SPALOVÁNÍ
Na obrázku jsou uvedeny procesy umožňující energetické využití biomasy. Velmi důležitou
fází spalovacího procesu je technologie předúpravy, která je velmi významná při spalování
biomasy (optimální granulometrické složení, vlhkost a sypná hmotnost).
Biomasa
Dřevo, kůra, dřevní
odpady, energetické
rostliny, sláma, hnůj,
kejda, komunální odpad,
kaly z ČOV
Přeměna
Drcení,
mletí,
lisování,
peletování
mechanická
Nosič energie
Dřevěné uhlí,
pyrolyzní plyn, brikety,
pelety, rostlinný olej,
bionafta, bioplyn
biologická
termická
Spalovani
Blokové výtopny,
plynové turbíny,
parní turbíny
plynový motor,
parní elektrárny
El. energie
Teplo
Úprava paliva před jeho využitím
Pro zlepšení průběhu termického využití biomasy je nutná její úprava. Nejčastěji se jedná o
úpravu velikosti (granulometrii), vlhkosti, atp. Často jsou používány metody briketování nebo
peletování. Pro vyšší stupeň využití biomasy se připravují směsi paliv, čímž lze umožnit využití
i méně hodnotných druhů biomasy.
V případě dřevních odpadů se jedná o odpad kusový, těžební zbytky a kůru, které se drtí, sekají,
rozmělňují, třídí, případně suší. K úpravě velikosti slouží štěpovačky, drtiče a jiné
rozmělňovače, jejichž úkolem je velikostně upravit částice dřevního odpadu tak, aby byly
vhodné pro další využití. Dalším zdrojem upraveného paliva je odpad z výroby, piliny, hobliny,
kusový odpad vhodný pro štěpkování, brusný prach apod. Speciální zacházení potřebují zvláštní
druhy biomasy, jako jsou např. sláma, kaly, aj.
UNTHA LR700 – drtič biomasy
Řada drtičů LR je speciálně koncipovaná pro drcení
dřeva a dřevěných produktů a je určena pro použití v
závodech kde se zpracovává dřevo. Stroj je vybaven
hydraulickým sklopným a posuvným systémem.
Vzniklá drť se používá zejména pro další zpracování v
automatických spalovacích zařízeních a briketovacích
lisech. Materiály, které mohou být drceny:
- masivní dřevo
- dřevotřískové desky
- dýhy (smíchané se dřevem)
- kartonáže (smíchané se dřevem)
- palety
- kůra (tvrdé dřevo)
Při drcení tlačí hydraulický posouvač závisle na zátěži
materiálu proti rotoru, který je poháněn
elektromotorem přes klínový řemen čelním ozubeným
převodem. Výsledný materiál padá skrz síto s otvory,
které určí výslednou velikost drtě.
http://www.peletovacilisy.cz
-1-
Sušení biomasy
Sušička rourová, pro zpracování pilin, slámy, dřevní drtě, zrní, stonků obilovin. Sušením
odpadového materiálu vyrobíte hodnotnou surovinu pro výrobu paliva. Horký vzduch je
vháněn dovnitř sušičky a jeho prouděním dochází k vysušení materiálu. Piliny se nasypou
nebo nasají na začátku sušící zóny a díky horkému víru se sušený matriál zbaví vlhkosti.
Princip činnosti:
Tělo sušičky se skládá ze dvou dílů, roury
většího a menšího průměru. V rouře většího
průměru se materiál zpomalí a dochází k
intenzivnímu sušení. Vlivem zúžení vzniká větší
rychlost pohybu materiálu a tím se dostává
předsušený materiál do další sušící zóny. V další
zóně se cyklus opakuje až dopravní ventilátor
přepraví suchý materiál do zásobníku (sila).
Suška je vhodná také pro sušení mokrého zrní a
vlny.
http://www.peletovacilisy.cz
FZE 30 Sušárna na mokrou biomasu.
Rotační sušička mokré biomasy do vlhkosti 85%
Plynulé
nastavení
teploty
do
110°C.
Jemně nadrcená biomasa je pomocí šnekového
dopravníku dopravována do sušičky. Horký
vzduch z hořáku je vháněn do spalovací komory a
následně do komory směšovací kde se smísí s
chladným vzduchem a v nastavené teplotě je
vháněn do sušícího prostoru. Otáčení válců
zajišťuje víření biomasy v prostoru sušící komory.
Tak je zajištěna vysoká efektivita sušení. Sušící
vzduch smíchaný se sušenou biomasou je pomocí
ventilátoru tažen přes vynášecí prostor a jemný
filtr. Jemný prach se oddělí a zůstává ve
vynášecím prostoru. Z 90 % nasycený vzduch
vlhkostí je veden do výměníku pro využití
odpadového tepla. Při tom je vzduch ochlazen pod
40°C. Při tom získané teplo je přes
vzduchový/vodní výměník tepla znovu použito
k sušení. Při směšovacím procesu jsou vázány
zbytky jemného prachu ve sražené vodě. Tento
kondenzát lze použít jako tekuté hnojivo. Takto
vysušený materiál je vynášecím šnekem
dopravován do sila. Regulační technika ovládá
plně automatický provoz.
