovující, doba setrvání částic paliva na těchto teplotách je zásadně určena postupnou rychlostí spalin v reaktoru. Tato výpočtová rychlost se však u všech zkoušek pohybovala mezi w sp = 3,3 4,5 m.s -1 (což je několikanásobek pádové rychlosti jemnějších částic paliva), a ve svém důsledku ovlivňuje jak nedopal v zachycených tuhých zbytcích, tak i jejich granulometrii. Např. u popela z filtru je nejvyšší podíl asi 47 % pro velikost částic kolem 125 µm, u necirkulovaného popela z cyklonu do reaktoru byl změřen obsah částic pod 40 µm na 34 % u zkoušky s palivem 75 : 25. U další zkoušky se směsí 50 : 50 poklesla pro tytéž frakce četnost na 13 %. Plynné emise SO 2 odpovídají obsahu spalitelné síry v palivu. Obsahy NO X jsou z hlediska legislativy podlimitní a tedy vyhovující. Pouze kolísání CO v krátkých časových špičkách není zvládnutelné automatickou, ani ruční regulací reaktoru. [11]
Zmíněné problémy jsou typické pro fluidní reaktory s cirkulující fluidní vrstvou tohoto malého měřítka. Tyto problémy však (dle zkušeností KE VŠB-TU) u zařízení velkých měřítek, tj. průmyslové fluidní kotle o výkonu přes 100 t.h -1 páry nejsou pozorovány. Závěrem lze doporučit spalovací zkoušku s palivem AGRO EKO ve formě granulátu nebo směsi před lisováním do granulí nebo pelet na fluidním kotli s cirkulující FV o tepelném výkonu přes 100 MW t. V tomto případě je možno oprávněně předpokládat bezproblémové a účinné spalování, jako tomu bylo např. v EHO při spalování dřevní štěpky a jiného biopaliva s hnědým uhlím. Koncentrace spalin (ppm) 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Časový průběh koncentrací složení spalin během zkoušky 85:15 %hm Čas CO Rosemount NOX Rosemount O2 Rosemount 21 18 15 12 9 6 3 0 obj.% Obr. 2 Časový průběh koncentrace CO ve spalinách spálením hnědého uhlí smíchaný v poměru 85 : 15 %hm s biopalivem Příspěvek vznikl na základě řešení projektu GAČR č. 101/03/H064 Energie z biomasy. LITERATURA [1] Bernstein, W., Brunne, Th., Hiller, A., Quang, Ng.Th., Juchelkova, D., Fibinger, V.: Verbrennung von alternativen Brenn-, Bio und Abfallstoffen in Wirbelschichtfeuerungsanlagen. Sborník přednášek z mezinárodní konference Dny plamene 99 Spalování a životní prostředí. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, 1999, 13 str. [2] Fibinger, V., Čech, B., Juchelková, D.: Výsledky zkoušek spalování dřevní hmoty v ČEZ, a.s. EHO, Ostrava, 2000, 11 str. [3] Fibinger, V., Čech, B., Juchelková, D.: Výsledky zkoušek využití biomasy v ČEZ, a.s. EHO, Ostrava, 2000, 13 str. [4] Vilímec L., Šimůnek V.: Přídavné spalování alternativních paliv v kotli s fluidním ohništěm příspěvek k hospodaření s odpady v regionu. Konference Kotle a energetické zařízení 2002 Brno, ISSN 1212-7367. [12]