PROJEKTY V OBLASTI
ENERGETIKY A STROJÍRENSTVÍ
Ing. Jiří Kropáč, Ph.D. I Ing. Lukáš Frýba
prof. Ing. Stanislav Vejvoda, CSc.
PODĚKOVÁNÍ
Realizační tým Moravskoslezského energetického klastru
věnuje poděkování autorům informačního manuálu „Projekty v oblasti energetiky a strojírenství“.
Odborná práce byla realizována za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu
CZ.1.07/2.4.00/31.0080 Partnerství v oblasti energetiky.
1
2
OBSAH
SOUČASNÁ SITUACE A VÝZVY TERMICKÉHO ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ
1. ÚVOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. SPALOVÁNÍ ODPADU V PODMÍNKÁCH ČR. . . . . . . . . . .
2.1. Spalování komunálního odpadu . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Popis technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Spalování průmyslových a nebezpečných odpadů . . . . .
3. KRITÉRIA VYHODNOCOVÁNÍ ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ
4. ZÁVĚR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.5
.8
.8
.8
.9
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
10
12
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
14
14
16
17
21
21
22
24
1. ÚVOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. VLIV VÍCEOSÉ NAPJATOSTI NA ÚNAVU MATERIÁLU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Zkušební tyče s vrubem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Porovnání počtu cyklů Nf a Nf,ex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. SNÍŽENÍ ÚNAVOVÉ PEVNOSTI MATERIÁLU VLIVEM PRACOVNÍHO PROSTŘEDÍ
3.1. Japonský model TENPES (Higuchi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Model US ANL (Chopra)[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. SNÍŽENÍ ÚNAVOVÉ PEVNOSTI MATERIÁLU SVAROVÝM SPOJEM . . . . . . . . . . . .
5. ZMENŠOVÁNÍ TLOUŠŤKY STĚNY TVORBOU OXIDICKÉ VRSTVY . . . . . . . . . . . .
6. DATABANKA MATERIÁLOVÝCH VLASTNOSTÍ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. ZÁVĚR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
25
25
26
27
29
29
29
30
30
31
31
VYUŽITÍ MODERNÍCH SYSTÉMŮ ČIŠTĚNÍ SPALIN
1. ÚVOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Škodliviny ze spalování . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Legislativa a emisní limity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. TECHNOLOGIE PRO SNIŽOVÁNÍ EMISÍ VE SPALINÁCH .
3. SOUČASNÉ SYSTÉMY ČIŠTĚNÍ SPALIN . . . . . . . . . . . . . .
3.1.Čištění spalin z termického zpracování biomasy . . . . . . .
3.2. Čištění spalin z termického zpracování odpadu . . . . . .
4. ZÁVĚR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ PŘESNOST MONITOROVACÍHO
A DIAGNOSTICKÉHO SYSTÉMU
3
4
SOUČASNÁ SITUACE A VÝZVY TERMICKÉHO
ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ
Ing. Lukáš Frýba, Ing. Jiří Kropáč, Ph.D.
1. ÚVOD
Odpadové hospodářství je rychle rozvíjející se oblast, která je významně podporována legislativou. Směrnice 2008/98/EC
stanovila základní principy v oblasti nakládání s odpady - nakládání s odpady bez ohrožení lidského zdraví a životního
prostředí – z kterých vyplynula hierarchie pro nakládání s odpady (viz obr. 1). Důraz je kladen především na úsporu
primárních zdrojů a potlačení skládkování.
Odpadové hospodářství je rychle rozvíjející se oblast, která je významně podporována legislativou. Směrnice evropské
komise 2008/98/EC [1] stanovila základní principy v oblasti nakládání s odpady – nakládání s odpady bez ohrožení lidského
zdraví a životního prostředí – z kterých vyplynula hierarchie pro nakládání s odpady (viz obr.1). Na prvním místě hierarchie
je prevence vzniku odpadů, poté jeho opětovné používání a recyklace následovaná energetickým využitím. Teprve odpady,
které není možné již nijak využít, by měly být odstraňovány například jejich bezpečným skládkováním. Důraz je kladen
především na úsporu primárních zdrojů a potlačení skládkování. Tato pravidla jsou promítnuta do legislativy členských států
Evropské Unie, tedy i ČR.
Obr.1: Hierarchie nakládání s odpady odpovídající směrnici 2008/98/EC [1]
Energetické využití odpadů v podmínkách České republiky je v současnosti představováno především přímým spalováním
komunálního odpadu s využitím uvolněné energie a s kontrolou plynných i tuhých produktů spalování. Hlavním účelem
spaloven je hygienická likvidace nevyužitelných materiálů. Současně se uvolní množství energie odpovídající kalorickému
obsahu odpadu, jejíž využití pak představuje určitý způsob recyklace energie chemicky vázané v materiálu. Zmíněná
směrnice 2008/98/EC umožňuje, aby vysoce účinná zařízení využívající energii z odpadu mohla mít prospěch ze statutu
„energetické využití“ („energy recovery“).
Význam energetického využití narůstá v souvislosti s omezováním skládkování komunálních odpadů, které vychází ze
směrnice Evropské komise 1999/31/EC [2] o skládkování odpadů. V České republice je pro budování moderních spaloven
odpadu významný závazek snížení podílu skládkovaného biologicky rozložitelného odpadu oproti roku 1995 (v roce 2020
pouze 35 % hmotnostních původního množství). Tento cíl dle 6. hodnotící zprávy plnění plánu odpadového hospodářství
[3] není plněn, v roce 2010 bylo naopak skládkováno více biologicky rozložitelného odpadu než v referenčním roce 1995.
Podíl biologicky rozložitelné složky v komunálním odpadu se tepelným zpracováním stává zdrojem tepla resp. elektřiny.
V současnosti v České legislativě probíhají změny v legislativě a v přístupu státu i společnosti k odpadovému hospodářství.
To se projevuje řadou konkrétních aktivit (tvorba zákonů a vyhlášek, přípravy a realizace investičních projektů, případové
studie a analýzy) na kterých se aktivně podílí i členové tohoto projektu – Ústav procesního a ekologického inženýrství
(Vysoké učení technické v Brně) a společnost EVECO Brno, s.r.o.
5
Z hierarchie nakládání s odpady (Obr.1) vyplývají vhodné způsoby nakládání pro jednotlivé skupiny odpadů z katalogu
odpadů [4]. Komunální odpady (skupina 20 – odpady především z domácností a podobné živnostenské odpady) představují
skupinu odpadů, umožňující nakládání všemi způsoby popsanými v hierarchii. Ale i s tímto odpadem je potřeba nakládat
v souladu s uvedenou hierarchií. Konkrétní způsoby nakládání s komunálními odpady se však v jednotlivých zemích liší.
Státy s méně rozvinutým odpadovým hospodářstvím ve velké míře využívají nevhodného skládkování. Naopak, vysoké
materiálové a energetické využití je dobrým indikátorem kvality odpadového hospodářství.
Většina komunálního odpadu je v českých podmínkách pouze odstraňována uložením do země – skládkováním. Spalitelné
komunální odpady představují významný a zatím nevyužitý zdroj energie. V českých provozech je dnes energeticky
využito pouze okolo 12 % z celkové produkce směsného komunálního odpadu. V Evropské Unii je dle Eurostatu v průměru
spalováno více než 20 % produkce komunálních odpadů [5]. Na obr.2 je přehled způsobů nakládání s komunálním
odpadem v Evropě. Na obrázku je zřetelné, že v zemích s rozvinutým odpadovým hospodářstvím probíhá energetické
využití společně s využitím materiálovým, a společně nahrazují nevhodné skládkování. V zemích s rozvinutým odpadovým
hospodářstvím (např. Švýcarsko, Rakousko, Nizozemí, Švédsko) bylo skládkování téměř nebo zcela potlačeno. Uvedené
údaje ukazují na značný potenciál pro využívání energie z odpadu v České Republice.
Obr.2: Nakládání s komunálním odpadem v Evropě v roce 2010 dle Eurostatu [5]
Následující graf zobrazuje vývoj produkce komunálního odpadu v posledních deseti letech (viz Obr.3). Zde je patrný
stoupající trend produkce tohoto druhu odpadu. Druhý graf dokumentuje stoupající produkci elektřiny a tepla ve stejném
období (viz Obr.4). Z grafu je mimo jiné patrný stoupající důraz na produkci elektřiny při kogeneraci (společná produkce
tepla a elektřiny). Pokles ve výrobě energií v letech 2009 a 2010 je způsoben rekonstrukcemi spaloven.
6
Obr.3: Vývoj produkce vybraných druhů odpadu v České Republice v letech 2002 až 2011 [6]
Obr.4: Vývoj produkce tepla a elektřiny z komunálních odpadů [7]
7
2. SPALOVÁNÍ ODPADU V PODMÍNKÁCH ČR
2.1. Spalování komunálního odpadu
Termické zpracování odpadů reprezentuje řadu výhod oproti dalším způsobům nakládání s odpady, především v porovnání
s rozšířeným skládkováním. Významným přínosem je například snížení objemu odpadu na cca 10 % původního objemu
a redukce hmotnosti odpadu asi o dvě třetiny původní hodnoty. Dalším významným přínosem je možnost kontroly
celého procesu a prevence vzniku ekologický škod objevujících se při skládkování. Výsledkem je čistý proces se sterilními
a chemicky stabilními výstupními proudy a především s možností produkce tepelné či elektrické energie nebo energeticky
využitelných paliv. Spalováním se odpad zpracuje velmi rychle, a to s důkladnou a přísnou kontrolou plynných i tuhých
produktů spalování. Tímto způsobem se do prostředí uvolní pouze minimální množství škodlivin. Oproti zpracování odpadu
skládkováním se do prostředí nedostává například metan, který má jednadvacetinásobný negativní vliv na skleníkový efekt
než často uváděný oxid uhličitý [8]. Řadu nebezpečných odpadních látek lze v procesu termického zpracování přeměnit
na látky neškodné.
Z různých druhů termického zpracování odpadů (např. pyrolýza, zplyňování, fermentace atd.) převládá v České Republice
i v Evropě přímé spalování ve specializovaných spalovacích jednotkách. Současné spalovny komunálního odpadu jsou
běžně hodnoceny jako zařízení pro energetické využití s významnou produkcí elektřiny a tepla. Naopak, spalovny
nebezpečných odpadů nedosahují statutu „energetické využití“ [9], primárním účelem těchto zařízení zůstává bezpečná
likvidace problematických materiálů. Výroba energie z nebezpečného odpadu však může snižovat provozní náklady
a externí spotřebu energie.