Briketování
-2-
Jednou z možností širšího využití je výroba briket z biomasy. Tyto brikety umožňují využití
biomasy v domácnostech, kde by se za normálních okolností využívalo uhlí. Výchozí materiál
pro výrobu tzv. ekobriket může být zrnitý dřevěný odpad jako štěpky, piliny, hobliny o vlhkosti
do cca 15 %. Brikety jsou většinou válcové o průměru 60 mm a více a délky 150 250 mm, ale
i drobné jako granule. Výhřevnost briket je v rozmezí 12,5
20 MJ.kg-1 podle vlhkosti.
Největším problémem při výrobě briket je dosažení nízké vlhkosti (mezi 15 až 20 %). Při vyšší
vlhkosti se briketa rozpadá. Technické sušení dřevní hmoty určené pro výrobu briket celou
technologii neúměrně prodražuje. Technologická linka se skládá ze štěpkování, drcení, sekání,
sušení, mísení, dávkování a lisování do konečného tvaru. Základním zařízením je briketovací
lis, který lisuje dřevní hmotu tlakem 20 30 MPa do tvaru briket bez jakéhokoliv pojiva.
Lisování se provádí převážně dvěma druhy lisů. Lisy jsou klikové (přerušovaný provoz) a
šnekové (kontinuální zpracovávání). Pro malé výkony lze použít hydraulické lisy. Brikety je
nutno skladovat na suchém místě, jinak dochází k jejich znehodnocování (rozpadají se).
Peletovací lis BRIKLIS BrikStar 30-12(1m3) pro piliny, hobliny, prach, sláma, pazdeří,
energetické rostliny, papír, polyuretan a další. Vlhkost 8 – 15 %. Výkon lisu 20 – 40 kg/hod.
http://www.peletovacilisy.cz.
Peletování
Výroba dřevních pelet spočívá v silném stlačení, které se nazývá peletování, z dřevního
odpadu (vedlejších výrobků z dřevozpracujícího průmyslu) a zbytků z lesní těžby. Výrobní
proces peletování je znám již 100 let a byl převzat z krmivářského průmyslu. Vznikem
systému spalování drobných dřevěných paliv vznikla i výroba dřevěných pelet. Pelety jsou
vyráběny v podobě granulí o průměru 6 až 14 mm. Pro soudržnost pelet má kromě tlaku
význam především obsah ligninu a pryskyřic ve dřevě. Někdy se k surovině přidávají 1 - 2%
pomocné organické látky jako melasa, škrob atp.
Peletováním vzniká zcela nový druh dřevěného paliva s vysokou energetickou hustotou,
dobrými palivářskými vlastnostmi a vynikajícími vlastnostmi z hlediska dopravy a
manipulace, které umožňují ekonomické skladování, předzásobení a automatický přívod
paliva k topeništi.
-3-
Pro výrobu jedné tuny pelet (1,7 m3) je zapotřebí 5 až 8 m3 dřevěných pilin. Samotné
peletování suché suroviny vyžaduje - což je pozoruhodné – jen asi 1,5 až 2 % energie, která je
obsažena ve vyrobených peletách. Při nezbytnosti sušení mokrých pilin nebo suroviny z
lesních nebo jiných dřevních zbytků stoupá podíl vložené energie na 7 až 10% energetického
obsahu vyrobených pelet. Ve finančních nákladech činí podíl spotřebované energie na ceně
pelet asi 18%.
Vyrobená tuna dřevních pelet má energetický potenciál až 5000 kWh, což odpovídá asi 500
litrům LTO. Při výrobě pelet ze suché suroviny činí spotřeba energie na výrobu tuny pelet 75
až 100 kWh elektrické energie, při nezbytnosti sušení suroviny spotřeba stoupne na 350 až
500 kWh/t. V porovnání se získáváním a zpracováním jiných paliv stojí tedy pelety na prvním
místě.
Peletovat lze každý druh biomasy. Výhody spočívají v
redukci objemu
skladovací schopnosti
pevnosti
zlepšení vlastnosti pro dávkování a transport
Peletovací lisy (http://www.peletovacilisy.cz).
Charakteristika vybraných druhů paliva
Palivové dříví
Z celosvětového hlediska má největší zásoby dřevní hmoty Rusko, Kanada a státy severní
Evropy. Význam dřevní hmoty spočívá především v tom, že jde o surovinu domácí, která je
při racionálním využívání trvale obnovitelná. Cyklus obnovy samotné dřevní hmoty je však
dlouhodobý, dosahuje v průměru 100 let, a proto je nutno hospodařit s dřevní hmotou velmi
obezřetně a to také z důvodu klimatického a vodohospodářského významu lesů.
Podíl získávané energie ze dřeva ve srovnání s celkovou spotřebou energie
-4-
Rozvojová země
Tanzanie
Nepál
Nigérie
Keňa
Brazílie
Zimbabve
Indie
Chile
Vyspělá země
Finsko
Řecko
Rusko
Švédsko
Francie
Švýcarsko
Německo
ČR
[%]
96,0
95,8
90,6
90,2
58,1
32,7
30,3
10,4
[%]
14,6
8,7
3,6
3,0
1,5
1,5
0,4
0,3
Obsah hořlaviny různých druhů dřevní hmoty se podstatně neliší a obsah popelovin se
pohybuje v úzkém intervalu, takže výhřevnost sušiny lze s přijatelnou přesností považovat za
konstantní. Zajímavé je, že stejně tak je možné považovat za konstantní výhřevnost různých
druhů dřevin se stejným obsahem vody. Tento zdánlivý nesoulad s praktickou zkušeností lze
snadno vysvětlit rozdílnou hustotou jednotlivých druhů dřeva, v závislosti na obsahu vody
(obrázek).
