VLASTNOSTI BIOMASY Z HLEDISKA
VHODNOSTI PRO SPALOVÁNÍ
Praktické využití biomasy pro energetické účely a surovinové využití je spojeno s poměrně
vysokým kolísáním její kvality. Fáze růstu ovlivňuje hlavně chemické vlastnosti. Fáze úpravy
má především vliv pro fyzikální vlastnosti vyrobených produktů.
Vlhkost CEN/TS 14744
Výhřevnost CEN/TS 14918
Parametry charakterizující proces spalování
Prchavá hořlavina CEN/TS 15418
Obsah popela CEN/TS 14775
Měknutí popelovin CEN/TS 15370
Sypná hmotnost CEN/TS 15103/15150
Parametry charakterizující mechanické vlastnosti
Velikost CEN/TS 15149
Mechanická odolnost CEN/TS 15210
Další kriteria
•
•
•
•
•
Dopravovatelnost paliva
Obsah spor hub
Mísitelnost (roztříditelnost aj.)
Skladovatelnost (sypný objem, biologická stabilita, roztříditelnost aj.)
Možnost dávkování (granulometrie - zrnitost, viskozita, sklon ke klenbování a ke
slepování)
• Dostupnost
Vysvětlení základních pojmů, kterými lze popsat vlastnosti biomasy (paliv obecně), lze nalézt
v tabulce.
Činitel jakosti
Výhřevnost
Význam
množství chemicky vázané energie
Obsah uhlíku
Obsah vodíku
Obsah prchavé hořlaviny
Obsah vody
Obsah popela
Granulometrie
Obsah prachu
Obsah síry
Obsah dusíku
Obsah chlóru
Vlastnosti strusky
Teplota tavení popelovin
pro průběh spalování
pro vznícení a průběh spalování
balastní látka
homogenita
provozní problémy
Ovlivňují škodliviny vypouštěné do ovzduší
provozní problémy
struskování, nánosy
Závislost mezi fyzikálními a mechanickými vlastnostmi
Vlhkost
Důležitou vlastností dřeva je jeho vlhkost, která má bezprostřední vliv na jeho výhřevnost.
Bezvodá biomasa se v přírodě prakticky nevyskytuje, čerstvé dřevo má asi 55% vlhkost, po
dvou letech asi 20 %, sláma asi 20 % , ale může mít až ke 40%. Obsah vody v biomase
ovlivňuje i přítomnost hub (Parenchymu), které se podílejí na procesech samovznícení
biomasy. Obsah vody u čerstvě pokácených stromů může přesahovat i hodnotu 60 %, při
takovémto obsahu vody už výhřevnost nepostačuje ani pro udržení spalovacího procesu.
Pokud přeci jenom dřevo hoří, proces je velmi nerovnoměrný a je technicky velmi obtížné jej
regulovat. Účinnost takovéhoto procesu je potom výrazně nižší.
Paradoxně ani spalování absolutně suchého dřeva, není z hlediska průběhu procesu hoření
optimální. Příliš suchá hmota hoří explozivně a velká část energie uniká v kouřových plynech.
Tento fakt podporuje postup, který nevyžaduje žádné dodání tepelné energie, což by v
konečném důsledku výrazně zhoršilo energetickou bilanci v neprospěch dřeva oproti jiným
palivům. Dřevo s vysokým obsahem vody se uskladní tak, aby se nedotýkalo půdního
povrchu a bylo umožněno proudění vzduchu, popř. na osluněných skládkách. Za ideálních
podmínek může vlhkost klesnout až na 20 %, optimální relativní vlhkost pro spalování se
považuje okolo 30%.
Výhřevnost biopaliva v závislosti na vlhkosti
Vlhkost
(%)
0
10
20
30
40
50
60
Dřevo
-1
Kůra
(MJ.kg )
18.5
16.4
14.3
12.2
10.1
8.0
6.0
18.8
16.7
14.6
12.5
10.5
8.4
6.3
Na následujícím obrázku je uvedena lineární závislost mezi spalným teplem a vlhkostí dřevní
biomasy (http://www.eubia.org/115.0.html).
Vlhkost čerstvě pokáceného dříví je pro energetické využití příliš vysoká. Doba potřebná ke
snížení relativní vlhkosti pod 40 % závisí na roční době a počasí, ale obvykle se pohybuje
kolem 3 měsíců. Ekonomicky nejefektivnější je transpirační vysychání. Jeho princip spočívá
v tom, že se stromy po pokácení ponechají ve větvích až do úplného opadu jehličí (listí) a
teprve potom se štěpkují. Prostřednictvím ponechaného asimilačního aparátu strom
vytranspiruje vlhkost na méně než 30 % u břízy, 35 % u olše a smrku a 40 % u borovice.
