Teploty taviteľnosti popola slamy. Ing. Štefan Pepich Technický a skúšobný ústav pôdohospodársky Rovinka Už aj na Slovensku sa začína slama využívať ako zdroj energie. Ak má slama slúžiť ako palivo, tak ju musíme ako palivo aj posudzovať. Žiaľ doposiaľ nie sú u nás schválené a platné štandardy pre palivo zo slamy či už vo forme slamy balíkovanej, briketovanej alebo peletovanej. Z praxe a zo zahraničných skúseností vieme, že vlhkosť slamy ako paliva sa má pohybovať okolo 12 %. So zvyšujúcim sa obsahom vlhkosti v slame sa znižuje jej výhrevnosť. Zvýšenie obsahu vlhkosti v slame o 10 % znižuje jej výhrevnosť o 2 MJ.kg -1. Zo zahraničných zdrojov taktiež vieme, že pri spaľovaní slamy vznikajú problémy v priestoroch spaľovania so zapekaním popola. Príčinou tohto stavu je prekročenie teploty tečenia popola, čo zapríčiní jeho roztečenie po spaľovacom priestore a po vychladnutí jeho stvrdnutie. Popol nie je sypký ale tvorí tvrdé hrudy, ktoré môžu v niektorých prípadoch poškodiť spaľovací priestor. Problémy nastávajú aj pri odstraňovaní zapečeného popola v spaľovacích priestoroch ako sú napríklad rošty. Pri stanovení teplôt taviteľnosti popola normy používajú nasledovné definície: Teplota deformácie (skratka: DT deformation temperature) je teplota pri ktorej nastávajú prvé príznaky zaoblenia hrotu alebo okrajov skúšobného telieska v dôsledku tavenia, Teplota mäknutia (skratka: ST sphere temperature) je teplota pri ktorej v prípade skúšobného telieska v tvare ihlana alebo kužeľa, je výška rovnaká ako šírka základne, v prípade skúšobného telieska v tvare kocky alebo valca, sú okraje skúšobného telieska celkom zaoblené bez zmeny výšky, Teplota tavenia (skratka: HT hemisphere temperature) je teplota pri ktorej skúšobné teliesko vytvára približne pologuľu, tj. keď výška je rovná polovici priemeru základni, Teplota tečenia (skratka: FT flow temperature) je teplota pri ktorej sa popol roztečie na podložke vo vrstve, ktorej výška je tretina výšky skúšobného telieska pri teplote tavenia. Skúšobné teliesko z popola sa zahrieva a priebežne sa pozoruje. Teploty pri ktorých nastávajú charakteristické zmeny sa zaznamenávajú. Skúška prebieha v peci elektricky vyhrievanej, ktorá musí spĺňať tieto podmienky: - musí dosiahnuť maximálnu teplotu, pri ktorej sa majú vlastnosti popola stanoviť (teplota 1 500 C alebo vyššia), - musí poskytovať zodpovedajúce pásmo rovnomernej teploty, v ktorej sa zahrieva skúšobné teliesko, - musí zaisťovať zahrievanie skúšobného telieska rovnomernou rýchlosťou od 600 C vyššie, - musí byť zaistené pozorovanie zmien tvaru skúšobného telieska počas zahrievania. Tvar skúšobného telieska musí zabezpečovať ostré hrany k zjednodušeniu pozorovania. Prijateľné sú tieto tvary: Ihlan ktorého základňu predstavuje rovnostranný trojuholník, výška nesmie prevyšovať 19 mm a musí byť dvojnásobok až trojnásobok dĺžky strany základne ( obr.1).