50
Obsah vody[%]
150
čerstvé z lesa
ca. 8,2 MJ.kg-1
100
Otopné dřevo
40
67
30
43
Sušené na vzduchu
ca. 15,5 MJ.kg-1
20
25
11
10
0
Vlhkost dřeva [%]
60
0
2
4
6
8
10
12
14
spodní výhřevnost [MJ.kg-1]
16
18
20
22
0
teor. max. 18,8 MJ.kg-1
pro absolutně suché dřevo
Výhřevnost dřeva v závislosti na obsahu vody a vlhkosti dřeva
Prakticky konstantní složení hořlaviny umožňuje, díky jednoznačné závislosti na obsahu
vody, stanovit s použitím základních bilančních vztahů rovněž snadno použitelné grafické
závislosti všech významných parametrů spalování na této jediné proměnné. K určení
výhřevnosti, množství spalovacího vzduchu a množství vzniklých spalin, lze s přihlédnutím
k přebytku vzduchu použít diagramů.
Dřevoplyn
Všechna energetická využití biopaliv se ve skutečnosti neobejdou bez zplyňující fáze. I prosté
hoření dřeva je z 80 % spalování teplem uvolněného dřevního plynu a teprve po jeho
-5-
odplynění a spálení shoří zbytek dřevěného uhlí přímou oxidací. Využívání této skutečnosti je
již dlouhodobé. Dřevní plyn může být vyráběn dvěma způsoby, jako klasický dřevoplyn,
známý z mobilních generátorů používaných za války na vozidlech, vyráběný za omezeného
přístupu vzduchu nedokonalým spalováním a nebo vyráběný ve stacionárních zařízeních jako
pyrolytický plyn bez přístupu vzduchu, podobně jako svítiplyn z uhlí v plynárnách.
Dřevoplyn obsahuje z využívaného vzduchu značné množství dusíku, kterého je ve vzduchu
skoro 80 % a který představuje zatěžující oblast snižující výhřevnost (5 6 MJ.m-3) až na
pětinu výhřevnosti zemního plynu.
Pyrolytický plyn, vyrobený bez této 50 % dusíkové zátěže, obsahuje především energeticky
vhodný CO a H2 a dosahuje asi poloviny výhřevnosti zemního plynu (15 až 16 MJ.m-3).
Pyrolytický rozklad dřeva se provádí při teplotách 400 až 800 °C podle potřeby, do jakého
stupně má být surovina rozložena, resp. kolik dřevního uhlí má z procesu zůstat a kolik plynu
je třeba získat. Pyrolytický rozklad dřeva má budoucnost nejen pro získání vysoce
hodnotného plynu, který je možno konvertovat na plyn podobný zemnímu plnu, ale i pro
získání kapalných produktů. Zdrojem energie, stejně jako u dřevoplynu, je u pyrolytického
plynu část použité dřevní hmoty, zpravidla nekondenzovatelný podíl vzniklého pyrolytického
plynu. Prvotní zahřátí pyrolyzujících komor se však uskutečňuje jiným zdrojem tepla.
Dřevoplyn (také někdy generátorový plyn) se získává ve vyvíječích pyrolytickým
zplyňováním tzv. „generátorového dříví“, což jsou špalíky o hraně 5 8 cm a ideální vlhkosti
10 až 20 % (max. 25 %).
Tabulka srovnání výhřevnosti některých plynů
Výhřevnost [MJ.m-3N]
Plyn
Acetylen C2H4
Metan CH4
Svítiplyn
Oxid uhelnatý CO
Vodík H2
Dřevoplyn
Směs dřevoplyn a vzduch
57,6
40,8
18,1
12,9
11,0
6,0
2,4
Nejvhodnější druh dříví je dub a buk, naopak nejméně vhodná je bříza. Vzniklý plyn obsahuje
především CO (25 %), H2 (20 %), CO2 (10 %), N2 (40 %) a zčásti metan (3 %). Při teplotách
v rozmezí 1100 1200 C může dojít k rozkladu vody na „vodní plyn“. Z 1 kg dříví se uvolní
1,5 2 m3 dřevoplynu. Pro spálení veškerého uhlíku obsaženého v plynu na CO2 je potřeba
dodat na 1 m3 plynu 1,2 m3 vzduchu. Vzhledem k nízké výhřevnosti směsi dřevoplynu a
vzduchu dojde při použití k pohonu motoru k poklesu výkonu nepřizpůsobeného spalovacího
motoru o cca 35 %. V případě, že tomuto jevu chceme zabránit je nutno provést některé
z následujících úprav: zvýšení kompresního poměru, chlazení vstupního plynu, přeplňování
turbodmychadlem.
Z dřívějších provozních zkušeností s vozidly poháněnými dřevoplynem lze zobecnit, že na
každou hodinu provozu motoru a 1 kW instalovaného výkonu je potřeba uvažovat spotřebu
cca 1,2 kg generátorového dříví. Tento plyn byl během II. světové války a těsně po ní často
využíván, pak zájem o něj upadá a k částečné renesanci došlo opět v létech světové ropné
krize. V provozu byly především modely motorů pro traktory a nákladní automobily. Vysoce
perspektivním způsobem využití dřevoplynu může být (zejména v odlehlých oblastech)
používání malých jednotek pro kogeneraci elektrické energie a tepla.