I když v zahraničí jsou dlouhodobě a efektivně provozovány technologie pro energetické využívání směsných komunálních
odpadů, v České Republice jsou provozována pouze tři tato zařízení s celkovou zpracovatelskou kapacitou cca 650 kt/r
(viz Tab.1). Nejmenším zařízením je Liberecká spalovna TERMIZO, a.s., které provozuje od roku 1999. Další dvě zařízení
se nacházejí ve dvou největších českých městech (Praha a Brno), tomu odpovídá i jejich větší zpracovatelská kapacita.
Rozhodující je využitelnost produkovaného tepla v sítích centrálního zásobení teplem. Technologie brněnské spalovny
byla rekonstruována v letech 2009 až 2011. Technologie pražské spalovny byla naposledy upravena v roce 2009, kdy byly
zavedeny nejmodernější opatření pro snižování emisí oxidů dusíku a dioxinů.
Tab.1: Přehled provozovaných spaloven MSW v ČR pro rok 2011 [10 až 12]
Název
Lokalita
Zpracovatelský
výkon
[t/r]
Vyrobené teplo
[TJ/rok]
Vyrobená
elektřina
[MWh/rok]
ZEVO
Praha, Malešice
300
cca 850
cca 60 000
Brno, Líšeň
250
2 117
71 174
Liberec
95
961
23 575
SAKO a.s.
TERMIZO a.s.
2.2. Popis technologie
Schéma spalovny odpadů je znázorněno na Obr.5. Technologie spalování probíhá ve spalovací komoře. Spalování odpadů
je obvykle využíváno posuvných roštů, na kterých probíhá proces oxidace. Primární spalovací vzduch je přiváděn pod rošty.
Tímto způsobem je dosahováno lepšího přístupu vzduchu i do spodních vrstev odpadu ležících na roštech. Vzduch pro
spalování je nasáván z prostoru bunkru (zařízení pro mísení a skladování odpadu před dávkováním do spalovací komory)
čímž je vytvářen podtlak a je zamezeno šíření zápachu do okolí zařízení. Nasávaný vzduch je dále obvykle předehříván pro
efektivnější využití energie a stabilnější proces spalování a teprve poté přiváděn do spalovací komory.
8
Obr.5: Vývoj produkce tepla a elektřiny z komunálních odpadů
Vzniklý proud spalin je odveden kotle na odpadní teplo (HRSG), kde dochází k využití tepelného obsahu spalin a výroby
páry. HRSG je obvykle složen ze 3 částí: ekonomizéru (napájecí voda se předehřeje na bod blízký varu a je odvedena do
boileru), výparníku (napájecí voda je vypařována) a přehříváku (sytá pára je přehřívána). Vyrobená pára se dále využívá
převážně pro výrobu elektrické energie a zásobování tepelné energie nebo páry pro vytápění budov pomocí centrálního
zásobování teplem. Část vyrobené páry je využita také v technologii (např. předehřev spalovací vzduchu nebo zpětný ohřev
spalin u některých procesů čištění spalin). Výstupní teplota spalin z HRSG je ovlivněna použitým systémem čištění spalin,
tak aby byly dodrženy optimální podmínky pro provoz zařízení na redukci škodlivých látek obsažených ve spalinách. Látky
obsažené v plynných produktech termického spalování společně se způsobem jejich odstraňování jsou uvedeny v Tab.2.
Tab.2: Přehled látek obsažených ve spalinách
Produkt spalování
CO2
H2 O
CO
Popílek
SO2
HCl
HF
NOx
Uhlovodíky, vč POP
Těžké kovy
Způsob odstraňování
finální produkty spalování
režimem spalování
mechanické čištění (filtrace)
chemické čištění (kontakt
s alkalickými činidly)
termický resp. Katalytický DENOX
režim spalování, adsorpce,rozklad
filtrace + chemické čištění
2.3. Spalování průmyslových a nebezpečných odpadů
Nebezpečné odpady jsou odpady obsahující jednu nebo vice složek uvedených v evropském nařízení 2008/98/EC části
III. Nebezpečné odpady mohou být zneškodněny pouze termicky, skládkování těchto materiálů je problematický a je
zakázáno. Většina spaloven nebezpečného odpadu je konstruována pouze jako zařízení na spalování odpadů a ne na
energetické využívání odpadů. Primárním cílem zařízení je zneškodnění odpadu a ne jeho energetické využití. Většina
spaloven nebezpečného odpadu je spotřebovává více externí energie, než produkuje a z tohoto důvodu nesplňuje kritéria
pro zařazení pro energetické využívání odpadů.
9
Jednotky pro spalování nebezpečných odpadů jsou téměř totožné, jako spalovny komunálních odpadů. Hlavní rozdíl je
v bloku termického zpracování odpadů. Ve spalovnách průmyslového a nebezpečného odpadu (IHW) se obvykle
využívá rotační pece a dvou stupňového procesu spalování, které zvyšuje účinnost spalování a umožňuje zneškodnění
velkého spektra paliva, od pevných až po kapalné odpady. Dalším rozdílem je vyšší teplota spalování dána legislativou
na rozdíl od minimálních teplot pro spalování komunálního odpadu. U IHW je legislativou dána nejnižší teplota spalování
1100 °C za posledním přívodem vzduchu a u ZEVO je to 850°C. Teploty 1100°C se dosahuje spalováním sekundárního
paliva, nejčastěji zemního plynu. Schéma zařízení na spalování nebezpečného odpadu je zobrazeno na Obr.6. Na Obr.7
je zobrazena rotační komora pro spalování nebezpečných odpadů.
Obr.6: Technologické schéma spalovny nebezpečných odpadů
Obr.7: Rotační pec pro spalování nebezpečných odpadů
3. KRITÉRIA VYHODNOCOVÁNÍ ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ
Efektivní využití energie v odpadu určuje několik kritérií, jejichž seznam je určen v Tab.4. První uvedené kritérium
je Energetická účinnost he (Energy efficiency, R1 faktor, (3)) stanovená evropskou legislativou, která umožňuje spalovnám
komunálního odpadu klasifikaci jako kategorie „Použití hlavně jako palivo nebo jiným způsobem k výrobě energie“ [13]
a profitovat z této kategorizace. Konverzní faktory zohledňující různou účinnost výroby tepelné a elektrické energie
v referenčních zdrojích používané při výpočtu R1 uvádějí vzorce (1) a (2) v Tab.3.
10
Tab.3: Konverzní faktory zohledňující různou účinnost výroby tepelné a elektrické energie v referenčních zdrojích
Konverzní faktor pro produkci elektřiny
100/h Refel = 100/38 = 2.6
(1)
Konverzní faktor pro produkci tepla
100/hRefth = 100/91 = 1.1
(2)
Druhé kritérium uvedené v tabulce jsou Úspory primární energie (Primary Energy Savings – PES), vyjádřené jako rozdíl
mezi spotřebou primární energie v referenčním systému a spotřeby posuzovaných systémů se stejnou produkcí energie (4).
PES není vhodné pro přímé srovnání zařízení s různou kapacitou, proto byly vyjádřeny měrné úspory pes stanovené jako
PES vztažené k celkovému energetickému vstupu do procesu (Ew + Ef + Iimp). Pokud je hodnota pes kladná, zařízení přispívá
k úsporám primární energie. Pokud je záporná, tak zařízení spotřebovává primární energii na úkor jiných zdrojů.
Reimann [14] publikoval výsledky hodnocení efektivity využití energie u 97 evropských spaloven tuhého komunálního
odpadu. Autor této studie rozdělil zařízení dle způsobů využití energie do tří skupin:
·
Skupina 1: Zařízení produkující převážně elektřinu, tj. zařízení, u kterých výroba tepla nepřesáhne 5 % celkové produkce
energie (25 zařízení).
·
Skupina 2: Zařízení produkující převážně teplo, tj. zařízení, u kterých výroba elektřiny nepřesáhne 5 % celkové produkce
energie (28 zařízení).
·
Skupina 3: Zařízení s kombinovanou výrobou tepla a elektřiny (44 zařízení).
Tab.4: Vyčíslení kritérií pro ZEVO (označení proudů koresponduje s Obr.8)
Předpis
Kritérium
Energetická účinnost
Directive 2008/98/EC (Energy efficiency, R1
factor)
Directive 2004/8/EC;
[15]
a
b
WTE
he > 0.6
he > 0.65a
(3)
–
(4)
pes > 0
pes > 0.6b
(5)
Úspora primárních
zdrojů (Primary
energy savings, PES)
Měrná úspora
primárních zdrujů
(Specific PES, pes)
Vzorec
pro zařízení uvedená do provozu po 12. prosinci 2008
0.6 vysoce účinný proces.
Ef
energie importovaná do spalovacího procesu (např. přídavné palivo)
EW
Energie dodaná do procesu spalováním odpadu (nebo alternativního paliva)
Icirc
Cirkulovaná energie (elektrická a/nebo tepelná) nutná pro proces (např. pro ventilátory a čerpadla, předehřev
spalovacího vzduchu nebo napájecí vody, atd.)
Iimp
Importovaná energie nepodílející se na výrobě tepla (např. energie pro potřeby systému čistění spalin)
Qexp Produkovaná energie (elektrická a/nebo tepelná)
Qprod Total amount of produced energy (thermal and electrical)
el - elektrická (index); th - tepelná (index);
11
Obr.8: Vývoj produkce tepla a elektřiny z komunálních odpadů
Dalším kritériem pro hodnocení spaloven je poměrná úspora primární energie při kombinované výrobě elektřiny a tepla
(UPE). Hodnota UPE (6) vyjadřuje úspory primární energie spalovací jednotky kogenerační výrobou a úspory výrobou
z druhotných energetických zdrojů vztažené k výrobě v referenčních jednotkách. 10 a 15 % jsou minimální hodnoty pro
finanční podporu dle české legislativy [16].
