pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

Transkript

ENERGIE Z BIOMASY XII
Sborník příspěvků ze semináře
editoři:
Martin Lisý
Marian Brázdil
Ladislav Šnajdárek
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
ENERGETICKÝ ÚSTAV
Odbor energetického inženýrství
2011
Publikace je sborníkem příspěvků ze semináře Energie z biomasy XII., který se konal 23. a 24. listopadu 2011
v Brně. Autory článků jsou především mladí vědečtí pracovníci, kteří působí na výzkumných a akademických
pracovištích v Česku a na Slovensku. Zabývají se zejména problematikou biomasy jako obnovitelného zdroje
energie, především ale technickou a ekologickou stránkou jejího využití.
Titulní strana: ilustrační foto
Editoři: Martin Lisý, Marian Brázdil, Ladislav Šnajdárek
Vysoké učení technické v Brně, 2011 – 12. prosince
ISBN 978-80-214-4403-4
Články nebyly pozměňovány ani neprošly jazykovou úpravou.
PŘEDMLUVA
Pravidelné setkání doktorandů a mladých výzkumných pracovníků se stává tradicí. Letos bylo již dvanácté
v pořadí, z toho desáté na půdě Energetického ústavu, Fakulty strojního inženýrství, VUT v Brně. Seminář byl
věnován problematice energetického využívání biomasy a odpadů a proběhl ve dnech 23. a 24. listopadu 2011.
Zúčastnila se řada zájemců z předních universitních pracovišť v ČR a SR, zabývajících se problematikou
energetického využívání biomasy a spalitelných odpadů. Bylo předneseno 15 referátů, které jsou uveřejněny ve
sborníku.
Vedle doktorandů a pracovníků z pořádajícího VUT v Brně a univerzitních pracovišť, se jako každým rokem,
zúčastnili pozvaní odborníci z praxe. Přednesené referáty se zabývají problematikou spojenou s energetickým
využíváním biomasy a odpadů, zejména však výzkumem termo fyzikálních vlastností paliv z biomasy, úpravou
biomasy, peletováním, efektivním spalováním a zplyňováním. Řada příspěvků mladých vědeckých pracovníků je
věnována analýze získaného plynu, stanovení problematických látek přítomných v syntézním, plynu a také
technologiím čištění syntézního plynu. Další příspěvky jsou věnovány důležitým ekonomickým studiím možností
využívání biomasy pro energetické účely.
Obsahy většiny příspěvků, které jsou zpravidla i tématy doktorských disertačních prací autorů, řeší aktuální
problémy vycházející z potřeb průmyslové praxe. Využívání biomasy jako obnovitelného zdroje energie je
podporováno jak legislativně tak ekonomickými stimuly. Cílená podpora ze strany státních orgánů a ekonomické
stimuly vedou k většímu využívání biomasy zejména při kombinované výrobě elektrické energie a tepla.
Kromě získávání nových poznatků, umožňují tyto semináře navázání spolupráce mezi účastníky a vedou k větší
propojenosti jednotlivých školicích univerzitních pracovišť. V neposlední řadě umožňují neformální setkání
a navázání osobních kontaktů mladých vědeckých pracovníků. Poskytují začínajícím doktorandům možnost
odzkoušet si presentaci výsledků své vlastní vědecko výzkumné práce v neformální a přátelské atmosféře.
Doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc.
ředitel Energetického ústavu
odborný garant semináře
Tato publikace je spolufinancována z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České Republiky.
Energie z biomasy XII – odborný seminář
Brno 2011
BARGER A., SKOBLIA S.
Vliv způsobu odběru vzorků plynu ze zplyňování pevných paliv na stanovení sirných látek v plynu .... 9
Pro využití plynu ze zplyňování biomasy v katalytických procesech je zcela zásadní obsah síry v plynu ve formě sirných
sloučenin, které už ve velmi nízkých koncentracích působí jako katalytické jedy. Aby mohl být jejich obsah stanoven co
možná nejpřesněji, je potřeba odebrat vzorek způsobem, při kterém pokud možno nedochází ke ztrátám sirných sloučenin
nebo jejich dalším reakcím.
BENIAK J.
Spracovanie biomasy pomocou dvojstupňového dezintegračného komplexu ......................................... 13
V praxi existuje nespočetné množstvo dezintegračných zariadení, ktoré sú určené na rôzne účely použitia. Podľa tohto účelu
použitia, ale aj podľa ich parametrov a schémy konštrukcie, môžeme dezintegračné zariadenia rozdeľovať do rôznych
skupín. Na Strojníckej fakulta STU v Bratislave sa zaoberáme okrem iných výskumných činností, tiež výskumom v oblasti
dezintegračných zariadení, ako aj ostatných strojov a zariadení na prípravu a spracovanie biomasy briketovaním
a peletovaním. Predkladaný článok popisuje dvojstupňový komplex na dezintegráciu širokého spektra materiálov.
BIATH P., ONDRUŠKA J., ŠOOŠ Ľ.
Optimalizácia geometrie lisovacích nástrojov pre zhutňovanie rôznych druhov biomasy ...................... 17
Článok sa zaberá problematikou optimalizácie nástrojov pre peletovací lis PLG 2010. Optimalizácia nástrojov musí byť
prevedená s ohľadom na funkčnosť stroja čiže tak aby optimalizované nástroje zabezpečili kontinuálne vťahovanie materiálu
do lisovacieho priestoru, aby bol zabezpečený prenos krútiaceho momentu z lisovníka na matricu a tiež aby vytvorili vhodné
lisovacie podmienky počas lisovania. Základným problémom tejto optimalizácii bude nájsť vhodný tvar pre lisovacie nástroje
so zreteľom na lisovaný materiál.
BRÁZDIL M.
Peltierovy články pro výrobu elektrické energie........................................................................................... 23
V posledních letech dochází k vzestupu zájmu o termoelektrické aplikace a výrobu elektřiny na základě termoelektrických
jevů. Předkládaný text se zabývá popisem termoelektrických článků, nazývaných někdy jako Peltierovy články, principy na
kterých je přímá přeměna energie postavena a problémy které za provozu nastávají. V závěru práce je nastíněna konstrukce
termoelektrického generátoru, vyvíjeného na Energetickém ústavu FSI VUT v Brně.
ČAČKO V., ONDRUŠKA J., ŠOOŠ Ľ.
Navrhované konštrukčné úpravy a teoretická príprava experimentov pre nízkoenergetický zhutňovací
stroj ................................................................................................................................................................... 29
Cieľ príspevku je sústredený na ozrejmenie prejavovaných nedostatkov konštrukcie nízkoenergetického zhutňovacieho
stroja. Doposiaľ zistené konštrukčné nedokonalosti by nám mali poslúžiť ako odrazový mostík na dosiahnutie plnej
funkčnosti peletovacieho stroja. Prvým krokom by malo byť odmeranie reálnej lisovacej sily, ktorá pôsobí v mieste lisovania,
a teda výraznou mierou vplýva aj na samotnú konštrukciu peletovacieho stroja. V článku je uvedený aj stručný teoretický
popis merania lisovacej sily pomocou snímačov.
DUDRIK M., VARGA A., JABLONSKÝ G.
Vplyv obohatenia vzduchu na spaľovací proces .......................................................................................... 35
Článok sa zaoberá vplyvom zvyšovania koncentrácie kyslíka v oxidačnom činidle na výšku dosahovaných teplôt a zloženie
produkovaných spalín. Vplyv obohacovania vzduchu na dosahované teploty je analyzovaný teoretickými výpočtami
a overovaný praktickými meraniami. Analýza zložiek spalín je zameriavaná na ich percentuálne zloženie pri jednotlivých
stupňoch obohatenia. Pri praktických meraniach sa analýza sústredila na produkciu emisií NOx.
FURKA F., PÁSTOR M., KOČANOVÁ S.
Produkcia dechtu při splyňovaní biomasy v nehybnom lôžku .................................................................... 41
Článok pojednáva o tvorbe dechtu v procese splyňovania. Dechty sú nežiaduce prvky v drevoplyne a robí problémy pre
následné využitie plynu v oblasti technológií. Existuje mnoho metód čistenia, ale žiadna nie je naozaj účinná, takže ho
možno bez problémov použiť v praxi. Použitím vysokého výkonu, veľkého spyňovacieho genrátora vieme tvorbu dechtov
zmenšiť. Na tvorbu dechtu vplýva viacero premenných. Je dôležité zvoliť správny typ splyňovacieho generátora podľa potrieb
kvality drevoplynu. Tento článok ukazuje, ako na splyňovanie vplýva splyňovacia teplota a vlhkosť drevnej štiepky.
HRDLIČKA J., PILAŘ L.
