Vlastnosti popelů z biomasy v závislosti na procesu spalování

Vlastnosti popelů z biomasy v závislosti na procesu spalování
1
Obsah
1.
ÚVOD................................................................................................................................................... 4
2.
Vlastnosti minerální substance biomasy po jejím spálení................................................................... 5
Současný stav poznání ............................................................................................................................. 5
Analytické metody k charakterizaci minerálních příměsí v biomase....................................................... 6
3.
Chování anorganických složek z biomasy za zvýšených teplot ve spalovacích systémech ............... 11
Roštová topeniště .................................................................................................................................. 12
Fluidní topeniště .................................................................................................................................... 14
Prášková topeniště ................................................................................................................................ 16
Obecný komentář .................................................................................................................................. 18
4. Utváření a podstata usazenin popela na teplosměnných plochách kotlů a topenišť, spalujících
samostatné palivo nebo směs uhlí a biomasy ........................................................................................... 19
Procesy utváření strusky ....................................................................................................................... 20
Zanášení konvekční sekce ..................................................................................................................... 21
Narůstání usazenin, jejich ubývání a čištění .......................................................................................... 22
5. Účinek popela z biomasy na čištění spalin v topeništích spalujících samostatně i ve směsích
biomasu ..................................................................................................................................................... 24
Dopad společného spalování na elektrostatický odlučovač .................................................................. 24
Dopad samostatného spalování a spalování s biomasou na katalyzátory SCR (selective catalyst
reduction, Selektivní katalytická redukce) ............................................................................................ 24
Dopad spalování směsného paliva na FGD (Flue gas desulphurisation, Odsíření spalin) zařízení......... 26
6. Vliv popela z biomasy na chemickou korozi kotelních trubek a erozivní a abrazivní opotřebení
jednotlivých součástí topeniště ................................................................................................................. 27
Technické podmínky koroze na kotlích ................................................................................................. 27
Korozní mechanismy ............................................................................................................................. 28
Provozní zkušenosti a pokusy na kotlích, spalujících samostatně či ve směsi s biomasou ................... 29
Preventivní a nápravná opatření proti korozi........................................................................................ 32
eroze a abraze částí kotle a jiného zařízení ........................................................................................... 34
7.
Využití a nakládání s popely z biomasy ............................................................................................. 36
8.
Chování popela z biomasy ve zplyňovacích systémech .................................................................... 38
Chování roztavených minerálních substancí a ukládání strusky ve zplyňovacím zařízení ..................... 39
2
Generátory pracující s únosovou vrstvou .............................................................................................. 40
zanášení výměníků tepla a jiných složek ve zplyňovacích jednotkách na biomasu............................... 41
Odstraňování popela a jiných částic ze synplynu .................................................................................. 44
Využití a odvoz pevných zbytků ze zplyňovacích systémů na biomasu ................................................. 45
9.
Chování popela z biomasy v pyrolýzních procesech ......................................................................... 46
10.
Normy týkající se úletových popílků a jeho použití v praxi........................................................... 48
11.
Použitá literatura .......................................................................................................................... 50
3
1. ÚVOD
V posledních letech se pro výrobu elektrické energie a tepla vedle klasických většinou fosilních paliv
uplatňuje využití biomasy. Před několika lety byl tento materiál považován za jeden z nosných zdrojů
energie v energetické koncepci naší země. Objem produkovaných popelů i popílků z biomasy však
dosahuje vysokých hodnot a představuje v oblasti odpadů celosvětově závažný problém. Lze uvést, že
podle evidovaných zdrojů se u nás produkuje tohoto odpadu přibližně 17 až 18 tisíc tun ročně.
Zejména v zahraničí je používání paliv rostlinného původu ve velkokapacitních elektrárnách stále
častější. Tato pozitivní zpráva však současně přináší nové otázky. Jedním z produktů spalování jsou
popely bohaté na minerální složky specifické podle druhu použitého paliva. Vzniká otázka, jak s těmito
odpady dále naložit. Biomasa může být spalována samostatně nebo ve směsi s uhlím. Vzhledem ke
svému původu může být v různém stupni znečištěna příměsí cizích nespalitelných látek. Jedná se
například o zeminu z těžby dřevní hmoty nebo o úlomky zdiva, skla a jiných stavebních materiálů apod.
Obrázek 1: Výškové budovy mají ve své konstrukci tuny popílků z uhlí
Ekologická závadnost těchto odpadů spočívá v obsahu nežádoucích příměsí a v jejich fyzikálněmechanických vlastnostech (sypná hustota, sedimentační rychlost, smáčivost aj.). Tato zpráva pojednává
o možnostech používání popelů z biomasy. Srovnávají se specifika vzniklých minerálních substancí
s nespalitelným zbytkem z jiných paliv, které jsou již běžnou součástí stavebních materiálů, např. z uhlí
do betonových konstrukcí (obrázek 1). Problémem u minerálních zbytků z biomasy je jednak
nerovnoměrné množství, jednak variabilní chemické složení. Proto je cílem pojednání uvést faktory,
které tyto rozdíly vyvolávají a posoudit, zda lze některým z obecně možných technických opatření získat
stabilní zdroj suroviny pro výrobu kvalitních hmot.
Hlavním motivem je aktivní přístup k rozvíjení principů trvale udržitelného rozvoje právě v podobě
zvýšeného využívání biomasy. Jednou z reálných perspektiv je transformace minerální substance
z biomasy na progresivní stavební hmoty.
4
2. VLASTNOSTI MINERÁLNÍ SUBSTANCE BIOMASY PO JEJÍM SPÁLENÍ
Dostupná technická literatura představuje poznatky o vlastnostech a chování minerální substance
z dosud užívaných fosilních paliv (uhlí, lignit, rašelina…)
SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ
Podle dostupných dat lze odvodit, že minerální příměsi přítomné v palivu, lze rozdělit do dvou
základních skupin:
a) vlastní popeloviny - existující jako součást hmoty paliva. Obvykle jsou zde vázány v podobě kationů
nebo chelátů. To je patrno zejména u biomasy, která je relativně bohatá na funkční skupiny obsahující
kyslík.
b) popeloviny cizí - přimíšené, které se v palivu objevují v důsledku geologických procesů, případně při
dobývání, u biomasy při její sklizni. U biomasy zejména travního typu se zdrojem těchto příměsí mohou
stát hnojiva, postřiky aj., které se smísily s plodinou při pěstování, manipulaci nebo při skladování.
Přehled hlavních anorganických látek v rostlinách je uveden v tabulce 1 (Korbee et all. 2001, Marschner
1997). Sloučeniny, uvedené v této tabulce lze v podstatě rozdělit do tří skupin:

látky rozpustné ve vodě (iontová vazba)

látky organicky vázané

adsorbované jako relativně čisté sloučeniny v krystalické nebo amorfní formě.
Prvek
Skupina 1 - vodou rozpustné (volná
iontová forma)
sloučenina
podíl ve složení (%)
Na
dusičnany a chloridy sodné
nad 90
K
dusičnany a chloridy draselné
nad 90
Ca
dusičnany, chloridy a fosfáty vápenaté
20 - 60
Mg
dusičnany, chloridy a fosfáty hořečnaté
60 - 90
Si
hydroxid křemičitý
méně než 5
Si
ion siřičitanový
nad 90
P
ion fosfátový
nad 90
Cl
ion chloridový
nad 90
Skupina 2 - organicky vázané (kovalentní
nebo iontová vazba)
Ca
pektát vápenatý
0,8 - 2,6
Mg
chlorofil, pektát hořečnatý
8 až 35
Mn
různé organické sloučeniny
nad 90
Fe
organické komplexy, sulfáty
nad 80
S
sulfolipidy, aminokyseliny, proteiny
-
P
Nukleonové kyseliny
Skupina 3 - sraženiny (čisté, amorfní,
krystalické)
Ca
oxalát vápenatý
30 - 85
5
Fe
fytofemitin
nad 50 v listech
P
phytáty
nad 60 - 86 v semenech
Si
phytolity
Tabulka 1: Obsah prvků v rostlinách dle rozpustnosti
Z údajů tabulky 1 dále vyplývají následující skutečnosti:

vlastní (inherentní) minerální příměsi jsou tvořeny sloučeninami alkalických kovů, síry,
fosforu a chloru v rozpustné formě jako jednoduché anorganické soli.

Křemík je přítomen jako oxid křemičitý v modifikaci křemene. Kovy alkalických zemin
zpravidla tvoří komplexy v různých formách.

Cizí minerální příměsi se také vyskytují v řadě forem, jedná se však zejména o příměsi půdy,
písku, kovových součástí aj.
ANALYTICKÉ METODY K CHARAKTERIZACI MINERÁLNÍCH PŘÍMĚSÍ V BIOMASE
Nejběžnějším postupem při stanovení obsahu a množství minerálních součástí v uhlí a v jiných palivech
je pomalé spálení vzorku do konstantní hmotnosti při teplotě 815 °C. Vzniklý tuhý zbytek po dokonalém
spálení paliva se posléze podrobí prvkové analýze na zpravidla 10 hlavních prvcích: křemík (Si), hliník
(Al), železo (Fe), vápník (Ca), hořčík (Mg), titan (Ti), sodík (Na), draslík (K), fosfor (P) a síra (S). Jejich
obsahy jsou obvykle vyjádřeny jako oxidy. Shodným postupem se dá vyjádřit i zastoupení stopových
prvků. Uvedená metodika je vhodná také pro charakterizaci minerálního podílu v biomase.
V případě biomasy však musíme vzít v úvahu, že jsou zde některé složky, které za uvedených teplot
těkají a mohou tak zkreslovat celkovou analýzu. Proto je zde určena teplota spalování pouze 550°C
(CEN/TS 14775 – 2004).
Z těchto důvodů se dává přednost analýze prvkového složení minerální substance v biomase mokrou
cestou (vyluhováním původní hmoty), postupem ICP- AES, prováděným na uměle připravených popelech
(CEN/TD – 15290 – 2006) před klasickou prvkovou analýzou.
Analytické údaje o prvkovém složení minerální substance různých druhů biomasy sloužících jako palivo
v domácnostech (příp. i v průmyslovém měřítku) jsou sestaveny do tabulky 2. Z údajů lze odvodit, že
podíl minerální substance u většiny uvedených druhů leží mezi 5 až 7% sušiny, případně je menší.
Výjimku tvoří podestýlka z drůbežáren.
odpad
z SRC
cereální
zbytky z miscanth
olivové
palmové drůbež
typ biomasy jehličnanů
vrba
sláma
řepky
us
rákos
pokrutiny
zbytky
odpad
sírany,
suchá báze,
0,04
0,05
0,1
0,3
0,2
0,2
0,2
0,2
0,5
%
chloridy,
suchá báze,
0,01
0,03
0,4
0,5
0,2
0,6
0,2
0,1
%
popel, suchá
báze, %
analýza
prvků,
mg/kg,
suchá báze
2
Al
-
Ca
5000
2
5000
5
5
4
6
7
4
13
50
50
-
-
1500
750
600
4000
4000
2000
3500
6000
3000
20000
6
-
100
100
100
100
100
900
2500
900
2000
3000
10000
10000
7000
7000
23000
300
21000
Mg
800
500
700
700
600
600
2000
300
5000
Na
200
-
500
500
-
-
100
200
3000
P
500
800
1000
1000
700
700
1500
7000
14000
-
5000
3000
9000
Fe
K
3000
10000
1000
Si
Tabulka 2: Typický obsah prvků v používaných biomasách (čisté látky)
Čistá dřevní hmota ve formě štěpky nebo pelet, používaná v komunální i průmyslové sféře vykazuje
relativně malý obsah popela, většinou pod 2%. Tato hodnota je závislá na podílu kůry v palivu.
Odkorněná dřevní hmota má obsahy popela ještě nižší, obvykle pod 1 %.
Slamnaté a travní materiály, jakož i zbytky z průmyslového zpracování olejnatých plodin, jsou ve značné
míře spalovány v průmyslových kotelnách. Zde se obsah popela pohybuje v rozmezí 4 až 7%. Podestýlka
z drůbežáren se již spaluje v kotelnách ve Velké Británii a existují nové projekty v Severní Evropě a
v Severní Americe. Tato hmota je charakterizována jako palivo s vysokým obsahem popela, které se při
spalování chová specificky.
Z tabulky lze dále odvodit, že minerální fáze různých forem biomasy jsou charakteristické zejména
sloučeninami vápníku, draslíku, křemíku, fosforu a hořčíku. Jinak je tomu u odpadního dřeva, kde
nalézáme vyšší obsahy některých těžkých kovů, zejména olova a zinku, případně alkalií. Zdrojem jsou
obvykle nátěry, izolace, impregnace a také přímý styk se stavebními hmotami.
Významnou vlastností popelovin je jejich chování za zvýšených teplot, kdy může dojít k jejich tavení.
Podle Bryerse (1996) se rozlišují tři typy popelovin podle jejich chemického složení a chování při
zvýšených teplotách:

nízkotavitelné popeloviny - jsou to popely s vysokým obsahem křemíku, draslíku a vápníku
s nízkou teplotou tání. Do této skupiny patří většina zemědělských odpadů.

vysokotavitelné popeloviny - popely s nízkým obsahem křemíku, draslíku a vápníku. Tyto
materiály tvoří většina druhů dřevní hmoty.

popely s vysokým obsahem vápníku a fosforu, nízkými teplotami tání. K této skupině se řadí
většina chlévské mrvy, podestýlek z drůbežáren a zvířecích odpadů.
Tavitelnost popela je významná při volbě topeniště, projeví se rozdílně u roštového topeniště, ve
fluidním reaktoru i v generátoru.
Kromě toho také ovlivňuje utváření ložisek roztavené či poloroztavené strusky na roštu, na stěnách
spalovacího prostoru, na teplosměnných plochách výměníků tepla, příp. i v jiných místech.
Tání popela je výslednicí více jevů. Obvykle se vyjadřují pomocí křivky tání, sestavené v souřadnicích
„obsah popela versus teplota“. Příklad takové závislosti je uveden na obrázku 2. Zde je uvedena křivka
tání pro modelovou směs minerálních složek, zahrnujících také soli alkalických kovů způsobem, který
vyvinuli v Abo Akademii ve Finsku. Postup je založen na experimentálních fázových diagramech a
termodynamických údajích (např. Backman et all. 2005 etc.).
7
Obrázek 2: Vypočtené křivky tání pro směsi solí s K/Na v molárním poměru 90/10, SO4/CO3 poměr
80/20 a Cl mezi 0 a 20 % všech přítomných alkálií.
Z křivek tání se odvozují zpravidla dvě klíčové teploty, které mohou blíže charakterizovat popeloviny:

teplota T15 - při které je roztaveno 15 % hmoty. Je to teplota, při níž se povrch jednotlivých
částic nebo vrstev strusky stává lepkavým a náchylným k ulpívání dalších příchozích částic

teplota T70 - při které je roztaveno 70 % hmoty. Je to teplota, při níž začíná vnější povrch úsady
ve vertikálním směru stékat.
Standardní zkouška tavitelnosti (Ash Fusion Test), která byla použita pro charakterizaci tání uhelných
popelovin, se zakládá na určení tří až čtyř klíčových teplot na křivce tání. Tento postup byl vyvinut
výslovně pro alumosilikátové systémy, teploty tání zde leží v rozmezí 1000 až 1500°C v závislosti na
poměru obou hlavních složek a vznikají zde více či méně viskosní taveniny. Užití tohoto postupu pro
charakteristiku minerální fáze z biomasy je však problematické, protože se alumosilikátové složky
vyskytují omezeně a navíc tají obvykle za teplot do 1000°C.
Posuzování popelovin podle jejich chemické skladby (tzv. silikátová analýza), které bylo původně
vyvinuto pro oceňování minerálních složek v uhlí, bylo rovněž použito k oceňování stejných složek
v biomase. Princip spočívá v loužení vzorku paliva vybranými chemickými činidly za vymezených
podmínek. Obvykle se používá řada
voda → roztok acetátu amonného → kyselina chlorovodíková.
8
Tak lze získat čtyři frakce:

vodou vyluhovatelné složky, většinou soli alkalických kovů, síry a sloučenin chloru

v octanu rozpustné složky, spojené s organickou částí paliva jako kationty a chaláty