(6)
hqT je účinnost dodávky tepla z kombinované výroby elektřiny a tepla definovaná jako množství užitečného tepla
vyrobeného v kogenerační jednotce nebo jejich sériové sestavě dělené spotřebou energie v palivu použitém v procesu
kombinované výroby elektřiny a tepla [-]
hrV je výsledná harmonizovaná referenční hodnota účinnosti pro oddělenou výrobu tepla [-]
heT je elektrická účinnost kombinované výroby elektřiny a tepla definovaná jako množství elektřiny vyrobené v kogenerační
jednotce nebo jejich sériové sestavě vázané na dodávku užitečného tepla dělené spotřebou energie v palivu použitém
v procesu kombinované výroby elektřiny atepla; elektřina z kombinované výroby elektřiny a tepla může být pro výpočet
navýšena o množství mechanické energie stanovené podle přílohy k vyhlášce [-]
hrE je výsledná harmonizovaná referenční hodnota účinnosti pro oddělenou výrobu elektřiny [-]
4. ZÁVĚR
Spalování odpadů je možnou cestou jak odpady energeticky využít a zároveň minimalizovat jejich objem. Spalování zmenší
objem odpadů přibližně na 30% původního objemu. Další nespornou výhodou energetického využívání odpadů je úspora
primárních paliv (např. uhlí, zemní plyn, atd,…), které by bylo nutné jinak spálit pro stejný zisk energie produkované ze
zařízení na energetické využívání odpadů.
Uvedená kritéria napomáhají k porovnání jednotlivých zařízení z pohledu využití energie. Dostatečně vysokoúčinná zařízení
jsou kategorizována jako zařízení pro využití energie z odpadů s čímž souvisí možnost získání finančních podpor a další
výhody.
12
LITERATURA
THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 2008/98/EC on waste
and repealing certain Directives. 2008.
THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 1999/31/EC on the landfill of waste. 1999.
MINISTERSTVO ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ. Šestá hodnotící zpráva o plnění nařízení vlády č. 197/2003 Sb., o Plánu
odpadového hospodářství ČR za rok 2010. 2012.
MINISTERSTVO ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ. Vyhláška č. 381/2001 Sb. ze dne 17. října 2001, kterou se stanoví Katalog
[1]
[2]
[3]
[4]
odpadů, Seznam nebezpečných odpadů a seznamy odpadů a států pro účely vývozu, dovozu a tranzitu odpadů
a postup při udělování souhlasu k vývozu, dovozu a tranzitu odpadů (Katalog odpadů), ve znění pozdějších předpisů.
2001.
[5]
Eurostat Statistical Office of the European Communities (EUROSTAT). [online]. [cit. leden 2013].
[6]
[7]
Český statistický úřad (ČSÚ) [online]. [cit. leden 2013]. Dostupný z WWW: <http://www.czso.cz/>.
KYSELÁK, M. Energetické využití odpadů z pohledu MPO. Prezentace na semináři Odpady 2012 a jak dál? 24. dubna
Dostupný z WWW: <http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/eurostat/home>.
2012.
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [online]. [cit. leden 2013].
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Dostupný z WWW: <http://www.ipcc.ch/>.
KROPÁČ, J.; BÉBAR, L.; PAVLAS, M. Industrial and Hazardous Waste Combustion and Energy Production. Chemical
Engineering Transactions. 2012, roč. 28, č. 1, s. 673-678. ISSN 1974- 9791.
ÚTVAR ROZVOJE HLAVNÍHO MĚSTA PRAHY. ZEVO Malešice – kogenerační jednotka zařízení DeNOx. [online]. [cit.
leden 2013]. Dostupné z WWW: < http://www.urm.cz/cs/mestske-investice/detail/1290/zevo-malesice-kogeneracnijednotka-a-zarizeni-denox>.
SPALOVNA A KOMUNÁLNÍ ODPADY BRNO, A.S. Výroční zpráva 2011. [online]. [cit. leden 2013].
Dostupné z WWW: <http://www.sako.cz/spolecnost/vyrocnizpravy/vyr2011.pdf>.
TERMIZO A.S., LIBEREC. Zpráva o provozu spalovny – environmentální profil za rok 2011. [online]. [cit. leden 2013].
Dostupné z WWW: <http://www.termizo.mvv.cz/php/docs/rocni_zprava_2011.pdf>.
THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 2008/98/EC on waste
and repealing certain Directives. 2008.
REIMANN, D. O. CEWEP Energy Report (Status 2001 - 2004) - Results of Specific Data for Energy, Efficiency Rates
and Coefficients, Plant Efficiency factors and NCV of 97 European W-t-E Plants and Determination of the Main Energy
Results. CEWEP - Confederation of European Waste-to-Energy Plants. Bamberg. 2006.
[15] PAVLAS, M.; TOUŠ, M.; BÉBAR, L.; STEHLÍK, P. Waste-to-Energy – An evaluation of the environmental impact. Applied
Thermal Engineering 30. 2326–2332. 2010. ISSN 1359-4311
[16] MINISTERSTVO PRŮMYSLU A OBCHODU Vyhláška 453/2012 Sb. o elektřině z vysokoúčinné kombinované výroby
elektřiny a tepla a elektřině z druhotných zdrojů. 2012.
CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH
Keywords
Energy recovery of waste, Thermal processing, Waste treatment, Municipal solid waste
Summary
The paper deals with one of the possible ways of waste treatment - thermal procesing of this problematic material to the
current production of various forms of energy. The paper gives an overview conditions of thermal treatment of waste
management in the CR and the EU with regard to the waste hierarchy. Are described equipment for thermal treatment of
municipal and hazardous waste and presented criteria for assessing the energy efficiency of these devices.
Ing. Lukáš Frýba, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické
v Brně, Technická 2896/2, 606 69 Brno, tel.: (+420) 541 144 908, e-mail: [email protected]
Ing. Jiří Kropáč, Ph.D., Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické
v Brně, Technická 2896/2, 606 69 Brno, tel.: (+420) 541 144 908, e-mail: [email protected]
13
VYUŽITÍ MODERNÍCH SYSTÉMŮ
ČIŠTĚNÍ SPALIN
Ing. Jiří Kropáč, Ph.D.
1. ÚVOD
Z výstupních procesních proudů spalovacích technologií je značná pozornost upřena na plynné produkty spalování a jejich
znečištění škodlivými látkami. Problematika emisí ve spalinách je sledována odbornou i laickou veřejností, což vedlo ke
stanovení velmi přísných emisních limitů v některých průmyslových oblastech. Dodržení požadavků na plynné emise řeší
systémy čištění spalin, které jsou nedílnou součástí spalovacích jednotek. Návrh systémů čištění spalin může mít vliv na
parametry celé spalovny.
Návrh je prováděn v kontextu posouzení řady aspektů, mezi které patří:
• charakteristiky paliva (složení, výhřevnost),
• emise v surových spalinách,
• legislativa (emisní limity, předepsané provozní parametry).
Doporučené způsoby čištění spalin vychází z referenčních dokumentů (Best Available Techniques Reference
Documents – BREF) o evropských nejlepších dostupných technologiích (Best Available Techniques – BAT), které jsou
součástí evropské legislativy. Na základě tochto dokumentů jsou vyžadovány nejaktuálnější technologie pro přestavby
stávajících zařízení a pro výstavbu nových jednotek. Zde uvedené metody nejsou sice závazné, ale jsou směrodatné pro
rozhodnutí, zda je provoz příslušné technologie v souladu se směrnicí 2008/1/EC [1] o integrované prevenci a omezování
znečištění. BREF pro zpracování odpadních vod a plynů v chemickém průmyslu (Common Waste Water and Waste Gas
Treatment/Mana-gement Systems in the Chemical Sector – BREF CWW) [2] se přímo vztahuje k řešené problematice. BREF
pro spalování odpadu (Waste Incineration – BREF WI) [3] se také podrobně zabývá předmětnou problematikou v oblasti
termického zpracování odpadů.
1.1. Škodliviny ze spalování
Jednotlivé druhy paliv se svými charakteristikami (např. výhřevnost, vlhkost, chemické složení hořlaviny) mohou značně lišit,
což značně ovlivní celý spalovací proces, včetně vzniku znečišťujících látek. Velký význam z hlediska tvorby škodlivin má
kvalita spalování. Nedokonalé spalování bývá způsobeno přísunem menšího množství kyslíku, než je pro oxidační reakce
třeba dle stechiometrických rovnic. Dále může být způsobeno neadekvátním směšováním paliva se spalovacím vzduchem, nízkými spalovacími teplotami, nedostatečným setrváním na těchto teplotách a dalšími vlivy. Mezi škodlivé produkty
spalování patří níže uvedené polutanty. Přehled jejich škodlivých vlastností je v Tab. 1.
Tab. 1 Nebezpečné vlastnosti škodlivých složek ve spalinách [4], označení škodlivin je vysvětleno v následujícím textu
Škodlivina
CO2
CO
TZL
NOx
SOx
HCl
HF
PAH
VOC
CH4
PCDD/F
NH3
O3
Těžké kovy
Dopady na klima, prostředí a zdraví obyvatel
Skleníkový efekt (přímo)
Skleníkový efekt (nepřímo); vliv na astma a embrya
Skleníkový efekt (nepřímo); vliv na respirační systém, karcinogenní
Skleníkový efekt (přímo i nepřímo); způsobují smog, kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci;
vliv na respirační systém
Skleníkový efekt (přímo i nepřímo); způsobují smog, kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci;
vliv na respirační systém a astma
Způsobuje kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém, toxický
Způsobuje kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém, toxický
Způsobují smog; karcinogenní
Skleníkový efekt (nepřímo); vliv na respirační systém
Skleníkový efekt (přímo i nepřímo), má několikanásobně větší negativní vliv na klima než často uváděný
oxid uhličitý
Vysoce toxické; akumulují se v potravinovém řetězci; poškozují játra, centrální nervový systém a imunitu
Způsobuje kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém
Skleníkový efekt (přímo); způsobuje smog, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační
systém a astma
Některé jsou toxické a/nebo karcinogenní (především Hg, Cd, Tl a As);
akumulují se v potravinovém řetězci
14
Oxid uhličitý (CO2) a oxid uhelnatý (CO)
Oxid uhličitý a vodní pára jsou konečnými oxidačními produkty při spalování uhlíkatých paliv, včetně odpadů. Efektivní
snižování emisí CO2 je zatím ve stadiu výzkumu. Značně jedovatý oxid uhelnatý je hlavní produkt nedokonalého spalování,
zároveň je dobrým indikátorem kvality spalovacího procesu. Při dostatečné dostupnosti kyslíku oxiduje dále na méně
nebezpečný oxid uhličitý.