Obr. 1 Charakteristické tvary skúšobného telieska v tvare ihlana Kocka s rozmerom strany 3 mm až 7 mm alebo valček s výškou 3 mm až 9 mm a s priemerom rovným výške (obr.2), Obr. 2 Charakteristické tvary skúšobného telieska v tvare valca alebo kocky Zrezaný kužeľ výšky 4 mm s priemerom základne 3 mm a hornej plochy 1,5 mm (obr. 3). Obr. 3 Charakteristické tvary skúšobného telieska v tvare zrezaného kužeľa Na skúšku sa popol rozotrie v achátovej miske aby maximálny rozmer zŕn bol pod 0,075 mm. Dostatočné množstvo popola sa zvlhčí destilovanou vodou, rozmieša na pastu a vtlačí do formičky. Skúšobné teliesko sa ponechá vyschnúť, prenesie sa na podložku do pece. Teplota sa zvyšuje k bodu očakávanej deformácie, tak aby teplotný interval medzi bodom a očakávanou teplotou deformácie prevyšoval 150 C. Potom sa pokračuje vo zvyšovaní teploty rovnomernou rýchlosťou v rozsahu 3 C.min -1 až 7 C.min -1. Zaznamenávajú sa teploty, pri ktorých nastávajú charakteristické zmeny tvaru. Pri niektorých popoloch môžu byť zaznamenané zmeny vplyvom takých efektov ako sú nafukovanie, deformácia, zmršťovanie, puchnutie, nezmáčanie podložky vysokým povrchovým napätím, praskanie vnútorných plynových bublín. V týchto prípadoch je potrebné tieto úkazy zaznamenať a skúšku zopakovať s inou podložkou.
Meranie teplôt taviteľnosti popola z fytomasy bolo uskutočnené pre popol zo slamy: - pšeničnej, - jačmennej, - repkovej, - kukuričnej, a pre porovnanie aj týchto druhov poľnohospodárskej biomasy a uhlia: - pšeničné zrno, - marhuľové drevo, - hnedé uhlie. Pri skúškach bola použitá meracia súprava RP- 37/1600 so snímacou a grafickou aparatúrou, ktorá zaznamenávala zmeny povrchu a tvaru skúšobného telieska z popola a cez počítač ich graficky znázornila a vyhodnotila v závislosti na okamžitej teplote. Teliesko z popola malo tvar kocky a hmotnosť okolo 5 g. Pri stanovení taviteľnosti popola boli stanovené nasledovné medzné teploty: teplota deformácie pri ktorej nastali prvé príznaky zaoblenia okrajov skúšobného telieska v dôsledku tavenia, teplota mäknutia pri ktorej boli okraje skúšobného telieska celkom zaoblené bez zmeny výšky, teplota tavenia pri ktorej skúšobné teliesko vytváralo približne pologuľu, tj. keď výška je rovná polovici priemeru základni, teplota tečenia pri ktorej sa popol roztiekol na podložke vo vrstve, ktorej výška bola tretina výšky skúšobného telieska pri teplote tavenia. Na obr. 4 je znázornený grafický záznam z meracej aparatúry na ktorom je vidieť zmeny skúšobného telieska vo tvare kocky z popola zo pšeničnej slamy pri jednotlivých medzných teplotách. Zreteľné sú zmeny hlavne pre teplote tavenia 1044 C a tečenia popola 1257 C (zelený a červený záznam). Obr. 4 Priebeh zmeny tvaru skúšobného telieska pri meraní teplôt taviteľnosti popola pšeničnej slamy Na obr.5 je iný pohľad na meniaci sa povrch skúšobného telieska, kde je zeleným obrysom znázornená aj fáza zväčšenia objemu vplyvom vnútorných zmien v skúšobnej vzorke popola pšeničnej slamy. Na obr.6 je znázornený celý priebeh zmeny tvaru skúšobnej vzorky popola pšeničnej slamy pri meraní taviteľnosti s farebne vyznačenými medznými teplotami. Na obr. 7 je grafické znázornenie priebehu teplôt počas skúšky taviteľnosti popola pšeničnej slamy s vyznačenými medznými teplotami. Podobne bol znázornený priebeh zmien tvaru skúšobného telieska aj pri ďalších analyzovaných vzorkách popola zo slamy jačmennej, repkovej a kukuričnej.