kyselinou vyluhovatelné složky, zde zejména uhličitany a sulfáty

tuhý zbytek, zejména SiO2, křemičitany a jiné nerozpustné látky.
Je přijat názor, že vodou a octanem vyluhovatelné složky jsou ty, které při ohřevu přecházejí do plynné
fáze a vytvářejí nejjemnější aerosolové komponenty popela. Naopak zbylé složky zpravidla vytvářejí
hrubší zrno popelovin. Výsledky analýz podle předchozího odstavce, provedené na dřevních štěpkách,
zbytcích lesních porostů, kůry, pšeničné slámy, rašeliny a černého uhlí, poukazují na rozdíly v náchylnosti
k loužení mezi biomasou a běžnými fosilními palivy, což lze vyjádřit následovně:

u černých uhlí se vodou a octanem rozpouští jen velmi malý podíl, reprezentovaný hlavně
chloridem sodným

u rašeliny tento podíl vzrostl, u octanového podílu je přítomen vápník

u biomasy je vodou rozpustný podíl podstatně vyšší, octanové podíly naznačují zvýšený obsah
vápníku a hořčíku. U pšeničné slámy a lesních zbytků se u vodního i octanového podílu objevuje
i značná část křemíku.
Další srovnání rozdílů mezi popelovinami z uhlí a z biomasy vyplývá z obrázku 3. Zde je uvedena
distribuce (g/kg) minerálních složek mezi vodou/octanem rozpustnými a HCl nerozpustnými podíly.
Rozdíly mezi jednotlivými druhy paliv jsou zřejmé. Rašelina a uhlí mají větší obsah popela, ale pouze
malý podíl figuruje v aerosolové složce. U biomasy je sice obsah minerálních složek menší, ale daleko
větší podíl přispívá k tvorbě aerosolu.
Obrázek 3: Obsahy minerálů v pevných palivech
Celkově lze uvést, že tato frakční metodika může dát některé užitečné informace o povaze minerálních
složek, má však omezenou vypovídací schopnost. Z tohoto důvodu je nutné brát tuto techniku jako
vedlejší a výsledky musí být doplněny pomocí dalších metod.
9
Konvenční mineralogické a mikroskopické techniky nacházejí rostoucí uplatnění při hodnocení
minerálních složek v palivech, při hodnocení popelů a ložisek paliv. Roentgenová strukturní analýza se
rovněž uplatňuje k určování hlavních krystalických podílů. Dále se uplatňují mikroskopické metody,
zejména rastrovací elektronový mikroskop (REM). Výkonným zkušebním postupem se poslední dobou
stává i energeticky dispersivní roentgenová spektrometrie (EDX).
Rovněž jsou sestaveny Ukazatele slinování, jejichž prostřednictvím lze přímo stanovit nebo alespoň
odhadnout náchylnost popelů k utváření nánosů v topeništích a pecích. Blíže je to uvedeno v práci
Raaska (1985). Údaje se zakládají buďto na chemickém složení nebo na výsledcích laboratorních testů.
Ukazatele byly původně určeny pro uhelná paliva, mohou se však uplatnit při posuzování popela ze
směsných paliv, vzniklého současným spalováním biomasy a uhlí.
Většina zmíněných ukazatelů se odvozuje od experimentálního stanovení, případně se vypočítá
z chemického složení popelovin. Tavitelnost popelovin se vypočítá ze zlomku, v jehož čitateli je obsah
kyselinotvorných oxidů (SiO2 a Al2O3), zatímco do jmenovatele umisťujeme zásadotvorné oxidy Fe2O3,
CaO, MgO, Na2O a K2O. Jde o tzv. Tejného vzorec. I když nelze takto stanovit exaktní hodnoty bodu tání,
dostáváme obraz o chování posuzovaného paliva a na tomto základě pak odvozujeme celkovou koncepci
kotelny resp. energetické jednotky.
I když byla vyvinuta řada postupů směřujících k přesnému stanovení této veličiny, např. na základě
fázových diagramů, mineralogických ukazatelů včetně hodnocení struktury REM, jsou v průmyslové sféře
používány jen velmi málo. Podle našeho názoru jde o investičně nákladnou instrumentální techniku,
která má pouze omezenou využitelnost.
Posuzování popelovin z biomasy s využitím poznatků o minerální substanci, vyskytující se v uhlí, je však
nutno brát jako aproximativní ukazatele.
Jestliže hodnotíme chování minerální fáze, vzniklé společným spalováním uhlí a biomasy, je jasné, že
kromě SiO2 všechny významnější složky z biomasy, zejména zásadité složky a kovy alkalických zemin,
působí v alumosilikátových kompozicích jako silná tavidla. I zde se však usuzuje, že společné spalování
(též označované jako ko-spalování) uhlí a biomasy bude mít za následek snížení teploty tání a zvýšenou
náchylnost k tvorbě kapalné fáze, tj. strusky. Výsledný efekt je samozřejmě součtem více vlivů, k nimž lze
zařadit podíl tavidel v popelovinách a také poměr uhlí k biomase. Bude-li minerální složka uhlí
vysocetavitelná, pak se vliv nízkotavitelných popelovin z biomasy projeví intenzivněji než u uhlí
s nízkotavitelnými minerálními složkami a vyšším obsahem tavitelných podílů.
Společné zpracování biomasy s uhlím při jejím nízkém zastoupení je posléze možno charakterizovat
prakticky shodně jako u uhlí spalovaného samostatně.
Ukazatel slinutí uhelných popílků odráží obsah sodíku v uhlí. Toto slinování (snižování průdyšnosti)
popelové fáze vyvolává sodík, zatímco draslík je v popelovinách uhlí přítomen jako složka jílových
komponent a jeho těkání do systému se nepředpokládá.
Ve většině forem biomasy je však draslík dominujícím prvkem, navíc se vzhledem k vazbě může uvolnit
těkáním, proto je slinovací účinek intenzivnější. Proto se zde bere jako výchozí celkový obsah alkalií
v palivu (Milles et all. 1995).
Shrnutě můžeme konstatovat, že je k dispozici soubor zkušebních postupů také pro biomasu, i když řada
metod byla původně zpracována pro uhlí. Při jejich aplikaci je však nutno mít na zřeteli rozdílnost
původu těchto popelovin a při koncepci agregátu pro spalování a zplyňování respektovat tyto odlišnosti.
10
3. CHOVÁNÍ ANORGANICKÝCH SLOŽEK Z BIOMASY ZA ZVÝŠENÝCH TEPLOT
VE SPALOVACÍCH SYSTÉMECH
Schematické znázornění procesů, probíhajících u anorganických sloučenin v palivu při spalování je
uvedeno ve studii Baxtera (1993). Minerální příměsi se v jednotlivých částicích tuhých paliv vyskytují ve
třech formách:

rozptýlené v organické hmotě paliva - to mohou být např. popeloviny vnitřní z minerální stavby
pravěkých rostlin, z nichž uhlí vzniklo

krystalické vtroušeniny v jednotlivých zrnech

povrchové vrstvičky různé síly na jednotlivých zrnech.
Některé minerální složky biomasy jsou při spalovacích teplotách těkavé. Jde zejména o sloučeniny
alkalických kovů (sodík, draslík), sloučeniny fosforu a také některé tzv. těžké kovy. Ve spalinách se
posléze vyskytují jako kondenzovatelné komponenty. Jiné látky z této skupiny, zejména sloučeniny
křemíku a kovů alkalických zemin, se z paliva uvolňují jako velmi jemně rozptýlené částice o velikosti pod
1 μm. Stabilita anorganických složek je ovlivněna řadou chemických reakcí a fyzikálních dějů, které závisí
na chemickém složení, teplotě a době reakce, čímž se také ovlivňuje vznik větších částic prachu.
Základní minerální přeměny a chemické reakce, které mohou probíhat za zvýšených teplot, lze uvést
takto:

Roztavení nebo alespoň dílčí natavení křemene a křemičitých látek, které reagují za
vysokých teplot s alkáliemi za vzniku silikátů kovů alkalických zemin

Roztavení nebo alespoň dílčí natavení alumosilikátů

Rozklad uhličitanů, oxalátů, chloridů a jiných solí

Těkání alkalií a některých těžkých kovů (Zn, Pb…)

Tříštění jednotlivých částic tepelným šokem a prudkým uvolňováním plynných složek ze zrn
(včetně vodní páry)

Shlukování velmi jemných částic.
Konkrétní projevy uvedených procesů mají souvislost s typem topeniště, teplotou plamene a časovou
prodlevou, během které je látka této teplotě vystavena.
Tuhá paliva se mohou spalovat v podstatě ve třech typech topenišť:

roštová ohniště (topeniště), obvykle užívaná v domácnostech, v malých a středních
průmyslových a komerčních zařízeních

fluidní ohniště (topeniště) různých forem, která se obvykle používají ve středních a velkých
zařízeních průmyslových závodů, komerčních a veřejných zařízeních
11

topeniště na práškové palivo, využívané hlavně ve velkých průmyslových zařízeních. Tyto
typy se jen málo využívají pro samostatné spalování biomasy, spíše zde bývá spalováno
smíšené palivo biomasa a uhlí ve velkých kotelnách.
Spalovací podmínky v uvedených typech topenišť jsou velmi rozdílné, takže i popely z nich pocházející
mají různé vlastnosti. Tomu nasvědčují také výsledky laboratorních i provozních experimentů,
zaměřených na některý z uvedených typů.
ROŠTOVÁ TOPENIŠTĚ
Při tomto uspořádání je vrstva paliva rozprostřena na pohyblivém či pevném roštu, zespodu je k palivu
přiváděn spalovací vzduch. Většina popela zůstává na roštu a je odstraňována manuálně nebo
mechanicky do popelníku. Určitá část zejména velmi jemných částic je ze spalovacího prostoru unášena
spalinami mimo pracovní prostor.
Obernberger et al. (2001) uvedli výsledky významných experimentálních prací, pojednávajících o složení
aerosolů, polétavého popílku a popela z roštového topeniště. Schéma je uvedeno na obrázku 4. Ze
schématu jsou patrné charakteristiky popelů a polétavého popílku z dřevní hmoty a také základní
poznatky o roštových topeništích, spalujících biomasu. Poznatky se týkají zejména malých topenišť,
užívaných v domácnostech a v malých průmyslových zařízeních, při tom se tato topeniště v detailech
(uspořádání roštu, přívod vzduchu aj.) mohou výrazně odlišovat.
Obrázek 4: Diagram uvolňování úletového popílku a aerosol při spalování
12
Schéma ukazuje způsoby vzniku polétavého popílku a aerosolu, které vznikají nad i pod vrstvou paliva.
Na diagramu je znázorněna vrstva hořícího paliva. Spalovací vzduch je přiváděn pod rošt. V popisovaném
příkladu je palivo přiváděno z pravé strany diagramu, vysušuje se a posléze vzněcuje povětšinou sálavým
teplem přenášeným zleva doprava. Hořlavé prchavé látky (prchavá hořlavina) se teplem uvolňují a nad
vrstvou paliva vzniká oheň. Jakmile jsou uvolněny z paliva veškeré prchavé látky (odtěkají), oheň zaniká a
uhlík z paliva vyhoří. Biomasa má všeobecně vysoký obsah prchavé hořlaviny, proto je vlastní spalovací
zóna poměrně krátká. Síla palivové vrstvy se s postupujícím spalováním zmenšuje a na roštu zůstává
vrstva hrubšího popela. Při roštovém spalování se teploty v palivové vrstvě pohybují v rozmezí 1000 až
1200°C, doba setrvání paliva činí několik minut podle velikosti roštu a síly vrstvy.
Podle chemického složení popela a teploty v reakčním pásmu může dojít ke spečení či natavení této
minerální substance. Tomuto jevu napomáhá i nerovnoměrnost přívodu paliva na rošt. I při nízké
tavitelnosti se mohou vytvářet větší shluky, které brání rovnoměrnému přívodu spalovacího vzduchu
k palivu. Tím dochází k tvorbě nedopalu, k nedokonalému hoření uhlíku z paliva a ke zhoršení skladby
spalin (výskyt oxidu uhelnatého).
Popel na roštu může obsahovat nahromaděný spečený materiál a větší částice popela. Složení roštového
popela je podobné popelu z paliva, mohou se však lišit v obsahu těkavých podílů, např. draselných
sloučenin.
Polétavý popílek je tvořen drobnými částicemi aerodynamického tvaru o průměru do 1 mm, které unáší
spalovací vzduch a spaliny. Chemické složení roštového popela a polétavého prachu je v podstatě stejné,
avšak na částicích polétavého prachu se mohou vyskytovat úsady kondenzujících těkavých
anorganických i organických látek.
Aerosoly vznikají kondenzací těkajících složek zejména alkalií a některých sloučenin těžkých kovů,
zejména chloridů a sulfátů v okamžiku jejich průchodu kotlem. Sloučeniny vápníku tomuto jevu
nepodléhají. Podle Obernbergera et al (2001) se obsah vápníku zvyšoval s rostoucí velikostí částic a
značnou koncentraci vykazoval zejména při velikosti na 0,8 μm.
Obernberger et al (2001) posuzoval tři dřevní paliva v roštovém topeništi:

chemicky neupravené dřevní štěpky s velmi nízkým obsahem popela (pod 0,5 %), kde
dominoval draslík, vápník a hořčík a obsah těžkých kovů byl velmi nízký

dřevní kůru, která obsahovala více popela, kolem 5 až 7 % a s výrazně vyšším obsahem vápníku

dřevní odpady s obsahem popela kolem 5 až 6 % se značným podílem zinku a olova.
Ukázalo se, že aerosoly, vzniklé při roštovém spalování kůry měly daleko větší obsah vápníku než ty,
které vznikly při spalování čistých dřevních štěpků. Dokonce i při menších velikostech částic. Domnívají
se, že je to důsledek uvolňování velmi jemných částic CaO z kůry během spalovacího procesu.
Aerosoly, vzniklé při spalování dřevního odpadu, měly značný obsah zinku a olova. O těchto prvcích je
známo, že při teplotách v roštových topeništích oba těkají.
Z experimentálních údajů autoři vyvodili tyto závěry:
-
Zrnitost polétavých popílků je rozdílná. Hrubý polétavý popílek má velikost kolem 1μm a pro
aerosoly jsou typické velikosti pod 1 μm.
13
-
Celková koncentrace polétavých popílků ve spalinách je ovlivněna utvářením hrubších částic
polétavého prachu z vrstvy paliva. To je ovlivněno obsahem popela v palivu, režimem kotle a
operačními parametry roštu.
-
Koncentrace aerosolu ve spalinách a složení aerosolů jsou hlavně ovlivněny chemickým
složením paliva, zejména obsahem prchavých látek, těkajících podílů, zde zejména alkalií
těkavých těžkých kovů a velmi jemného prachu, bohatého na vápník.
Práce Obernbergera et al. dala velmi dobrý detailní popis klíčových pochodů, provázejících vznik popela,
zejména však polétavého popílku a aerosolů při roštovém spalování.
Tavení a spékání popela v palivové vrstvě na roštu může být závažným problémem. Je obvykle spojeno
s nevhodným přívodem paliva, případně padáním minerálních složek (strusky) z horních oblastí pece. To
může vést k utváření nerovnoměrné síly vrstvy, která má vliv na přívod spalovacího vzduchu. Utváření
velkých shluků popela ve vrstvě může způsobit snížení přívodu vzduchu a to může vést k dalšímu nárůstu
shluků. Tím se zhorší podmínky pro spalování, zvýšení proudové rychlosti spalovacího vzduchu a
následně spalin místy s nízkou vrstvou, čímž se zvýší podíl uneseného polétavého prachu. Vytvořené
velké shluky způsobí potíže při vynášení popela z topeniště a na samotném odpopelňovacím zařízení.
FLUIDNÍ TOPENIŠTĚ
Chování biomasy při jejím spalování ve fluidních topeništích bylo zejména podrobně studováno ve
skandinávských zemích, kde je tento typ rozšířen v průmyslových zařízeních k získávání energie
z odpadních produktů papírenského a celulózového průmyslu (Valmari 2000).
V systémech fluidního spalování jsou částice paliva rozptýleny ve fluidním proudu vzduchu spolu
s hrubšími podíly říčního písku. Velké množství popela opouští fluidní kotel ve formě polétavého prachu
obvykle o průměru částic 50 až 100 μm. Tento materiál také obsahuje jemné částice říčního písku,
tvořeného obvykle křemičitým pískem nebo nezreagovaným vápencem s příměsí vápna a síranu či
siřičitanu vápenatého. Poměrně nízký podíl popela se odvádí výpustěmi, situovanými pod fluidním
ložem.
Spalovací teploty jsou ve fluidním loži poněkud nižší než u roštových topenišť. Pohybují se pod teplotou
900°C a složení popela se velmi podobá popelu vzniklému při spalování paliva v laboratoři při stejné
teplotní hladině.
Uvolňování těkavých alkalických složek, jakož i tavitelnost popela, leží teplotně níže než u roštových
topenišť. Rozkladné reakce uhličitanu vápenatého s následným slučováním se sirnými sloučeninami zde
hrají významnou roli (např. systém Lhoist atd.).
V systémech fluidního topeniště se u dna reaktorů mohou minerální položky spékat a vytvářet strusku.
Tím se poruší rovnoměrnost přívodu vzduchu, stabilita fluidního lože je narušena a může dojít i k jeho
zániku. Tyto jevy mohou vyvolat nutnost snížení teplot, případně je nutné zastavit topeniště, aby se
provedla nezbytná údržba.
Spékání popela u dna fluidního reaktoru je dáno teplotou tavení jednotlivých minerálních složek, které
mohou iniciovat tvorbu můstků mezi částicemi a v případě příznivých podmínek (teplota, koncentrace
aj.) se mohou vytvářet poměrně rozsáhlé prostorové shluky.
14
Hlavními příčinami tohoto jevu jsou:

Dílčí tavení složek popela o nízkém bodu tání, které vytvářejí tekutou fázi s nízkou viskozitou,
vytvářející již zmíněné můstky. To nastává zejména u paliv s popelem bohatým na alkalické kovy
a nízkotavitelné těžké kovy (zinek, olovo).