Problematika využití alternativního paliva z ekologických zátěží ............................................................... 45
Tento příspěvek shrnuje získané poznatky při řešení možnosti energetického využití alternativního paliva formou přímého
spalování s využitím fluidní vrstvy. Všechny spalovací zkoušky ukázaly zásadní problémy s tavením popelovin, limitující tak
/7/
Brno 2011
využití fluidní vrstvy. Další analýzy měly za cíl přibližné stanovení teplotní úrovně tavení popelovin a zjištění důvodu jejich
roztavení ve fluidní vrstvě. Zásadním zjištěním je zřejmě velká nehomogenita paliva, způsobující lokální přehřátí fluidní
vrstvy nad mez tepelné stability popelovin i inertního materiálu.
JÍLKOVÁ L., CIAHOTNÝ K., KUSÝ J., KÁŇA J.
Kopyrolýza uhlí a biomasy ............................................................................................................................. 53
Příspěvek se zabývá kopyrolýzou směsí hnědého uhlí a řepkových pokrutin v různých poměrech za různých teplot. Pyrolýza
byla prováděna dvěma způsoby, a to na laboratorní aparatuře a na mikropyrolýzní jednotce. Kapalné a plynné produkty z
laboratorní pyrolýzy byly identifikovány metodou plynové chromatografie. Těkavé produkty z mikropyrolýzy byly analyzovány
plynovým chromatografem s hmotnostním detektorem. Obě metody pyrolýzy byly porovnávány z hlediska složení
jednotlivých produktů.
KOŠKO M.
Matematický model produkcie oxidov dusíka pri spaľovaní dendromasy u kotlov malých výkonov ..... 61
V príspevku je analyzovaný matematický model na stanovenie produkcie oxidov dusíka pri spaľovaní dendromasy pre kotly
malých výkonov. Matematický model je vypracovaný na základe teórie dimenzionálnej analýzy a je založený na vybraných
fyzikálnych veličinách, ktoré možno v prevádzke kotla kontinuálne merať.
KRACÍK P., POSPÍŠIL J., ŠNAJDÁREK L.
Absorpční cykly .............................................................................................................................................. 69
Požadavky lidí na jejich komfort se rok od roku stupňují a tím vzrůstají i jejich energetické nároky. Ale zásoby nerostných
surovin se tenčí a jejich vzrůstající cena již řadu let tlačí na jejich efektivní transformaci. Z energetikova pohledu lidé
využívají hlavně tři druhy energií. A to elektřinu, teplo a v poslední době se vzrůstající tendencí i chlad, jehož problematikou
se bude zabývat následující článek.
KRIŽAN P., MATÚŠ M.
Peletovanie trávnatého odpadu ..................................................................................................................... 77
Cieľom príspevku je opísať experimenty zhutňovania trávnatého odpadu – seno, a potvrdiť vhodnosť použitia tohto typu
materiálu pre získavanie energie. Rapídne sa znižujú množstvá drevných odpadov pre energetické využívanie a preto je
potrebné nájsť náhradu, teda materiály s veľmi podobnou energetickou hodnotou. Máme veľmi veľké možnosti začať
výraznejšie využívať materiály, ktoré sa spoločne nazývajú fytomasa. V tomto príspevku je opísaná fáza úpravy sena pred
zhutňovaním, samotné skúšky zhutňovania a výsledky testovania výliskov z pohľadu mechanických ukazovateľov kvality
výliskov (hustota výliskov, pevnosť výliskov, oter výliskov, tvrdosť výliskov).
MATÚŠ M., KRIŽAN P.
Hodnotenie kvality tuhých biopalív v európskom priestore ....................................................................... 85
Príspevok sa venuje štandardizácii kvality produkovaných a predávaných tuhých biopalív, predovšetkým peliet. V súčasnosti
sa dostávajú do platnosti nové spoločné európske normy definujúce kvalitu tohto paliva, ktoré nahrádzajú a v krátkej dobe
nahradia všetky národné normy v krajinách EÚ. Príspevok predstavuje prierez novými európskymi normami a poukazuje na
najvýraznejšie rozdiely s doteraz platnými národnými normami. Táto oblasť sa týka tak producentov palív ako aj výrobcov
spaľovacích zariadení a obchodníkov.
PILAŘ L.
Výzkum a vývoj metod a technologií zachycování CO2 v elektrárnách na fosilní paliva a ukládání
do geologických formací v podmínkách ČR................................................................................................. 93
Tento příspěvek se zabývá průběhem řešení projektu TIP č. FR-TI1/379 pod názvem „Výzkumu a vývoje optimální koncepce
a technologie zachycování CO2 ze spalin elektrárny spalující hnědé uhlí v České republice“. Předně se příspěvek zabývá
jednou etapou řešení projektu a to popisem vybrané metody technologie post combustion, tedy separování CO2 se spalin
pomocí amoniaku s vytipováním dopadů do stávajícího technologického celku elektrárny spalující fosilní paliva.
ZÁRYBNICKÁ M.
Sušení biomasy ............................................................................................................................................... 99
Příspěvek se zabývá problematikou snižování vlhkosti biomasy sušením a jejím následným využitím jako biopaliva. Jsou
navrženy různé varianty sušení. Konkrétně byla navržena pásová sušárna, kde jsou předpokládány různé druhy sušícího
média.
/8/
Brno 2011
VLIV ZPŮSOBU ODBĚRU VZORKŮ PLYNU ZE ZPLYŇOVÁNÍ PEVNÝCH PALIV NA STANOVENÍ
SIRNÝCH LÁTEK V PLYNU
Aleš Barger, Siarhei Skoblia
Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6, 166 28
email: [email protected]
Pro využití plynu ze zplyňování biomasy v katalytických procesech je zcela zásadní obsah síry v plynu ve formě
sirných sloučenin, které už ve velmi nízkých koncentracích působí jako katalytické jedy. Aby mohl být jejich obsah
stanoven co možná nejpřesněji, je potřeba odebrat vzorek způsobem, při kterém pokud možno nedochází
ke ztrátám sirných sloučenin nebo jejich dalším reakcím.
Klíčová slova: plyn ze zplyňování biomasy, sirné sloučeniny
ÚVOD
Vzorky plynu ze zplyňování biomasy byly získávány z pokusného fluidního zplyňovacího generátoru, který je
provozován Ústavem chemických procesů Akademie věd ČR. Pokusy probíhaly za různých podmínek (teplota
v generátoru, zplyňovací médium, přídavek katalyzátoru, atd.). Vzorky byly odebírány do plynotěsných
skleněných vzorkovnic (tzv. myší) a tedlarových (označení výrobce, materiál polyvinylfluorid) vzorkovacích vaků
od firmy SKC.
POUŽITÉ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ
Všechna měření byla provedena na plynovém chromatografu Agilent 7890 osazeném sirným
chemiluminiscenčním detektorem Agilent 355 (vše od firmy Agilent Technologies, Inc., USA). Veškeré součásti
GC kontaktující se sirnými látkami měly povrchovou úpravu SulfInert (Restek). Pro měření byla použita analytická
kapilární kolona DB-1 o délce 30 m, vnitřním průměru 0,32 mm a tloušťce filmu 1 µm, a to za konstantního
průtoku He (2 ml/min). Průtoky plynů do dvojitého plazmového spalovacího hořáku (800 °C) byly nastavovány
pomocí EPC modulů na následující hodnoty: vzduch – 320 kPa (cca 56 cm3/min), vodík - 189 kPa
(cca 42 cm3/min). Teplotní program GC začínal na 40 °C (prodleva 2 minuty), poté byl zvyšován rychlostí
20 °C/min na 80 °C a zde udržován 2 minuty. Nástřik plynného vzorku byl prováděn pomocí 6-ti cestného
dávkovacího ventilu (s dělícím poměrem 1/25).
Obr. 1 Odezva detektoru v závislosti na obsahu síry v plynu, obsah sloučenin uveden v mg/m3.
/9/
Brno 2011
Závislost odezvy SCD pro různé koncentrace různých sirných sloučenin je uvedena na Obr. 1. Sirné sloučeniny
pocházely z 6 různých tlakových lahví. Koncentrace jednotlivých sirných sloučenin byla přepočítána pouze na
obsah síry a ze získaných ploch byla sestavena kalibrační křivka. Jak je vidět, závislost plochy signálu na
celkovém obsahu síry v analyzovaném vzorku je lineární a umožňuje stanovení nízkých koncentrací sirných látek
přímo v plynu. Odezva detektoru je v závislosti na koncentraci síry lineární a je nezávislá na tom, v jaké formě se
síra v molekule nachází. Uvedená vlastnost SCD byla dále použita pro stanovení a výpočet obsahu sirných
sloučenin v plynu.
