Žilinská univerzita v Žilině
Strojnícka fakulta
Katedra energetickej techniky
Zdroje tepla a tepelné sítě
Část 2.
Zdroje pro CZT, palivo
Centrální zdroje pro soustavy CZT
Principiálně dva typy zdrojů:
- zdroje vyrábějící primární médium pro další výroby a pro potřebu vytápění
se využívá jen jinak nepotřebná část tepla (bez využití končí v chladících
věžích),
- zařízení při jejichž hlavní činnosti vzniká jako druhotný produkt teplo
(domovní kotelny, okrskové kotelny, resp. blokové kotelny, výtopny)
V obou případech se teplo vyrábí v kotlích spalováním paliva, v prvním
případě se teplo může vyrábět i v jaderných elektrárnách.
Domovní kotelna
Decentralizovaný zdroj tepla = umístění přímo ve vytápěné budově a slouží k
výrobě tepla pouze pro jedinou budovu nebo skupinu několika budov.
Jmenovitý výkon je maximálně 2 MW a používá se v nich teplovodních kotlů do
max. teploty vody 110 °C a nízkotlakých parních kotlů do přetlaku páry 50 kPa.
Teplo k vytápění a teplou vodu vyrábějí přímo v kotlích, odkud jsou vnitřním
potrubím v zásobovaném domě (nebo ve spolu souvisejících domech)
rozváděny k jednotlivým konečným spotřebitelům.
Umístění kotelny v budově a celkové řešení kotelny se řídí umístěním komína v
budově (vzdálenost kotlů od komína má být co nejkratší).
Z hlediska rozvodů v budově je nejvýhodnější kotelna umístěná uprostřed
půdorysu vytápěné budovy = toto hledisko však nemůže být vždy rozhodující.
Při projektování kotelny se musí pamatovat na přívod dostatečného množství
spalovacího vzduchu.
Zdroj tepelné energie
umístěný v tomtéž objektu
(domovní kotelna) nad 50kW
Spolusouvisející objekty
Okrsková (bloková) kotelna
Zdroj tepla pro větší počet budov ( samostatý nebo umístěný popřípadě přímo
v jedné z nich) s přímou dodávkou tepla tepelnými sítěmi přímo do vytápěcích
soustav.
Jmenovitý výkon je obvykle 2 až 4 MW, a přičemž lze použít teplovodních kotlů
do max. teploty vody 110 °C a nízkotlakých parních kotlů do přetlaku páry 50
kPa.
Bloková kotelna samostatně stojící
Bloková kotelna jako součást jednoho ze zásobovaných domů
Výtopna
Samostatně umístěný zdroj tepla pro obytný okrsek (celé sídliště) nebo
průmyslový závod s dodávkou tepla do tepelných sítí, případně i předávacích
stanic, které ve většině případů dodávku tepla tepelnými sítěmi ke spotřebičům
zprostředkují.
Tepelný výkon výtopen je obvykle v mezích od 2 MW do 20 MW. Jako
teplonosná látka se používá horká voda nebo středotlaká pára, u menších
výtopen i teplá voda nebo nízkotlaká pára.
Výtopny lze rozdělit na:
základní výtopny ke krytí celkové potřeby tepla pro zásobovanou oblast,
špickové výtopny ke krytí potřeby tepla ve špičkách odběru.
Výtopna má dosahovat vysokou účinnost výroby tepla i při částečném zatížení.
Teplárna
Zdroj, v němž se ve společném oběhu sdruženě vyrábí teplo a elektřina, případně
jiný druh energie (chlad, stlačený vzduch, atd.).
Při výrobě jenom elektrické energie v kondenzační elektrárně se ztrácí více než
60 % přivedené primární energie jako odpadní teplo v chladící vodě.
Při současné výrobě elektřiny a tepla lze využít více než 70 % z přivedené
primární energie. Pro výrobu stejného množství elektřiny v teplárně jako v
kondenzační elektrárně = nutné přivedení většího množství primární energie
(vyplatí se to).
Aspekt = podstatné zvýšení výsledné tepelné účinnosti teplárny.
Zvětšení přiváděné primární energie asi o 20 % = trojnásobné až čtyrnásobné
množství tepla pro účely vytápění při stejném množství vyrobené elektrické
energie jako u kondenzační elektrárny.