Tuhé znečišťující látky (TZL)
Mezi TZL ve spalinách patří částice popelovin unešené proudem spalin ze spalovací komory (úletové popeloviny, průměr
větší jak 1 mm) a aerosoly (např. soli KCl, NaCl, K2SO4, průměr menší jak 1 mm), které jsou výsledkem reakcí mezi draslíkem
nebo sodíkem a chlorem nebo sírou. Další částice vznikají při nedokonalém spalování a tvoří saze a zkondenzovaný dehet.
Na povrch TZL se adsorbují těžké kovy a dioxiny, což zvyšuje význam odprášení především jemných částic s vysokým
měrným povrchem ze spalin. Zachycené částice je třeba po zachycení ze spalin bezpečně zpracovat.
Oxidy dusíku (NOx)
Emise oxidů dusíku jsou produktem oxidace dusíku. Rozeznávají se tři způsoby tvorby oxidů dusíku, které rozhodují o celkovém objemu vzniklých dusíkatých škodlivin ve spalinách: palivové (rozhodující je velikost přebytku vzduchu a množství
dusíku v palivu při teplotách 600 až 800°C), termické (při teplotách nad 1200°C dle dostupnosti kyslíku) a promptní oxidy
dusíku (množství vytvořených oxidů dusíku stoupá s teplotou).
Oxidy síry (SOx)
Emise oxidů síry jsou výsledkem kompletní oxidace síry z paliva. Jedná se hlavně o toxický oxid siřičitý (SO2, více než 95 %)
a při nižších teplotách o oxid sírový (SO3), který se v atmosféře slučuje s vlhkostí ze vzduchu na H2SO4. Ne všechna síra
z paliva projde oxidací, část zůstává v popelovinách, a část je emitována ve formě solí (tuhé částice K2SO4 s průměrem
menším jak 1 mm) nebo při nižších teplotách jako sirovodík a jiné sloučeniny.
Chlorovodík (HCl) a fluorovodík (HF)
Chlor může při teplotách nad 550°C zapříčinit vysokoteplotní korozi teplosměnných ploch kotle. Hlavní část chloru z paliva
reaguje s draslíkem a sodíkem a vytváří soli (KCl, NaCl), které tvoří tuhé částice. Část chloru reaguje s vodíkem a do spalin
se uvolní jako HCl. Přítomností fluoru v palivu a jeho reakcí s vodíkem se může objevit také HF.
Polychlorované dibenzodioxiny a furany (PCDD/F, dioxiny)
Dioxiny patří do skupiny perzistentních organických látek se schopností zůstat v prostředí po dlouhou dobu beze změny.
Do této skupiny dále patří polychlorované bifenyly a polyaromatické uhlovodíky. PCDD/F vznikají buď uměle, nebo
přirozenou cestou v přírodě a v důsledku akumulace se vyskytují všude v prostředí kolem nás. Jejich tvorbu ovlivňuje mnoho
podmínek a nelze ji plně potlačit. Obecně je pro jejich vznik nezbytná přítomnost uhlíku, chloru, kyslíku a katalyzátoru (měď).
Uhlovodíky vznikají jako meziprodukt při konverzi uhlíku a vodíku z paliva na CO2 a H2O. Polycyklické aromatické
uhlovodíky (PAH) jsou karcinogenní. Těkavé organické sloučeniny (VOC) postupně kondenzují a tvoří emise tuhých částic.
Objevit se může také tvorba metanu (CH4). Tvorba uhlovodíků je stejně jako emise oxidu uhelnatého způsobena nízkou
teplotou a nedostatečnou prodlevou spalin v termickém bloku, nebo nedostupností potřebného kyslíku. Amoniak (čpavek,
NH3) může v malém množství vznikat za velmi nízkých teplot jako mezistupeň při tvorbě NOx. Některá opatření pro
snižování emisí využívají čpavku jako činidla, jeho nedokonalé dávkování se také může projevit v koncových spalinách.
Ozón (O3) může vznikat nepřímo atmosférickými reakcemi mezi oxidem uhelnatým, metanem, těkavými organickými
sloučeninami a oxidy dusíku.
Mezi složky paliva patří také těžké kovy (např. měď, olovo, rtuť, kadmium). Ty mohou zůstat v popelovinách, odpařit se do
spalin, nebo také pokrýt povrch emitovaných částic. Jejich odstranění na úroveň stanovenou legislativou bývají dostačující
účinné separační postupy pro odstranění popílku ze spalin, případně absorpční a adsorpční metody. Spolu s palivem se do
procesu může dostat i rtuť, která bývá zachycena v systému čištění spalin.
15
1.2. Legislativa a emisní limity
Od 1. září 2012 platí nový zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší [5], který nahrazuje mj. zákon č. 86/2002 o ochraně
ovzduší. Příloha č. 9 tohoto zákona stanoví sazby poplatků za znečišťování, dále jsou stanoveny emisní limity stacionárních
spalovacích zdrojů. Vyhláška 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých
dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší [6] stanovila specifické emisní limity pro odpad a další paliva. Obecně platí,
že emisní limity jsou přísnější pro velká zařízení, která mají lepší podmínky pro optimalizaci spalovacího procesu a větší
ekonomickou dostupnost sekundárních opatření pro snižování škodlivých emisí ve spalinách.
Pro malé (jmenovitý výkon < 0,2 MW) zdroje spalující biomasu nejsou limity stanoveny. Aparáty na odstranění NOx a SOx
se v těchto případech většinou ekonomicky nevyplatí, často zde dochází k nedokonalému spalování. České emisní limity
pro střední (jmenovitý výkon 0,3 – 5 MW) a velká (jmenovitý výkon 5 – 50 MW) zařízení spalující biomasu jsou uvedeny
v Tab. 2.
Tab. 2 České emisní limity pro střední a velká spalovací zařízení spalující dřevo nebo biomasu,
nekontaminovaný dřevní odpad, kůru a podobné rostlinné látky [6]
Emisní limity [mg/m3]
SOx jako SO2
NOx jako NO2
CO
TZL
Referenční
obsah O2
0,3 MW ≤ Pth ≤ 5 MW
2500
650
650
250
11
5 MW ≤ Pth ≤ 50 MW
2500
650
400
150
11
Jmenovitý tepelný výkon
Legislativa v oblasti zpracování odpadů klade na spalovny odpadů řadu náročných technologických požadavků. Spalování
odpadů se odlišuje od ostatních spalovacích procesů nutností sledovat a účinně snižovat více druhů polutantů, což zvyšuje
investiční nároky na provozovatele spaloven. Například emise PCDD/F se vyskytují u většiny spalovacích zařízení, v české
legislativě jsou však omezeny pouze u spaloven odpadů limitem 0,1 ng TEQ/m3, který je dán evropskou legislativou.
Provozní podmínky a emisní limity pro jednotlivé znečišťující látky při spalování odpadu jsou uvedeny v Tab. 3. Kromě
uvedených limitů škodlivin ve spalinách klade legislativa požadavky na vedení spalovacího procesu, především na dostatečné
setrvání spalin při vysokých teplotách pro zajištění dokonalého spalování. Dále jsou zákonem stanoveny další požadavky
týkající se nakládání s odpady vzniklými zpracováním původních materiálů, vedení a monitorování procesu termického
zpracování odpadů atd. Česká legislativa je v této oblasti v souladu s evropskými emisními limity, které stanovuje direktiva
2010/75/EU [7].
V porovnání s ostatními palivy jsou české emisní limity stanovené pro spalování odpadů nejvíce přísné, na stejné úrovni jsou
pouze limity pro spalování zemního plynu (ušlechtilé palivo s nízkou produkcí emisí). Rozdíl v náročnosti limitů je zřetelný
například z porovnání průměrných denních hodnot emisních limitů pro odpad (Tab. 3) s emisními limity pro biomasu v Tab.
2. Od 1. ledna 2014 a 2018 budou hodnoty pro ostatní paliva zpřísněny dle nového zákona č. 201/2012 Sb. o ovzduší, který
vstoupil v platnost 1. září 2012 [5].
16
Tab. 3 Maximální přípustné koncentrace znečišťujících látek v emisích ze spaloven odpadů dle vyhlášky 415/2012 Sb. [6],
respektive dle směrnice evropské komise 2010/75/EU [7], (vztaženo na suché spaliny při 0°C a 101,325 kPa, referenční
obsah kyslíku 11 % obj.)
2. TECHNOLOGIE PRO SNIŽOVÁNÍ EMISÍ VE SPALINÁCH
Pro splnění emisních limitů se uplatňují kombinace opatření pro snížení emisí ve spalinách. Používané metody se dají
dělit dle způsobu zamezení emise škodlivin na primární a sekundární opatření. Primární opatření mají potlačit vznik emisí
a sekundární opatření odstraňují ze spalin již vytvořené škodliviny.
Primární opatření slouží především k eliminaci škodlivin zamezením jejich tvorby. Výrazně přispívají k dosažení podmínek
dokonalého spalování, kterými jsou dostatečně vysoká teplota, účinné směšování prchavých látek z paliva s kyslíkem
ze vzduchu a dostatek času pro vyhoření všech spalitelných plynů ve spalinách.
Omezení tvorby škodlivin lze obecně provést těmito úpravami spalovacího procesu a vlastností paliva [3]:
• změnou složení paliva a vlhkosti paliva,
• změnou velikosti částic paliva,
• vhodnou volbou typu a konstrukce spalovacího zařízení,
• kontrolou a optimalizací spalovacího procesu,
• přívodem sekundárního vzduchu,
• přívodem sekundárního paliva,
• zavedením katalytických konvertorů,
• zavedením recyklu spalin.
Čištění spalin od již vytvořených škodlivin prostřednictvím sekundárních opatření pro čištění spalin se uskutečňuje kombinací mechanických (odebráním škodlivin z proudu spalin) a chemických (rozklad polutantů na méně škodlivé látky) metod.
Tyto procesy jsou obvykle zajištěny v aparátech umístěných za předchozími bloky spalovny, tedy na konci spalinové
trasy před komínem. Nejčastěji používané aparáty a technologie pro snižování emisí hlavních skupin škodlivých látek jsou
představeny v následujícím textu včetně přehledu jejich výhod a nevýhod.
17
Usazovací komory a multicyklóny
Mezi nejjednodušší technologie pro odloučení TZL patří usazovací komory a cyklón, případně multicyklón. Usazovací
komory nejsou užívány jako samostatný aparát kvůli velkým prostorovým nárokům a nízké účinnosti, k usazování ovšem
dochází na některých místech spalinové cesty samovolně. K odstranění tuhých částic využívají gravitačních sil, cyklóny
využívají kombinace gravitačních a odstředivých sil (Obr. 1). Zvýšení účinností lze dosáhnout snížením průměru cyklónu.