ANALÝZA PLYNU ZE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY POMOCÍ SCD
Po kalibraci SCD bylo provedeno stanovení složení a obsahu sirných látek v plynu ze zplyňování biomasy.
Příklad chromatografického záznamu sirných složek přítomných v plynu je uveden na Obr. 2, identifikace a jejich
množství jsou uvedeny v Tab. 1. Hlavní složkou plynu je sirovodík, jeho obsah se pohybuje okolo 200 mg/m3. Jde
o důsledek toho, že zdrojem plynu je dřevo, obsah síry zpravidla nepřesahuje 0,02 % hm., a při jeho zplyňování
se jen část síry transformuje do plynu. Jelikož procesy uvnitř generátoru neprobíhají zcela ideálně, obsah sirných
sloučenin v plynu v průběhu experimentu kolísal. V plynu byl dále identifikován karbonyl sulfid (COS), sirouhlík
(CS2) a thiofen. V některých případech byly ještě nalezeny další sirné sloučeniny (R.T. mezi 4 a 4,5 min), tyto
sloučeniny se vyskytovaly ve velmi nízkých koncentracích a nepodařilo se je identifikovat.
Obr. 2 Chromatografický záznam z analýzy plynu ze zplyňování.
Tab. 1 Identifikace sirných sloučenin, jejich obsah v plynu a obsah síry v plynu.
Ret. čas
[min]
0,955
0,987
1,706
3,092
Sloučenina
H2S
COS
CS2
Thiofen
Obsah síry
[mg/m3]
279,76
6,38
0,14
5,17
Obsah
[mg/m3]
297,62
11,96
0,16
13,57
Analýza vzorků plynu ze zplyňování pevných paliv se však potýkala s řadou potíží. Pro analýzu plynu
odebraného do plynotěsné skleněné vzorkovnice je potřeba dostat plyn ze vzorkovnice do chromatografu.
K tomuto účelu se běžně používá takzvaný uzavírací roztok, což je v podstatě za varu nasycený roztok chloridu
sodného ve vodě, okyselený kyselinou chlorovodíkovou na pH 3 – 4 a obarvený methylčervení [1]. Tento roztok
by měl značně omezovat rozpouštění složek obsažených v plynu do roztoku. I přes toto opatření však dochází ke
značným ztrátám sirných sloučenin, a to převážně H2S. Na Obr. 3 je znázorněn pokles koncentrace H2S (ve
formě poklesu signálu) v plynu s narůstajícím počtem analýz z jedné vzorkovnice (rostoucí objem uzavíracího
roztoku ve vzorkovnici). Z tedlarových vaků je plyn vytlačován pomocí tlaku na stěny vaku a plyn tak nepřichází
do styku s jinými látkami. Tento nedostatek se proto u tohoto způsobu odběru vzorků nevyskytuje.
/ 10 /
Brno 2011
Obr. 3 Pokles koncentrace H2S s narůstajícím počtem analýz.
Pokles koncentrace H2S kvůli jeho vymývání uzavíracím roztokem však není jediným problémem, který byl při
odběru vzorků plynu ze zplyňování pozorován. Dále bylo zjištěno, že ke značnému snížení koncentrace H2S
dochází i díky jeho vysoké reaktivitě. Ve zplyňovacím reaktoru dochází ke vzniku amoniaku, a to ve vysokém
množství. Dusík je obsažen jak v samotném palivu (Ndaf=0,2% hm), tak je přítomen i ve zplyňovacím médiu.
H2S za nízkých teplot velmi snadno reaguje s amoniakem za vzniku amonné soli, která je ve formě jemných
částeček nalepena na stěnách odběrové trati nebo vzorkovacího zařízení, a proto není za pomoci použitého
analytického systému (GC – SCD) stanovitelná. Z tohoto důvodu byla navržena jednoduchá aparatura, skládající
se ze 3 promývacích baněk, čerpadla a nádoby s vodou, která sloužila jako vodní uzávěr a pojistka proti
poškození vaku vlivem vysokého tlaku. Schéma aparatury je uvedeno na Obr. 4. K záchytu amoniaku byl použit
5 % roztok H2SO4. První promývací baňka sloužila k záchytu prachových částic ze surového plynu, druhá
promývací baňka byla naplněna roztokem 5 % H2SO4 a třetí baňka sloužila k případnému záchytu unesené
kyseliny z předchozí baňky.
Obr. 4 Schéma aparatury pro odběr vzorků plynu zbaveného amoniaku. 1, 3 – prázdné promývací baňky, 2 –
promývací baňka s 5 % roztokem H2SO4, 4 – čerpadlo, 5 – nádoba s vodou sloužící jako vodní uzávěr, 6 – T-kus,
7 – uzavírací ventil.
U vzorků plynu odebraných přes aparaturu s kyselinou sírovou byly naměřeny několikanásobně vyšší
koncentrace H2S v plynu. Mírně se lišily i koncentrace dalších sledovaných sirných sloučenin, ve většině případů
/ 11 /
Brno 2011
však u nich docházelo k mírnému poklesu jejich koncentrace. Rozdíly však mohou být spojeny i s tím, že vzorky
plynu odebíraného bez průchodu aparaturou byly odebírány přímo na hlavě reaktoru, kdežto vývod plynu do
aparatury byl umístěn až na komínové části zplyňovacího zařízení. I přesto, že byly vzorky odebírány souběžně
ve stejný čas, mohlo se složení plynu v odběrových místech lišit. Porovnání koncentrací sledovaných sirných
sloučenin (H2S, COS, CS2, thiofen) je uvedeno v Tab. 2. Vzorky označené X – 1 byly odebírány přímo nad hlavou
generátoru, vzorky označené X – 2 byly odebírány přes aparaturu pro odstranění amoniaku.
Tab. 2 Porovnání obsahu sledovaných sirných sloučenin u souběžně odebíraných vzorků.
Vzorek
Sloučenina
H2S
COS
CS2
Thiofen
1–1
1–2
207,79
17,11
1,30
7,24
623,64
14,15
3,07
20,12
2–1
2–2
Obsah v plynu, [mg/m3]
0,82
574,60
51,44
13,40
0,24
0,96
9,94
12,09
3–1
3–2
77,63
28,96
1,26
12,58
325,93
19,10
0,49
8,80
U vzorků odebíraných přes aparaturu pro absorpci amoniaku byla ve většině případů naměřena nižší
koncentrace COS než u vzorků odebíraných přímo. Důvodem je pravděpodobně hydrolýza COS při kontaktu
s vodným roztokem kyseliny sírové, a to na rovnovážnou hodnotu. U zbylých sirných sloučenin nalezených
v plynu v nízkých koncentracích nebylo možné jednoznačně posoudit vliv způsobu odběru vzorku na jejich obsah.
ZÁVĚR
Odběr vzorků plynu ze zplyňování pevných paliv pro přímé stanovení obsahu sirných sloučenin v plynu je velmi
problematickou záležitostí. Odběr vzorků do plynotěsných skleněných vzorkovnic se ukázal jako zcela nevhodný
vzhledem k tomu, že k vytlačení vzorku ze vzorkovnice je nutné použít uzavírací kapalinu, do které se však může
rozpouštět značná část stanovovaných sirných sloučenin.
Jako vhodnější se ukázal odběr vzorků do tedlarových vaků, kdy je k vytlačení vzorku použito pouze tlaku na
stěny vaku. U tohoto způsobu nedochází ke kontaktu vzorku s jinými látkami a nehrozí tedy rozpouštění sirných
sloučenin. V případě přítomnosti i menšího množství amoniaku v plynu reaguje tento při nízkých teplotách s H2S
za vzniku krystalické amonné soli. K těmto reakcím je náchylný i plyn odebraný do skleněných vzorkovnic.
K zachycení amoniaku byla sestavena jednoduchá aparatura obsahující 5 % roztok kyseliny sírové, která sloužila
k jeho zachycení. V takto odebraných vzorcích byly naměřeny několikanásobně vyšší koncentrace H2S,
koncentrace ostatních sledovaných sirných sloučenin však byly ovlivněny tímto způsobem odběru také. Není
však možné jednoznačně říci, jestli dochází k poklesu nebo nárůstu koncentrací sirných sloučenin, u obdržených
výsledků z několika desítek měření tyto koncentrace kolísaly.
Vzhledem k nejednoznačnosti výsledků získaných při těchto způsobech odběru vzorků je do budoucna
uvažováno vyzkoušení on-line analýzy plynu, kdy by byl plyn veden vyhřívanou odběrovou tratí přímo na analýzu.
PODĚKOVÁNÍ
Autoři děkují Technologické agentuře ČR za finanční prostředky poskytnuté v rámci projektu aplikovaného
výzkumu TA01021279.
POUŽITÁ LITERATURA
[1] KOLEKTIV AUTORŮ. (1981): Laboratorní cvičení z koksárenství a plynárenství. VŠCHT Praha, Praha,
216 s.