Teplárna s odběrovou kondenzační turbínou
Teplo pro teplárenské zásobování je odváděno obvykle v několika
neregulovaných odběrových stupních = odběrem tepla se sníží elektrický
výkon v rozsahu úměrném odváděnému teplu.
Elektrárna s odběrem tepla
Zdroj určený především pro výrobu elektřiny, jež je i zdrojem tepla při
částečném teplárenském provozním režimu.
Turbíny pro teplárny
Všechna pára projde turbínou.
výstupní parametry páry dostačují
k vytápění (např. 1MPa, 230 °C).
Nemusí být kondenzátor.
Z turbíny jsou vyvedeny výstupy
pro odběr páry na výtápění.
Poslední výstup vyúsťuje do
kondenzátoru.
Schéma teplárny se dvěma protitlakovými turbínami
Schéma teplárny se dvěma odběrovými turbínami pro potřeby CZT
Schéma teplárny se dvěma protitlakovými turbínami jednou nízkotlakou
kondenzační turbínou
Palivo pro zdroje CZT
Spalování tuhých, plynných a kapalných paliv
Hlavní zdroj energie = fosilní paliva, celková světová spotřeba 87 %
Podíl jednotlivých zdrojů energie na celkové světové spotřebě v roce 2006
Předpokládaný vývoj ve světové spotřebě energie
Tuhá paliva
- všechny druhy uhlí, rašelina a tuhá biomasa,
- složení: hořlavina, popeloviny a voda,
Hořlavina = chemicky vázaná energie v palivu, tvořená uhlíkem, vodíkem
a sírou.
Hořlavina je tvořená i tzv. pasivními látkami (kyslík a dusík), které při
chemické reakci teplo neuvolňují.
Popeloviny a voda představují nežádoucí podíl paliva, tzv. balast.
S růstem balastu v palivu klesá výhřevnost paliva, snižuje se jeho cena.
Obsah popeloviny v palivu nelze ovlivnit, množství vody lze snížit sušením.
Uhlí
Hořlavá hornina, která vznikala v průběhu desítek až stovek miliónů let
složitými anaerobními biochemickými reakcemi za působení teploty, tlaku a
času v podzemních vrstvách rostlinného odpadu.
Černé uhlí
Černé uhlí = malý obsah vody a prchavých látek,
výhřevnost 25 až 33 MJ·kg-1.
Antracit = nejstarší a nejkvalitnější černé uhlí,
výhřevnost 30 MJ·kg-1
Černé uhlí obsahuje 75 až 95 % uhlíku, nejvíce antracit okolo 94 %.
Proti hnědému uhlí má vyšší výhřevnost, méně popelovin, vyšší zabarvení a
tvrdost.
Hnědé uhlí
Hnědé uhlí - není uloženo hluboko pod povrchemm těžba skrývkou = nižší
finanční náklady na těžbu.
Nejkvalitnější hnědé uhlí = tzv. hnědý antracit, výhřevnost 16 - 17 MJ·kg-1,
obsah vody iba 40 %.
Zvláštní druh hnědého uhlí = lignit, slabým prouhelnatěním je na něm stále
zřejmá struktura dřeva.
Hnědé uhlí: 60 až 75 % uhlíku, lignit: 40 až 60 % uhlíku, 50 % vody a zbytky
dřeva (ostatní vlastnosti jsou shodné s vlastnostmi hnědého uhlí).
Rašelina
Tmavohnědý až černý přírodní organogenní
sediment = rozklad a rozpad mechů, travnatých
rostlin a stromů ve vlhkém a močálovém prostředí,
tzv. rašeliniska (většinou pod vodou za
nedostatočného přístupu kyslíku).
Obsah = min. 50 % spálitelných látek v sušině.
Na Zemi: asi 4 bilióny m3 rašeliny, ktoré pokrývají cca 2 % zemského
povrchu a obsahují asi 8 miliard terajoulů energie.
Světové zásoby uhlí a aspekty jeho těžby
- světové zásoby uhlí by při současné rychlosti spotřeby měly vystačit na více
než 200 let,
- doposud neobjevené zásoby uhlí údajně představují minimálně 15-násobek
známých zásob,
- 2/3 známého množství uhlí ve světě jsou v USA (30 %), v Rusku a v ostatních
zemích bývalého SSSR (okolo 25 %) a v Číně (cca 10 % světových zásob uhlí).
- nejvíce hnědého uhlí
a lignitu se těží v Evropě,
a to v Německu (nejhlubší
doly 325 m), ve Velké Británii
cca 33 m pod povrchem.