Na základe týchto grafických vyhodnotení priebehu skúšky taviteľnosti popola boli spracované jednotlivé údaje o medzných teplotách do tabuľkovej formy. V tabuľke 1 sú uvedené teploty taviteľnosti popola z palív zo slamy (jačmenná, repková, pšeničná a kukuričná ) i porovnávaných popolov zo pšeničného zrna, marhuľového dreva a hnedého uhlia. Obr. 5 Zmeny tvaru skúšobnej vzorky pri meraní teplôt taviteľnosti popola pšeničnej slamy Obr. 6 Priebeh zmien tvaru skúšobnej vzorky počas merania teplôt taviteľnosti popola pšeničnej slamy Obr. 7 Priebeh teplôt pri skúške taviteľnosti popola pšeničnej slamy
Tabuľka 1 Teploty taviteľnosti popola Teploty v C Vzorka deformácie DT mäknutia ST tavenia HT tečenia FT Jačmenná slama 659 783 923 1 118 Pšeničná slama 612 767 1 044 1 257 Repková slama 633 665 1 452 1 460 Kukuričná slama 796 886 1 036 1 059 Pšeničné zrno 612 727 772 792 Marhuľové drevo 1 035 1 328 1 421 1 439 Hnedé uhlie 1 260 1 280 1 360 1 500 Teploty taviteľnosti popola sa v niektorých prípadoch uvádzajú aj viacerými označeniami: - teplota deformácie DT ale aj T S, - teplota mäknutia ST ale aj T A, - teplota tavenia HT ale aj T B, - teplota tečenia FT ale aj T C. Na obr. 8 je znázornený priebeh teplôt tavenia popola sledovaných palív zo slamy i porovnávaných palív z biomasy a uhlia. Ako je zrejmé z grafického priebehu teplôt, má väčšina popola zo slamy nižšiu teplotu taviteľnosti ako uhlie a drevo. Tieto teploty sú nižšie rádovo o 400 C. Výnimkou je repková slama, ktorá má prvé dve teploty (deformácie a mäknutia) korešpondujúce so slamou ale ďalšie dve teploty (tavenia a tečenia) sú blízke teplotám ostatných palív (uhlie, drevo). Údaje o teplotách tavenia popola možno využiť pri regulácii spaľovacích procesoch pri využívaní fytomasy na energetické účely ako aj pri konštrukčných riešeniach spaľovacích komôr kotlov na biomasu. 1600 jačmenná slama pšeničná slama repková slama kukuričná slama marhuľové drevo uhlie pšeničné zrno 1400 1200 1000 teplota v C 800 600 400 200 0 DT ST HT FT teploty tviteľnosti popola Obr. 8 Teploty tavenia popola sledovaných palív
Teploty v spaľovacích zariadeniach by nemali prekročiť teplotu tečenia popola aby nedochádzalo k jeho spekaniu. Pri uhlí je rozdiel medzi teplotou tavenia a teplotou tečenia popola 140 C, čo je dostatočný interval na možnú reguláciu teploty v spaľovacích zariadeniach. Podobne ako uhlie má rozdiel medzi týmito dvoma teplotami aj popol z jačmennej slamy ktorý je 195 C. Najväčší interval medzi teplotou tavenia a tečenia popola má popol zo pšeničnej slamy až 213 C, čo umožňuje reguláciu teplôt horenia v požadovaných hodnotách. Pri regulácii procesu horenia u ostatných druhoch paliva môžu nastať komplikácie nakoľko rozdiely medzi teplotami tavenia a tečenia ich popola sú veľmi malé: - kukuričná slama 23 C, - pšeničné zrno 20 C, - marhuľové drevo 18 C, - repková slama 8 C. Najmä pri repkovej slame je prakticky nemožné regulovať proces horenia v teplotnom režime s presnosťou 8 C medzi teplotou tavenia a tečenia popola. V tomto prípade je ale vhodné regulovať teplotu medzi hodnotami teploty mäknutia popola a teploty tavenia repkového popola kde je teplotný interval až 787 C.