/ 12 /
Brno 2011
SPRACOVANIE BIOMASY POMOCOU DVOJSTUPŇOVÉHO DEZINTEGRAČNÉHO KOMPLEXU
Juraj Beniak
Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. Slobody 17, 812 31 Bratislava
V praxi existuje nespočetné množstvo dezintegračných zariadení, ktoré sú určené na rôzne účely použitia. Podľa
tohto účelu použitia, ale aj podľa ich parametrov a schémy konštrukcie, môžeme dezintegračné zariadenia
rozdeľovať do rôznych skupín. Na Strojníckej fakulta STU v Bratislave sa zaoberáme okrem iných výskumných
činností, tiež výskumom v oblasti dezintegračných zariadení, ako aj ostatných strojov a zariadení na prípravu
a spracovanie biomasy briketovaním a peletovaním. Predkladaný článok popisuje dvojstupňový komplex na
dezintegráciu širokého spektra materiálov
Kľúčové slová: dezintegrácia, dezintegračné zariadenie
ÚVOD
Technológia dezintegrácie materiálov je veľmi frekventovaná tak v primárnej výrobe, ako aj vo sfére spotreby pri
úprave odpadov [1]. Nevyužiteľný odpad sa vyváža na skládky. To je v súčasnosti veľmi často ekonomicky
najefektívnejší spôsob zneškodňovania odpadu. Pri vhodnej úprave pritom môžeme odpad tak materiálovo ako aj
energeticky zhodnotiť. Cieľom dezintegrácie je homogenizácia a objemová redukcia materiálu do požadovanej
frakcie [2].
VÝHODY DRVENIA
Môžeme ich zhrnúť do nasledujúcich bodov [4]:
-Zmena objemu - vplyvom drvenia dochádza takmer vo všetkých prípadoch k zmenšeniu materiálu výrobku.
Veľkosť zmeny závisí od druhu materiálu, veľkosti a charakteru pôvodného určenia. V niektorých prípadoch je
redukcia objemu až o 80%. Jedná sa napríklad o rôzne sudy, pneumatiky, fľaše, drevný či kovový odpad
atď(obr.1, obr. 2). Zmenšením objemu ušetríme náklady na skládkovanie a prepravu.
-Veľkosť frakcie - je nutnou podmienkou takmer pre všetky spôsoby zhodnotenia. Drvenie je zaraďované pri
recyklácii, kompostovaní alebo energetickom zhodnocovaní odpadu. Netradičným spôsobom energetického
zhodnotenia organického odpadu je jeho zhutnenie do brikety, ktorá má vlastnosti porovnateľné s vlastnosťami
základných fosílnych palív. Nutnou podmienkou pri zhutňovaní je okrem veľkosti aj vlhkosť frakcie odpadu.
-Homogenizácia štruktúry - je veľmi často uplatňovaná aj v prvovýrobe. Ide napríklad o požiadavku rovnomernej
štruktúry materiálu z hľadiska aplikovanej technológie.
MODULOVÁ STAVBA DRVIACEHO KOMPLEXU
Treba si uvedomiť, že neexistuje univerzálny drvič na všetky druhy odpadov. Nie preto, že by nebolo možné
zkonštruovať takýto stroj, musel by však byť dostatočne "silný – predimenzovaný" a teda neprimerane drahý aj
pre jednoduché aplikácie [3]. Riešením tejto situácie je modulová stavba drviaceho stroja. Ide o kombinatoriku
dvoch, respektíve troch konštrukčných princípov v určitých typorozmerových radoch. V súčasnosti už vo svete
existuje viac výrobcov, ktorí sa zaoberajú princípom takejto modulovej stavby.
Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality, Strojníckej fakulty STU v Bratislave
sa už niekoľko rokov venuje vývoju zariadení určených na úpravu, recykláciu a zneškodňovanie tuhých odpadov.
Na základe viacročných skúseností sme navrhli stavebnicovú koncepciu drviaceho komplexu [4]. Univerzálny
drviaci komplex DK 240 je určený na dezintegráciu domáceho, komunálneho a priemyselného odpadu ako je:
drevo, plastické hmoty, papier, guma, textil, koža, sklo, kosti a iné. Konkrétna konfigurácia stroja závisí od druhu
spracovávaného materiálu, jeho vstupných rozmerov, požadovanej výstupnej frakcie a hodinového výkonu.
Podľa týchto vstupných hodnôt vieme zo základných modulov navrhnúť pre zákazníka stroj šitý "na mieru"[5].
Koncepcia modulovej stavby umožňuje drviť odpad v jednom alebo dvoch stupňoch. Drviace komory jednotlivých
stupňov môžu byť jednorotorové alebo viacrotorové, nízkofrekvenčné alebo vysokofrekvenčné. Koncepcia
typorozmerového radu vychádza z predpokladu konštantnej šírky drviacej skrine, prípadne konštantnej osovej
/ 13 /
Brno 2011
vzdialenosti drviacich valcov. Variabilným parametrom je dĺžka drviacej komory. Usporiadanie a veľkosti
jednotlivých montážnych podskupín sú zrejmé z obr. 1.
Obr. 1 Modulová koncepcia drviaceho komplexu DK 240 [3].
Nadobúdacie náklady drviaceho zariadenia sú v súčasnej dobe dosť vysoké, čo je zapríčinené vysokými
výrobnými nákladmi. Tento stav je spôsobný tým, že prakticky každý stroj je vyrábaný špeciálne na požiadavky
zákazníka, čiže výroba sa musí neustále prispôsobovať a meniť. Tento problém môže z časti riešiť metodika
modulovej stavby drviacich strojov. Podstatou koncepcie modulovej stavby drviacich strojov je výroba
unifikovaných dielcov a montáž zariadenia podľa požiadaviek zákazníka práve z týchto unifikovaných častí, čím
by sa mala zlacniť výroba a samozrejme aj cena drviaceho stroja.
Ak sa zákazník rozhodne kúpiť si drviaci stroj, po čase už nemusí spĺňať jeho nároky a potreby, pre spracovanie
materiálu. Vtedy musí uvažovať ako riešiť tento problém. Jedným riešením je kúpiť nový stroj ktorý kapacitne a
výkonovo vyhovuje jeho podmienkam. Toto je však veľmi finančne náročné a tiež vyvstáva otázka čo so starým
/ 14 /
Brno 2011
strojom. Ten môžeme jednoducho odstaviť a nechať niekde v kúte hrdzavieť, alebo ho ponúknuť na odpredaj za
nižšiu cenu.
Po analýze stavby drviacich zariadení rôznych výrobcov a skúmaní konštrukcie týchto zariadení som dospel k
názoru, že existuje ešte jedno riešenie tejto situácie, ktoré je podstatne lacnejšie a rieši tento problém komplexne.
Riešením je modulová stavba drviacich zariadení. Toto je iba jeden z aspektov, prečo využívať modulovú stavbu.
DVOJSTUPŇOVÝ DEZINTEGRAČNÝ KOMPLEX
Je zložený z dvoch samostatných dezintegračných strojov (obr. 2). V hornej časti komplexu sa nachádza
dvojrotorový dezintegračný stroj. V spodnej časti je umiestnený jednorotorový dezintegračný stroj. Oba stroje sú
navzájom prepojené riadiacim systémom na úrovni frekvenčných meničov, ktoré sú k tomuto účelu
naprogramované.
Dvojrotorový dezintegračný stroj je pomalobežné zariadenie s možnosťou plynulej zmeny otáčok v rozsahu 0 –
47 ot/min. Tento stroj je možné využívať aj ako samostatné zariadenie, bez nutnosti spustenia aj spodného
jednorotorového stupňa. Konštrukcia je takisto riešená ako modulárna, to znamená, že je možné na základe
konštrukčných možností, meniť prevádzkové parametre a geometrickú štruktúru stroja. V rámci tejto realizovanej
štruktúry je možné meniť počet dezintegračných klinov, rozmery a geometriu klinov, šírku a počet kotúčov na
ktorých sú uchytené dezintegračné kliny, osovú vzdialenosť medzi hriadeľmi, prevodový pomer medzi týmito
hriadeľmi (aby sme dosiahli rôzne otáčky hriadeľov) a samozrejme za pomoci frekvenčného meniča aj otáčky
zariadenia.
Obr. 2 Dvojstupňový dezintegračný komplex [6].
Jednorotorový dezintegračný stroj je tiež radený medzi nízkofrekvenčné, ktoré tak isto umožňuje zmenu otáčok
za pomoci frekvenčného meniča v rozsahu 50 – 90 ot/min. Ako z pomenovania vyplýva, ide o stroj s jedným
rotorom na ktorom sú umiestnené dezintegračné kliny, oproti ktorým je statický nôž. Jednorotorový stupeň je
vybavený v spodnej časti sitom, aby sme zabezpečili homogénnu výstupnú frakciu materiálu, potrebnej veľkosti.