Proto se užívá multicyklónů, ve kterých je paralelně zapojeno více cyklónů. Tím se zvyšuje tlaková ztráta, cena i nároky
na údržbu.
Výhody: nízká cena, malé nároky na údržbu, malá tlaková ztráta.
Nevýhody: nízká účinnost při zachycování malých částic, na stěnách může kondenzovat dehet, citlivost na změnu průtoku
částic.
Obr. 1 Znázornění drah částic v cyklónu [8]
Elektrostatické odlučovače (ESP)
Účinkem elektrostatického pole TZL získají elektrický náboj, poté jsou vedeny elektrostatickým polem, ve kterém jsou
přitahovány na základě elektrostatických sil ke sběrným elektrodám. Zanesené elektrody se čistí periodicky pomocí
vibrací. Pomocí elektrostatického odlučování lze vysoce účinně odstranit i prachové částice malých rozměrů. Příklad dvou
možných provedení je převeden na Obr. 2.
Výhody: vysoká účinnost i pro velmi malé částice, malá tlaková ztráta.
Nevýhody: vyšší pořizovací cena, citlivost na změnu průtoku částic.
Obr. 2 Různá provedení elektrostatických odlučovačů a) plochý, b) válcový kombinovaný s cyklónovým odlučovačem [9]
18
Tkaninové (pytlové, látkové) filtry
Spaliny se v tomto případě filtrují od tuhých částic přes materiál rukávců, které jsou zavěšeny v uzavřené konstrukci. Většinou
je použito několik desítek nebo stovek rukávců, dle průtoku spalin a dispozičních možností. Materiál rukávců se může lišit
podle podmínek filtrace, dle teploty a míry znečištění spalin lze použít různé textilie a polymery. Nánosy na povrchu filtrů
zvyšují filtrační účinnost a tlakovou ztrátu aparátu, k jejich odstranění se užívá vibrací nebo zpětných tlakových rázů.
Výhody: vysoká účinnost, zachycuje i velmi malé částice, odstraňování tuhých produktů ostatních technologií pro čištění
spalin (adsorpce, absorpční zbytky).
Nevýhody: nízké provozní teploty (dle materiálu), možnost kondenzace dehtu na povrchu filtru, malá odolnost tkanin proti
chemicky aktivním látkám, nebezpečí vznícení filtru od jisker ve spalinách, omezená životnost rukávců.
Keramické filtry
Fungují na stejném principu jako tkaninové filtry, oproti nim mají vyšší odolnost vůči nepříznivým pracovním podmínkám.
Mohou například pracovat i při teplotách až 900°C.
Výhody: vysoká účinnost, vysoká odolnost vůči agresivnímu prostředí a propálení.
Nevýhody: vyšší cena oproti tkaninovým filtrům.
Katalytické filtry
Tato zařízení spojují povrchovou filtraci tuhých částic s katalytickým zneškodňováním dalších škodlivin ve spalinách.
Technologie využívá filtrační rukávce sestávající z filtrační membrány a z plsti napuštěné katalyzátorem pro rozklad PCDD/F
na H2O, CO2 a HCl. Zařízení také snižuje množství oxidů dusíku ve spalinách přibližně o jednu třetinu [10]. Možná jsou provedení s využitím jak tkaninového, tak i keramického filtru. Kromě katalytického rozkladu jsou dioxiny odlučovány společně
s velmi jemnými částečkami popílku (do 2,5 mm), které jsou zachyceny filtrem.
Výhody: vysoká účinnost odstraňování tuhých částic a dioxinů, zachycuje i velmi jemné částice ve spalinách, možnost
nahrazení více zařízení jedním, nízké provozní náklady, dlouhá životnost, nižší produkce tuhého odpadu z filtru oproti
adsorpčnímu čištění.
Nevýhody: vyšší investiční náklady oproti tkaninovým filtrům.
Mokrá vypírka
Kontaktem čištěných spalin obsahujících plynné škodliviny kyselého charakteru (SO2, SO3, HCl, HF, event. NO2),
s absorpčními kapalinami lze odstraňovat ze spalin tyto nežádoucí složky. Aparát také může zachycovat tuhé částice
pomocí mlhy z jemných vodních kapek. Ke kontaktu čištěného plynu s reakčním činidlem dochází pomocí sprchování
kapalinou, průchodem čištěného plynu nádobou s kapalinou, případně pomocí dalších metod. Důležitou součástí zařízení
je tzv. demister pro zachycení znečištěných kapek na výstupu spalin ze zařízení. K dosažení účinného odstraňování se užívá
energeticky náročných aparátů, např. Venturiho vypírky. Nutné je dále zpracovat použitou absorpční kapalinu. Příklad
možného provedení aparátu je předveden na Obr. 3.
Výhody: možnost odstranění více druhů škodlivin, čistí i spaliny o vysoké teplotě, variabilita možných provedení, menší
prostorové nároky.
Nevýhody: korozivní prostředí, nutnost dále zpracovat znečištěnou absorpční kapalinu, při vyšších účinnostech energeticky
náročné.
19
Obr. 3 Schema možného provedení technologie mokrého praní spalin [11]
Suché a polosuché čištění
Jako suché a polosuché chemické čištění (vypírka, sorpce) se označují systémy, kde jsou spaliny od kyselých plynů čištěny
pomocí činidla nebo sorbentu dávkovaného do proudu spalin. Často bývá využíván NaHCO3 (hydrogenuhličitan sodný,
soda). Tato netoxická látka se při teplotách 140 až 230ºC rozkládá při současné neutralizaci kyselých složek na sodné
soli (NaCl, NaF, Na2SO4). Dalším používaným sorbentem je Ca(OH)2 (hydroxid vápenatý, vápno, i v tomto případě jsou
vlivem chemických reakcí produkovány pevné soli, které jsou zachyceny a odstraněny na filtru. Při polosuché vypírce se
voda z rozstřikované suspenze ve spalinách vypaří, produkty reakce jsou i v tomto případě „suché“ a není produkována
znečištěná kapalina.
Výhody: malé investiční a provozní náklady.
Nevýhody: nutnost zachytit a zpracovat produkty absorpce.
Adsorpce dioxinů a těžkých kovů
Pro záchyt těžkých kovů a dioxinů lze využít adsorpci, při které se škodliviny navazují na povrch porézních materiálů
(aktivní uhlí, zeolity, atd.). Adsorpce může probíhat ve fluidním nebo statickém loži, častější je přímý nástřik adsorbentu do
spalin s následným zachycením na filtru. Zreagovaný a nadbytečný sorbent se zachycuje, získaný prášek je shromažďován
v určených kontejnerech a patří mezi nebezpečné odpady. Dalším možným způsobem adsorpčního záchytu dioxinů je
využití tzv. paměťového efektu polymerů. Používají se plastová tělíska (granule nebo různá tvarová provedení) s přídavkem
aktivního uhlí.
Výhody: nízké investiční náklady, současné zachycení více druhů škodlivin.
Nevýhody: při této metodě nedochází k úplné likvidaci škodlivin, ty jsou pouze navázány na adsorbent.
Selektivní nekatalytická redukce (SNCR)
Tato technologie slouží k odstranění oxidů dusíku ze spalin prostřednictvím reakcí se čpavkovým činidlem přidávaným
do spalin. NO a NO2 se při teplotě 850 až 950°C rozloží na H2O a N2. Účinnost reakce se obvykle pohybuje okolo 40
až 60 % a může být zvýšena lepším umístěním dávkovacích trysek, zvýšením turbulence proudění spalin nástřikem páry,
dávkováním optimálního množství roztoku se správnou velikostí kapek.
Výhody: nižší investiční náklady než při katalytické redukci.
Nevýhody: méně účinné jak katalytická redukce, možnost emisí čpavku ve vyčištěných spalinách (tzv. čpavkový skluz).
20
Selektivní katalytická redukce (SCR)
Při katalytické redukci je reakce mezi oxidy dusíku a čpavkovým činidlem usnadněna přítomností katalyzátoru. Proto se
rozklad NOx na H2O a N2 uskutečňuje už při teplotách mezi 200 až 450 °C. Účinnost procesu bývá obvykle vyšší než 90 %.
Katalyzátorem může být např. titan, wolfram nebo vanad, nosičem katalyzátoru může být zeolit.
Výhody: účinnější jak nekatalytická redukce
Nevýhody: vysoké investiční náklady, možnost snížení účinnosti katalyzátoru (např. zanášením).
3. SOUČASNÉ SYSTÉMY ČIŠTĚNÍ SPALIN
Většina opatření pro snižování emisí bývá umístěna na konci spalinové cesty, a je propojena s ostatními systémy zařízení
různými technologickými proudy. Opatření pro čištění spalin ovlivňuje produkci energie například prostřednictvím tlakových
ztrát, nutností ohřevu nebo zvýšením teploty za kotlem. Termický systém a blok využití tepla ovlivňují parametry systému
čištění především prostřednictvím vlastností spalin. Na druhou stranu, aparáty pro čištění spalin se mohou projevit na charakteristikách celé spalovny například kvůli spotřebě vyráběné nebo dodávané energie, nebo kvůli nežádoucímu zvýšení
výstupní teploty spalin z kotle. Vliv na ekonomiku spalovacího zařízení má kromě spotřeby energie i spotřeba a zpracování
procesních materiálů jednotlivých technologií (činidla, sorbenty, adsorbenty apod.) a také investiční nároky.
V této části jsou představeny opatření pro snižování škodlivin užívaná při termickém zpracování biomasy a komunálních
odpadů.
3.1.Čištění spalin z termického zpracování biomasy
Většině současných českých spaloven biomasy stačí pro dodržení emisních limitů jednoduchý a málo účinný multiciklón
pro odprášení TZL, jak lze vidět na příkladu jednotky pro spalování biomasy o výkonu 1 až 3 MW (Obr. 4). České limity pro
toto zařízení středního výkonu platí v jen mírně zpřísněné verzi i pro biomasové kotelny velkých výkonů, tedy až do výkonu
50 MW. V zahraničí jsou výkonnější zařízení výrazněji omezena přísnějšími limity, jak dokazuje účinnější elektrostatický
odlučovač na návrhu finské společnosti MW Power (Obr. 5). V některých evropských zemích je také běžné rozeznávat
různé hodnoty limitů pro jednotlivé druhy biomasy. Emisní limity platné v České Republice pro spalování biomasy složení
a druh jednotlivých paliv nerozeznávají (Tab. 2). To se stále více projevuje na zvýšení zájmu o spalování méně kvalitních
paliv. To vše napovídá, že české emisní limity v této oblasti nejsou příliš přísné.