-6-
Dřevěné uhlí
Dřevěné uhlí bývá definováno jako drobný až kusovitý, tvrdý, pórovitý, snadno hořlavý,
vysoce uhlíkatý, nekrystalický produkt suché destilace dřeva, mající černou barvu, matný
kovový lesk, výraznou dřevitou strukturu, při nárazu kovový zvuk, lasturovitý lom a vysokou
adsorbční schopnost. Výtěžnost dřevěného uhlí je rozdílná podle druhu dřeva a pohybuje se
okolo 20 %. Obsahuje nízký podíl síry, bod vznícení má v rozmezí 300 400 C, výhřevnost
v průměru 27 MJ.kg-1 a měrnou hmotnost cca 0,2 kg.m-3. Kusové dřevěné uhlí má vlhkost do
8 %, obsah prchavých látek v sušině do 12 %, obsah popela v sušině do 2 % a obsah uhlíku
min. 80 % Čím vyšší je karbonizační teplota, tím vyšší je i obsah uhlíku (i přes 90 %), tím je i
uhlí tvrdší.
Dobře vypálené dřevěné uhlí hoří pomalu a vydává sálavé teplo bez plamenů a kouře. Čerstvě
vypálené uhlí je náchylné k samovznícení, je proto třeba jej nechat 3 až 4 dny za dozoru
dozrát. Výroba dřevěného uhlí je nejstarší, ale stále ještě používanou metodou zušlechťování
dřeva pro energetické účely. Dříve se k jeho výrobě používaly milíře (teplo dodávalo samo
zuhelňované dřevo), dnes se používá technologie suché destilace v karbonizačních pecích
(teplo dodává opět zuhelňované dřevo) a v retortách (vnější zdroj tepla). Při výrobě dřevěného
uhlí a likvidaci zplodin z jeho výroby (mimo jiné CO, formaldehyd, acetaldehyd, fenoly) platí
poměrně přísné hygienické předpisy a tato zařízení, ani mobilní, nelze provozovat bez
souhlasu hygienických stanic.
Mezi laickou veřejností je nejznámější využití dřevěného uhlí při tepelné přípravě pokrmů
grilováním, ale jeho nejvyšší spotřeba je v průmyslu pro obohacování kvalitních ocelí
uhlíkem a pro filtrování kapalin a plynů.
Odpad pro energetické využití
Sekundární, popř. náhradní paliva, jsou zbytkové odpady, které zůstávají po zavedení opatření
pro předcházení jejich vzniku a po recyklaci. Tyto odpady jsou pak určeny pro energetické
zpracování. Přitom je však nutno stanovit přesnější definici, aby nedocházelo
k nedorozuměním.
-7-
Palivo z komunálního odpadu (TAP – tuhé alternativní palivo) se vyrábí cíleným odběrem
jednotlivých frakcí z komunálního odpadu, popř. odpadu podobného druhu z průmyslu.
Náhradní palivo musí splňovat řadu vlastností:
garance výhřevnosti
nízký obsah popela
dobrá dopravitelnost a skladovatelnost
minimální obsah škodlivin
dobrý stupeň vyhoření
stabilní kvalita produktu
Výroba paliva probíhá využitím řady různých technologických kroků. Úpravou, např.
vhodným tříděním, lze zvýšit výhřevnost a tím zlepšit tepelnou účinnost. Různé uspořádání
zařízení vede následně k různým kvalitám alternativního paliva.
-8-
Alternativní palivo z tříděného odpadu
Příkladem použití tuhého alternativního paliva je certifikovaný produkt firmy Cuesta s.r.o.
Tuhé alternativní palivo PALCU XII je vyráběno ze směsi spalitelných složek tříděného
předupraveného odděleně sbíraného obalového odpadu určeného pro jeho energetické využití
(kategorizace R1 dle přílohy č.3 k zákonu č. 185/2001 Sb.) formou spalování nebo
spoluspalování v zařízeních zvláště velkého, velkého nebo středního zdroje znečišťování.
Palivo je vhodné především pro spalování ve fluidních kotlích (jak stacionárních tak
cirkulačních) a roštových kotlích. Palivo lze přizpůsobit i pro použití v práškových ohništích
vybavených ventilátorovými nebo tlukadlovými mlýny.
Dle provedených prvkových rozborů jsou jednotlivé hodnoty sledovaných prvků tuhého
alternativního paliva podobné složení hnědého uhlí. U obsahu chloru je hodnota vyšší a
výrazněji se odlišuje (obsah chloru v sušině se pohybuje většinou na úrovni 0,3 %) oproti
hodnotě jeho obsahu v uhlí. Tuhé alternativní palivo neobsahuje PCDD/PCDF a je bez
nebezpečných vlastností uvedených pod kódy H1, H4 až H14 v příloze č. 2 Zákona o
odpadech č. 185/2001 Sb. Tuhé alternativní palivo obsahuje druhotně nevyužitelný papír a
lepenku, které jsou předmětem podpory výroby elektřiny z biomasy dle přílohy č. 1 Vyhlášky
č.482/2005 a zároveň i CO2 neutrální (http://www.cuesta.cz).