Odstupňovanie veľkostí otvorov na sitách záleží len na výrobných možnostiach, ako dokážeme tieto otvory
vyrobiť a tiež od aktuálnej potreby. Primárne delenie materiálu dochádza medzi klinmi na rotore a statorovým
/ 15 /
Brno 2011
nožom. V zariadení tiež prebieha aj sekundárne delenie materiálu a to v spodnej časti medzi klinmi na rotore
a sitom. Materiál, ktorí padá z hornej časti dolu, je „premielaný“ dovtedy, pokiaľ nie je frakcia takej veľkosti aby
prepadla sitom, ktoré je aktuálne namontované.
Ako už bolo spomenuté, tento komplex je navzájom prepojený na úrovni frekvenčných meničov, čo umožňuje
spoločné riadenie oboch strojov. Možnosť riadenia strojov v prípade preplnenia jedného zo stupňov, alebo
v prípade ak dôjde k zablokovaniu horného stupňa vplyvom cudzorodého materiálu, ktorý stroj nedokáže
spracovať, zabezpečí zastavenie a reverz dezintegračných kotúčov. Oba stupne sú chránené proti preťaženiu.
Pretože sú oba osadené stroje nízkootáčkové, je systém schopný zastaviť zariadenie skôr, ako by došlo k jeho
havárii v prípade že sa do komory dostane napríklad kovový materiál. Ak by sme používali vysokootáčkové
dezintegrátory, žiadny systém by nestihol zareagovať v tak krátkom čase.
ZÁVER
Využitie modulovej koncepcie stavby drviaceho zariadenia prináša so sebou rad výhod. Je to predovšetkým
možnosť zostaviť konfiguráciu drviaceho stroja na základe požiadaviek zákazníka, v časovo krátkom období.
Ďalej môžeme zmenami len niektorých dielcov zostaviť zariadenie s inými parametrami, pričom mnoho
komponentov zostáva rovnakých. Tým vznikajú menšie výrobné náklady s dopadom na menšiu výrobnú cenu
zariadenia. Výhodou je tiež rýchla montáž a demontáž, jednoduchšia údržba, rýchla výmena opotrebovaných
alebo poškodených častí, možnosť spracovania rôznych druhov materiálov, možnosť regulácie rozmerov
výstupnej frakcie [7].
POĎAKOVANIE
Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba
prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
DITNER, O.: Drcení a mletí nerostných surovin, SNTL, Praha 1984, s. 241.
BENIAK, J.: Optimalizácia tvaru a rozmerov rezného nástroja dezintegračného zariadenia s ohľadom na
veľkosť reznej sily, Písomná práca na dizertačnú skúšku, Katedra výrobnej techniky, SjF STU Bratislava,
2001.
JANOTA, B.: Modulová stavba drviaceho stroja. [Diplomová práca] SjF STU, Bratislava 1998, 70 s.
ŠOOŠ, L.: Drvenie - proces zmenšovania objemu a homogenizácie veľkosti frakcie odpadu. In.: Úprava
odpadov. Bijo, v.z., Žilina 23.9.1998, s. 57 - 68.
ŠOOŠ, Ľ. - KOLLÁTH, L.: Modulová stavba drviaceho stroja. In.: T0P´99 - Technika ochrany prostredia,
Smolenice, jún - 1999, s. 211 - 218.
ŠOOŠ, Ľ., LETKO, M., BENIAK, J.,: Modulová stavba dezintegračného zariadenia pre dezintegráciu tuhých
organických odpadov, Záverečná správa projektu APVT 20-021104, Bratislava, STU v Bratislave SjF KVT,
2008
JANIGA, J.: Drviaci stroj stavebnicovej koncepcie, DP, KVT SjF STBA Bratislava, 1995.
/ 16 /
Brno 2011
OPTIMALIZÁCIA GEOMETRIE LISOVACÍCH NÁSTROJOV PRE ZHUTŇOVANIE RÔZNYCH
DRUHOV BIOMASY.
Peter Biath, Juraj Ondruška, Lubomír Šooš
Strojnícka fakulta STU Bratislava, Ústav výrobných systémov, envoronmentálnej techniky a manažmentu kvality,
Námestie Slobody 17, 812 31 Bratislava 1
Článok sa zaberá problematikou optimalizácie nástrojov pre peletovací lis PLG 2010. Optimalizácia nástrojov
musí byť prevedená s ohľadom na funkčnosť stroja čiže tak aby optimalizované nástroje zabezpečili kontinuálne
vťahovanie materiálu do lisovacieho priestoru, aby bol zabezpečený prenos krútiaceho momentu z lisovníka na
matricu a tiež aby vytvorili vhodné lisovacie podmienky počas lisovania. Základným problémom tejto optimalizácii
bude nájsť vhodný tvar pre lisovacie nástroje so zreteľom na lisovaný materiál.
Klíčová slova: peletovací lis, lisovací nástroj, optimalizácia
GUĽOVÝ PELETIZÉR
Guľový peletovací lis PLG 2010 je lis novej progresívnej konštrukcie pre peletovanie biomasy, ktorý bol navrhnutý
v rámci vedecko-výskumnej činnosti ÚSETM SjF STU. Prvá myšlienka s novým princípom lisu vznikla už v roku
2005. Bola založená na vedeckom fakte, že maximálny tlak „bodový“ kontakt vzniká pri styku gule s plochou. Tým
je možné dosiahnuť vysoký lisovací tlak pri relatívne nízkej okamžitej lisovacej sile vyvolanej zhutňovacím
mechanizmom. Takýto spôsob lisovania vedie k menej masívnym konštrukciám strojov nižšieho príkonu ako
v súčasnosti vyrábané stroje využívajúce „priamkový“ kontakt, ktorý vzniká v dotyku valca s rovnou plochou.
Obr. 1 Guľový peletizér PLG 2010.
Guľový peletizér bol počas svojej existencie navrhnutý v štyroch variantoch, avšak vyrobené boli iba tri z toho iba
dva sú majetkom nášho ústavu. V roku 2002 bola vyrobená prvá verzia stroja , ktorá bola súčasťou diplomovej
práce obhájenej na našom ústave, a poslúžila na overenie navrhovaného princípu lisovania. Druhá verzia stroja
predstavovala väčšiu verziu prvého stroja s menšími inováciami. Prototyp bol v roku 2009 vyrobený, avšak nikdy
nebol uvedený do prevádzky kvôli nedoriešeným konštrukčným problémom. Tento stroj momentálne nieje
majetkom nášho ústavu. Tretia verzia predstavovala vysoko výkonnú koncepciu peletovacieho lisu bola riešená
v rokoch 2006-2007. Táto verzia však nikdy nebola dokončená. Najnovšou verziou guľového peletovacieho lisu je
PLG 2010, ktorý je najprepracovanejšou modulárnou verziou so značnými konštrukčnými zmenami. Peletizér
počas svojho vývoja prešiel rôznymi obmenami konštrukcie avšak princíp lisovania ostal nezmenený.
Momentálne sú oba protototypy umiestnené v priestoroch ťažkých laboratórií strojníckej fakulty. Najnovší variant
guľového peletovacieho lisu PLG 2010 je podrobovaný prototypovým skúškam a prvý variant stroja, čaká na
generálnu opravu.
/ 17 /
Brno 2011
PRINCÍP LISOVANIA
Princíp lisovania guľového peletovacieho lisu (obr.4) je založený na vťahovaní a lisovaní materiálu medzi dvoma
axiálne vyosenými kotúčmi pričom jeden kotúč je lisovník a druhý matrica. Hlavným cieľom jednej série
výskumných aktivít na tomto stroji je optimalizovať tvarovo a rozmerovo vložku matrice s lisovacími otvormi
a vložku lisovníka tak, aby medzi nimi vznikol kontaktný priestor, ktorý bude vytvárať vhodné podmienky pre
lisovanie biomasy a funkčnosť mechanizmu.
Obr. 2 Guľový peletizér bez kardanovej spojky.
Lisovacia matrica a lisovník sú rotačné súčiastky, ktoré sú voči sebe natočené o klinový uhol a spolu s telom lisu
a guľou tvoria lisovací priestor. Lisovník je hnaný cez prevodovku elektromotorom a z neho sa potom krútiaci
moment prenáša na matricu tvarovým stykom alebo trením, podľa typu sady nástrojov. Guľa polohovaná
v priesečníku osí rotačných nástrojov je taktiež unášaná a spolu s matricou a lisovníkom ohraničuje rotačnú časť
lisovacieho priestoru. Vonkajšiu hraničnú (statickú) plochu lisovacieho priestoru tvorí telo zariadenia. Lisovací
medzipriestor zabezpečuje aj funkciu synchronizovaného unášania členov mechanizmu. Geometriu lisovacieho
priestoru môžeme meniť výmenou nástrojov a tak ľahko meniť pracovné zhutňovacie podmienky. Lis PLG 2010
a jeho jednotlivé súčasti boli pre tento účel navrhnuté modulárne, čo nám teraz umožňuje zámenu častí systému
a experimentovanie s tvarom a rozmermi nástrojov.