Podle koncentračních gradientů se mohou některé složky, zejména křemičitany a alumosilikáty,
rozpouštět v tekuté fázi za teplot, umožňujících spékání, což rovněž napomáhá vzniku vazeb
částice-částice. Za zvýšených teplot se může projevit tavení silikátů o vysoké viskozitě u dna
reaktoru. Byť viskozní, přesto může vytvářet spojovací můstky mezi popelem a částicemi dna.

Na povrchu dna se mohou odehrávat chemické reakce, které zvýší sílu vnitřních vazeb mezi
částicemi. Skrifvars et al. (1996) konstatuje, že může proběhnout reakce vápna s SO2 na
povrchu dna, kdy se vytváří síran vápenatý. To nastává v případech, kdy se ve fluidním reaktoru
spalují paliva s vysokým obsahem vápníku.
Pro řízení provozu fluidního reaktoru je nejdůležitější kontrola teplot dna a rovnoměrný přívod paliva.
Ten je ovšem obecnou podmínkou správného chodu fluidního reaktoru a stability fluidního lože.
Utváření shluků je často spojeno s výskytem tzv. horkých bodů se zvýšeným obsahem paliva na dně.
Tyto body ovšem mohou vzniknout také v důsledku spadu strusky (popela) z horních oblastí vyzdívky,
případně v důsledku uvolnění úlomků žáruvzdorné vyzdívky ze stěny reaktoru.
I když fluidní topeniště pracují za relativně nízkých teplot, může se pozorovat vyprchání těkavých
anorganických látek, zejména alkalických kovů a těžkých kovů do spalin. To může vyvolat tvorbu úsad na
povrchu konvekčních částí kotle, jak je popsáno v další části této studie.
Minerální substance z fluidních topenišť jsou v obecné poloze dvojího druhu:

Polétavé prachy, unášené ze spalovacího prostoru, zachycované obvykle v příslušných filtrech.
Zahrnují menší částice palivového popela a částice křemičitého písku či vápna/vápence a
síranu/siřičitanu vápenatého, uvolněných ze dna. Většina popelů z fluidního spalování je tohoto
typu.

Větší částice popela, zachycené v reaktoru, jsou vynášeny kanálky ve dně. Obsahují popel
z paliva, materiály ze dna a odpadnuté nataveniny strusky ze stěn reaktoru.
15
PRÁŠKOVÁ TOPENIŠTĚ
Prášková topeniště spalují rozemleté palivo s větším množstvím spalovacího vzduchu. Kotle tohoto typu
jen velmi zřídka spalují pouze biomasu, i když jsou známy některé jednotky, spalující práškové dřevo,
z provozu ve Skandinávii. Častější je však spalování biomasy spolu s uhlím ve velkých elektrárenských
kotlích. Společné spalování obou druhů paliv je běžně používáno hlavně v Evropě a v Severní Americe,
pomalu to však přeroste do celosvětového měřítka.
V práškových topeništích jsou pracovní teploty poměrně vysoké, leží mezi 1200 až 1600°C. Zdržení paliva
v ohništi je velmi krátké, trvá jen několik sekund. Hlavní zájem o tyto jednotky spočívá ve vlastnostech
smíšeného popela z biomasy a uhlí, který vzniká za vysokých teplot.
Existuje rozsáhlá technická literatura pojednávající o vlastnostech uhlí a jejich minerálních složek a o
jejich chování v práškových topeništích. Klasickým textem je monografie Ericha Raaska s názvem
„Minerální nečistoty při spalování uhlí“ z roku 1985, která představuje dokonalý souhrn poznatků o
vlastnostech uhelného popela a jeho chování v práškových topeništích a v jiných dobových jednotkách.
Řada konferencí na toto téma, které se konaly vždy v intervalu tří let s institucí Engineering Foundation
po řadu let, rovněž poskytují skvělý zdroj technických informací.
Literatura uvádějící výsledky detailních testů spalovacích systémů v práškových topeništích pouze
s biomasou je poměrně vzácná. Jedním z příkladů je práce Skrifvarse et al. z roku 2004. Popisuje
výsledky pokusného programu relativně malého 80 MW kotle, provozovaného ve Švédsku, který
spaloval práškovité dřevní palivo. Byly získány velmi cenné údaje o utváření polétavého popílku, které se
objevují v suspenzivním plameni a dále informace o vzniku a utváření minerálních úsad.
Zde byly získány podrobné chemické analýzy anorganických složek dřevní hmoty a popelů
nahromaděných v elektrostatickém odlučovači. Byly též získány vzorky jemných částeček polétavého
popílku za použití nízkotlakých kaskádových kladivových mlýnů typu Berner, které byly zpětně přivedeny
do proudu spalin konvekční sekce kotle při teplotách 400°C.
Výsledky chemické analýzy polétavých popílků o velikosti zrna pod 10 μm ukázaly, že se koncentrace
těkavých látek, tvořených sloučeninami draslíku, sodíku, síry a chloru, zmenšovaly s nárůstem průměru
částice. Z toho se odvozuje, že se zintenzivnila kondenzace těkavějších látek na povrchu částice
polétavého prachu vlivem snižování teploty spalin. Naopak koncentrace méně těkavých látek, tj.
sloučenin křemíku, hliníku, železa, vápníku, hořčíku, manganu a fosforu, vykazovala vzestupnou tendenci
s rostoucí velikostí částice.
V literatuře se objevují obecné popisy vlastností částeček polétavého popílku z biomasy, který vzniká při
spalování předemleté biomasy v suspenzivním plameni a také společného spalování biomasy s uhlím,
které těžily z rozsáhlé literatury o přeměnách uhelných minerálních komponent v jednotlivých typech
topenišť. Hlavní anorganické složky biomasy, tj. jednoduché anorganické sloučeniny Si, K, Ca, Mg, Na, S,
P a Cl, jsou rovněž přítomny v minerálním podílu uhelné hmoty buďto jako hlavní, nebo jako vedlejší
složky. Rozdíly mohou být zejména při mineralogickém posuzování těchto látek.
Zobecněné schéma reakcí, které se pokouší popsat základní procesy v plameni práškového paliva, je
uvedeno na obrázku 5 (Baxter 1993). Zde jsou původní částice zobrazeny na levé straně závislosti,
zatímco výsledné částice polétavých popílků jsou uvedeny na pravé straně. Je vhodné připomenout, že
anorganické příměsi v biomase se vyskytují v inherentní a cizorodé formě, což poznamenává jejich
chování při spalování.
16
Obrázek 5: Schéma rozkladu anorganických látek během spalování
Obecně se předpokládá, že hlavní transformační procesy na obrázku jsou ve dvou hlavních typech:

emisní mechanismus, který zahrnuje odtěkání prchavých látek anorganického původu, hlavně
alkalických kovů, tepelný nebo mechanický rozklad minerální substance, chemický rozklad
sloučenin síry a halogenů a odnos jemných částic během velmi prudkého odplyňování hmoty.
Tyto emisní mechanismy v podstatě způsobují vznik velmi jemných částic (pod 1 μm),
anorganických odparků a také aerosolů přítomných ve spalinách.

procesy, při nichž se utváří částice polétavého prachu, které zahrnují tepelné a chemicky
indukované rozložení minerálních částic, úplné či dílčí tavení, vznik a koalescenci minerálních
residuí, čímž se vytvářejí předpoklady k utváření větších částic polétavého prachu.
Celkově lze odvodit, že produkty spalování biomasy spolu s uhlím ve velkých kotlích jsou náchylné
k vyššímu obsahu částic pod 1 μm a odparů. Částice polétavého prachu jsou menší než ty, které vznikají
pro spalování samotného uhlí.
Společné spalování uhlí a biomasy znamená zvýšenou možnost vytváření ložisek struskování a slinování
směsného popela a ovlivňuje účinnost odlučovačů jemných částic. Jak bylo uvedeno výše, má biomasa
menší obsah popela než většina uhlí, avšak její popel bývá relativně bohatší na zásady a kovy alkalických
zemin, které posléze působí jako pojidla alumosilikátových uhelných popelů. Obecně řečeno, společné
spalování biomasy s uhlím může znamenat vyšší náchylnost k tvorbě natavenin a strusky a k slinování
smíšeného paliva podle poměru obou komponent a chemického složení minerální substance. Pokud
klesne podíl biomasy pod 10 %, jsou tyto jevy poměrně řídké.
17
OBECNÝ KOMENTÁŘ
V souhrnu můžeme konstatovat, že v literatuře uváděná reakční schémata popisují vznik a vývoj
popelových částic z biomasy v roštových, fluidních a práškových topeništích a při společném spalování
biomasy s uhlím. Schémata vycházejí z chemického a mineralogického složení paliv a z výsledků
provozních experimentů, které zahrnují vzorkování a analýzu paliv, vzniklých popelů a polétavých
popílků. Tato schémata dostatečně vysvětlují složitý průběh reakcí a důsledky těchto klíčových procesů
na environmentální (ekotechnické) prostředky.
18
4. UTVÁŘENÍ A PODSTATA USAZENIN POPELA NA TEPLOSMĚNNÝCH
PLOCHÁCH KOTLŮ A TOPENIŠŤ, SPALUJÍCÍCH SAMOSTATNÉ PALIVO NEBO
SMĚS UHLÍ A BIOMASY
Provozní problémy, spojené s usazováním a slinováním popelovin, se mohou objevit ve všech typech
topenišť a kotlů, spalujících biomasu a uhlí.
Významnější jsou ovšem jevy, které se pozorují v topeništích za vysokých teplot a jsou spojeny s:

částečným (dílčím) tavením a shlukováním částic popela ve vrstvě paliva při roštovém a
fluidním typu topeniště. To může vést k nedokonalému hoření, zániku fluidního lože a
k problémům spojeným s odstraňováním popela z pracovního prostoru.

usazováním roztavených nebo částečně natavených popelovin na součástech topeniště v pecích
s práškovým ohništěm. To vede k interakci paliva a topeniště a také chodu a výkonu jednotky.

nárůstem velkých shluků roztavených příp. částečně natavených popelovin, které může
ovlivňovat činnost roštů a fluidních topenišť, blokovat hrdla popelových jímek v pecích
s práškovým topením. To může vést ke snížení přívodu paliva nebo prostojům z důvodu čištění
topeniště.

tvorbou usazenin roztavených nebo částečně natavených částic na teplosměnných plochách,
která způsobuje zhoršení přenosu tepla a značné tepelné ztráty uvnitř topeniště i mimo něj. To
může vést dále ke zvýšené tvorbě usazenin v konvekční sekci kotle, což bude znamenat snížení
dávek paliva, případně jeho zastavení z důvodu manuálního vyčištění.

shromažďováním a následným opadáváním velkých kusů usazenin popela z horních oblastí
pece. To může způsobit poškození rozdělovačů média a vynašečů popela, jakož i zánik fluidního
lože ve fluidních topeništích.
Jde o procesy utváření strusky, které se objevují za relativně vysokých teplot kolem 800 až 1000°C na
povrchu žáruvzdorných vyzdívek a chladících trubek, které jsou způsobeny spékáním a tavením částic
popela uvnitř pece.
Pozoruje se také hromadění popelových usazenin v konvekčních zónách kotlů. Toto slinování zahrnuje:

utváření usazenin na povrchu přehřívače, mezipřehřívače a odpařováků za teplot spalin pod
1000°C, probíhá pomalu a může vést k nadměrné tvorbě během několika dní. Usazeniny se
utvářejí vzájemnou interakcí nízkotavitelných složek (sloučeniny alkalických kovů). Při snižování
teplot, např. při průchodu spalin konvekční sekcí kotle, se jejich vznik omezuje, jsou méně
rozsáhlé a mají nižší mechanickou pevnost. Proto je konvekční zóna projektována tak, aby se
tento jev co nejvíce omezil.
Ucpávání konvekční sekce je jedním z nejnepříjemnějších problémů, způsobených popelovinami
zejména při spalování biomasy (vysoký obsah alkalických kovů). Tyto usazeniny zhoršují přenos tepla
v konvekční sekci a znamenají následné zvýšení komínových ztrát v důsledku zvýšené teploty
odcházejících spalin. Usazeniny mohou způsobit tvorbu struskových můstků mezi trubkami kotle. Tím
dochází k nepravidelnému proudění spalin svazky trubek, k jejich místnímu přehřátí a erozi (abrazi)
materiálu částicemi popela unášenými ze systému zvýšenou rychlostí.
19

Usazeniny popela na povrchu ekonomizéru při nízkých teplotách spalin jsou obvykle slabě
vázány. Povětšinou jde o mechanické hromadění hmoty často i vlivem gravitace, kdy se usazují
částice popela uvolňované při odstraňování sazí.