Složka
Papírové a lepenkové obaly
Plastové obaly
Kompozitní obaly
Směsné obaly
Textilní vlákna
Množství
45 %
41 %
3%
7%
4%
Energetické hodnoty tuhého alternativního paliva PALCU XII
Výhřevnost (Qr) (MJ/kg)
Obsah vody (W) v %
Obsah popele v sušině (Ad) v %
Velikost částic (mm)
-9-
20 - 24
10 - 12
10 - 12
do 30
Technologie tepelného (energetického) využívání biomasy
Podstatou energetického využívání biomasy je vždy spalovací proces, při němž vznikají
oxidací hořlavých složek paliva vzdušným kyslíkem reakční produkty. Tyto produkty jsou
vždy v plynné fázi a mohou být pouze nositeli fyzického tepla, které je ve spalovacím zařízení
předáváno pracovní látce k využití, nebo mohou obsahovat navíc i chemickou energii
obsaženou v hořlavých plynech s následným spalováním v jiném zařízení. První případ
představuje dokonalé spalování, kdy hořlavé složky paliva zreagují na konečný produkt, ve
druhém případě se jedná v první fázi o nedokonalé spalování se vznikem energeticky
vydatného plynného meziproduktu, který je dokonale spálen ve druhé fázi. V běžné
terminologii hovoříme o spalování a zplyňování. Mechanismus reakce lze ukázat na příkladu
spalování uhlíku. Za přítomnosti dostatečného množství kyslíku shoří uhlík podle rovnice
C + O2 = CO2+ QR
za vzniku oxidu uhličitého, přičemž se uvolní reakční teplo QR. Ve skutečnosti probíhá tato
reakce ve dvou fázích. První z nich je heterogenní reakce zplyňování uhlíku:
C + 0,5 O2
CO + QR1
po ní následuje homogenní reakce spalování oxidu uhelnatého, kdy vzniká konečný produkt.
CO + 0,5 O2
CO2 + QR2
Při každé z těchto reakcí se uvolňuje příslušné reakční teplo, přičemž podle Hessova zákona
platí, že
QR = QR1 + QR2.
Zplyňovací reakce uhlíku je heterogenní tzn., že spolu reagují látky v různé fázi, v tomto
případě pevné a plynné. Tento fakt je významný z hlediska průběhu spalovacího procesu a
možnosti jeho řízení. Jde o to, že k reakci mezi pevnou a plynnou fází, nebo jednoduše mezi
tuhým palivem a vzdušným kyslíkem, může dojít pouze na povrchu pevné fáze.
Při dostatečně vysoké spalovací teplotě je pak rychlost reakce dána rychlostí přívodu kyslíku
k hořícímu povrchu paliva. Při následné homogenní reakci, kdy jsou oba reagenty v plynné
fázi, je promísení obou složek podstatně snazší.
Při bilancích spalovacího procesu, jimiž se stanoví množství spalovacího vzduchu, množství a
složení vzniklých spalin, případně teoretická spalovací teplota, se vychází ze složení paliva.
To je možné vyjádřit hrubým rozborem, při němž se stanoví obsah hořlaviny (Vdaf), vody,
(W) a popeloviny (A) a platí:
Vdaf + W + A = 1
Při známém elementárním složení hořlaviny pak lze vyjádřit složení paliva
C+H+O+N+W+A=1
Jednotlivé značky vyjadřují hmotový podíl uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, vody a popeloviny v palivu (neuvažuje se zde s přítomností síry) a je nutno upozornit, že při zadaném
složení hořlaviny platí:
- 10 -
Ch + Hh + Oh + Nh = 1
nebo sušiny (což je palivo teoreticky neobsahující žádnou vodu)
Cd + Hd + Od + Nd + Ad = 1
se obsah jednotlivých složek v různých vzorcích paliva liší. Většina spalovacích výpočtů se
provádí ze složení paliva. Přepočty jsou snadné, je-li na příklad znám obsah uhlíku v
hořlavině, musíme znát obsah vody a popeloviny v palivu a pak je
C = Ch . (1 - W - A)
V tabulce je uvedeno rozdělení plynných složek spalin při spalování. Následující obrázek
uvádí další faktory ovlivňující kvalitu spalování.
Podíl jednotlivých plynů ve spalinách při spalování
Atmosféra
Přebytek vzduchu
Spalování
oxidační
>1
nadstechiometrické
neutrální
=1
redukční
<1
stechiometrické
nedokonalé
- 11 -
CO2
H2O
Spaliny
O2
N2
CO
Výkon zařízení
Velikost a druh spalovacího
prostoru
Tlakové poměry ve
spalovacím prostoru
Teplota spalování
Kvalita spalování, škodliviny
a jejich koncentrace
Rozdělení spalovacího
vzduchu
Druh spalovacího zařízení
Druh paliva
Vlhkost paliva
Faktory ovlivňující spalování
Výhřevnost a spalné teplo. Voda v palivu.
Energeticky nejvýznamnějším parametrem každého paliva je množství energie (tepla), které
se získá dokonalým spálením jeho hmotnostní, nebo objemové jednotky. Spalováním
uvolněné teplo je obsaženo ve spalinách jako fyzické teplo spalin. Protože však spaliny vždy
obsahují vodní páru, vzniklou spálením vodíku hořlaviny a odpařením vody z paliva, obsahují
navíc výparné teplo, spotřebované k odpaření vody. Toto teplo je možné kondenzací uvolnit a
zvýšit tak energetický zisk.