Obr. 3 Pohľad na konštrukciu peletizéra bez tela s terajšou matricou a lisovníkom.
Vložka matrice a vložka lisovníka majú dôležitú úlohu v procese strhávania, presunu a komprimovania lisovaného
materiálu. Materiál je strhávaný do pracovného priestoru a následné zatláčaný do lisovacej komory matrice.
Nástroje a guľa voči telu vytvárajú pohyblivý priestor s relatívne pohyblivými stenami (Obr.5), ktorý zabezpečuje
/ 18 /
Brno 2011
kontinuálne strhávanie materiálu. Uhol kužeľovej časti je konštrukčne fixne definovaný a bol stanovený so
zreteľom na schopnosť mechanizmu materiál strhávať unášať a lisovať. Pri lisovaní systémom unášania bez
tvarovej väzby sa musí tiež zabezpečiť dostatočné trenie medzi nástrojmi, ktoré závisí od lisovaného materiálu,
jeho vlastností a vo veľkej miere aj od tvaru lisovacích nástrojov a veľkosti minimálnej vzdialenosti medzi nimi.
Preto bude naším cieľom nájsť vhodný tvar nástrojov, ktorý bude veľmi ovplyvňovať proces zhutňovania
a strhávania spracovávaného materiálu do pracovného priestoru.
Obr. 4 Tvar pracovného priestoru peletizéra.
Pre dosiahnutie synchronizovaného odvaľovania lisovacieho priestoru sa považovalo vhodné využiť princíp
kardanovej spojky. Koncepcia stroja pozostávala z dvoch axiálne vyosených kotúčov s rôznobežnými osami
otáčania medzi ktorými bola umiestnená guľa. Lisovací priestor z vonkajšej strany ohraničuje telo lisu.
Obr. 5 Rez peletizérom, kardanová spojka.
/ 19 /
Brno 2011
Neskôr sa ako alternatíva pre kardanovú spojku, ktorá nebola vhodná pre kolísanie rýchlosti medzi hnacím
a hnaným hriadeľom, navrhol princíp vzájomného unášania matrice a lisovníka pomocou trecej väzby, ktorá
vzniká medzi nástrojmi pri lisovaní, eventuálne pomocou tvarovej väzby nástrojov.
OPTIMALIZÁCIA LISOVACÍCH NÁSTROJOV PRE PLG 2010
Keďže PLG 2010 bol vyhotovený vo verzii bez kardanovej spojky, budeme pri návrhu a optimalizácii nástrojov
uvažovať s týmto faktom. Pri optimalizácii tvaru musíme brať do úvahy požiadavky na nástroje pre lisovanie
v guľovom peletovacom lise. Ako prvé budú analyzované vhodné tvary lisovacích nástrojov pre vytvorenie trecej
alebo tvarovej väzby medzi nimi. Budú navrhnuté nové konštrukčné tvary nástrojov a k nim vytvorená dielenská
výkresová dokumentácia. V ďalšej časti projektu sa nástroje dajú vyrobiť. Tiež bude navrhnutý materiál pre ich
výrobu.
Lisovacie nástroje musia spĺňať tieto základné podmienky:
•
•
•
zabezpečenie kontinuálneho vťahovania a presunu biomasy do lisovacieho priestoru
zabezpečenie prenosu krútiaceho momentu medzi nástrojmi, čo závisí od ich tvaru a tiež od lisovaného
materiálu
vhodné zatláčanie a komprimovanie materiálu do lisovacej komory matrice
Pri prvých pokusoch na PLG 2010 sme zistili, že nie každý materiál vytváral dostatočnú treciu väzbu medzi
nástrojmi. To nás utvrdilo v tom, že je potrebné vyrobiť rôzne druhy nástrojov. V prvej fáze výskumu sme začali
analyzovať proces vťahovania materiálu a vytvárania väzby. Pri doterajších úvahách o vhodnom tvare sme
dospeli k názoru, že sústava lisovník, matrica a lisovaný materiál by pri zahltenom lisovacom priestore počas
vysokého prevádzkového tlaku mali zaistiť dobré vťahovanie, čiastočne tvarovú väzbu a tiež adekvátne
zatláčanie materiálu do komory. Pôvodný lisovník má po obvode iba ryhovanie (krútiaci moment sa neprenáša
pomocou tvarovej väzby) pre zvýšenie trenia. Takéto vyhotovenie nezabezpečilo vhodné pracovné podmienky
pre všetky druhy biomasy. Jednou z možností sústavy s čiastočne tvarovou väzbou v sústave matrica - zlisovaný
materiál – lisovník bude varianta kde lisovník je vybavený po svojom obvode výstupkami (Obr.6). Pri zrealizovaní
tejto myšlienky by sme dosiahli dobrý prenos Mk a tiež potrebné zatláčanie materiálu do lisovacej komory.
Spoluzaberajúci nástroj matrica pre toto vyhotovenie bude pôvodná. Matrica je najviac namáhanou časťou lisu
preto je dôležité posudiť vzájomné pôsovenie jednotlivých členov z hľadiaka tvaru a možných kontaktov.
Plánujeme spracovať sériu MKP analýz pre posúdenie vhodnosti vyhotovení. Lisovník z výstupkami budeme
konštrukčne riešiť tak, že pôvodný monolitný nástroj lisovníka sa vhodne rozdelí na niekoľko modulov
(segmentov). Na telo nástroja lisovníka sa potom budú vhodne upevňovať segmenty rôznych tvarov a rozmerov.
Segmenty pre jeden lisovník budú podľa vyhotovenia 2 až 3 alebo väčší počet, z konštrukčných dôvodov.
Lisovací priestor sa tak bude dať modifikovať bez demontáže pohonovej časti zariadenia.
Obr. 6 Koncepcia lisovania nástrojom s výstupkami.
Pri ďalšom variante sústavy nástrojov budeme uvažovať s tvarovou väzbou, ktorú zabezpečíme ozubením
v kontaktnej lisovacej ploche. Ozubenie bude zaberať v mieste vstupu materiálu do komory, pričom zabezpečí aj
jeho vtláčanie do lisovacej komory. Takáto sada nástrojov by mala zabezpečiť ideálne pracovné podmienky a
/ 20 /
Brno 2011
vťahovanie materiálu. Výhoda tohto variantu je, že nebude vznikať sklz pri lisovaní, Mk sa prenáša cez ozubenie
a nie pomocou trenia. Čiastkovým cieľom je aj určenie reálneho opotrebenia takejto sústavy s cieľom posúdenia
rentability takéhoto relatívne finančne náročnejšieho nástrojového vybavenia. Predpokladom je ,že takéto
nástroje budú tvarovo vhodnejšie napríklad pre menej abrazívne a výraznejšie plastické materiály.
Obr. 7 Koncepcia návrhu tvarovej väzby ozubením.
Aj napriek výhodám tvarovej väzby s ozubením, alebo čiastočne tvarovej väzby, stále je aktúálna myšlienka
optimalizácie základnej lisovacej sústavy s hladnkým lisovníkom a matricou. Pri vyhotovení modulárnej varianty
nástroja lisovníka bude možné rozšíriť experimenty aj v tomto smere a lepšie otestovať toto základné
vyhotovenie. Bude možné priestor modifikovať vymeniteľnými segmentami. V súčastnom vyhotovení je totiž
problém s variabilným definovaním vzdialenosti medzi nástrojmi. Vzdialenosť je v súčastnosti fixná,
predpoklatáme, že tento parameter výrazne vplýva na celý proces lisovania a hlavne na adhéziu zabezpečujúcu
unášania sústavy v režime bez tvarovej väzby. Ak by sa takéto nástroje pri skúškach osvedčili pre určité
materiály, boli by cenovo výhodnejšie ako drahšie tvarové nástroje. Užitočné informácie pre optimalizáciu tvaru
a rozmerov matrice a lisovníka môžeme získať aj zo skúšok na prvom variante stroja. Na tomto stroji boli
vykonané skúšky s rôznymi materiálmi a bol používaný dlhšiu dobu. S tribologického pohľadu vieme posúdiť,
ktoré časti konštrukcie a nástrojov sú výraznejšie opotrebované a stanoviť konštrukčné kroky pre zvýšenie ich
životnosti, a samotnej vhodnosti vyhotovenia konštrukcie s kardanom. Z hľadiska modularity je možné PLG 2010
pozmeniť na kardanovú verziu (Obr. 5). Potrebné moduly sú v súčastnosti len fo forme výkresovej dokumentácie
pretože vzhľadom na finančné možnosti neboli ešte vyrobené.