Tvorba usazenin za nízkých teplot a koroze povrchu sušicí sekce jsou při tomto provozu běžné,
odrážejí však uspořádání horkovzdušné sušárny a z tohoto přehledu se vymykají.
Z výše uvedeného vyplývá, že ukládání popela v topeništích je výsledkem působení více faktorů,
zahrnujících složení popelů, teplotní pole, typ topeniště, poměr uhlí/biomasa aj.
PROCESY UTVÁŘENÍ STRUSKY
Utváření strusky je většinou spojeno s natavováním popela uvnitř topeniště za teplot vyšších než 800 až
1000°C. Existuje rozsáhlá literatura popisující utváření strusky při spalování uhlí, ze které lze aplikovat
poznatky i na spalování biomasy, příp. společné spalování uhlí a biomasy.
Mechanismy vzniku strusky jsou závislé na typu topeniště a jeho technickém uspořádání, i když základní
principy jsou shodné. Základním procesem je přenos popela ze spalin na vnitřní povrch topeniště a jeho
usazení. Ostatní procesy mají menší význam s výjimkou počátečního stadia, kdy se usazenina utváří na
čistém povrchu kovu a rychlost ukládání vrstev je velmi malá.
Značnou roli zde hraje přilnavost popela k pracovní ploše, která závisí na stavu částic a na druhu
povrchu. Tento proces je však podmíněn stupněm natavení částic, což souvisí s již výše uvedeným
ukazatelem T15.
V počátečních fázích utváření strusky, kdy jsou styčné povrchy čisté a chladné a mohou vznikat
usazeniny jen u natavených částic, je rychlost usazování nízká. Dominující je posléze oblast, kdy je
teplota nad T15 a přilnavost je zvýšena. Chemické složení počáteční usazeniny se může odlišovat, proto
počáteční vrstva může být utvořena z částic propojených složkami s nižším bodem tání. K tomu dochází
nejčastěji v případech, kdy je zcela nový kotel, případně byla provedena údržba a došlo k vyčištění kotle.
V počátečních fázích (až několik týdnů) se usazeniny netvoří, proto je vhodné tuto etapu využít
k výzkumu mechanismů např. „značkováním“ spalin externími hmotami.
Postupem času se síla usazenin zvětšuje a teplota jejich povrchu roste. Materiály slinují, lepivost vzrůstá
a tak se zvyšuje i rychlost tvorby dalších usazenin. Chemická skladba se postupně blíží skladbě popela. V
některých případech, zejména u popelů s nízkou teplotou tání, se vytvářejí usazeniny v místech vysokých
teplot až do bodu T70 a přecházejí v tekutou strusku. Zde se posléze zachycují i nenatavené částice.
Jindy se u popelů s vysokou teplotou tání a při nízkých teplotách pracovního prostoru natavování částic
neprojeví, vzniká tak relativně pórovitá křehká hmota, dobře rozpojitelná čistícími mechanismy
topeniště.
Síla usazenin je tedy výsledkem působení více faktorů.
Výklad mechanismu tvorby usazenin posléze umožňuje vysvětlení vzniku jejich zřetelného rozvrstvení.
Popel přiléhající k povrchu trubky je zpravidla slabě vázán a je velmi pórovitý. Jeho mechanická pevnost
je nízká, může se rozpadnout vlivem teplotních rázů, případně působením odstraňovače sazí. Mnohdy
dochází k odlamování velkých kusů usazenin. Lze usoudit, že rychlost tvorby usazenin je spíše důsledkem
podmínek existujících v pracovním prostoru než přenosem částic a jejich okamžitým stavem.
Velmi často je pozorováno, že horká místa topeniště tvořená žáruvzdornou vyzdívkou jsou místem
iniciace vzniku strusky, odkud se pak šíří do prostoru topeniště a trubkového systému. Mnohdy není
žáruvzdorný materiál dostatečně chlazen, jeho povrchová teplota, příp. teplota částice popela je vyšší
20
než v okolních místech. Je zde proto větší pravděpodobnost rychlejší tvorby usazenin. Pozoruje se, že
stěny spalovací komory mohou být poměrně čisté s výjimkou prvků žáruvzdorného materiálu, které
způsobí výše popsaný efekt.
Z řečeného lze odvodit, že významnou úlohu zde hraje způsob tavení částic i povrchu strusky.
Charakteristika tání popela z biomasy se značně odlišuje v závislosti na jeho chemickém složení.
To je vyjádřeno hodnotami struskovacího indexu, který je odvozen z chemického složení popela a jeho
tavitelnosti. Tyto skutečnosti je potřeba zohlednit při koncipování topeniště se zřetelem k utváření
struskových úsad. Geometrie topeniště by měla být taková, aby plamen byl dostatečně kompaktní a
teploty spalin u stěn nižší. Rovněž musí být zabezpečeno účinné čištění teplosměnných ploch tak, aby
přenos tepla byl co nejefektivnější.
Jednou z klíčových funkcí pece je snižování teploty spalin tak, aby se netvořila struska ještě před
vstupem spalin do konvekční sekce kotle. Jinak zde může dojít k tvorbě roztavených příp. natavených
struskových úsad.
ZANÁŠENÍ KONVEKČNÍ SEKCE
Tento proces se odehrává za nižších teplot, je způsoben usazováním těkavých anorganických částic
v popelu, zejména však alkalií a někdy i sloučenin fosforu. Ty kondenzují na chladných místech,
vyvolávají nárůst usazenin a mnohdy tak spojují netající částice popela navzájem, případně je spojují se
stávajícími usazeninami.
Při usazování alkalické sloučeniny reagují s oxidy síry ze spalin, což může ovlivnit hmotnost a objem
usazeniny a také její mechanické vlastnosti, což se posléze projeví zejména při ochlazování. V takových
případech se rychlost jejich tvorby snižuje.
Mechanické vlastnosti usazenin popela závisí na jeho chemickém složení a teplotě spalin v místě tvorby.
Sedimenty v teplejších oblastech konvekční zóny kotle mohou být někdy nataveny i za normálních teplot
spalin. U většiny paliv z biomasy k tomu dochází při překročení teplot 700°C, což je obvyklé na vstupu do
přehřívačů. Tyto usazeniny pak vytvářejí přilnavý povrch pro další již netěkavé složky popela unášené
spalinami, čímž vzniká sediment obvykle těžko odstranitelný. Jde např. o vytvoření můstků mezi svazky
trubek. Usazeniny jsou v takovém případě rozsáhlé, čistící technika je pak méně účinná, při ochlazení
úsady vytvářejí tvrdou pevnou látku, která se dá jen velmi těžko odstranit.
Sedimenty na teplosměnných plochách kotle v kontaktu se spalinami při nižších teplotách kolem 600 až
700°C jsou podle chemického složení slabě vázané, jsou křehké a dají se odstranit snáze.
Proto je běžnou praxí při navrhování kotlů pro spalování, např. komunálních odpadů a některých druhů
biomasy, zvětšit radiační sekci pece, která způsobí snížení teploty spalin na vstupu do prvního svazku
trubek až na 700°C. Tak lze omezit utváření částečně roztavených úsad na vstupu do prvního
konvekčního svazku.
V konvekčních sekcích se vyskytuje několik negativních faktorů, vyvolávajících zvýšenou tvorbu usazenin:

vysoká rychlost proudění spalin svazkem trubek, což způsobuje zvýšení abrazivního opotřebení
povrchu trubek

časté používání odstraňovačů sazí, čímž rovněž dochází k poruchám trubkového systému
21

při snížení průchodnosti konvekční sekce se zvyšují teploty kovových součástí, dochází
ke zvýšenému koroznímu opotřebení trubek, příp. k tepelnému poškození nechlazených
součástí

zvýšená abraze kovových součástí kotle zejména při čištění kotle solnými roztoky se
zintenzivňuje v případech, kdy kotel není důkladně vysušen nebo zůstane vlhký.
Délka provozu působí na zvětšování zmíněných poruch, proto je potřebná častější údržba včetně zarážek
pro pravidelné manuální čištění.
Sedimenty na povrchu konvekční sekce za teplot spalin nižších než 600°C jsou vázány slaběji a
shromažďují se v chladnějších místech kotle. Tento typ spalin je snadno kontrolovatelný.
NARŮSTÁNÍ USAZENIN, JEJICH UBÝVÁNÍ A ČIŠTĚNÍ
Problémy spojené s tvorbou úsad a následným odstraňováním jsou popsány řadou autorů v technické
literatuře o fosilních palivech a palivech z biomasy (Raask 1985, Baxter 1993). Hlavními příčinami růstu
úsad jsou:
-
nepřetržitý proud natavených částic popela, dosedajících na plochu
-
kondenzace těkavých složek ze spalin na chladnějších plochách narůstá zvýšením jejich podílu
v palivu
-
chemické reakce, které se projevují v úsadách. Jde především o oxidaci, dále též o slučování
složek se sírou a chlorem
-
termoforéza, kdy dojde k přenosu částic vlivem rozdílných teplot, uplatňuje se zejména u velmi
malých submikronových částic, viz obrázek 6.
Obrázek 6: Schéma termoforézy
Nekontrolované usazování popelových částic bez jejich průběžného odstraňování by ve většině
zařízení spalujících tuhá paliva vedlo k poruchám činnosti topeniště i kotlů, proto jsou obvykle
vybavena čistícími systémy různých typů.
22
Mohou se však projevovat i přirozené procesy odpadávání úsad, případně omezování jejich tvorby.

Jednou z možností je užití vestavěných odstraňovačů sazí v podobě přívodu usměrněného
proudu páry, vody nebo stlačeného vzduchu, což představuje kombinaci mechanického účinku
a teplotního šoku na usazeniny, jejich rozrušení a odstranění. Někdy lze uplatnit ultrazvuk,
případně slabé nálože výbušnin. Odstraněné sedimenty mohou být odneseny spalinami nebo
jsou vyjmuty mechanicky.

Přirozené odpadnutí či uvolnění usazenin nastává, když vzniká vrstva značných rozměrů, která
svojí hmotností vyvolá odtržení od stěny. Může zde i působit rozdíl teplot mezi sedimentem a
trubkou kotle. Případný pád uvolněných usazenin však může přivodit mechanické poškození
kotle nebo jeho součástí.

Nízkotavitelné sedimenty s nízkou viskozitou taveniny mohou z horních oblastí topeniště
skapávat do nižších poloh.

V konvekční sekci kotle se usazeniny mohou zmenšovat mechanickým působením částic
polétavého prachu (abrazí).
Zanášení topenišť na biomasu a kotlů je závislé na uspořádání kotle i na jeho provozních podmínkách.
Zde je třeba zejména uvést:

Uspořádání konvekční sekce topeniště i kotle musí zohledňovat vlastnosti a chování vznikajícího
popela, což by měl respektovat hlavně výrobce kotlů. Ten musí současně konstrukčně řešit
minimalizaci tvorby usazenin a způsob vynášení popela z pracovního prostoru.

Správná konstrukce, provoz a údržba topeniště včetně čištění znamenají jeho efektivní funkci.
Pravidelné čištění a odstraňování usazenin v počátečním stadiu je výhodnější než později
užívání čistícího zařízení pro rozsáhlejší operace. Důkladné vyčištění topenišť a kotlů v období
odstávek má příznivý vliv na prodloužení provozního času celého komplexu.
Obecně jsou k dispozici komerčně dodávané systémy, které monitorují stav usazenin, činnost
odstraňovačů sazí aj., a tím optimalizují činnost kotlů.
23
5. ÚČINEK POPELA Z BIOMASY NA ČIŠTĚNÍ SPALIN V TOPENIŠTÍCH
SPALUJÍCÍCH SAMOSTATNĚ I VE SMĚSÍCH BIOMASU
Čištění spalin před jejich vypouštěním do okolní atmosféry je významnou operací. Veškeré postupy
musí být ve shodě s emisním limitem pro tyto látky. Větší jednotky jsou vybaveny příslušným
měřícím a regulačním zařízením na rozdíl od malých jednotek v domácnostech nebo v komunální
sféře, kde jsou emisní limity poněkud volnější. Existuje dostatek technických prostředků zajišťujících
dodržování emisních limitů, které jsou ověřeny v provozních podmínkách. Bližší rozbor těchto
otázek je nad rámec této práce.
Hlavní náplní této kapitoly je osvětlení důsledků spalování biomasy na čistící systémy spalin a pro
společné spalování uhlí a biomasy v topeništích, původně navržených jen pro uhlí. Za poslední léta
se podíl biomasy v palivu zvýšil zejména v severní Evropě. Očekává se zesílení této tendence, tedy je
nutné kalkulovat s tím, že se podíl biomasy ještě zvýší.
V moderních topeništích je zabudováno kontrolní zařízení, které má sledovat tyto parametry:

úplná kontrola emisí, zejména za použití suchých elektrostatických případně textilních filtrů

kontrola emisí NOx

kontrola emisí SO2
Kontrolou se zde rozumí volba takových ekotechnických prostředků, jimiž se zabezpečí dodržení
předepsaného emisního limitu.
Tyto prostředky se osvědčily, kontrola a měření emisí na velkých jednotkách bylo úspěšné.
Počet jednotek, spalujících uhlí s biomasou se výrazně zvětšil, proto je vhodné porovnat důsledky použití
smíšeného paliva na tyto kontrolně-měřící systémy.
DOPAD SPOLEČNÉHO SPALOVÁNÍ NA ELEKTROSTATICKÝ ODLUČOVAČ
Při rozboru této skutečnosti je třeba vzít v úvahu, že částice polétavého popela z biomasy se chemicky
odlišují od částic z uhlí. Jsou též rozměrově menší a jsou náchylné k utváření velmi jemných dýmů a par.
Proto musí být elektrostatický odlučovač nastaven i pro zachycení těchto částic.
Ve většině zemí je nutno demonstrovat příslušným institucím, že společné spalování biomasy s uhlím
nemá žádný negativní vliv na životní prostředí. Jsou i důkazy, že i při poměrně nízkém podílu biomasy
v palivu (< 10 %) se jen ojediněle zaznamenal nárůst emisí. Někdy je však zapotřebí instalovat přídavné
zařízení, aby emise byly sníženy.
DOPAD SAMOSTATNÉHO SPALOVÁNÍ A SPALOVÁNÍ S BIOMASOU NA KATALYZÁTORY SCR
(SELECTIVE CATALYST REDUCTION, SELEKTIVNÍ KATALYTICKÁ REDUKCE)
Jde o eliminaci resp. minimalizaci účinku Nox. Životnost katalyzátoru může být ovlivněna více faktory,
většinou však je dána použitým palivem. Katalyzátor může být poškozen, pokud nastane:

tepelný rozklad hmoty, kdy dochází ke spékání pórů
24

kondenzace amonných solí uvnitř pórů katalyzátoru pro jeho nízkou teplotu

ucpávání pórů katalyzátoru usedáním nejjemnějších částic popela

znečištění povrchu katalyzátoru těkavými anorganickými látkami

mechanické narušování katalyzátoru částicemi polétavého prachu
Dřívější zkušenosti s používáním SCR katalyzátoru na kotlích, kde se spalovaly zemědělské odpady ve
Skandinávii, ukázaly, že značným problémem byla dezaktivace katalyzátoru solemi sodíku a draslíku a
také sloučeninami fosforu a křemíku. To způsobilo podle Ahonen (1996) a Beck (2005) zkrácení
životnosti.
Na základě řady experimentálních prací Baxter a Koppejan (2005) publikovali poznatky o životnosti
katalyzátoru v prostředí, kde dochází ke spalování paliva se zvýšeným obsahem alkalií a kovů alkalických
zemin. Výsledky jsou uvedeny na obrázku 7. Ukázalo se, že na povrchu katalyzátoru vzrostl obsah
vápníku, síry a sodíku a také se podstatně zkrátila jeho aktivní činnost.
Obrázek 7: Oxidy naměřené na povrchu zařízení při a bez použití katalyzátoru
V elektrárně Studstrup v Dánsku byla od roku 2002 společně spalována obilní sláma a jiné biomateriály
v 10% podílu na kotli s výkonem 350 MWe. Experiment trval 5000 hodin (Overgaard et all. 2005).
Ukázalo se, že nebyl pozorován žádný rozdíl v chování katalyzátoru při spalování samostatného ani
smíšeného paliva. Ve sledování se bude pokračovat po dobu 20000 hodin.
Deaktivace SCR katalyzátoru v důsledku spalování směsného paliva je natolik významná, že tento
problém byl již řešen jako výzkumný projekt EU. Podrobnosti jsou uvedeny na www.eu-projects.de.
Hill et all. (2005) uvedli výsledky výzkumu provedeného na elektrárně Borseele v Nizozemí v roce 2004.
Kotel o výkonu 425 MWe byl vytápěn směsí uhlí a biomasy (10 %). První série trvala 1000 hodin a nebyl
zaznamenán žádný pokles aktivity katalyzátoru ve srovnání se samostatným spalováním uhlí. Nebyly
zaznamenány žádné nárůsty v obsahu arsenu, sodíku a draslíku i přes výrazný (30 až 40 %) nárůst
koncentrace P2O5.
25
I přes dílčí obavy lze vyslovit závěr, že při spalování směsného paliva s 10 % biomasy nedochází
k závažnějším problémům v provozu SCR.
Zkušenosti z elektrárny Avedore ukázaly, že pokud dojde k poklesu aktivity katalyzátoru, lze aktivitu opět
obnovit propláchnutím vodou, čímž se odstraní alkalické kovy a jiné soli. Elektrárna Avedore se nachází
v Dánsku a směsné palivo se zemním plynem se zde používá již řadu let (Ottosen 2005).
DOPAD SPALOVÁNÍ SMĚSNÉHO PALIVA NA FGD (FLUE GAS DESULPHURISATION,
ODSÍŘENÍ SPALIN) ZAŘÍZENÍ
Obsah síry je u většiny druhů biomasy ve srovnání s uhlím velmi nízký, stejně tak má nízký obsah chloru.
Proto by také odsíření spalin mělo být jednodušší a zároveň by mělo dojít ke snížení spotřeby vápence.
Obdobně by neměly být problémy s čištěním odpadních vod.
Zkušenosti z četných elektráren ukazují, že spalování směsných paliv nemá žádné negativní dopady na
činnost a chod FGD zařízení.
26
6. VLIV POPELA Z BIOMASY NA CHEMICKOU KOROZI KOTELNÍCH TRUBEK A
EROZIVNÍ A ABRAZIVNÍ OPOTŘEBENÍ JEDNOTLIVÝCH SOUČÁSTÍ
TOPENIŠTĚ
TECHNICKÉ PODMÍNKY KOROZE NA KOTLÍCH
Korozivní účinky na kotlích se objevují za velmi vysokých teplot a za velmi agresivních podmínek, proto je
přesná identifikace jednotlivých korozních procesů velmi obtížná. Z těchto důvodů se touto
problematikou stále zabývají konstruktéři, obsluha kotlů i pracovníci z výzkumné sféry. Technická
literatura k tomuto tématu pro kotle spalující fosilní paliva (Raask 1988) se rozšiřuje i pro oblast
spalování biomasy, případně pro spalování smíšených paliv. Důvodem je rostoucí podíl biomasy v palivu.
Korozní jevy mají u kotlů pro domácnosti a komerční sféru menší důležitost, protože pracují za mnohem
nižších teplot.
Rychlost koroze je ovlivněna více faktory:

konstrukční materiál trubek

teplota spalin a kovu

chemické složení popelů a usazenin na kovových plochách

chemické složení spalin

provozní režim jednotky (technologické předpisy)
U většiny kotlů spalujících biomasu bylo zjištěno, že pokud je zařízení projekčně dobře vyřešeno a
pracuje podle technologického předpisu, pak se zvýšená koroze projevuje pouze u přehřívacích sekcí
kotle, kde je poměrně vysoká teplota.
Korozi ovlivňují tyto vlastnosti biomasy:

zvýšený obsah draselných kationů, které vytvářejí usazeniny na povrchu trubek kondenzací
těkavých složek paliva

většina druhů biomasy má jen nízký obsah síry, obecně pod 0,5%

obsah chloru v biomase je podle druhu variabilní, může však dosáhnout až 1%.
Jak již bylo výše uvedeno, sedimenty popela vytvořené na povrchu kotle, mohou obsahovat vyšší podíly
draselných solí, zejména sírany a chloridy podle složení paliva a teploty spalin a kovu. Chemické složení
minerální substance biomasy se odlišuje od popelovin z uhlí zejména v obsahu draslíku, chloridů a
sulfátů. Korozní jevy se projeví za vysokých teplot zejména na povrchu přehřívačů. Proto je nezbytné
řešit tyto kotle tak, aby výsledné teploty páry byly nižší než u kotlů spalujících pouze uhlí.
Nedávno bylo publikováno několik velmi dobrých technických přehledů o chemickém složení popelových
usazenin a o korozivních procesech v kotlích na biomasu (Nielsen - 2000 a Henriksen - 2002).
Sledovaným směrem jde také studium důsledků společného spalování uhlí a biomasy na průběh a
intenzitu koroze (Baxter 2003).
27
KOROZNÍ MECHANISMY
Provozní zkušenosti ukazují, že k intenzivním korozním účinkům na materiálech přehřívačů dochází při
spalování většiny druhů biomasy za teplot kovů, převyšujících 450°C. Jedná se zejména o:

korozní procesy, zahrnující reakce mezi kovy/oxidy kovů a plynnými komponenty, obsahujícími
chlor jako elementární příp. jako chlorovodík

reakce v pevné fázi, kde se jedná o chloridy alkalických kovů

korozní reakce, jichž se účastní alkalické kovy a chloridy.
Zkušenosti z provozu kotlů na biomasu ve Skandinávii ukazují, že nejintenzivnější koroze je spojena
s usazeninami popela, obsahujícího chloridy alkalických kovů za vysokých teplot u přehřívačů, zejména
působením chloridu draselného. Tento jev je pravděpodobně spojen s přítomností méně tavitelných
eutektických směsí.
Teploty tání a eutektické teploty konkrétních látek jsou uvedeny v tabulce 3. Z údajů tabulky je patrno,
že zejména některé systémy, např. KCl - FeCl2, příp. NaCl - FeCl2 mají nízkou eutektickou teplotu
v rozmezí 340 až 390°C, což znamená, že se mohou tvořit tekutá jádra uvnitř usazenin, protože KCl a
NaCl v úsadách reaguje s kovy případně s vrstvičkami oxidů.
teplota tání °C
kompozice při bodu tání
(mol % alkálií)
NaCl
801
-
KCl
772
-
FeCl2
677
-
CrCl2
845
-
systém
NaCl-FeCl2
KCl-FeCl2
NaCl-CrCl2
370
c. 56
340-393
45,8-91,8
437
53,7
KCl-CrCl2
462-457
Tabulka 3: Teploty tání a eutektické teploty
36-70
Jinou reakcí je sulfatace usazených alkalických chloridů v kontaktu s oxidy síry SO2/SO3. Reakce probíhá
podle rovnice
2 KCl (s) + SO2(g) + 0,5 O2 (g) + H2O (g) → K2SO4 (s) + 2 HCl (g)
Plynný chlorovodík pak proniká ke kovovým součástem a vytváří chloridy kovů z konstrukčních
materiálů. Tato reakce může probíhat při spalování biomasy s nízkým obsahem síry a vyšším obsahem
chloru.
28
Riedl (1999) popsal jiný mechanismus koroze, nazval jej „aktivní oxidací“. Domnívá se, že dochází ke
zrychlené korozi, pozorované v malých teplovodních kotlích, spalujících kůru, dřevěnou štěpku a piliny
v Rakousku. Chemicky vyjadřují přeskupení hmoty následovně:
2 NaCl + SO2 + O2 → Na2SO4 + Cl2
příp.
2 KCl + SO2 = K2SO4 a Cl2
Jedním z výsledků sulfatace je uvolnění plynného chloru uvnitř usazeniny v blízkosti povrchu kovu, kde
může docházet k další reakci s ocelí za vzniku FeCl2. Chlorid železnatý má značnou tenzi par, může
pronikat skrz vrstvu usazenin a reagovat s přebytečným kyslíkem ve spalinách podle následujícího
reakčního schematu:
3 FeCl2 + 2 O2 = Fe3O4 + 3 Cl2
2 FeCl2 + 1,5 O2 = Fe2O3 + 2 Cl2
FeCl2 + O2 + Fe3O4 = 2 Fe2O3 + Cl2
Podle autorů jsou právě tyto reakce zdrojem plynného chloru ve všech souvislostech. Je však
samozřejmé, že průběh koroze bude vždy ovlivněn konkrétními podmínkami v místech, kde je koroze
pozorována.
PROVOZNÍ ZKUŠENOSTI A POKUSY NA KOTLÍCH, SPALUJÍCÍCH SAMOSTATNĚ ČI VE SMĚSI S
BIOMASOU
Během minulých let byla provedena řada sledování, provozních experimentů a měření na kotlích
spalujících biomasu. Jednalo se o vystavení malých vzorků materiálů provozním podmínkám. Je třeba
uvést, že tento druh experimentálních prací je velmi nákladný, avšak současně se zkušenostmi z provozu
jednotky pravděpodobně dává nejpravdivější údaje o průběhu koroze v daném prostředí.
Montgomery (2002) a Henriksen (2002) publikovali výsledky významného programu elektrárenských
korozních pokusů. Do proudu spalin vložili zkušební sondy na elektrárně v Masnedo, Rudkoping a Ensted
v Dánsku. Na jednotkách se spalovala obilná sláma s obsahem popela kolem 5 až 7%, chloru přibližně 0,3
až 0,35%, síry pod 0,2% a draslíku až 2% v bezvodém stavu.
Byly provedeny tři typy pokusů:

expozice testovacích kovových segmentů na vodou/vzduchem chlazených sondách

expozice konstrukčních materiálů trubek ve zkušebním přehřívači

expozice testovacích segmentů trubek do stávajícího přehřívače
Ferritické i austenitické materiály s legurami byly vystaveny působení prostředí spalin za teplot 450 až
620°C. Ukázalo se, že rychlost koroze se zvětšovala s narůstající teplotou od hodnot < 50 nm/h při 470°C
k hodnotám >1000 nm/h při teplotách přes 600°C.
Základní výsledky korozních jevů a morfologie usazenin jsou uvedeny v tabulce 5. Z nich je patrno, že
byly nalezeny podstatné rozdíly v morfologii úsad a v korozi materiálů při různých teplotách. Za nízkých
teplot až do 520°C vznikala stabilní ochranná vrstva oxidů. Při vyšších teplotách se tato vrstva
nevytvářela, bylo pozorováno rychlé opotřebení kovů, koroze na hranicích zrn (mezizrnová koroze).
29
Zkoumané legury ukázaly v podstatě stejné výsledky, nevýrazné optimum korozivzdornosti se ukázalo u
materiálu legovaného chromem v množství 15 až 18 %.
provoz
Masnedo
teplota teplota
páry
kovového
(°C)
povrchu (°C)
Rudkoping
460-615
selektivní koroze a účinky na
hranici zrna při vyšších
teplotách, ochranné oxidy na
nižších teplotách
KCl
průměr 580
selektivní koroze a účinek na
hranici zrna
450
formace ochranných oxidů
520-650
Ensted
470
usazená látka
formace ochranných oxidů s KCl s K2SO4 ve vztahu k
účinkem na hranice zrna - povrchovým oxidům. Stopy
oxidy mají tendenci se štěpit železa v obou případech.
520
450570
morfologie koroze
Dominantně KCl, malé množství
sulfátů a silikátů nebo K2SO4 s
trochou KCl. Stopy oxidů železa v
obou případech
selektivní koroze
selektivní koroze
447
Tabulka 5: Základní jevy usazenin na površích kotlů
K2SO4 s trochou KCl. Stopy
oxidů železa
Dále se ukázalo, že nárůst obsahu chloridů alkalických kovů v systému kov/oxid/popelová úsada může
vést ke zrychlení koroze na straně spalin, zejména však v sekcích předehřívače za teplot převyšujících
480 až 500°C.
V Dánsku byl také zkoumán účinek společného spalování obilné slámy s uhlím na velkých kotlích
(Montgomery a Larsen 2002, Henriksen a Larsen 1997). Důvodem je vysoká teplota páry a tudíž i vysoká
teplota kovů přehřívače v kotlích na uhlí, proto byla sledována korozní rychlost při společném spalování
biomasy s uhlím. Přehled dánských elektráren spalujících biomasu je na obrázku 8.
Důležitá informace o těchto projevech byla získána v provozu kotle o výkonu 80 MW v Grenaa v Dánsku,
který byl určen pro spalování směsného paliva v poměru 50 : 50 sláma : uhlí. Rychlost koroze u
společného spalování je 5 až 25krát vyšší než při spalování samotného uhlí.
30
Obrázek 8: Rozložení spaloven biomasy v Dánsku, umístění Grenaa
Výzkum zanášení a koroze přehřívače v Grenaa přinesl další zajímavé informace. Během půlročního
zkušebního provozu, kdy byl přívod paliva 80%, nevznikaly problémy se zanášením a vytvářením
rozsáhlých úsad. Teprve plný přívod (100%) znamenal nárůst teploty spalin v cyklonu z 850 na 900 až
1000°C.
Po 18 měsících provozu bylo zjištěno, že koroze některých částí přehřívače, který pracoval s teplotou
výstupních par 505°C, dosáhla takového stupně, že bylo nutno nahradit koncové součásti přehřívače. Za
hlavní příčinu se považuje chloridová koroze. Metalografie trubek přehřívače a dalších zkušebních
segmentů ukázala, že z povrchu kovu i z hranic zrn selektivně ubýval chrom. Ochranné vrstvy oxidů byly
nepravidelné, pórovité, rozpraskané a částečně odloupnuté. Na řadě míst byl zjištěn značný nárůst
chloridů na korodující straně. Dále se ukázalo, že podstatná část draslíku v sedimentech na trubkách
přehřívače a zejména v systému kov/oxid/usazenina byla ve formě chloridu draselného, který se tak
stává pravděpodobně hlavní příčinou selektivní chloridové koroze.
Korozní jevy byly detailně popsány v práci Hansena (2000), kde byla uvedena sulfatace chloridu
draselného, spojená s uvolněním chloru případně chlorovodíku ve vrstvě sousedící s kovem (reakce viz
výše). Jako důkaz jsou uvedeny zkoušky mikrostruktury a chemická analýza korodovaného kovu.
Chloridová selektivní koroze představuje odstranění chromu a zčásti i železa z jednotlivých zrn i po jejich
hranicích. Na povrchu i mezi zrny byly nalezeny oxidy chromu a železa. Mezi zrny nebyly nalezeny žádné
složky pevného či staveného popela nebo spalin s výjimkou chloridů chromu a železa. Podle Hansena je
nepravděpodobné, že by korozi vyvolaly roztavené částice popela, ale naopak chlor nebo chlorovodík.
31
Na základě těchto poznatků byly provedeny některé změny v provozním řádu kotle v Grenaa:

montáž ochranného krytu ke snížení teplot v peci

přechod na uhlí s nižším obsahem síry

přechod na vápenec vyšší kvality.
Tyto změny měly takový efekt, že se zmenšil objem usazenin zanášejících konvekční sekci kotle a také se
snížila koroze kovu přehřívače.
S tím souvisí i zkoušky prováděné během společného spalování slámy a uhlí (sláma 20%) v kotli o výkonu
150 MWe v elektrárně Studstrup. Výsledky se velmi odlišovaly od poznatků z Grenaa. To popisuje blíže
Montgomery a Larsen (2002).
Výzkum polétavého prachu ukázal, že drtivá většina draslíku reagovala s alumosilikáty v uhelném
popelu. Proto se předpokládalo, že draselné kationy v plynné fázi reagovaly s dalšími složkami popela, a
proto byl jen velmi málo nebo vůbec zjištěn KCl na hraniční ploše systému kov/oxid. Chlór uvolněný ze
spalování slámy byl ve spalinách v podobě HCl, příp. Cl2. Dominantní korozní mechanismus
pravděpodobně vyvolává alkalická sulfátová tavná koroze, běžná při spalování dřeva.
Zásadní rozdíl mezi jednotkou v Grenaa a ve Studstrupu spočívá v rozdílných teplotách plamene, které
jsou u práškového topeniště podstatně vyšší, čímž dochází k interakci mezi draselnými komponenty a
dalšími složkami popela. Jednotka v Grenaa vykazuje nižší teploty, proto zde tyto jevy nejsou
pozorovány. Další odlišnost spočívá v rozdílném poměru sláma : uhlí.
Je jasné, že spalování směsného paliva biomasa/uhlí vyvolává riziko rychlejší koroze trubek kotle. Přitom
je toto riziko spojeno s vyšším obsahem alkalických kovů a chlóru, uvolňovaných z paliva do spalin. To
může vést až ke značnému poškození systému a celkové poruše jednotky. Tato rizika se snižují se
snižováním podílu biomasy ve směsi.
PREVENTIVNÍ A NÁPRAVNÁ OPATŘENÍ PROTI KOROZI
Na základě výše uvedených poznatků lze uvést základní pomocné přístupy k řešení zmíněných korozních
problémů:

regulace teploty výstupní páry při projekci kotle, kdy jsou rychlosti koroze přijatelné