Povrchový hnědouhelný důl Bílina
(Česká republika)
Dřevná biomasa
Dřevná biomasa =
organický materiál, který
byl po tisíceročí pro
člověka jedním z
nejdůležitějších
palivových zdrojů.
Složení: celulóza (cca 42
%), hemicelulóza (26 %),
lignin (25 %) a další
prvky.
Ze všech tuhých paliv
obsahuje najvyšší podíl
plynných látek (75 až 85 %).
Dřevná štěpka
Nejvýznamnější forma biomasy pro velká spalovací zařízení.
Má vlastnosti palivového dřeva, vyrábí se z dřevných odpadů pomocí
štěpkovačů.
Štěpkovače = stroje pro beztřískové dělení dřeva příčně nebo podél jeho
vláken. Princíp spočívá v sekání dřeva podávanému proti noži.
Konstrukčně = diskové a bubnové
Optimální relativní vlhkost dřevné štěpky na spalování je 30 až 35 % pro
spalovací zařízení, které jsou vybavené stupňovitým roštem.
Štěpkovače
Rostlinná biomasa
Nejvýznamnější zdroj
biomasy na energetické
účely v zemědělství
představuje sláma
kultúrních plodin, hlavně
obilnin a řepky.
Důležitou vlastností slámy
je její rychlá a snadná
zplynovatetnost.
Při cca 200 °C se sláma
z asi 80 % zplyňuje. To ji
odlišuje od ostatních
pevných paliv, např. koks
má podíl hořlaviny len 4 %.
Možný výskyt
vysokoteplotní chlorové
koroze teplosměnných
ploch kotle (v oblasti teplot
stěn nad 400 – 450°C).
Plynná paliva
Nejvýznamnější plynné palivo je zemní plyn. Kromě zemního plynu se na
energetické účely využívá i koksárenský plyn, svítiplyn, generátorový plyn,
plyn z rafinace ropy (propan, butan) a v menší míře vysokopecní plyn.
Složení a výhřevnost některých plynných paliv
Složení a vlastnosti
plynného paliva
Zemní plyn
Koksárenský
plyn
Vysokopecní
plyn
Generátorový
plyn (uhlí)
Dusík N2 [%]
0 - 14
5
59
55
Oxid uhličitý CO2 [%]
1-2
5
12
17
84 - 99
32
-
1,3
Oxid uhelnatý CO [%]
-
4 - 6,5
28
25
Vodík H2 [%]
-
39 - 65
0,3
1,2
Hustota [%]
0,699
0,53 - 0,62
1,28
1,2
Výhřevnost [MJ·m-3]
34,275
15 - 16,36
2,7 - 4,0
11,75
Výhřevnost [MJ·kg-1]
49,034
26,4 - 28,3
2,11 - 3,13
9,79
Metan CH4 [%]
Složení a výhřevnost některých plynných paliv
Složení a vlastnosti
plynného paliva
Svítiplyn
Propan (C3H8)
Butan (C4H10)
Bioplyn
Oxid uhličitý CO2 [%]
-
-
-
25 - 40
Metan CH4 [%]
30
-
-
55 - 75
Oxid uhelnatý CO [%]
8
-
-
8
Vodík H2 [%]
50
18
17
nepatrně
Sírovodík H2S [%]
-
-
-
1-3
Uhlík C [%]
-
82
83
1,2
Hustota [%]
0,56 - 0,61
2,013
2,705
0,56 - 0,61
Výhřevnost [MJ·m-3]
14,5 - 16,7
93,37
123,77
21,6
Výhřevnost [MJ·kg-1]
25,9 - 29,8
46,39
45,76
38,5
Zemní plyn = přírodní směs plynných uhlovodíků (etan, propan, butan)
s převažujícím podílem metanu (70 až 90 %) a proměnlivým množstvím
plynů jako např. oxid uhličitý, sulfan, a inertních plynů.
Ekologické aspekty spalování zemního plynu
Zemní plyn = fosílní palivo s nejnižším negatívním dopadem na životní prostředí.
Emise všech monitorovaných složek jsou u zemního plynu o několik řádů níže než
u tuhých paliv.
I při porovnání s kapalnými palivy vychází zemní plyn ekologicky příznivěji.