Obr. 4 Schema jednotky pro spalování biomasy o výkonu 1 až 3 MW – čištění spalin pomocí multicyklónu [12]
21
Obr. 5 Schema jednotky pro spalování biomasy o výkonu 20,5 MWth a 8 MWe – čištění spalin
pomocí elektrostatického odlučovače [13]
3.2. Čištění spalin z termického zpracování odpadu
Na zařízeních pro energetické využití komunálního odpadu nebo pro hygienickou likvidaci nebezpečného odpadu se pro
dosažení legislativních podmínek využívají různé kombinace technologií z kap. 2. Výjimkou bývají málo účinné usazovací
komory a multicyklóny. Dle BREF nemohou multicyklóny dosáhnout dostatečně nízké úrovně emisí pro současné spalovny
odpadů, mohou však být aplikovány pro předčištění spalin [3]. Dostatečně účinné pro vyčištění spalin pod hodnoty emisních limitů při spalování odpadů jsou elektrostatické odlučovače nebo mechanická filtrace. Přehled metod uplatnitelných
pro snižování jednotlivých škodlivin je v Tab. 4.
Pro plnění platných legislativních limitů systém čištění spalin obvykle sestává z následujících technologií:
• mechanické odprášení.
• SNCR nebo SCR pro odstranění NOx.
• absorpční rozklad kyselých složek spalin (SO2, HCl, HF).
• adsorpční nebo katalytické opatření pro snižování dioxinů.
Tab. 4 Přehled metod dle použitelnosti pro odlučování různých škodlivin
CO2
H2 O
CO
NOx
SO2
HCl
HF
Popílek
PCDD/F, TOC
Těžké kovy
Hlavní produkty spalování
Režim spalování
Katalytická nebo nekatalytická redukce, částečně mokrá vypírka
Absorpční čištění (mokrá, polosuchá nebo suchá vypírka)
Mechanické odlučování (filtrace, ESP)
Režim spalování, adsorpce, katalytický rozklad, filtrace s TZL
Filtrace s TZL, chemické odlučování
22
Jako výhodné se ukazují především technologie spojující více metod v jednom zařízení a uspořádání bez dodatečných
ohřevů spalinami nebo přídavným palivem. Takovými zařízeními jsou např. katalytické filtry se současnou redukcí TZL,
dioxinů a dalších látek.
Různé kombinace popsaných aparátů využívají také tři české spalovny:
• TERMIZO a.s., Liberec, využívá SNCR, odprášení v ESP, katalytickou redukci REMEDIA a mokrou vypírku (Obr. 6).
• SAKO Brno, a.s., využívá SNCR, ESP, polosuché vápenné sorpce a nástřiku aktivního uhlí s následnou filtrací (Obr. 7).
• na pražském zařízení ZEVO se také využívá SNCR, dále polosuché absorpce, elektrostatické odprášení, katalytický
reaktor DeDiox, mokré pračky a zpětného ohřevu spalin před ventilátorem a komínem (Obr. 8).
Obr. 6 Schematické znázornění systému čištění spalin použitého na zařízení Termizo a.s., Liberec
Obr. 7 Schematické znázornění systému čištění spalin použitého na zařízení SAKO Brno, a.s.
Obr. 8 Schematické znázornění systému čištění spalin použitého na zařízení ZEVO Malešice (Praha)
23
4. ZÁVĚR
Využívání vysoce účinných systémů snižování emisí ve spalinách má vliv na energetické vstupy a výstupy procesu a s tím
související provozní a investiční náklady. U složitějších systémů je možné velké množství proveditelných variant systému
s rozdílným vlivem na parametry spalovací jednotky.
V textu byly představeny technologie a další řešení pro snižování emisí ve spalinách a používané systémy čištění spalin
z biomasových paliv a termického zpracování komunálního odpadu v České republice. Z porovnání legislativních
podmínek a řešení použitých na českých zařízeních pro energetické využití odpadu je zřejmá značná náročnost emisních
limitů v oblasti spalování odpadu. Naopak, pro dosažení legislativních podmínek při spalování biomasy se užívají jednoduchá a nenáročná řešení, která by v evropských zemích s vyspělejším odpadovým hospodářstvím nebyla postačující.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 2008/1/EC concerning
integrated pollution prevention and control. 2008.
THE EUROPEAN IPPC BUREAU. Reference Document on the Best Available Techniques for Common Waste Water
and Waste Gas Treatment/Management Systems in the Chemical Sector. 2003.
THE EUROPEAN IPPC BUREAU. Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration.
2006.
LOO, S. V.; KOPPEJAN, J. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. 2007. ISBN 1844072495.
PARLAMENT ČR. Zákon 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší. 2012.
MINISTERSTVO ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ. Vyhláška 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování
a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší. 2012.
THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 2010/75/EU on
industrial emissions. 2010.
CORTÉS, C.; GIL, A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators. Progress in Energy and Combustion
Science, 2007, č. 33, s. 409 – 452. ISSN 0360-1285.
JAWOREK, A.; KRUPA, A.; CZECH, T. Modern electrostatic devices and methods for exhaust gas cleaning: A brief
review. Journal of Elektrostatics, 2007, č. 65, s. 133 – 155. ISSN 0304-3886.
HANÁK, L.; JEDLIČKA, F.; DVOŘÁK, R.; JECHA, D.; STEHLÍK, P. Reduction of NOx at new mobile experiment unit
using catalytic filtration. Chemical Engineering Transactions, vol. 25, pp. 333–338, 2011. ISSN 1974-9791.
JOSEPH, G. T.; BEACHLER, D. S. Scrubber Systems Operation Review - APTI Course SI:412C Second PDF. North
Carolina State University, 1998. [online]. [cit. březen 2013]. Dostupné z WWW: <http://download.ebooks6.com/
download.php?id=16399>.
EVECO BRNO – ZAŘÍZENÍ PRO EKOLOGII A ENERGETIKU. [online]. [cit. duben 2013].
Dostupné na WWW: <http://www.evecobrno.cz/uploads/images/Obrazky_web/Technologie-CZ.jpg>.
MW POWER [online]. [cit. říjen 2011]. Dostupné na WWW: <http://www.mwpower.fi>.
UP-TO-DATE FLUE GAS TREATMENT SYSTEMS
Keywords
Čištění spalin, emise, energetické využití odpadu, termické zpracování biomasy, emisní limity
Summary
Gaseous emissions production and related environmental pollution is a significant problem of industrial society. This paper
presents applied reduction measures for emissions from thermal processing. Next part of the paper focuses on exhaust gas
cleaning systems used in the field of biomass combustion and energy recovery of waste and also associated emission limits.
Different legislation requirements for is obvious when comparing combustion demands of various fuels.
Ing. Jiří Kropáč, Ph.D., Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství,
Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 606 69 Brno, tel.: (+420) 541 142 331, e-mail: [email protected]
24
FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ PŘESNOST MONITOROVACÍHO
A DIAGNOSTICKÉHO SYSTÉMU
prof. Ing. Stanislav Vejvoda, CSc.
1. ÚVOD
Monitorovací a diagnostické systémy jsou založeny na matematických popisech procesů poškozování materiálu. V různých
modifikacích jsou použitelné pro zařízení technologických systémů včetně ocelových konstrukcí. Jejich smyslem je
poskytnout nejen provozovateli, ale také výrobci informace, která zařízení, či jejich díly, jsou během provozu poškozovány
největším trendem a je třeba na ně zaměřit nedestruktivní kontroly a připravit program jejich údržby a oprav.
Přesnost predikce trendu a úrovně poškození materiálu, vykázaná monitorovacími systémy, je odvislá od přesnosti
matematických popisů poškozování materiálů, které jsou použity. Jedná se např. o tvorbu a odprýskávání oxidických vrstev,
vliv víceosé únavy na počet cyklů do vzniku únavové trhliny a vliv korozního prostředí na únavu materiálů. Zpřesňování
matematických popisů poškozování materiálů se neobejde bez experimentů. Význam má také databanka materiálů, do které
by byly řízeným postupem zakládány zejména nestandardní mechanické vlastnosti oceli a jejich svarových spojů, ale také
dalších materiálů, mezi které náleží oxidické vrstvy, tvořící se na povrchu potrubí a teplosměnných trubek. Cílem příspěvku
je ukázat alespoň některé z faktorů, majících vliv na přesnost predikce poškozování materiálů, vykázané monitorovacími
a diagnostickými systémy.
2. VLIV VÍCEOSÉ NAPJATOSTI NA ÚNAVU MATERIÁLU
V oblasti vysokocyklové únavy (VCÚ) jsou používány křivky únavové pevnosti typu Wöhlera a v oblasti nízkocyklové únavy
(NCÚ) typu Manson-Coffina a typu Langera. Křivky únavové pevnosti typu Wöhlera jsou nejčastěji vyjádřeny závislostí
lg σa,n = f(lg Nf), nebo τa,n = f(lg Nf) a typu Manson-Coffina a typu Langera závislostí lg εat = f(lg Nf), kde amplituda celkové
poměrné deformace εat je rovna součtu její elastické εae a plastické εap složky.
Zkušební tyče pro zkoušky materiálu na únavu jsou nejčastěji hladké bez vrubů, mohou však být také s obvodovým vrubem.
Zkušební tělesa s vrubem jsou používána při zkouškách v oblasti VCÚ. Pokud jsou s vrubem, získá se křivka únavové pevnosti platná pro daný vrub. Při použití hladkých zkušebních tyčí lze naopak získanou křivku únavové pevnosti díky dodatečně
zavedenému součiniteli vrubu β zobecnit pro rozdílné vruby. K uvážení vlivu středního napětí na únavu v oblasti VCÚ,
např. pomocí Smithova či Goodmanova diagramu, musí být provedeny zkoušky na únavu alespoň pro míjivý a souměrně
střídavý kmit napětí. V oblasti NCÚ se do křivek únavové pevnosti vstupuje s amplitudou celkové poměrné deformace εat,
vypočtenou v kořeni vrubu, čímž lze zohlednit vliv velikosti posuzovaného tělesa oproti velikosti zkušební tyče.