BUDÚCNOSŤ STROJA
S súčasnosti máme k dispozícii hladkú matricu a ryhovaný lisovník, na ktorých boli v marci tohto roku
vykonávané prvotné skúšky. Pri týchto krátkych skúškach však bola matrica poškodená, a stroj sa týmto stal
nefunkčný. Momentálne však máme k dispozícii novú matricu, s ktorou by sme chceli pokračovať
v experimentoch s rôznymi druhmi biomasy ako sú seno, drevný odpad alebo napríklad káva. V budúcnosti sa
plánujeme venovať experimentom aj s tvarovými nástrojmi spomenutými v článku a tiež s hladkým lisovníkom. Ak
sa v daľšom procese vývoja podarí zariadenie optimalizovať na podobu prototypu vhodného pre sériovú výrobu
bude zastávať jedinečné miesto na trhu peletizérov hľavne pre jeho špecifické vlastnosti vyplývajúce z unikátnej
konštrukcie a samotného vysoko špecifického princípu lisovania.
POĎAKOVANIE
/ 21 /
Brno 2011
[1] ONDRUŠKA, J.; KRIŽAN, P.; MATÚŠ, M. (2011): Vývoj prototypu nízko-energetického peletovacieho lisu
PLG 2010. Zborník prednášok: ERIN 2011, Tatranská Kotlina, 602 s.
[2] GRMAN, M. (2002) Diplomová práca – Progresívna konštrukcia zhutňovacieho stroja. SjF STU v Bratislave.
56 s.
/ 22 /
Brno 2011
PELTIEROVY ČLÁNKY PRO VÝROBU ELEKTRICKÉ ENERGIE
Marian Brázdil
VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Technická 2896/2, 616 69 Brno
V posledních letech dochází k vzestupu zájmu o termoelektrické aplikace a výrobu elektřiny na základě
termoelektrických jevů. Předkládaný text se zabývá popisem termoelektrických článků, nazývaných někdy jako
Peltierovy články, principy na kterých je přímá přeměna energie postavena a problémy které za provozu
nastávají. V závěru práce je nastíněna konstrukce termoelektrického generátoru, vyvíjeného na Energetickém
ústavu FSI VUT v Brně.
Klíčová slova: Pelierovy články, termoelektrické moduly, termoelektrický generátor, odpadní teplo
ÚVOD
Peltierovy články umožňují přeměnu tepla v elektřinu a naopak. Články nebo zařízení využívající těchto článků
pro výrobu elektrické energie se označují jako termoelektrické generátory. Výhodou těchto zařízení je provoz
bez chemických látek a pohyblivých částí, jejich jednoduchost, spolehlivost a dlouhá životnost. Vzhledem k nízké
účinnosti termoelektrické přeměny (resp. termoelektrických materiálů) jsou možnosti využití těchto systémů
omezené. Samostatně pracují jako zdroje elektrické energie a spotřebovávají pro provoz ušlechtilá primární
paliva ve specifických případech: v odlehlých, těžko přístupných nebo nebezpečných oblastech. V souvislosti se
vzrůstajícími cenami paliv a požadavky minimalizace následků průmyslové výroby na životní prostředí se však
objevily snahy využívat termoelektřiny vyrobené z odpadního tepla jako zdroje elektrické energie [1]. Bude-li
termoelektrický systém pro svůj provoz využívat odpadní energie, jeho nízká účinnost nemusí být kritická.
V mnoha případech je to způsob jak získat vysoce jakostní elektrickou energii, jejíž získání by s konvenčními
způsoby přeměny bylo jen obtížně realizovatelné nebo zcela nerealizovatelné.
TERMOELEKTRICKÉ JEVY
Termoelektrické jevy jsou jedny z nejstarších jevů pozorovaných v pevných látkách.
Seebeckův jev
Seebeckův jev, který umožňuje přeměnu tepla v elektřinu, bývá často objasňován na dvojici vodičů
nebo polovodičů (Obr.1). Budou-li dva různé elektricky vodivé materiály (a,b) spojeny a mezi jejich spoji (A,B)
bude udržován gradient teploty, bude v obvodu generováno malé elektrické napětí. Toto napětí, označované jako
Seebeckovo napětí, je přímo úměrné rozdílu teplot. Jev je možné sledovat i na osamoceném vodiči. Konstantou
úměrnosti je tzv. Seebeckův koeficient α, který je materiálovou vlastností daných vodičů. Pro dosažení většího
termoelektrického napětí se ve dvojicích kombinují materiály s pokud možno co největším kladným a záporným
Seebeckovým koeficientem. Tohoto jevu je využíváno při výrobě elektrické energie [1].
Obr. 1 Vzniklá termoelektrická dvojice [1].
/ 23 /
Brno 2011
Peltierův jev
Opačným jevem k Seebeckovu jevu je Peltierův jev, který nastává při průchodu elektrického proudu takto
složeným obvodem. V závislosti na směru průchodu proudu se teplo na spojích vodičů uvolňuje nebo pohlcuje.
Jev je výsledkem změny entropie nosičů náboje při průchodu spojem. Využití nachází převážně v chladící
technice [1].
PELTIEROVY ČLÁNKY
Konstrukce termoelektrických článků
Termoelektrické články se skládají z množství dvojic, které jsou tvořeny polovodičovými elementy (sloupky) typu
p a n. Dvojice jsou spojeny elektricky do série, z hlediska tepelného toku paralelně a umístěny mezi dvěma
keramickými deskami (Obr. 2). Desky zajišťují elektrickou izolaci od okolí a poskytují článku potřebnou pevnost.
Sloupky mají charakteristickou geometrii, která zajištuje vysoký Seebeckův koeficient [1].
Obr. 2 Konstrukce termoelektrického modulu [2].
Podle způsobu využití je možné rozdělit termoelektrické články na články chladící (Obr. 3) a články generátorové
(Obr.4). Chladící články využívají Peltierova jevu. Uplatnění nachází v přenosných chladících zařízeních,
v avionice, používají se při teplotní stabilizaci polovodičových součástek apod. Články pro výrobu elektrické
energie využívají Seebeckova jevu. Přestože jsou jevy Seebeckův a Peltierův jevy komplementární, jsou mezi
články rozdíly a není žádoucí je zaměňovat. Výrobci optimalizují články pro konkrétní aplikace.
Obr. 3 Vícestupňový chladící (Peltierův) článek [3].
.
Obr. 4 Generátorový termoelektrický článek [4].
Plocha a délka polovodičových sloupků má vliv na výsledné výkonové parametry. Obr. 5 ukazuje velikost proudu
vztaženého na plochu termoelektrického materiálu a velikost napětí vzhledem k počtu termoelektrických dvojic
pro různé délky termoelementů a teplotní rozdíly. Zatímco pro generátorové moduly jsou typické krátké sloupky,
pro chladící moduly sloupky dlouhé.
/ 24 /
Brno 2011
Obr. 5 Závislost výkonových parametrů článků na jeho geometrii [1].
V ČR se běžně mezi články nerozlišuje a všechny bývají souhrnně označovány jako Peltierovy články. Korektní
by bylo takto označovat pouze články chladicí, tedy ty které bývají založené na teluridu bismutitém a pracují
v rozsahu teplot přibližně -70°C až 230°C.
Výkon a účinnost generátorových článků
Průchodem tepelného toku článkem vzniká na jeho vodičích napětí a je-li článek připojen k zátěži, může
generovat malý elektrický výkon. Výkon produkovaný jedním článkem je závislý na počtu termoelektrických
dvojic, jejich provedení, vlastnostech použitého polovodičového materiálu, na přechodových odporech
a dosaženém teplotním rozdílu mezi tzv. studenou a teplou stranou článku. Účinnost je závislá na teplotním
rozdílu, na průměrné teplotě při které zařízení pracuje a na výkonnosti použitého materiálu. Se vzrůstající
teplotou teplé strany účinnost narůstá (Obr.6) [1].
Největšího výkonu a účinnosti termoelektrické přeměny je v současnosti dosaženo při použití silně dopovaných
polovodičových materiálů [5]. Obecně platí, že pro termoelektricky dobré materiály je charakteristický velký
Seebeckův koeficient α, malá tepelná vodivost λ a vysoká elektrická vodivost σ. Malá tepelná vodivost pomáhá
udržet teplo v oblasti přechodu a vysoká elektrická vodivost minimalizuje Joulovy ztráty. Tyto požadavky
na vlastnosti materiálů byly vtěleny do veličiny nazývané koeficient termoelektrické účinnosti Z [6], [7].