Laboratorně se určuje výhřevnost paliva v kalorimetru. Jednotkové množství paliva se spálí,
vzniklé spaliny se ochladí na původní teplotu okolí, takže vodní pára zkondenzuje a získané
množství tepla představuje spalné teplo Qn. V reálných podmínkách kotlů a jiných průmyslových ohnišť, naopak odcházejí spaliny do komína s teplotou vyšší než je rosný bod, ke
kondenzaci vodní páry nedochází a maximálně možný energetický zisk je označován jako
výhřevnost Qi. Je třeba doplnit, že tento maximálně možný zisk je chápán jako ochlazení
spalin na původní teplotu (jako při určení spalného tepla), při čemž ale nedojde ke kondenzaci
vodní páry. Spalné teplo je tedy o výparné teplo příslušného množství vody větší, než
výhřevnost. Za podmínek normálního stavu je výparné teplo vody 2453,5 kJ.kg-1, takže platí
Qn = Qi + (w + 9 H) . 2435,5 [kJ.kg-1]
- 12 -
První člen závorky vyjadřuje množství vody z paliva, druhý množství vody vzniklé spálením
vodíku. Oba tyto členy je nutno vyjádřit v rozměru kg vody na l kg paliva.
Využití kondenzačního tepla může zvýšit účinnost kotle, ale vyžaduje to snížení konečné
teploty spalin pod rosný bod. Je však nutno technicky vyřešit sběr a odvod kondenzátu a
ochranu proti korozi, což je nejsnazší při spalování plynných paliv. Rozdíl mezi výhřevností a
spalným teplem roste s rostoucím obsahem vodíku a vody v palivu. Voda společně s
popelovinou, jako dvě balastní složky paliva, snižují jeho výhřevnost tím, že snižují podíl
hořlaviny jako aktivní složky. Proto je výhřevnost tuhých paliv často velmi proměnlivá,
ačkoliv výhřevnost hořlaviny zůstává víceméně konstantní. Markantní je to právě u dřeva a
biomasy všeobecně. Obsah popeloviny je nízký a pohybuje se v rozmezí 0,6
1,6 %.
(Vyjadřuje se jako podíl popeloviny v sušině!) Obsah vody se však pohybuje od 10 % až do
65 %, takže kolísání výhřevnosti zde bývá značné. Obsah popelovin u dřevní hmoty závisí na
části dřevní hmoty (kmen, piliny, aj.).
V energetické praxi je zavedeno, že se obsah vody v palivu vyjadřuje tak, jak ukazují rovnice
jako podíl vody na celkové hmotnosti paliva. V dřevařské praxi se udává obsah vody ve dřevu
jako poměr množství vody k množství sušiny Obsahuje-li kilogramový vzorek dřeva půl
kilogramu vody, je energeticky vyjádřený obsah vody 50 % a dřevařsky to bude 100 %. Pro
průběh spalovacího procesu a jeho konečný energetický zisk, má výhřevnost paliva
rozhodující význam. Průběh hoření sestává z řady víceméně postupně probíhajících fází.
Po vstupu paliva do ohniště dochází s narůstající teplotou k ohřevu a vysušování. Následuje
uvolňování prchavé hořlaviny a její hoření. Poslední fází je dohořívání pevné části hořlaviny.
Množství tepla, spotřebované k vysoušení paliva, je samozřejmě určeno obsahem vody
v palivu a tak obsah vody rozhoduje o tom, jaká část výhřevnosti může být fakticky využita.
Představu si lze vytvořit z následného extrémního příkladu.
Má být spalován dřevní odpad obsahující 60 % vody, ku příkladu čerstvý těžební odpad,
výhřevnost sušiny je 20 MJ.kg-1, tzn., že výhřevnost odpadu bude pouze 40 % výhřevnosti
sušiny, tj. 8 MJ.kg-1, protože v 1 kg odpadu je obsaženo 0,4 kg sušiny. V počátečních fázích
hoření se musí nejdříve odpařit voda, jíž je 0,6 kg a při výparném teple 2453,5 kJ.kg-1 je
k tomu spotřebováno 2453,5 . 0,6 = 1472,1 kJ, tedy zhruba 1,5 MJ. Maximálně využitelná
energie je tedy nikoliv 8 ale pouze 6,5 MJ. Spálením l kg tohoto odpadu vzniknou cca 4 m3
spalin a budou-li tyto spaliny odcházet do komína s teplotou 200 C odvedou z ohniště bez
využití asi 1,2 MJ. K dispozici zbývá pouhých 5,3 MJ. Odtud je nutno zajistit ohřev paliva a
spalovacího vzduchu po jeho vstupu do ohniště, pokrýt další ztráty a je tedy zřejmé, že
energetický zisk takového spalování bude velmi malý. (Je otázkou, zda by bylo technicky
možné takto bilancovaný spalovací proces zajistit.) Jestliže se však dřevní odpad před
spalováním vysuší na obsah vody 10 %, bude jeho výhřevnost 18 MJ.kg-1, k odpaření vody
bude zapotřebí cca 0,25 MJ a k využití zbude 17,75 MJ. S rostoucím obsahem vody a s
rostoucím přebytkem vzduchu klesá teplota spalin.
Spalování
Monospalování (spalování jednoho paliva) je základem spalovacích koncepcí. Podmínky
jednotlivých procesů jsou po reakční dráze (roštu) velmi dobře ovlivnitelné a řiditelné. Tato
skutečnost je velkou předností, protože v průběhu času dochází ke změnám složení materiálu
na roštu a tím změnám reakčních procesů. Ovlivnění procesu sušení, odplynění, zplynění a
- 13 -
vyhoření lze provést například změnou rozdělení vzduchů (primárního a sekundárního),
rychlostí roštu, výškou vrstvy (sypnou) a přidáváním dodatkových látek. Fluidní kotle
umožňují spalovat různá paliva téměř v libovolných koncentracích.