Matematické vyjádření křivek únavové pevnosti, získané na zkušebních tyčích, musí být pomocí součinitelů modifikováno
o vlivy dalších faktorů, jako jsou velikost tělesa a jakost povrchu a vliv svařování, prostředí, rychlosti zatěžování, a víceose
napjatosti, aby je bylo možno použít pro posouzení reálných konstrukcí na únavu. Výsledky zkoušek na únavu mají poměrně
velký rozptyl, a proto musí být použity dosti vysoké hodnoty součinitelů bezpečnosti (nσ =2 vůči napětí a nN = 10 vůči počtu
cyklů), nebo vyjádřeny spodní obálkou s pravděpodobnosti pf = 3 % až 5 % výskytu zkoušek na únavu ležících pod ní. Při
posuzování na únavu již provozovaných konstrukcí lze sice dodatečně zavést součinitel spolehlivosti jako funkci f(pf), kde pf
se obvykle bere 10 % až 15 %, avšak za podmínky předepsání potřebných intervalů nedestruktivních kontrol.
Ještě před 10 lety byla problematika posuzování na únavu málem považována za uzavřenou. Vzniklé havárie však ukázaly
na významný vliv dalších faktorů, mezi která patří vliv víceosé napjatosti a vliv prostředí.
Pro zkoušky na únavu při dvojosém proměnném zatěžování je používáno zkušební těleso tvořící kříž. Pro nedostupnost
zkušebního zařízení, které by umožnilo zatěžovat tato zkušení tělesa alespoň ve dvou směrech při současném proměnném
přívodu tepla do zkoušeného materiálu, byla v našem případě použita dostatečně rozměrná zkušební tyč s vrubem. Rozměry
zkušební tyče byly zvoleny tak, aby plastická oblast zasáhla pouze okolí kořene vrubu a převážný objem materiálu před
kořenem vrubu byl při proměnném zatěžování trvale namáhán v elastické oblasti. Byly použity tři varianty rozměru vrubu,
tab. 1. Na povrchu kořene vrubu je sice pouze dvouosá napjatost, ale pod jeho povrchem tříosá se spádem napětí. Zatím
byly tyto zkušební tyče zatěžovány při konstantní pokojové teplotě. Samozřejmě vznikne otázka, jak výsledky zkoušek
zobecnit podobně, jak to bylo učiněno s výsledky zkoušek na hladké tyči při jejím zatěžování jednoosým tahem – tlakem.
Současně se zkouškami na únavu byl proveden výpočet poměrných deformací εt a napětí σ při namáhání v pružně
plastickém stavu v oblasti kořene vrubu zkušebních tyčí při cyklickém zatěžování ΔF = konst. Amplituda celkové poměrné
deformace z kořene vrubu εat byla dosazena do křivky únavové pevnosti, změřené při jednoosém cyklickém zatěžování
běžné zkušební tyče pro nízkocyklovou únavu, vyrobené z oceli S355J2+N. Matematický popis křivky únavové pevnosti
typu Manson Coffin byl získán ze zkoušek zkušebních tyčí při tvrdém zatěžování Δεt = konst. Křivka únavové pevnosti byla
změřena jak pro souměrně střídavý, tak pro míjivý cyklus zatěžování.
25
2.1. Zkušební tyče s vrubem
Tři sady zkušebních tyčí o průměru 32 mm a rozdílném vrubu, byly vyrobeny z oceli S355J2+N z plechu o tloušťce
60 mm. Osa zkušebních tyčí se shodovala s podélnou osou vyválcovaného plechu. Pro identifikaci byly tři sady vyrobených
zkušebních tyčí označeny jako: vzorek 1; vzorek 2 a vzorek 3, tab. 1. Přesnost výroby tvaru vrubů byla změřena. Materiálové
vlastnosti oceli S355J2+N, použité ve výpočtu MKP jsou uvedeny v tab. 2.
Na zkušební tyče s vrubem byly nalepeny tenzometry typu 6/120LY11 od firmy HBM pro ověření velikosti případného
namáhání zkušebních tyčí v ohybu, obr. 1. Pro měření zatěžovací síly byl použit tenzometrický siloměr (model 661.23B-02)
od firmy MTS. Zkušební tyče s vrubem byly cyklicky zatěžovány hydraulickým zatěžovacím válcem (model 204.81) od firmy
MTS.
tab 1 Rozměry zkušebních tyčí
tab 2 Mechanické vlastnosti dle atestu
obr 1 Zkušební tyč s vrubem
ve zkušebním zařízení
obr 2 Zkušební tyče s vrubem po zkoušce na únavu,
dvě části v zákrytu za sebou.
26
obr 3 Časový průběh síly F [1 dílek= - 0,1808kN] a poměrných deformací ε [μm/m]
po dobu zatěžování do lomu zkušební tyče 1.3
obr 4 Detail časového průběhu síly F [1 dílek= - 0,1808kN] a poměrných deformací ε [μm/m]
po dobu zatěžování do lomu zkušební tyče 1.3
2.2. POROVNÁNÍ POČTU CYKLŮ NF A NF,EX
Počty cyklů Nf do vzniku únavového lomu byly určeny z experimentálně změřených křivek únavové pevnosti pro
amplitudu redukované poměrné deformace εat a amplitudu redukovaného napětí σ, vypočtených metodou konečných
prvků (FEM) v oblasti pružně plastického namáhání ve vrubu. Při tom byla použita změřená závislost pro cyklickou křivku
a pro větev hysterezní smyčky. Jedná se běžně používaný postup výpočtu na únavu. Ve výpočtu MKP byla zkušební tyč
s vrubem zatěžována v rozmezí sil Fh a Fn , stejně velkých jako při experimentu. Počet cyklů Nf,ex , do vzniku únavového
lomu zkušebních tyčí s vrubem byl zjištěn experimentálně. Porovnání pro jednotlivé zkušební tyče s vrubem obsahuje
tab. 2. Grafické porovnání výpočtu a experimentu ukazuje graf na obr. 5. Všechny experimentálně změřené body leží
nalevo pod body, ležícími na experimentálně stanovených křivkách únavové pevnosti. To dokládá, že vliv víceosé
napjatosti se projevuje na snížení počtu cyklů Nf do vzniku únavového lomu. Při použití křivky únavové pevnosti, změřené
na běžných zkušebních tyčích pro nízkocyklovou únavu při souměrně střídavém zatěžování tah – tlak, by tedy měl být
v ověřovaném případě použít součinitel snížení únavové pevnosti o velikosti až FM = Nf /Nf,ex = 105800/18633 = 5,68.
Větší součinitel FM byl zjištěn pro větší počty cyklů Nf.
27
Tab 3 Porovnání Nf,ex s Nf určeným pro εat vypočteného ve vrubu pomocí FEM
Obr. 5 Porovnání experimentu s použitím únavových křivek pevnosti změřených při jednoosém zatěžování
V rámci projektu TA02011179 je připravována sada dalších vzorků, jak kruhových tyčí s vrubem, tak plochých vzorků
s otvory, obr. 6. Cílem je také zjistit, nakolik součinitelé bezpečnosti pokryjí vliv víceose napjatosti a stejně tak křivka
únavové pevnosti typu Langera, při použití normami zaručovaných mechanických a fyzikálních vlastností materiálu,
v porovnání s křivkou únavové pevnosti typu Manson-Coffin.
Obr. 6 Ploché zkušební tyče s otvory
Součinitel FM , vyjadřující vliv víceose napjatosti lze dát přímo do konstrukčních křivek únavové pevnosti typu Manson – Coffin,
určených ze zkoušek zkušebních tyčích při jednoosém zatěžování, což je připraveno pro revizi normy NTD ASI Sekce III [1]:
(1)
28
Za dovolený počet cyklů [No] se vezme menší z hodnot [No]1 a [No]2. Ve vztahu (1) značí:
b
[-]
- exponent únavové pevnosti,
c
[-]
- exponent únavové tažnosti,
βn
[-]
- součinitel vyjadřující vliv jakosti povrchu součásti βn ≤ 1,
βs
[-]
- součinitel vyjadřující vliv velikosti součásti βs ≤ 1,
εap,vr
[-]
- amplituda plastické vratné deformace,
εf´
[-]
- součinitel únavové tažnosti,
ϕF
[-]
- součinitel snížení pevnosti při únavě vlivem ozáření,
FEN
[-]
- součinitel snížení pevnosti při únavě vlivem pracovního prostředí,
ϕw
[-]
- součinitel snížení pevnosti při únavě vlivem návarů a svarových spojů,
FM
[-]
- součinitel snížení pevnosti při únavě vlivem víceosé napjatosti,
σf´
[MPa]
- součinitel únavové pevnosti,
(σm)
[MPa]
- střední hodnota cyklu redukovaného napětí (skutečné napětí),
(σ)F,max
[MPa]
- max. hodnota redukovaného fiktivní napětí, vyskytující se během provozu zařízení,
rovna součinu E (ε)t,max
3. SNÍŽENÍ ÚNAVOVÉ PEVNOSTI MATERIÁLU VLIVEM PRACOVNÍHO PROSTŘEDÍ
Pro komponenty nezatěžované na vnějším povrchu přestupem tepla, např. s tepelnou izolací na vnějším povrchu (tlakové
nádoby, kotlová tělesa, vstupní komory, převáděcí potrubí, namáhané do teploty T < 340°C), lze pro stanovení součinitele
snížení únavové pevnosti vlivem pracovního prostředí FEN použít postupy popsané v [2], [3] a [5] pro uhlíkové a nízkolegované oceli a v [4] pro austenitické oceli. Následující přístup zahrnutí vlivu prostředí je připraven pro revizi normy NTD
ASI Sekce III [1].
Vliv pracovního prostředí, proudícího uvnitř potrubí či nádoby, na snížení únavové pevnosti oceli, lze pro každý cyklus
napětí vyjádřit součinitelem:
(2)
kde:
[No]
[No]EN
FEN
- dovolený počet cyklů bez vlivu pracovního prostředí,
- dovolený počet cyklů s vlivem pracovního prostředí,
- součinitel snížení únavové pevnosti vlivem pracovního prostředí, FEN ≥ 1,0.
Z postupů pro nelegované a nízkolegované oceli, uvedených v následujících článcích 3.1, 3.2 a 3.4 se doporučuje pro daný
případ vzít vyšší vypočtenou hodnotu FEN.