Zemní plyn je z ekologického hlediska, pokud se nebudou posuzovat emise CO2
(emise CO2 na kWh tepla má nejnižší ze všech fosilních paliv), výhodnější i než OZE
jako je biomasa nebo bioplyn.
Porovnání složení biomasy a fosílních paliv
Palivo
Složky paliva v suché hmotě [%]
C
H2
O2
N2
S
Smrkové dřevo s kůrou
49,8
6,3
43,2
0,13
-
Bukové dřevo s kůrou
47,9
6,2
45,2
0,22
-
Topolové dřevo
47,5
6,2
44,1
0,42
-
Pšeničná sláma
45,6
5,8
42,4
0,48
-
Zemní plyn
72,2
24,0
> 0,1
3,7
-
Černé uhlí
72,5
5,6
11,1
1,30
0,940
Hnědé uhlí
65,9
4,9
23,0
0,70
0,390
„
„
obsah síry v biomase nižší než u většiny jiných paliv
obsah chlóru je naopak vyšší (stébelniny).
Kapalná paliva
Prakticky všechna kapalná palivá na vytápění = ze zpracování a úpravy
(rafinace) surové ropy.
Výjimka = tzv. bioolej = termický rozklad dřevné biomasy (pyrolýza),
v podmienkach SR se zatím velmi neuplatnila.
Surová ropa obsahuje množství nečistot (písek, voda, plyny a jiné) = nutná
úprava různými způsoby.
Destilace ropy = rozdělení na užší frakce podle bodu varu = získávají se plyny,
benzín, petrolej, plynový olej a nedestilujíci zbytek = mazut (těžký vytápěcí olej).
Další destilace mazutu (vakuová kolona), zbytek z vakuové kolony = asfalt.
Všechny frakce se dále upravují = pohonné hmoty, vytápění.
Na vytápění = těžké vytápěcí oleje, lehké vytápěcí oleje a motorová nafta
(směs plynového oleje a petroleje).
Vytápěcí oleje
Nejdůležitější chemické ukazovatele: obsah dusíka a síry = rozdělení na lehké,
extra lehké a těžké.
Lehký vytápěcí olej
- nízký obsah síry, nižší viskozita proti těžkému vytápěcímu oleji,
- teplota nemá klesat pod 10 °C = začíná tuhnout (obsah parafínů),
- svými vlastnostmi se přibližuje motorové naftě, přidávání barviva pro rozlišení.
Extra lehký vytápěcí olej
- ješte nižší viskozita oproti lehkému vytápěcímu oleji,
- použití ve zvláště ekologicky zatížených a chráněných oblastech s požadavky na
paliva s nízkým obsahem síry a pro vytápění domácností.
Těžký vytápěcí olej
- z různých druhů surové nafty (převážně ze zbytků po rafinaci nafty),
- složení každého surového oleje specifické, není možné ho přesně definovat
(alicyklické, cyklické a aromatické uhlovodíky, sloučeniny síry, dusíku, kyslíku a
stopy dalších sloučenin s obsahem niklu, železa, vanadu, molybdenu, chloru,
fluoru, atd),
- teplota olejového plamene je vysoká, ale obsah dusíku v oleji je nízký =
množství oxidů dusíku ve spalinách není vysoké,
- obsah popelu v těžkých vytápěcích olejích je nízký, obvykle výrazně pod 0,2 %
hmotnosti, ale je potřebné ze spalin odloučit tuhé částice.
Všeobecné charakteristiky kapalných fosilních paliv
Vlastnost paliva
Motorová nafta
Lehký vytápěcí olej
Těžký vytápěcí olej
Voda [%]
0
< 0,02
< 1,50
Uhlík [%]
86
85 - 86,2
84
Vodík [%]
13
12 - 13
11
0,50
1,4 - 2
<4
Sodík [ppm]
-
-
3 - 200
Vanad [ppm]
-
-
50 - 200
Kin. viskozita při 20°C [mm2·s-1]
-
> 9,50
> 9,5
Kin. viskozita při 100°C [mm2·s-1]
-
-
< 40
Bod vzplanutí [°C]
> 55
> 55
> 70
Hustota při 15 oC [kg·dm-3]
0,85
0,87
0,95 - 1
Spalné teplo [MJ·kg-1]
> 46
45
43
Výhřevnost [MJ·kg-1]
-
42
39,5 - 41
Síra [%]
Download

Zdroje tepla a tepelné sítě Část 2. - Strojnícka fakulta