V praxi se používají dva způsoby stanovení vlhkosti dřeva: absolutní vlhkost (vztažená
k absolutní sušině) a relativní vlhkost (vztažená k původní tj. výchozí hmotnosti dřeva).
Absolutní vlhkost: w = (m1 –m2)/m2 * 100 (%)
Relativní vlhkost: w = (m1 –m2)/m1 * 100 (%)
Kde: m1 – hmotnost vzorku před vysušením, m2 – hmotnost vzorku po vysušení, w – vlhkost
dřeva.
Výhřevnost
Při oxidačních procesech při hoření paliva se uvolňuje teplo, které se u tuhého paliva vztahuje
k jeho hmotnosti a vyjadřuje se v kJ.kg-1 (za teploty 0 oC a tlaku 0.1 MPa). Uvolněné teplo se
vyjadřuje buď jako spalné teplo nebo jako výhřevnost paliva. Spalné teplo je definováno jako
množství tepla, které se uvolní při dokonalém spálení paliva (1 kg nebo 1 m3) při ochlazení
spalin až na původní teplotu paliva (0 oC), přičemž veškerá pára ve spalinách úplně
zkondenzovala – odevzdala úplně své teplo. Výhřevnost paliva, je množství tepla uvolněného
z paliva, přičemž vlhkost paliva zůstane ve spalinách spolu s tepelnou energií, použitou na
přeměnu vody ve vodní páru. Hodnota výhřevnosti je tedy nižší než spalné teplo, a to energii
potřebnou k ohřevu vody. Tato celková tepelná ztráta je přibližně 2500 kJ na 1 kg vody
obsažené v palivu.
Podle EN 14961-1 Se výhřevnost stanovuje výpočtem podle rovnice:
Qp,net,ar = [Qp,net,d . (100 –Mar/100)] – 0.02443 Mar
Kde:
Qp,net,ar = výhřevnost [MJ/kg], Qp,net,d = spalné teplo při konstantním tlaku v sušině vzorku,
Mar = celková vlhkost, 0.004223je korekční faktor entalpie vypařované vlhkosti při 25 oC
[MJ/kg na 1 % vlhkosti].
Výhřevnost absolutně suché dendromasy se u jednotlivých druhů příliš neliší (tabulka), u
měkkého dřeva se průměrně pohybuje mezi 19.1 MJ/kg a 21.1 MJ/kg, u tvrdého dřeva mezi
18.4 MJ/kg a 20.1 MJ/kg. Nepočítáme-li vliv vlhkosti, jsou rozdíly dány zejména poměrem
ligninu, jehož výhřevnost je 25.5 MJ/kg, a celulózy, která má výhřevnost asi 18.8 MJ/kg.
Mírně vyšší výhřevnost kůry, větví a jehličí je potom dána vyšším obsahem pryskyřic, které
mají výhřevnost asi dvakrát vyšší než samotné dřevo.
Spalné teplo u různých plodin a paliv
Plodina (100 % sušina)
Amaranthus
Konopí seté
Koriandr – celá rostlina
Křídlatka
Len – sláma
Lnička
Růže (Rosa sp. R-03)
Řepka ozimá – sláma
Súdánská tráva – Hyso
Topol štěpka (různé
klony)
Vrba štěpka (různé klony)
MJ/kg
Dřevní štěpka dle vlhkosti
MJ/kg
16.16
18.06
18.88
19.44
18.58
18.84
16.24
18.06
18.06
18.7 – 19.2
Lesní štěpka o vlhkosti 60 %
Lesní štěpka o vlhkosti40 %
Lesní štěpka o vlhkosti 30 %
Lesní štěpka o vlhkosti 20 %
9.20
10.10
12.20
14.30
Fosilní paliva
Hnědé uhlí
Brikety
Černé uhlí
Koks
14.50 – 16.50
22
28
26
18.2 – 19.0
Výhřevnost biomasy v současnosti nejčastěji využívané formě štěpky je přibližně stejná jako
je výhřevnost hnědého uhlí.
Obsah popela
Vyšší obsah popela v kůře stromu než ve dřevě je zřejmě dán jejím větším znečištěním
zeminou jak v průběhu růstu stromu, tak při kácení a soustřeďování dříví. Obecně se však dá
říct, že obsah popela ve dřevě je ve srovnání s ostatními pevnými palivy nízký, množství
popela ve dřevě je asi 0,6–1,6 %, u mnoha druhů je dokonce menší než 1 %, u kůry pak pouze
ojediněle překročí 3 %. Díky tomu odpadá například potřeba kontinuálního odvodu tuhých
zbytků po spalování, což znamená finanční úsporu. Popel po spálení dříví navíc obsahuje
množství živin a stopových prvků a některé země (Skandinávie) umožňují jeho využití jako
hnojiva. Toto použití je také výhodné z hlediska navracení živin (fosfor, draslík) vyčerpaných
stromy během jejich růstu zpět do půdy. Určitým problémem mohou být těžké kovy, které se
ve dřevě někdy vyskytují ve zvýšeném množství.