Při spalování reagují se vzdušným kyslíkem spalitelné prvky obsažené v biomase. Přitom
dochází k uvolňování chemicky vázané energie z paliva. Reakce probíhají při teplotách 800
až 1300 C. Uvolněná energie je přeměněna v energii tepelnou, popř. elektrickou.
Při spalování existuje složitá závislost mezi prouděním, reaktivitou a přenosem tepla. Příklad
závislosti spotřeby paliva, výhřevnosti a tepelného výkonu lze nalézt na následujícím obrázku.
Tepelný výkon
MW
Výhřevnost
MJ.kg-1
Konkrétní
zařízení
Spotřeba paliva
v kg.h-1
Závislost výkonu na výhřevnosti a spotřebě paliva
- 14 -
1 Přívod paliva, 2 Zóna vysoušení, 3 Zóna uvolňování prchavé hořlaviny, 4 Zóna vyhořívání prchavé hořlaviny,
5 Zóna vyhořívání koksového zbytku
Příklad spalování biomasy
K dispozici je řada spalovacích technologií, např.:
spalování v práškovém ohništi
spalování na roštu
fluidní spalování
Rozdělení spalovacích systémů s jejich základními technologickými vlastnostmi a srovnání
stacionárního a fluidní termického zpracování je uvedeno v následujících tabulkách.
Rozdělení spalovacích systémů
Popis
Jedn.
Typická rychlost
m.s-1
plynu
Typická doba
h
setrvání pevné l.
Doba setrvání
plynu ve spal.
s
komoře
Přebytek
vzduchu
Max. teplota ve
C
spal. komoře
Velikost
mm
částeček
Střední velikost
mm
částeček
Tepelný výkon
Tepelné zatížení
(objemové)
MW
Rotační
pec
5
8
0,5
2
1
Etážové
topeniště
5
0,5
1,6
3,5
1,5
< 3*)
ca.0,3*) 8
1,5
bis 3
až 3
1,5
2,5
bis 1 500
až 1 500
bis 1 000
až 1 000
0,01 300
0,1
20
5
100
MW
0,15 0,2
m-3
Tepelné zatížení MW
1,5 2,5
(průřezové)
m-2
*)
Rychlost plynu ve vrstvě
Bez údajů
200
20
0
Roštová Stacionární
topeniště
fluidní
vrstva.
8
>2
3
Šachtové
pece.
k. A.
bez údajů
bis 2
až 2
bis 1 400
až 1 400
1
300
3
bis 1 200
až 1 200
30
30
0,1
0,2
0,1
0,2
1,6
400
k. A.
bez údajů
k. A.
bez údajů
k. A.
bez údajů
5
1,1
1
200
1,6
5
3
k. A.
bez údajů
0,5
1,5
1,1
20
1
1,4
0,2
2
1,1
10
Prášková
ohniště
>8
0,2
0,01
6
k. A.
bez údajů
1,3
1,05
1s
1,15
bis 1 000
až 1 000
bis 1 000
až 1 000
1 100 1 500
0,2
0,15
0,01
30
0,4
200
0,1
8
0,05
bis 1 000
až 1 000
0,1
Cirkulující
fluidní
vrstva
0,5
2
0,15 0,35
1,4
1
1
50
5
2,5
0,2
6
1,3
0,5
0,1
Rotační
fluidní
vrstva
k. A.
bez údajů
k. A.
bez údajů
k. A.
bez údajů
20
0,25
30
0,15
2
500
0,3
8
0,8
0,1
k. A.
bez údajů
k. A.
bez údajů
k. A.
bez údajů
Srovnání stacionárního a fluidního spalování
Provedení
Nehybná vrstva
Fluidní spalování
stacionární
cirkulující
atmosférická
tlaková
- 15 -
Prášková
ohniště
Vrstva leží na roštu
Transport
surovin
Směs plynu a pevných částic
Základní technologický
princip
Typická rychlost plynu
[m.s-1]
Typická doba setrvání
tuhých ástic
[h]
Přebytek vzduchu
Max. teplota
[ C]
Velikost částic
[mm]
Střední velikost částice
[mm]
ca. 0,3
8
0,1
2,5
0,5
3
8
10
>8
rychlost ve vrstvě
1,5
1,3
1,6
až 1 200
0,5
400
0,2
1,1
1
0,05
0,2
0,01
1s
1,5
1,2
1,5
1,1
1,3
1,05
1,15
až 1 000
750
900
až 1 000
1 100
1 500
20
0,15
1
50
20
2
1
2
0,25
20
0,01
0,8
0,1
Při spalování v práškových ohništích probíhá spalování ve vznosu. Hořák zajišťuje přívod
reagentů - paliva a vzduchu - do spalovací komory. Hořáky musí rovněž garantovat rychlé a
stabilní zapálení a optimální spalování.
Spalování na roštu je v současné době nejrozšířenější druh spalování ve výkonové oblasti
středních a malých zařízení. Díky relativně dlouhé době setrvání paliva na roštu a vysokým
teplotám, lze relativně velmi dobře spalovat také materiál s velkým objemem.
U fluidních spalovacích zařízení je tryskami
ve dně vháněn vzduch určitou rychlostí. Toto
uvede pevné látky do fluidujícího stavu, aniž
by byly látky vyneseny. Palivo je „doplněno“
inertním materiálem (např. křemičitým
pískem). Podle zvolené rychlosti fluidizace
má vrstva různé stavy (stacionární a
cirkulující fluidní vrstvy s atmosférickým
tlakem nebo přetlakem).