3.1. Japonský model TENPES (Higuchi)
Model TENPES (Thermal and Nuclear Power Engineering Society, Japan) zavádí pro nelegované a nízkolegované oceli dle
[2] výpočet součinitele FEN, nezávislého na povaze oceli:
(3)
3.2. Model US ANL (Chopra)[3]
a) pro uhlíkové oceli
(4)
29
b) pro nízkolegované oceli
(5)
3.3. Austenitické oceli
Ve shodě s dokumentem NUREG [4] lze k výpočtu redukčního součinitele FEN použít vztah:
(6)
3.4. Postup dle RDEO 0330-01
Součinitel FEN je v [5] použit pouze v prvním členu vztahu vyjadřujícího křivku únavové pevnosti, tedy u plastické deformace
εap. Součinitel FEN pro uhlíkové oceli se vypočte ze vztahu (7), pro legované a legované chrommolybdenvanadiové oceli
ze vztahu (8):
(7)
(8)
Součinitel FEN , použitý pro korekci dovoleného počtu cyklů při proměnném zatěžování do iniciace makrotrhliny o smluvní
velikosti 0,5 mm, závisí dle vztahů (3) až (8) na čtyřech parametrech, vyjadřujících vliv: obsahu síry v oceli S*, teploty kovu
a média T*, obsahu kyslíku v médiu proudícího potrubím O* a rychlosti zatěžování εt*. Vztahy pro výpočet parametrů
S*, T*, O*a * εt* lze nalézt v [2] až [5].
4. SNÍŽENÍ ÚNAVOVÉ PEVNOSTI MATERIÁLU SVAROVÝM SPOJEM
Vliv svarového spoje na snížení únavové pevnosti materiálu je ve vztazích, vyjadřujících křivky únavové pevnosti, např. (1),
vyjádřen součinitelem ϕW, který nabývá hodnot v intervalu <0,5; 1,0). Nejčastěji součinitel ϕW dosahuje hodnot kolem 0,8.
Křivka únavové pevnosti svarových spojů se získá z měření na zkušebních tyčích, vyrobených z materiálu odebraného
ze svarového kovu (SK), z tepelně ovlivněné oblasti (TOO) a základního materiálu (ZM). Zkušební tyč obsahující TOO
představuje svarový spoj (SS). Nejníže leží křivka únavové pevnosti změřená na zkušebních tyčích (SS), u kterých se
v oblasti měřené poměrné deformace nachází TOO, tedy rozhraní mezi SK a ZM. Poměrná deformace je na zkušební
tyči obvykle měřena na délce 10 mm. Při tvrdém zatěžování zkušební tyče konstantním rozkmitem celkové poměrné
deformace Δεt = konst. se plastická složka poměrné deformace u zkušebních tyčí SS více koncentruje do plastičtějšího
materiálu. Tím dojde ke vzniku únavového lomu při menším počtu cyklů, než při cyklickém zatěžování zkušebních tyčí
vyrobených ze ZM nebo SK. U reálných konstrukcí obdobná lokální rozhraní v oblastech svarů také existují.
Pokud je křivka únavové pevnosti, např. typu (1), změřena pro SS, dosadí se do ni ϕW = 1,0. V častých případech,
kdy je křivka únavové pevnosti změřena jen pro ZM, dosadí se do ní součinitel snížení únavové pevnosti materiálu svarem
ϕW <1,0.
V normě [1] jsou hodnoty součinitele ϕW uvedeny pro svarové spoje vybraných ocelí, používaných pro výrobu zařízení
pro jaderné elektrárny. Pro použití v normě [1] má být součinitel ϕW vypočten jako poměr amplitud celkových poměrných
deformací εat,SS/εat,ZM, odečtených na křivkách únavové pevnosti pro ZM a SS pro počet cyklů Nf = 104. Pokud by se
součinitelé snížení únavové pevnosti svarovým spojem pro různé počty cyklů od sebe odlišovaly více jak o 10 %, má být
součinitel ϕW vyjádřen funkcí.
5. ZMENŠOVÁNÍ TLOUŠŤKY STĚNY TVORBOU OXIDICKÉ VRSTVY
Přesnost matematických popisů procesu tvorby oxidických vrstev a jejich odprýskávání na vnitřním povrchu teplosměnných
trubek, ve kterých proudí pára, významně ovlivňuje úroveň spolehlivosti predikce trendu poškozování materiálu, stanoveného diagnostickými systémy. Této problematice je věnován článek [6].
30
Matematické popisy procesu tvorby a odprýskávání oxidických vrstev se neobejdou bez jejich mechanických a fyzikálních
vlastností, které je třeba určit experimentálně. Jejich potřeba vedla k zatím nerealizované myšlence navrhnout a vyrobit
mobilní zkušební zařízení, které by mohlo být jako bypass dočasně napojeno do tlakového systému kotlů, spaloven apod.
Růst vrstvy oxidů je funkci tzv. parabolické konstanty:
(9)
její parametry musí být určeny experimentálně. Významný vliv má také součinitel teplotní délkové roztažnosti oxidické
vrstvy a jeho závislost na teplotě. Při pracovních teplotách kotle může hodnota tohoto součinitele náhle lokálně vzrůst
a opětovně poklesnout. Potom na odprýsknutí oxidické vrstvy má také vliv schopnost relaxace oxidické vrstvy v závislosti na
rychlosti změny teploty média a tím také materiálu trubky. Zkoumání tohoto jevu je třeba věnovat dostatečnou pozornost.
6. DATABANKA MATERIÁLOVÝCH VLASTNOSTÍ
Matematické popisy procesů poškozování materiálu zařízení technologických systémů pracujících v energetice, chemickém, petrochemickém a potravinářském průmyslu vyžadují dostupnost nestandardních mechanických a fyzikálních vlastností materiálů. Po jejich změření by měly být řízeným postupem zakládány do databanky. V rámci projektu FR-TI/086 takováto databanky vznikla, přestože některá její úložiště budou ještě postupně rozšiřována. Kromě nestandardních vlastností
materiálů včetně svarových spojů a oxidických vrstev lze do ní zakládat vlastnosti změřené na materiálu z likvidovaných
zařízení libovolných technologických celků a ocelových konstrukcí a stejně tak tzv. „nultá dat“ nově vyráběných zařízení.
„Nultá data“ představují jak změřené výchozí rozměry jednotlivých dílů zařízení, tak jejich vybrané mechanické a fyzikální
vlastnosti včetně chemického složení. Jsou k tomu využity atesty, které předávají dodavatelé polotovarů výrobci dílů celého
zařízení.
7. ZÁVĚR
Zpřesňování matematických popisů poškozování materiálů zařízení vyžaduje změření mnohdy nových nestandardních
mechanických a fyzikálních vlastností ocelí a oxidických vrstev, potřebných nejen pro přesnější predikce monitorovacími
a diagnostickými systémy.
Jak při výrobě, tak za provozu zařízení dochází ke vzniku vad v materiálu, které překračují přípustné velikosti. K posouzení
jejich přípustnosti pro provoz jsou také vyžadovány nestandardní mechanické a fyzikální vlastnosti ocelí, které zejména
u nových ocelí mohou být nedostupné. Jedná se např. o závislost růstu trhlin za creepu na parametru C*.
Bylo by účelné, aby si výrobci zařízení mohly dávat náklady na výzkum a vývoj, objednaný u výzkumných organizací,
do nákladů běžného roku.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
NORMATIVNĚ TECHNICKÁ DOKUMENTACE A.S.I. Sekce III, Hodnocení pevnosti zařízení a potrubí jaderných
elektráren typu VVER. Identifikační číslo NTD ASI-III-Z-5/07. Praha. Brno. 2007.
HIGUCHI, M. Corrosion Fatigue - Japanese Program Overview. Proceedings of the 3rd International Conference on
Fatigue of Reactor Components. Seville, Spain. 2004.
CHOPRA, O. K.; SHACK, W. J. Effects of Light Water Reactor Coolant Environments on Fatigue Crack Initiation in
Carbon & Low-Alloy Steel and Austenitic Stainless Steels, NRC JCN Y6388. Proceedings of the 3rd International
Conference on Fatigue of Reactor Components. Seville, Spain. 2004.
ARGONNE NATIONAL LABORATORY. Effects of LWR Coolant Environments on Fatigue Design Curve of Austenitic
Stain-less Steels. NUREG/CR-5704, ANL-98/31.
MINISTERSTVO ROSSIJSKOJ FEDERACII PO ATOMNOJ ENERGETIKE. Rukovodstvo po rasčetu na pročnosť
oborudovanija i truboprovodov reaktornych ustanovok RBMK i VVER na stadii expluatacii. PDEO 0330-01. Moskva.
2001.
VEJVODA, S.; BYSTRIANSKÝ, J.; RYŠAVÝ, P. Simulace poškozování oxidické vrstvy na vnitřním povrchu teplosměnných
trubek kotle. Sborník z XXI. ročník odborné konference s mezinárodní účastí KOTLE A ENERGETICKÁ ZAŘÍZENÍ 2012.
2012. ISSN 1804-6673.
31
FACTORS AFFECTING THE ACCURACY OF MONITORING AND DIAGNOSTIC SYSTEM
Keywords
Monitoring systems, diagnostic systems, MDSystem, deterioration of materials
Summary
Monitoring and diagnostic systems have to be continually specified in greater detail to provide the most accurate information to operators and manufacturers of technology systems in the energy, chemical, petrochemical and food industries. Previously unavailable nonstandard mechanical and physical properties of materials are often required. Updated mathematical
descriptions of deterioration of materials processes are incorporated into the newly formed Monitoring and Diagnostic
System MDSystem.
prof. Ing. Stanislav Vejvoda, CSc., VÍTKOVICE ÚAM a.s. Brno, Mezírka 775/1, 602 00 Brno, mobil 602 505 339
32
Název projektu:
Partnerství v oblasti energetiky
Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080
Realizátor projektu:
Moravskoslezský energetický klastr, občanské sdružení
Studentská 6202/17
708 33 Ostrava-Poruba
IČ: 26580845
Tel.: +420 558 272 429
www.msek.cz
Partneři projektu:
Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava,
Fakulta strojní, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Fakulta stavební
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství
SLEZSKÁ MECHATRONIKA a.s.
ISBN 978-80-905392-6-6
IVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Download

brozura ENER a STROJ str.indd - Partnerství v oblasti energetiky