použití aditiv k regulaci složení spalin a chemického složení popela

výběr více odolných legur pro konstrukční materiály přehřívačů.
To vše však je nutno spojit s nepřetržitou kontrolou materiálu i teplot. V moderních spalovnách
komunálních pevných odpadů, kde jsou spaliny i popelové usazeniny extrémně agresivní, je běžnou
praxí omezení teploty výstupní páry na 400°C. Dále se trubky v koncové sekci přehřívače chrání proti
korozním a erozním účinkům povlakem z karbidu křemíku SiC. Moderní elektrárny spalující biomasu mají
běžně výstupní teplotu páry kolem 450 až 540°C ve vztahu k vlastnostem paliva a konstrukčním
materiálům. To musí zohlednit projektant i na základě BAT (best available technologies).
Byly provedeny studie, které zahrnovaly expozici zkušebních vzorků materiálů na přehřívače za daných
teplot a prodloužené provozní kampaně. Práce Montgomeryho (2002), uvádějící výsledky výzkumu
v elektrárně Masnedo aj., byla uvedena v předchozí kapitole.
32
V elektrárnách se spalovala obilná sláma. Ferritické a austenitické oceli s legurami byly vystaveny
působení spalin za teplot kovu 450 až 620°C. Rychlost koroze zkoumaných materiálů se zvyšovala
s nárůstem teploty od asi < 0,05 mm/1000 h za teploty 470°C až k 1 mm/1000 h při teplotách > 600°C.
Z toho se odvozuje, že jedním z hlavních vlivů je teplota trubek.
Zjistilo se také, že všechny zkoumané materiály vykazují poměrně stejnou rychlost koroze, i když se
zdálo, že slitiny s 15 až 18 % Cr nejsou pro tyto účely příliš vhodné.
Použití aditiv k ovlivnění chemického složení usazenin popela může přinést výhody. Je to běžná praxe
např. u kotelen spalujících mazut, kde jsou aditiva na bázi hořčíku běžně uplatňována k dílčí eliminaci
tzv. vanadové koroze.
Vatenfall nedávno vyvinul aditivum, které významně omezuje aktivní koncentraci chloridů v kotelnách
na biomasu a mohlo by být uplatněno i ve větší šíři (Henderson 2006). Jde o patentované aditivum
CHLOROUT, které bylo účinné vůči KCl ze spalin, ale mělo jen malý účinek na koncentraci SO2 a pH
kondenzátu ze spalin. Výsledky 1000 hodin trvajících zkoušek na 100 MW fluidním kotli na odpadní
dřevo, lesní zbytky a uhlí ve Švédsku ukázaly, že při použití chloroutu došlo k poklesu korozní rychlosti.
Vatenfall v současnosti zavádí chlorout systém ve spalovnách komunálního odpadu a biomasy (obrázek
9).
Obrázek 9: Schéma zapojení aditiva Chlorout
33
Jak bylo uvedeno výše, běžným opatřením proti korozi je výměna poškozených trubek odolnějším
materiálem, případně ochrana trubek korozivzdornějším opláštěním ap.
Výběr vhodných materiálů je neustálým předmětem výzkumu. Montgomery (2002) a Henriksen (2002)
oznámili výsledky výzkumného projektu, který zahrnoval vložení korozních tělísek (sond) v rozsahu
běžných konstrukčních materiálů přehřívače do proudu spalin kotle na slámu při současném měření
rychlosti koroze. Zjištěné údaje jsou uvedeny na obrázku 10 (Henriksen 2002), kde je uvedena korozní
rychlost v mm/1000 h v závislosti na teplotě kovu.
Obrázek 10: Graf rychlosti koroze
Lze odvodit, že korozní rychlost se zvyšuje prudčeji s rostoucí teplotou kovu. Všechny testované
materiály přehřívače, obsahující 11,7 až 18,4 % chromu, vykázaly stejný trend s teplotou.
Celkové hodnoty koroze při teplotách kolem 460°C se pro všechny typy materiálů pohybovaly pod 0,05
mm/1000 h, což je asi 0,4 mm ročně. To je relativně vysoká rychlost koroze a je pravděpodobně
výsledkem krátkodobého působení prostředí na testovaný materiál. Při teplotách kovu nad 500°C se
rychlost zvýšila na hodnoty 0,1 až 0,3 mm/1000 h (0,8 až 2,4 mm/rok), což jsou vysoké rychlosti, které
mohou vést k poruchám až havariím.
Podle laboratorních i provozních zkoušek a ze zkušeností samotných elektráren vyplývá, že
vysokoteplotní koroze trubek přehřívače jsou velmi negativním jevem u jednotek spalujících biomasu a
zejména u směsí obsahujících chlór ve větším rozsahu. Proto je nutno řešit tyto otázky již v projekčním
stadiu při volbě teplot, konstrukčního materiálu a aditiv.
EROZE A ABRAZE ČÁSTÍ KOTLE A JINÉHO ZAŘÍZENÍ
Eroze a abraze částí kotle a jiného zařízení je spojena s přítomností tvrdých minerálních součástí
v palivech a v popelu, zejména však těch, které jsou tvrdší než ocel případně tvrdší než žáruvzdorný
materiál. Jedinou tvrdou látkou, která je v čisté biomase, je oxid křemičitý. Biomasa s vysokým obsahem
křemene nebo materiály znečištěné třeba těžbou představují značné problémy tohoto rázu.
Z obecného hlediska má většina v úvahu přicházejících druhů biomasy velmi nízký obsah popela, proto
se zde erozní a abrazní jevy dostávají do pozadí. Přesto však jsou tu některé specifické oblasti, kde
mohou oba jevy znamenat zvýšené opotřebení pro kotle:
34

Používáním některých druhů biomasy, např. rýžových slupek, které mají zvlášť vysoký obsah Si,
se může zvýšit intenzita poškození jak mechanického, tak hydraulického manipulačního
zařízení.

V systémech kotlů na biomasu, které trpí značným zanášením konvekční sekce, se negativně
projevuje zvýšená rychlost dopadu částic na podloží, což způsobuje zvýšené opotřebení trubek.
Obecně však platí, že u biomasy jsou tyto problémy podstatně menší než u kotelen spalujících uhlí.
35
7. VYUŽITÍ A NAKLÁDÁNÍ S POPELY Z BIOMASY
Se vzrůstajícím průmyslovým využitím biomateriálů k výrobě tepla a elektřiny a pro společné
spalování s pevnými palivy ve velkých elektrárnách nabývá na důležitosti optimalizace využití popela
z biomasy pro užitkové účely a minimalizace negativních dopadů při manipulaci s nimi. Jednou
z možností je vracení těchto odpadů na pole či do lesa ve formě méně kvalitního hnojiva,
obsahujícího zejména vápníkové, draslíkové a fosforečné komponenty.
U čistých zdrojů biomasy je tento způsob poměrně běžný v celém světě. Avšak tam, kde biomasa
může obsahovat různé příměsi, je tento postup omezen ve směru obsahu těžkých kovů apod. Vedle
toho ještě existují obavy, že popely mohou obsahovat značné množství látek organického
charakteru, jako jsou polychlorované bifenyly, dibenzodioxiny, polyatomatické uhlovodíky aj.
Obavy jsou zejména spojeny s polétavým prachem z roštových a fluidních topenišť, kde jsou teploty
nižší a tak se v nich mohou tyto nespálené sloučeniny objevit. U roštového popela tyto obavy
nejsou.
Proto se kontrola kvality zaměřuje na stanovení množství nespáleného uhlíku v popelu (nedopal).
Pokud nelze popel využít k recyklaci, pak existují tyto další možnosti:

využití popela z roštových a fluidních topenišť jako materiálu pro výstavbu silnic a terénní
úpravy

využití polétavých podílů jako součásti cementových a omítkových směsí

využití polétavých podílů jako součásti lehkých plniv (kameniva).
Hlavními překážkami technického i komerčního rázu je jejich omezené množství, dislokace zdrojů a také
nestálé složení.
Při spalování směsí jsou některé problémy odlišné od výše uvedeného, spíše jde o větší množství těchto
odpadů:

zbytky uhelných popelů

tuhé zbytky z procesu odsíření spalin
Většinou jsou tyto odpady distribuovány samostatně. Avšak u několika jednotek mohou být tyto odpady
smíšeny s produkty odsíření. Těchto odpadů je produkováno méně. Roční údaje jsou shromážděny
institucemi ECOBA v Essenu, společností ACAA v USA, příp. jinými národními organizacemi.
Popel vzniká z mnoha odpadů včetně:

polétavých prachů z elektrostatického odlučovače nebo textilního filtru, kotelních popelů
z výsypek, běžně umístěných pod ekonomizéry a předehřívačem vzduchu

popela a strusky z výsypek popela a ze strusky, odebírané formou odpichů v potřebných
intervalech.
V průměru je přibližně 80% celkového popela z velkých kotlů z práškových topenišť v podobě polétavého
prachu z odlučovačů, ekonomizéru a předehřívače vzduchu. Je to velmi jemný volně poletující suchý
prach, kde převážná část má průměr menší než 50 μm.
36
Z polétavých popílků je využíváno přibližně 50%, avšak podle jednotlivých zemí jsou tato množství
variabilní. V Holandsku, Německu, Belgii, Itálii a Dánsku je podíl využití přes 80%, při tom se intenzivně
zabývají rekultivací starých skládek polétavého prachu. V jiných zemích je tento podíl výrazně menší.
Např. ve Velké Británii, která produkuje kolem 10 milionů hmoty ročně, je využíváno méně než 50%.
Rozvíjí se však směr využívání úletového popílku jako přísady do stavebních materiálů.
Ke zvýšení využitelného podílu ve stavebních hmotách se provádí kontrola technickými normami příp.
podle klasifikačního systému, jejichž seznam je na webových stránkách.
Zde se hodnotí např. ztráta žíháním, obsah síranových anionů a granulometrie. Všude se zpracováním
těchto hmot a provozními zkouškami na komerční úrovni zabývají odborné firmy.
Přibližně kolem 20% celkového množství minerální substance paliva tvoří popel a struska z výsypek
topeniště. Tento materiál je co do vlastností variabilní, jeho zrnitost se pohybuje od 1 mm. Chemicky
jsou tyto popely podobné polétavému podílu, vyskytuje se zde však část nespáleného uhlí (nedopal) a
nízký obsah SO3.
Společné spalování biomasy s uhlím vede ke vzniku smíšených popelů, tedy v obou typech (v polétavém
i zbytkovém) se vyskytnou podíly z obou druhů paliv. Chemické a fyzikální vlastnosti budou odrážet
obsah popela a kvalitu uhlí a biomasy, jakož i vliv poměru obou komponent. Zatím není zcela vyjasněna
otázka, jak s takovými hmotami nakládat.
I zde bude nutno porovnat kvalitu vzniklých materiálů s technickými standardy. Je však třeba mít na
zřeteli, že dosud nebyly vypracovány standardy pro tyto produkty vzešlé ze spalování směsného paliva.
Některé informace jsou uvedeny v publikacích Spliethoffa (2001) a Van Loo a Koppejana (2003).
37
8. CHOVÁNÍ POPELA Z BIOMASY VE ZPLYŇOVACÍCH SYSTÉMECH
Zplyňovací procesy jsou reakcí pevných a kapalných uhlíkatých materiálů s oxidantem, obvykle se
vzduchem, kyslíkem, párou nebo CO2 za teplot převyšujících 720 až 800°C. Množství oxidantu je nižší než
potřebné k dokonalému spálení. Probíhající reakce produkují dostatek energie k přeměně paliva na
plynné produkty, zejména CO, CO2 a H2. Mohou vznikat i lehké uhlovodíky a další množství
kondenzovatelných uhlovodíků.
Výsledný plyn může být okamžitě spalován, nebo též může být čištěn pro další zpracování nebo jako
chemická surovina.
Zplyňování uhlí a jiných fosilních paliv bylo základem značně rozsáhlých komerčních postupů po dlouhou
dobu. Zplyňování bylo poprvé použito ve čtyřicátých letech jako zdroj plynných paliv pro spalovací
motory, posléze po 30-40 letech byla uvedena na trh řada malých a středních generátorů pro výrobu
plynu a elektřiny. S narůstajícím zájmem o rozvoj technologií obnovitelných energetických zdrojů se
ukázal značný zájem o procesy zplyňování biomasy. Zejména je to v Severní Americe a v Evropě, ale
komerční využití je však poměrně malé. Existuje řada různých typů zplyňovacího zařízení, které odrážejí
požadavky na kvalitu vyrobeného plynu a pracují za velmi odlišných podmínek:

systémy s fixní a variabilní vrstvou, které se u biomasy uplatňují jen málo, výkony se pohybují
od několika kW až 10 MW, slouží k výrobě tepla a také pro výrobu elektřiny

fluidní generátory, pracující obvykle v rozsahu MW, mohou být uspořádány s vířivou (BFB) nebo
cirkulující vrstvou (CFB)

generátory s únosovou vrstvou, jako obecně větší jednotky k výrobě elektřiny, pracující za
teplot přes 1200°C a s krátkou prodlevou v generátoru. Zde se obvykle zpracovává fosilní palivo,
směsné jen málo a s nízkým podílem biomasy.
Povaha a chování anorganických složek biomasy má značný význam jak pro projektanty, tak i provozní
obsluhu. Významnější problémy, které se vyskytují v provozu generátorů na biomasu, jsou:

tavení příp. částečné tavení složek popela, které může mít za následek utváření shluků
v reaktorech statického nebo fluidního typu, což vyvolává špatný přívod vzduchu k palivu a také
obtíže s odstraňováním této hmoty z generátoru

utváření usazenin popela na povrchu vyzdívky a výměníku tepla

zvýšená rychlost koroze

odnos částic paliva a látek, obsahujících dusík, chlor a síru se zkapalnitelnými organickými
látkami do výměníku tepla a plynočistírny

využití a nakládání s tuhým zbytkem po zplyňování.
38
CHOVÁNÍ ROZTAVENÝCH MINERÁLNÍCH SUBSTANCÍ A UKLÁDÁNÍ STRUSKY VE
ZPLYŇOVACÍM ZAŘÍZENÍ
Tavení a chování složek minerální fáze paliva se odvozuje od vlastností popela, zjištěné obvykle
tavicími křivkami případně ve výsledcích testu Ash Fusion Test, jak bylo uvedeno dříve. Jedná se o
tvorbu natavenin a shluků v generátorech, což musí zohlednit projektanti a obslužný personál.
V generátorech se statickou vrstvou jsou chemické reakce a teplotní profily běžné. V oxidační zóně
může teplota dosahovat až 1200°C. V těchto systémech existuje možnost natavení popela. Úspěšná
činnost těchto generátorů závisí na dobré údržbě, na správném přívodu vzduchu a správném
odebírání popela. Případné natavování popela a další negativní projevy paliva musí být řešeny
v projekčním stadiu.
Až dosud byla většina malých generátorů tohoto typu plněna kvalitní dřevěnou štěpkou s velmi
nízkým obsahem popela nebo biomasou s relativně vysokou teplotou tavení popela, např. rýžovými
slupkami. Paliva s vyšším obsahem popela o nízké tavitelnosti představují řadu problémů, proto
nejsou užívána.
Popely s nízkou tavitelností mohou vytvářet na stěnách generátoru nataveniny. Nadměrné množství
taveniny může působit vážné potíže v chodu generátoru.
Fluidní a tlakově fluidní generátory na biomasu jsou obvykle používány komerčně pro střední a
velké jednotky k výrobě tepla a elektřiny. Použití kyslíku, příp. vodní páry v tomto systému
představuje značné náklady, proto není tento typ tak rozšířen.
Ucpávání výstupu z generátoru a také výměníku tepla včetně utváření shluků popela s následným
porušením fluidního lože jsou problémy, s nimiž se setkáváme ve výzkumných projektech i při
průmyslových zkouškách.
Jedním z problémů v generátorech s fluidním ložem je utváření shluků uvnitř podloží interakcí mezi
anorganickými sloučeninami z paliva a částicemi podložního materiálu. Jedná se opět o skupinu
alkalických kovů, kterou popsal Ergudenler (1992), Zevenhoven-Ondervater (2001) a Visser (2001).
Ergudenler (1992) provedl řadu laboratorních zkoušek v komorové peci a v modelovém fluidním
reaktoru. Ukázalo se, že směs křemičitého písku a popela ze slámy začne slinovat za teplot kolem
800°C a kolem 850°C začne vytvářet taveninu, z níž vzniká tvrdá křehká hmota. Pravděpodobnou
příčinou jevu je přítomnost vyššího podílu K2O vytvářejícího posléze křemičitan draselný. Detailněji
byly tyto otázky studovány Zevehovenem (2001), který studoval chování sedmi různých druhů
biomasy s obsahem popela od 1,5 do 8,5% :

leknice rákosovitá a tresť rákosovitá (Arundo donax), kde v popelu převládal SiO2

tolice vojtěška, lesní zbytky a eukalypt, které naopak měly velmi nízký obsah SiO2

vrba, která měla poměrně vysoký obsah SiO2, CaO a K2O.
Byly provedeny výpočty termodynamických konstant a vysloveny předpoklady distribuce draselných
komponent pro křemičitan, silikátovou taveninu a plynnou fázi (700 až 900°C), jak pro samotný popel,
tak i pro směs s křemenným, vápencovým a dolomitovým podložím.
Byla též vypočtena počáteční teplota tavení popela a zmíněných směsí. Získané výsledky jsou seřazeny
v tabulce 4 podle rostoucího obsahu SiO2. Rovněž bylo vypočítáno složení pevných a tekutých silikátů a
dalších sloučenin s pravděpodobným výskytem v popisovaném systému.
39
Palivo
bez lože
CaCO3
eukalyptus
lesnické
zbytky
620 (sůl)
CaCO3,
MgCO3
SiO2
0,6 MgO, 0,4 SiO2
620 (sůl) 620 (sůl)
770 (silikát)
620 (sůl)
620 (sůl)
620 (sůl) 620 (sůl)
770 (silikát)
885 (silikát)
vojtěška
620 (sůl)
620 (sůl) 620 (sůl)
770 (silikát)
620 (sůl), 845 (silikát)
vrba
620 (sůl), 825 (silikát)
620 (sůl) 620 (sůl)
770 (silikát)
885 (silikát)
tresť
765 (sůl), 765 (silikát)
620 (sůl) 620 (sůl)
770 (sůl i silikát)
620 (sůl)
miscanthus
770 (silikát)
620 (sůl) 630 (sůl)
770 (silikát)
620 (sůl)
rákos
640 (sůl)
620 (sůl) 620 (sůl)
640 (sůl)
Tabulka 4: Teploty tání pro alkalické soli a silikáty, různá lože a materiály
620 (sůl), 880 (silikát)
Na základě těchto výpočtů autoři dospěli k následujícím závěrům:

u popela bohatého na křemík nebo při použití křemičitého podloží je riziko vzniku shluků
vysoké, tavení je intenzivní za teplot kolem 800°C, tedy pro normální teploty existující
v generátoru

popely z biomasy bohaté na CaO nebo při procesech, kde se používá hmota na bázi CaO, jsou
výše zmíněná rizika podstatně menší.
Výsledky laboratorních zkoušek v malém 20 MW fluidním generátoru potvrdily popsaný mechanismus,
že vznikem taveniny dochází k nalepování částic na podloží. V přítomnosti křemičitého podložního
materiálu vznikají silikáty alkalických kovů s nízkou teplotou tavení již kolem teplot 800°C, což potvrzují i
provozní zkušenosti.
Ukazuje se, že procesy v generátorech jsou podobné procesům v topeništích. Přitom v generátorech jsou
ovlivněny tyto pochody redukční atmosférou.
Nataveniny bohaté na alkalické kovy mohou být utvářeny z plynné fáze nebo natavením částic popela
bohatých na alkalické kovy. Shluky se posléze utvářejí sintrováním viskosní taveniny a jejího prorůstání
částicemi žáruvzdorného materiálu. V průmyslovém měřítku je shlukovací proces zhoršován méně
kvalitním palivem a také špatným přívodem vzduchu, takže mohou vzniknout v podloží žhavá místa,
která iniciují další tvorbu. Pokud se utvoří shluky, mohou narušit lokální přívod vzduchu a vytvářejí
zárodky dalších shluků. V případě nadměrné tvorby shluků dojde zpravidla k porušení fluidního lože,
potom je třeba zastavit provoz jednotky a provést údržbu.
Řešením je použití vhodného paliva a správného přívodu vzduchu a také pomůže vhodná teplota podloží
odpovídající chemickému složení a tavitelnosti popela. U cirkulujícího fluidního lože, které pracuje za
vyšších rychlostí, se pravděpodobnost vzniku těchto problémů zmenšuje.
Pro nízkotavitelné složky popela biomasy je jejich chování v generátorech včetně tvorby natavenin na
stěnách velmi podobné procesům, které pozorujeme u fluidních topenišť.
Usazeniny se mohou od podloží odlupovat, zvyšovat tvorbu shluků a fluidní lože zlikvidovat.
GENERÁTORY PRACUJÍCÍ S ÚNOSOVOU VRSTVOU
Jsou obvykle budovány pro střední a velká zařízení a pro biomasu jsou poměrně vzácné. Ojediněle byly
použity pro spalování předdrcené biomasy, kde cyklón pracuje jako generátor. Komory pracují za teplot
800 až 900°C. Jsou citlivé na ukládání popela a uplatňují se zejména u těch druhů, které mají velmi nízký
obsah popela.
40
Běžněji byla biomasa a odpadní biomasa společně spalovány ve velkých jednotkách tzv. IGCC (Integrated
Gasification Combined Cycle). Coda (2004) uvedl výsledky výzkumu o chování popela ve společném
spalování kalů z čistíren vod a jiných druhů biomasy na 253 MW jednotce Willem Alexander
v Buggenumu v Nizozemí.
Generátory na únosovém principu spalují suché rozemleté palivo nebo vodárenské kaly a pracují za
vysokých teplot a krátkých prodlev v pracovním prostoru. Předdrcené druhy biomasy jsou smíšeny
s fosilním palivem. Část popela zůstává v reaktoru a odvádí se do tavné komory u dna. Polétavý popílek
je odnášen vyrobeným plynem z pracovního prostoru. Celkově lze říci, že nízkotavitelné složky popela
biomasy mohou vyvolat problémy ve všech typech generátorů. Charakter používaných paliv musí
odpovídat projektu a také musí být respektován projektantem.
ZANÁŠENÍ VÝMĚNÍKŮ TEPLA A JINÝCH SLOŽEK VE ZPLYŇOVACÍCH JEDNOTKÁCH NA
BIOMASU
Zanášení výměníků je stejně problémové jako u topenišť. Synplyn vyrobený z biomasy může mít značný
obsah anorganických i těkavých organických složek, které mohou kondenzovat na chladnějších místech
celého systému. To je značným problémem v průmyslových závodech, zpracovávajících biomasu
samostatně nebo ve směsi. Bylo to výzkumně sledováno v předešlých letech (Kiel 2002). Poruchy
provozu jsou uvedeny v následujícím textu:

projekt Aster-9 zahrnoval instalaci 85 MW CFB zplyňovací jednotky na dřevo v Nizozemí, kde je
čištěný plyn společně spalován ve velkém 600 MW kotli na uhlí. Poměrně brzy se zjistilo
ucpávání chladicí jednotky během uvádění do provozu. Proto byly provedeny nezbytné úpravy.
Původní sestava zahrnovala chlazení surového plynu na asi 200°C, poté došlo k odlučování částic na
běžném textilním filtru a dále mokrým procesem k zachycení halogenů, čpavku a dehtu. Následovalo
spalování plynu ve velkých uhelných jednotkách. Zanášení chladicí jednotky způsoboval dehet a koks za
přispění polétavého popílku.
Upravený systém zajišťuje chlazení synplynu na teplotu kolem 500°C, kdy nedochází ke kondenzaci
dehtových par a následuje odlučování částic v cyklónu. Rozsah čištění je snížen, je tudíž vůči palivu velmi
flexibilní. Takový systém pracuje od prosince 2002 poměrně uspokojivě.
* malý 8 MW zkušební IGCC reaktor pracuje v Yorkshire v Británii (Projekt ARBRE)
Měl řadu problémů a nikdy nebyl zcela v provozu. Snad nejvážnějším technickým problémem bylo
ucpávání chladiče synplynu zejména popelem, podložím z generátoru a štěpným reaktorem dehtu.
Projekt chladiče byl neúčelný. Úvahy o rekonstrukci systému se neuskutečnily a celý projekt byl
zrušen.
Obecné požadavky na chlazení synplynu v IGCC jsou uvedeny na schématu, viz obrázek 11,
vypracovaném van den Driftem a Pelsem (2004). Z analýz uvedených těmito autory a Kielem (2002)
je zřejmé, že technické otázky spojené s kapacitou plynu byly projekčními složkami silně podceněny.
41
Obrázek 11: Požadavky na systém z hlediska chlazení
Van den Drift a Pels uvedli popis zásadních usazovacích mechanismů na základě rozsáhlého
výzkumu v laboratořích a rozborem usazenin v chladiči synplynu z Amerské elektrárny. Ukázalo se,
že sedimenty na površích výměníku tepla se skládají ze dvou oddělených vrstev:

Relativně kompaktní vnitřní vrstva, vytvořená zejména kondenzací dehtu za teplot kolem
350°C, což se považuje za maximální teplotu rosného bodu dehtu z CFG generátorů.
V usazeninách probíhají polykondenzační děje a vznikají sloučeniny s vyšší molekulovou
hmotností.

Pórovitá vrstva na straně plynu se skládá z volně vázaných částic koksu a může se utvářet
z kondenzovaných dehtů, může být rozsáhlá a negativně působit na přenos tepla. Vnější vrstva
je méně soudržná a bude se utvářet pouze tehdy, když je synplyn neerozivní, tedy za nízkých
rychlostí plynu a malého množství částic koksu.
Částice popela v synplynu jsou v relativně malých koncentracích a hrají jen malou roli v mechanismu
zanášení systému.
Z výsledků výzkumu je dále patrno, že utváření usazenin v chladiči plynu kondenzací dehtu je velmi
složitý problém a efektivní náprava je možná pouze změnou projekce celého chladicího a čisticího
systému.
Problémy se zanášením chladicí sekce plynu se také vyskytly při společném spalování biomasy a
odpadových materiálů ve velkých uhelných elektrárnách uspořádaných do systému IGCC. Velmi pestrou
směs zpracovávala elektrárna Willem Alexander, kde se spalovaly splaškové a papírenské kaly, dřevo a
drůbežářské podestýlky s uhlím. Přitom podíl těchto přídavků dosahoval až 30%.
Ve většině případů nebyly zjištěny žádné větší technické a provozní problémy. Při společném spalování
splaškových kalů docházelo k intenzivní tvorbě usazenin na povrchu chladiče, zejména v oblastech
vyšších teplot. To bylo vyvoláno výraznou změnou v chemickém složení popela. To řešil Coda (2004)
s cílem identifikovat usazovací mechanismy a navrhnout příslušná nápravná opatření.
Výsledky této práce poukázaly na význam složek s nízkou teplotou tavení a bohatou na fosfor vůči
alumosilikátovým úsadám, protože to může vést ke zvýšení lepivosti úsady. Nejnadějnějším opatřením je
42
pravděpodobně zvýšení obsahu vápníku v popelu i v sedimentech, protože to vede k tvorbě látek
s vyššími teplotami tavení.
Obecně se ukázalo, že je jen omezené množství poznatků o chemických a termodynamických
vlastnostech popelů a jejich složek v podmínkách, které panují ve velkých generátorech za vysokých
teplot a v silně redukční atmosféře.
Celkově je jasné, že zanášení chladiče plynu kondenzací dehtu příp. usazování částic popela je jednou
z nejdůležitějších otázek spojených se zplyňováním samostatného či směsného paliva. Bude nutno
zaměřit pozornost na projekci celého systému. Proto je těmto otázkám i nadále věnována výzkumná
pozornost.
43
ODSTRAŇOVÁNÍ POPELA A JINÝCH ČÁSTIC ZE SYNPLYNU
Využití vyrobeného plynu vyžaduje jeho vyčištění na požadovaný stupeň čistoty. Tento požadavek se
stupňuje s používáním méněhodnotných paliv, odpadů, biomasy aj. Tento trend podporují ještě
ekonomické tlaky.
Hlavní nežádoucí složky v synplynu lze uvést takto:

částice unášené synplynem

organické sloučeniny s nízkou i vysokou molekulovou hmotností

H2S, COS a jiné sirné komponenty

NH3, HCN a jiné dusíkaté látky

jiné nečistoty včetně chlorovodíku, alkalických a těžkých kovů
Povaha a koncentrace částic závisí na palivu, typu generátoru a na provozních podmínkách. Množství
odnášených částic z fluidních typů je daleko větší než ze statického lože, které je zvlášť určeno k udržení
popela uvnitř reaktoru. Z obecného hlediska materiál částic z generátorů na biomasu obsahuje
anorganické složky paliva, dehet a částice sazí. U fluidních zplyňovačů se mohou objevit také částice
materiálu podloží příp. jiných anorganických složek přivedených z generátoru.
Celkové koncentrace částic jsou závislé na typu zplyňovacích procesů, na obsahu popela v palivu a stupni
přeměny uhlíku. Obecně je celkový obsah částic v plynu v rozmezí 1 až 101 g/Nm3 plynu. Obsah uhlíku
(nedopal) v částicích se pohybuje v rozmezí 10 až 50%.
Optimalizace zplyňovacího procesu může vést k větším rychlostem přeměny uhlíku a odpovídající
redukci hmoty. Stupeň konverze uhlíku v generátorech na biomasu činí 94 až 99%. S dalším nárůstem už
zřejmě nelze počítat (Nienimen et. all 2004).
technologie
účinnost zachycení
cyklón
50-90%
mycí/spreyové věže
méně než 80%
mechanické čističe
50-85%
sloučené sloupce
80-99%
Venturiho čističe
90-98%
textilní filtry
90-99%
ložové filtry
80-95%
keramické filtry
více než 95%
elektrostatické odlučovače
více než 95%
Tabulka 7: Nejběžnější technologie k zachycení částic
Nejběžnější technologie k zachycení částic a účinnosti procesu jsou uvedeny v tabulce 7. Z údajů je
patrno, že většina postupů je vhodná pouze pro předběžnou úpravu plynu a pouze textilní a keramické
filtry (zejména pak elektrostatické odlučovače) jsou schopny splnit požadavky na to, aby se plyn dal
použít v plynových motorech a ve spalovacích turbínách (Kleinhappl 2002).
Hlavní problémy jsou spojeny s přítomností dehtovitých látek a jejich účinku na chod chladicího a
čisticího zařízení. Další rozbor přesahuje rámec této práce.
44
VYUŽITÍ A ODVOZ PEVNÝCH ZBYTKŮ ZE ZPLYŇOVACÍCH SYSTÉMŮ NA BIOMASU
Úspěch v zavádění popisovaných systémů do běžného života bude záviset na možnosti vhodného odbytu
veškerých odpadů z elektráren. Na problémy s využitím odpadů upozorňuje Nieminen (2004). Většina
návazných procesů vyžadujících plyn stupňuje požadavky na čistotu ve výše rozebíraných směrech
(popel, popílek, dehet, atd.).
U zplyňovacích procesů se stejně jako u spalovacích postupů počítá s přímou recyklací do půdy, kde byl
odpad použit jako méně kvalitní hnojivo (van Ioo a Koppejan 2003). Požadavky na kvalitu jsou ale
vysoké, protože se používají jako náhražka přírodních čistých materiálů. To by ovšem vyžadovalo značné
náklady na úpravu těchto vlastností.
Alternativou je zavážka zbytků ze zplyňování, ale i zde budou vyšší požadavky znamenat vyšší ceny.
Proto se řešil projekt EU pod názvem GASASH. Jedním z výsledků je zjištění, že zbytky ze zplyňování
biomasy jsou nezajímavé z důvodů uvedených výše. Obecně se bude vyžadovat další oxidace zbytků jako
málo hodnotného paliva, loužení, třídění, příp. peletizace. Významnou roli hraje ekonomika uvedených
postupů.
Elektrárna Kymijarvi byla původně opatřena kotlem ke spalování ropných frakcí, posléze přešla na
práškové topeniště. V roce 1997 zde byl instalován 50 MW generátor na biomasu typ SRF (secondary
recovered fuel). Plyn je přímo spalován bez předchozího čištění. Tato elektrárna zpracovává i použité
pneumatiky. Bohužel dráty z pneumatik způsobily blokování vynašeče popela a tím se celkově zhoršila
efektivnost.
Generátor na biomasu vytváří tři typy odpadu:

odpadový popel z generátoru na biomasu

odpadový popel z uhelného generátoru

popílek z filtru kotle
Popel z generátoru obsahuje zejména pískové a vápencové podložní materiály s malým množstvím
cizorodých anorganických materiálů (kovy, sklo, kamení, beton). Nedopal činí přibližně 0,58%. Tyto
popely jsou čisté s nízkým obsahem stopových prvků. Po přidání pneumatik došlo k nárůstu stopových
prvků, zejména však zinku. Podle rozborů se ukázalo, že zde jsou jen nízké obsahy organických
znečištěnin. Proto se odvoz popela na skládku odbýval bez problémů.
Hladina nedopalu při společném spalování synplynu byla ve stejném rozsahu jako u samotného uhlí.
Výluhy u popelů ukázaly podobné chování jako u samostatného použití uhlí, proto finské úřady schválily
použití těchto popelů do stavebních hmot.
Souhrnně lze říci, že pokusy na jednotce v Kymijarvi ukázaly, že společným spalováním (až 15% příkonu)
znečištěného plynu ze zplyňování biomasy nebo RF materiálů nedochází ke zhoršení životního prostředí
v porovnání se spalováním uhlí.
45
9. CHOVÁNÍ POPELA Z BIOMASY V PYROLÝZNÍCH PROCESECH
Pyrolýzní procesy zahrnují termickou úpravu biomasy za mírných teplot, obvykle v rozmezí 400 až
1000°C a částečného přívodu kyslíku pod hranicí nezbytnou k proběhnutí zplyňovacích reakcí. Při
tom vznikají tři produkty:

pyrolýzní pára

kapalná fáze

pevné zbytky obsahující nedopal a anorganické složky
Podíl každé z uvedených složek závisí na vlastnostech paliva a na podmínkách pyrolýzy. To přesto, že
současný zájem o biomasu je spíše zaměřen na biooleje, které budou stále více dražší.
Existuje několik základních typů pyrolýzních systémů, které jsou uvedeny v tabulce 5. Při obecném
rozboru pyrolýzy lze konstatovat, že s rychlostí pyrolýzy souvisí výnosy tuhé, kapalné a plynné fáze.
technologie
doba
karbonatace
dny
cenvenční
5-30 min
rychlá
flashtekutina
0,5-5 s
flash plyn
méně než 1 s
vysoká
méně než 0,5
s
velmi vysoká
ultra
méně než 1 s
míra zahřátí teplota (°C)
velmi nízká
nízká
velmi vysoká
vysoká
PRODUKTY
Uhlík.
400 sloučeniny
plyn,
uhlík.
600 sloučeniny, olej
650 bio-olej
méně než
650 bio-olej
méně než
650 chemikálie, plyn
1000 chemikálie, plyn
vakuum
2-30 s
střední
400 bio-olej
méně než 10
méně než
hydro-pyro
s
vysoká
500 bio-olej
mathanoméně než 10
pyro
s
vysoká
více než 700 chemikálie
Tabulka 5: Obecné typy procesů pyrolýzy biomasy
Pomalý ohřev vede ke zvýšení výnosu koksu, rychlejší podporuje vznik kapalné a plynné fáze a při
vysokých rychlostech je pozornost orientována na okamžikovou pyrolýzu, kde hlavním produktem je
plyn. Pyrolýzní postupy využívající biomasu nejsou dosud rozšířeny, proto je i málo provozních
zkušeností.
Až dosud se zpracovávaly relativně čisté suroviny s nízkým obsahem popela. V případě jiných, tedy
horších a méně čistých surovin, se mohou vyskytovat problémy, které jsou popisovány v předchozích
kapitolách.
Ve většině pyrolýzních jednotek jsou provozní teploty poměrně nízké. Vlastní popeloviny při
zpracovávání biomasy jsou zachycovány uvnitř uhlíkatých zbytků a nevstupují do plynu nebo parní fáze
v míře, která vyvolává tvorbu usazenin.
46
Nejsou ani známy informace o praktických důsledcích zpracovávání popelů, tvorbě sedimentů apod.
Tyto problémy se nemohou studovat jen na modelech či malých jednotkách, ale musí to být i v provozu
velkých jednotek.
Jedním z problémů je přítomnost vlastních popelovin a z nich zejména ty s obsahem alkalických kovů.
Tyto otázky uvádí Coulson (2004). Katalytický vliv složek popela má tendenci zvyšovat rychlost reakce
větších organických molekul, z nichž pochází oxid uhelnatý, voda aj. Vznikající bioolej je poté špatné
kvality.
Vliv minerálních příměsí na pyrolýzní procesy byl studován v malých fluidních jednotkách za teplot 425
až 550°C. Suroviny s vyšším obsahem popela dávaly nízké výnosy kapalných produktů (< 50%) a produkt
byl znehodnocen vodou. Snížení obsahu popela a obsahu alkalických kovů vodním proudem vedlo ke
zvýšení výnosu kapalných produktů až na 60%.
Obavy z tvorby shluků ve fluidních reaktorech byly popsány v předchozích kapitolách. Teploty tání
popelů z biomasy, zejména těch s vyšším obsahem alkalických kovů, mohou být poměrně nízké a mohou
působit negativně na chod reaktorů. Některé návrhy vedou k doporučení, aby byl nedopal spalován ve
fluidních spalovacích jednotkách pro výrobu a úpravu tepla.
47
10. NORMY TÝKAJÍCÍ SE ÚLETOVÝCH POPÍLKŮ A JEHO POUŽITÍ V PRAXI
ASTM (West Conshohocken, PA USA)







ASTM C 618: Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for
Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete
ASTM C 311: Standard Test Methods for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for
Use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete
ASTM D 5239: Standard Practice for Characterizing Fly Ash for Use in Soil Stabilization
ASTM E 850: Standard Practice for Use of Inorganic Process Wastes as Structural Fill
ASTM E 1861: Standard Guide for Use of Coal Combustion By-products in Structural Fills
ASTM D 5370: Standard Specification for Pozzolanic Blended Materials in Construction
Applications
ASTM C 1240: Standard Specification for Silica Fume for Use in Hydraulic-Cement Concrete and
Mortar
IDOT (Illinois Dept. of Trans. Springfield, IL USA)





306.01: Special Provision for Fly Ash Modified Soils
308.01: Special Provision for Fly Ash Stabilized Soil Mixture Subbase
Special Provision for Cement-Fly Ash-Aggregate Mixture (CFAM) Base Course
Special Provision for Pozzolanic Base Course, Type A
Special Provision for Use of Fly Ash in P.C.C. Pavement, Base Course, Base Course Widening
AASHTO

AASHTO Standard Specifications for Transportation Materials and Methods of Sampling and
Testing
EUROPEAN STANDARDS



BS 3892 Part 1 Fly Ash standard; Part 2 Fly Ash for Use as a Type II Addition
BS EN 450 European Standard for Fly Ash
BS EN 197 European Standard for Multiple Binders ( fly ash, cement, silica fume) Allowed in
Concrete
AUSTRALIA




Portland Cement -AS 3972-1991,
Fly ash -AS 3582.1-1991, and
Ground Granulated Blast Furnace Slag -AS 3582.2.
A.S. 1129 Fly Ash Specification
CANADA

CAN/CSA A23.5-97 Canadian Specification for Supplementary Cementing Materials (includes fly
ash)
48
GERMANY( Deutsches Instut fur Normung-Berlin)










DIN 1164-1 German Cement standard
DIN 1045 Reinforced Concrete Structures; Design and Construction
DIN EN 450 Fly Ash In Concrete-Definition, Demands and Quality control
ENV 206:1990 (CEN/TC 104) Beton - Eigenschaften, Herstellung, Verarbeitung und
Gütenachweis
EN 445:1996 (CEN/TC 104) Einpreßmörtel für Spannglieder - Prüfverfahren
EN 446:1996 (CEN/TC 104) Einpreßmörtel für Spannglieder - Einpreßverfahren
EN 447:1996 (CEN/TC 104) Einpreßmörtel für Spannglieder - Anforderungen für üblichen
Einpreßmörtel
EN 450:1994 (CEN/TC 104) Flugasche für Beton - Definitionen, Anforderungen und
Güteüberwachung
EN 451-1:1994 (CEN/TC 104) Prüfverfahren für Flugasche - Teil 1: Bestimmung des freien
Calciumgehalts
EN 451-2:1994 (CEN/TC 104) Prüfverfahren für Flugasche - Teil 2: Bestimmung der Feinheit
durch Naßsiebung
NETHERLANDS

NEN 3550 Dutch cement standard
UNITED KINGDOM (British Standards Institution- London)



B.S. 3892 PFA as a separate constituent in OPC
B.S. 6588 Blended cement containing PFA
B.S. 6610 Pozzolanic pulverized fuel ash cement
49
11. POUŽITÁ LITERATURA
American Coal Ash Association (ACAA) www.acaa-usa.org provides up-to-date statistics on coal ash
production and utilisation in the USA.
Ahonen M, Long-time experience in catalytic flue gas cleaning and catalytic Nox reduction in biofueled
boilers, VTT Symp. 163, (1996)
Backman R, Skrifvars B-J and Yrjas P, The influence of aerosol particles on the melting behaviour of ash
deposits in biomass-fired boilers. Aerosols in Biomass Combustion, Graz, March 2005
Baxter L L Ash deposition during biomass and coal combustion: a mechanistic approach. Biomass and
Bioenergy 4 85-102 (1993)
Baxter L L and Koppejan J, Biomass-coal co-combustion: Opportunity for affordable renewable energy.
(2005) Available on the IEA website www.ieabcc.nl
Baxter L L, Tree D, Fonseca F and Lucas W Biomass combustion and co-firing issues overview: alkali
deposits, fly ash, NOx/SCR impacts. Int. Conf on Coutilisation of Domestic Fuels, Gainesville, Fl. Feb
2003.
Beck J, Unterberger S, Scheffknecht, G, Jensen A, Zheng Y, and Johnsson J E, The effect of biomass cocombustion on De-NOx catalysts. Second Int. Conf. On Clean Coal technologies for our Future, Cagliari,
May 2005.
Bill, A, Decker R. and Larsson A-C, SCR for biomass derived fuels: operating experience and performance
results from a slipstream at the Borssele Power Plant. Power-gen International, Las Vegas, December
2005.
Biobank, a database of biomass properties which is compiled by Bios Bioenergiesysteme GmbH, in
Austria, is available on the IEA Biomass Combustion and Co-firing website, www.ieabcc.nl
BIOBIB is a database of biomass properties, available on www.vt.tuwien.ac.at
Bryers R, Fireside slagging, fouling and high temperature corrosion of heat transfer surfaces due to
impurities in steam raising fuels. Prog. Energy Combust. Sci. 22 29- 120 (1996).
CATDEACT website at www.eu-projects.de
CEN/TS 14775: 2004 Solid biofuels. Method for determination of the ash content.
CEN/TS 15290: 2006 Solid biofuels. Determination of major elements.
CEN/TS 15297: 2006 Solid biofuels. Detemination of minor elements.
prCEN/TS 15289 Solid biofuels. Determination of total content of sulphur and chlorine.
Coda B, Cieplik M K, Jacobs J M and Kiel J H A Impact of biomass co-firing on ash formation and ash
behaviour in IGCC plants. ECN-C-04-069 (2004).
Coulson M, Dahl J, Gansekoele E, Bridgwater A V, Obernberger I and van der Beld L. Ash characteristics
of perennial energy crops and their influence on thermal processing. Proc. 2 nd World Conf. on Biomass
for Energy, Industry and Climate, pp 359-362, Rome (2004)
50
Ergudenler A and Ghaly A E Agglomeration of silica sand in a fluidised bed gasifier operating on wheat
straw. Biomass and Bioenergy 4 135-147 (1992).
European Coal Combustion Products Association (ECOBA) publishes useful information on the solid
discards from coal plants. www.ecoba.com
Frandsen F J Utilising biomass and waste for power production – a decade of contributing to the
understanding, interpretation and analysis of deposits and corrosion products. Fuel 84 1277-1294
(2005).
Friborg K, Overgaard P, Sander B, Junker H, Larsen O H, Larsen E and Wieck- Hansen K Full-scale cofiring of straw, experience and perspectives. Second Int. Conf on Clean Coal Technologies for our Future.
Cagliari, May 2005.
Hansen L A, Nielsen H P, Frandsen F J, Dam-Johansen K, Horlyck S and Karlsson A Influence of deposit
formation on corrosion in a straw-fired boiler. Fuel Proc. Technol. 64 189-209 (2000)
Henderson P, Szakalos P, Pettersson R, Andersson C and Hogberg J, Reducing superheater corrosion in
wood-fired boilers. Materials and Corrosion 57 128-134 (2006)
Henriksen N and Larsen O H Corrosion in ultra-supercritical boilers for straw combustion. Materials at
high temperatures 14 227-236 (1997).
Henriksen N, Montgomery M and Larsen O H High temperature corrosion in biomass-fired boilers. VDIBerichte Nr. 1680 (2002).
Kiel J H A Gas cleaning: The Achilles Heel of biomass gasification. 12th Int. Conf. on Biomass for Energy,
Industry and Climate Protection, Amsterdam June 2002.
Kleinkappl M Gas cleaning in biomass gasification plants. Proc. 12th Eur. Conf. On Biomass for Energy,
Industry and Climate Protection, Amsterdam June 2002.
Korbee R, Keil J H A, Zevenhoven M, Skrifvars B-J, Jensen P A and Frandsen F J. Investigation of
biomass inorganic matter by advanced fuel analysis and conversion experiments. from Power
production in the 21st Century: Impacts of Fuel and Operations, Snowbird, Utah, November 2001.
Marschner H Mineral nutrition of higher plants. Academic Press (1997).
Miles T R, Miles T R Jnr. Baxter L L, Bryers R W, Jenkins B M and Oden L L. Alkali deposits found in
biomass power plant: a preliminary study of their extent and nature. National Renewable Energy
Laboratory, Golden, Co. USA, (1995)
Montgomery M and Larsen O H Field test corrosion experiments in Denmark with biomass fuels. Part 2:
Co-firing of straw and coal. Materials and Corrosion 53 185- 194 (2002).
Neilsen H P, Frandsen F J, Dam-Johansen K and Baxter L L, The implications of chlorine-associated
corrosion on the operation of biomass-fired boilers. Prog. Energy and Comb. Sci. 26 283-298 (2000)
Nieminen M, Kurkela E, Hiltunen M and Isotalo J Improvement of the economics of biomass/waste
gasification by higher carbon conversion and advanced ash management. Proc. 2 nd World Conf. on
Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, Rome (2004).
Obernberger I, Brunner T and Joller M, Characterisation and formation of aerosols and fly ashes from
fixed-bed biomass combustion. Aerosols from Biomass Combustion, Zurich (2001)
51
Obernberger I and Brunner T Fly ash and aerosol formation in biomass combustion processes – an
introduction. Aerosols in Biomass Combustion, Graz, March 2005.
Ottosen P Impact of co-combustion of wood pellets at Avedore Power Plant fired with heavy fuel oil and
natural gas. Presented at IEA Bioenergy Workshop 2, Coutilisation of biomass with fossil fuels.
Copenhagen, May 2005, and available on the IEA Bioenergy website.
Overgaard P, Sander B, Junker H, Friborg K and Larsen O H Two years’ operational experience and
further development of full-scale co-firing of straw. 2nd World Conf. on Biomass for Energy, Industry and
Climate Protection, Rome, May 2004.
Pels J R, de Nie D S and Kiel J H A, Utilisation of ashes from biomass combustion and gasification. 14 th
Eur. Biomass Conf. and Exhib. Paris (2005)
Phyllis, a database of biomass properties, which has been compiled by ECN in the Netherlands,
www.ecn.nl/phyllis.
Raask E Mineral impurities in coal combustion. Behaviour problems and remedial measures.
Hemisphere (1985)
Raask E Erosion wear in coal utilisation. Hemisphere (1988)
Riedl R, Dahl J, Obernberger I and Narodoslawsky M Corrosion in fire tube boilers of biomass
combustion plants. Proc. China Int. Corrosion Control Conf., Beijing, (1999)
Skrifvars B-J, Lauren T, Hupa M, Korbee R and Ljung P Ash behaviour in a pulverised wood fired boiler –
a case study. Fuel 83 1371-1379 (2004)
Skrifvars B-J, Sfiris G, Backman R, Widegrin-Dafgard K and Hupa M Ash behaviour in a CFB boiler during
combustion of Salix. Proc. IEA Conf on Biomass Utilisation, Banff, (1996)
Spliethoff H, Unterberger S and Hien K R G Status of co-combustion of coal and biomass in Europe.
Sixth Int. Conf. on Technology and Combustion for a Clean Environment. Oporto, July 2001.
USDOE, has compiled a database of biomass feedstock composition and property data.
www.eere.energy.gov/biomas/feedstock_databases.html
Valmari T, Potassium behaviour during combustion of wood in circulating fluidised bed power plants.
VTT Publication 414 (2000)
van der Drift A and Pels J R Product gas cooling and ash removal in biomass gasification. ECN C-04-077
(2004)
Van Loo J and Koppejan J, Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. Enschede, The Netherlands,
Twente University Press, (2003)
Visser H J M, Hofmans H, Huijnen H, Kastelein R and Keil J H A Biomass albed material interactions
leading to agglomeration in fluidised bed combustion and gasification. Progress in Thermochem.
Biomass Conversion. Ed. Bridgwater A V Vol 1 272-286, Blackwell Science, (2001).
Wilen C, Salokoski, P, Kurkela E and Siplia K Finnish expert report on best available techniques in
energy production fro solid recovered fuels. Finnish Environment Institute (2004)
52
Zevenhoven-Onderwater M, Backman R, Skrifvars B-J and Hupa M The ash chemistry in fluidised bed
gasification of biomass. Part I: Predicting the chemistry of melting ashes and ash-bed material
interaction. Fuel 80 1489-1502 (2001)
Zevenhoven-Onderwater M, Backman R, Skrifvars B-J, Hupa M, Liliendahl T,
Rosen C, Sjostrom K, Engvall K and Hallgren A The ash chemistry in fluidised bed gasification of biomass
fuels. Part II: Ash behaviour prediction versus bench scale agglomeration tests. Fuel 80 1503-1512,
(2001)
53