Příklad spalování ve fluidní vrstvě
- 16 -
Průběh spalování
Hořlavina všech tuhých paliv se skládá ze dvou částí, zvaných prchavá hořlavina a fixní
(pevný) uhlík. Prchavá hořlavina se z paliva uvolňuje po jeho zahřátí na dostatečně vysokou
teplotu a představuje směs uhlovodíkových a dusíkatých hořlavých složek. Po jejím uvolnění
zbývá fixní uhlík. Způsob stanovení obsahu prchavé hořlaviny je stanoven normativně,
protože uvolněné množství je závislé na době zkoušky a teplotě procesu. Pro biomasu je
typický vysoký obsah prchavé hořlaviny v rozsahu od 70 % (sláma) do více než 80 % (tvrdé
druhy dřeva), což ji výrazně odlišuje od jiných tuhých paliv a klade specifické nároky na
vedení spalovacího procesu.
Ohniště pro spalování biomasy musí zajistit vyhoření všech hořlavých plynných složek
prchavé hořlaviny. K tomu je zapotřebí zajistit dostatečně vysokou spalovací teplotu,
promísení těchto hořlavých plynů se spalovacím vzduchem a dostatek času pro průběh
spalovací reakce. První požadavek řeší šamotová izolace vnitřních stěn ohniště, zejména v
dolní části, která nedovolí odvádět reakční teplo do stěn. Třetí požadavek řeší, dostatek času
pro vyhoření, dostatečně velký objem ohniště, přičemž hraje roli taky poměr výšky ohniště k
jeho průměru. Čím je větší výška ohniště, tím lépe lze zajistit dokonalé vyhoření prchavé
hořlaviny. Promísení uvolněné prchavé hořlaviny se spalovacím vzduchem jako oxidantem
není jednoduchou záležitostí. Je to proto, že u plynů roste jejich vazkost s teplotou. Při
vysokých teplotách v ohništi je mísení dvou vazkých plynů obtížné a jsou známy případy, kdy
velká část spalovacího vzduchu prochází ohništěm (obvykle podél stěny), aniž by se
zúčastnila spalování a hořlavé plyny vyhořívají velmi nedokonale.
Schéma spalování je uvedeno na obrázku. Po přívodu paliva do vyhřátého ohniště probíhá
nejdříve odpařování vody, palivo se vysouší. Následuje fáze uvolňování prchavé hořlaviny,
začínající při zahřátí paliva na cca 160 C. Intenzita uvolňování závisí na rychlosti nárůstu
teploty. Pro tyto první dvě fáze není teoreticky zapotřebí spalovací vzduch.
Opařování vody
Uvolňování
prchavé
hořlaviny
Zapalování
prchavé
hořlaviny
I. vzduch
Hoření prchavé
hořlaviny
II. vzduch
Vyhořívání
fixního uhlíku
III. vzduch
Schéma průběhu spalování
Protože však probíhají obvykle na roštu, kde současně dohořívá fixní uhlík, přivádí se pod
rošt tzv. primární vzduch. Dohořívání fixního uhlíku napomáhá k udržení dostatečně vysoké
teploty, kterou naopak přiváděný chladný spalovací vzduch snižuje. Proto bývá množství
primárního vzduchu malé, obvykle do 40 % celkového množství vzduchu, což je možné také
vzhledem k vysokému obsahu kyslíku v hořlavině. Uvolněná prchavá hořlavina se v následné
fázi vzněcuje a hoří, uvolněné teplo napomáhá při dosažení vysoké teploty v ohništi a tak
podporuje průběh počátečních fází.
V této fázi hoření prchavé hořlaviny je nezbytné zajištění dostatku kyslíku, neboť kyslík z
paliva a z primárního vzduchu již byl spotřebován při zapalování prchavé hořlaviny. Proto se
zde přivádí sekundární vzduch, v některých případech i nadvakrát, pak se hovoří o vzduchu
- 17 -
terciárním. Důležité je vhodné umístění přívodů sekundárního vzduchu tak, aby měl možnost
se mísit se spalinami v co největším průměru ohniště a pokud je to možné, je zapotřebí volit
co nejvyšší rychlost v přívodu vzduchu. Přivádí-li se vzduch tryskami ze samostatného zdroje,
je přijatelná úsťová rychlost cca 50 m.s-1. Poslední fází hoření je vyhořívání fixního uhlíku.
Pokud heterogenní reakce probíhá při dostatečně vysokých teplotách, je její rychlost závislá
na rychlosti přívodu kyslíku.
Popsaný průběh spalování nelze chápat jako jednoznačné pořadí jednotlivých procesů.
Jednotlivé fáze hoření se v reálném ohništi prolínají, v některých případech jsou účelově
některé fáze zpomalovány (předtopeniště), případně zcela potlačeny (zplyňování). Na
intenzitu uvolňování prchavé hořlaviny a dokonalost jejího vyhoření, se nejčastěji usuzuje z
obsahu oxidu uhelnatého ve spalinách, který se spaluje nejobtížněji ze všech hořlavých
složek. V případě suchého dřeva je minimalizována fáze odpařování vody, zapálení paliva
probíhá velmi rychle a hořlavé složky nestačí vyhořet. U mokrého dřeva je díky odpařovací
fázi proces zapálení pozvolný a obsah CO je výrazně nižší a vyrovnaný. Extrémní hodnoty u
suchého dřeva lze ovšem vhodným přívodem sekundárního vzduchu výrazně snížit.
- 18 -
Download

SPALOVÁNÍ