Teplota deformace popela, teplota měknutí, tání a tečení
Při termických procesech přeměny energie dochází v žárovém lůžku k fyzikálním změnám
popela. V závislosti na teplotě dochází k deformaci až k úplnému roztavení částic popela.
Tyto změkčovací poměry jsou charakterizovány teplotami deformace, měknutí popela
(kulovitého tvaru), tání (polokulovitého tvaru) a tečení. U paliv s nízkými teplotami měknutí
popela, mezi které patří hlavně stébelniny a celé rostliny obilovin existuje velké riziko, že
překročení kritické teploty povede ke vzniku usazenin (inkrustů) v topeništi, na roštu a na
stěnách výměníku. Tyto usazeniny mohou vést k poruchám, přerušování provozu a ke
změnám v přívodu spalovacího vzduchu a musí být mechanicky odstraňovány.
Druh paliva
Ječná sláma
Pšeničná sláma
Řepková sláma
Kukuřičná sláma
Pšeničné zrno
Smrkové dřevo
Hnědé uhlí
Deformace
Měknutí
o
Tavení
Tečení
923
1044
1452
1036
772
1265
1360
1118
1257
1460
1059
792
1310
1500
( C)
659
612
633
796
612
1041
1260
783
767
665
886
727
1180
1280
Další vlastností charakteristickou pro určité palivo je podíl uvolňovaných těkavých látek (tzv.
dřevoplynu) a „pevného“ uhlíku, což je zbytek po extrakci popela a těkavých látek. Obecně
platí, že čím mladší palivo, tím vyšší podíl těkavých látek. Vysoký obsah těchto látek je tedy
pro dřevo a i další fytopaliva charakteristický a pohybuje se v rozmezí 75–85 %, vztaženo na
suchou hmotu. Právě vysoký podíl těkavých látek, uvolňovaných v počáteční fázi hoření,
způsobuje jev pro hoření dřeva typický, tzv. „dlouhý plamen“. Ten je způsoben těmito
látkami, které hoří ve vznosu mezi roštem a komínem.
Souvislosti mezi hořlavinou, popelem a obsahem vody nejlépe zachycuje spalovací
trojúhelník. Měřítka, vždy v hmotových procentech, tvoří rovnoramenný trojúhelník.
Spalovací trojúhelníky pro komunální odpad a čistírenský kal
Mechanická odolnost
V neposlední řadě se provádí zkouška mechanická odolnost briket a pelet. Tento parametr
je důležitý hlavně pro pelety dávkované do spalovacích zařízení. Tato se provádí podle norem
ČSN P CEN/TS 15210-1 (pelety) a ČSN P CEN/TS 15210-2 (brikety). Vzorky se otáčejí v
bubnu, kde narážejí na lopatku, kterou je buben rozdělen, a tím dochází k otěru. Součástí této
zkoušky může být i určení jemných částic pod 3,15 mm, které se z otěru vydělí sítováním.
Mechanická odolnost souvisí s hustotou pelet a schopností pelety udržet svůj tvar. Pelety,
které jsou vyrobeny za dostatečného tlaku a tepla mají hladký lesklý povrch. Pelety se nesmí
rozpadat, protože by docházelo k uvolňování velmi jemných částic. Pelety, u kterých není
zajištěna dostatečná mechanická odolnost mají nižší účinnost spalování a zvyšují produkci
popílku.
Holmenův analyzátor mechanické odolnosti pelet (Pellet durability index PDI).
Sypná hmotnost – je poměr mezi hmotností a prostorem, které palivo zaujímá. Pelety dobré
kvality mají sypnou hmotnost 650 kg/m3. Sypná hmotnost se stanoví volným nasypáním
odváženého množství biomasy do odměrné nádoby předepsaných rozměrů.
Důležitým parametrem je velikost částic, která může způsobit následující problémy:
Problémy s dopreavou
Omezení kontinuálního zásobování palivem
Velikost částic
Snížení prostupu vzduchu při sušení
Omezení optimální distribuce částic v hořáku
Vznik prachových částip během dopravy a
minipulace
Download

VLASTNOSTI BIOMASY Z HLEDISKA VHODNOSTI PRO SPALOVÁNÍ