U běžně dostupných termoelektrických materiálů se účinnost pohybuje v řádu jednotek procent. V budoucnu je
očekáváno nalezení lepších termoelektrických materiálů a následné zvýšení účinnosti.
Obr. 6 Účinnost přeměny v závislosti na použitém termoelektrickém materiálu a pracovní teplotě [1].
/ 25 /
Brno 2011
Závislost napětí a výkonu článků na teplotě je nevýhodná z hlediska škálování výkonu. V rozsáhlých
termoelektrických celcích znesnadňuje propojování článků a vytváří nezanedbatelné ztráty výstupního výkonu.
TERMOELEKTRICKÉ GENERÁTORY
Nejmenší mikrogenerátory tvořené miniaturními termoelektrickými poli integrovanými do polovodičových čipů
mohou mít výkon v řádu µW. S výkony v řádu desítek kW a více se mezi největší termoelektrické generátory řadí
generátory poháněné jaderným reaktorem zkonstruované v projektu SP-100 [6].
Konstrukce termoelektrických generátorů
Termoelektrické generátory se skládají z jednoho nebo více termoelektrických článků, výměníků zajišťujících
přívod a odvod tepla a měničů elektrické energie (Obr. 7). Zdrojem energie pro generátor může být například
teplo spalin vzniklých spalováním fosilních paliv nebo odpadů, odpadní teplo chladících vod v technologických
zařízeních, teplo vznikající při radioaktivní přeměně (radioizotopové termoelektrické generátory používané
u vesmírných sond) nebo jakékoliv jiné zdroje tepla o potřebných parametrech.
Obr. 7 Součásti termoelektrického systému [1].
Transformace elektrické energie
Termoelektrické články lze charakterizovat jako zdroje napětí s vnitřním odporem. Vnitřní odpor článku souvisí
s termoelektrickými vlastnostmi použitého polovodičového materiálu a mění se s teplotou. Protože odpor článků
je nezanedbatelný, se vzrůstajícím odběrem proudu bude i větší část dostupného výkonu ztracena v článku.
Největšího výkonu bude dosaženo v případě, kdy odpor zátěže se bude rovnat vnitřnímu odporu článku [8].
Při připojení zátěže s jiným vnitřním odporem bude docházet ke ztrátám. Přímé spojení generátorového článku,
resp. generátoru k zátěži by tedy nebylo účelné. Pro napájení spotřebičů navíc požadujeme stálé napětí.
U menších generátorů jsou používány stejnosměrné měniče (DC/DC), rozsáhlé termoelektrické generátory
mohou pracovat se střídači (DC/AC). Účelem měničů je transformovat vstupní stejnosměrné napětí na jiné
výstupní napětí a přitom získávat z generátoru maximální výkon. V případě, kdy se generátor skládá z jednoho
termoelektrického článku a stabilního tepelného zdroje a zátěže, je návrh systému snadný. Většina tepelných
zdrojů ovšem stabilních není, dochází ke kolísání teploty [9], [10]. Protože výkon článků je úměrný teplotě, její
kolísání a prostorové rozložení má nežádoucí vliv a je potřeba ho potlačit.
Aby nedocházelo ke ztrátám výkonu vlivem spojení se zátěží o jiném vnitřním odporu nebo vlivem teplotních
diferencí mezi jednotlivými články, používá se měničů řízených pomocí algoritmů MPPT (Maximum Power Point
Tracking – sledování bodu maximálního výkonu) [9], [10].
/ 26 /
Brno 2011
ZKUŠEBNÍ TERMOELEKTRICKÝ GENERÁTOR
Zdrojem tepla pro pokusný termoelektrický generátor vyvíjený na Energetickém ústavu FSI VUT v Brně je teplo
spalin odcházejících z automatického teplovodního kotle Verner A251.1 o výkonu 25 kW spalující dřevní peletky.
Spojením kotle s termoelektrickým generátorem se z kotle v principu stane kogenerační jednotka. Výstupní
elektrický výkon generátoru bude v porovnání s tepelným výkonem kotle velmi malý (nominální elektrický výkon
přibližně 100 W). Z pohledu účinnosti kotle by mělo dojít ke zmenšení ztráty fyzickým teplem spalin.
Spaliny odcházející výstupním hrdlem kotle do spalinovodu předávají teplo termoelektrickému generátoru
a postupují k ústí komínu. Chlazení generátoru zajišťuje vodní okruh s čerpadlem. Ten přes deskový výměník
předává teplo vodě v otopné soustavě (Obr. 8). Na obrázcích 9 a 10 se nachází náhledy navrženého generátoru.
Vlastní měření provozních charakteristik bude realizováno v průběhu roku 2012.
Obr. 8 Schéma zapojení zkušebního termoelektrického generátoru.
Obr. 9 Segment termoelektrického generátoru
pro teplovodní kotel Verner A251.1.
Obr. 10 Sestava termoelektrického generátoru.
/ 27 /
Brno 2011
ZÁVĚR
Označení všech termoelektrických článků jako Peltierových článků je do jisté míry zavádějící. Generátorové
články používané v termoelektrických systémech jsou schopné využívat tepla odpadních látek. Výkon a účinnost
těchto článků jsou závislé na jejich konstrukci, použitých termoelektrických materiálech a pracovních teplotách.
Účinnost běžně dostupných článků se pohybuje v řádu procent. Bude-li zdrojem tepla odpadní energie, nemusí
být nízká účinnost přeměny kritická. Získání elektrické energie by bylo v mnoha případech ideální, protože je
vysoce jakostní a její využití je mnohem větší. Teplotní závislost článků značně komplikuje jejich využití.
Pro zajištění maximální výkonnosti je potřeba použit stejnosměrných měničů a vhodných algoritmů pro jejich
řízení.
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za finanční podpory VUT v Brně v rámci interního grantu BD13101004.
[1] ROWE, D. M. (ed.). Thermoelectrics handbook : macro to nano. 1st ed. [Boca Raton] : CRC Press, 2006.
1014 s. ISBN 978-0849322648.
[2] Thermoelectric handbook [online]. Melcor, [cit. 2009-02-26]. Dostupný z WWW:
<http://www.melcor.com/handbook.html>
[3] Thermoelectric Modules – Two Stage Peltier Coolers [online]. FerroTec, [cit. 2011-11-01].
Dostupný z WWW: < http://thermal.ferrotec.com/products/thermal/modules/multiStage/>
[4] Marlow Industries, inc. – Standard generators [online]. c2008 [cit. 2011-11-01]. Dostupný z WWW:
<http://www.marlow.com/power-generators/standard-generators/tg12-8-01l.html>
[5] JING-FENG, L., WEI-SHU, L., LI-DONG, Z., MIN, Z. High-performance nanostructured thermoelectric
materials. NPG Asia Mater [online]. 2010, roč. 2. č. 4, s. 152–158. Dostupný z WWW:
< http://www.natureasia.com/asia-materials/review.php?id=800> . ISSN 1884-4057
[6] ROWE, D. M. CRC handbook of thermoelectrics. 1st ed. CRC Press, 1995. 701 s. ISBN 978-0849301469.
[7] KARAMAZOV, S. Interakce bodových poruch ve vybraných krystalech tetradymitové struktury. 1. vyd.
Pardubice: Univerzita Pardubice, Ústav elektrotechniky a informatiky, 2007. 56 s. ISBN 978-80-7395-012-5.
[8] Tellurex - Seebeck FAQ [online]. c 2010 Tellurex [cit. 2011-03-05]. Frequently asked questions about our
power generation technology. Dostupné z WWW: <http://www.tellurex.com/technology/seebeck-faq.php>.
[9] NAGAYOSHI, H., et al. High efficiency maximum power point tracking power conditioner for TEG systems.
In 6th European conference on thermoelectrics :July 2 - 4, 2008, Paris, France [online]. 2008 [cit. 2011-0221]. Dostupné z WWW: <http://ect2008.icmpe.cnrs.fr/Contributions/P2-23-Nagayoshi.pdf>.
[10] NAGAYOSHI, H.; TOKUMISU, K.; KAJIKAWA, T. Novel maximum power point tracking control system for
thermoelectric generator and evaluation of mismatch power loss reduction. In 5th European conference on
thermoelectrics : September 10-12, 2007 - Odessa (Ukraine) [online]. 2007 [cit. 2011-02-21].
Dostupné z WWW: <http://ect2007.its.org/system/files/u1/pdf/19.pdf>.
/ 28 /
Brno 2011
NAVRHOVANÉ KONŠTRUKČNÉ ÚPRAVY A TEORETICKÁ PRÍPRAVA EXPERIMENTOV PRE
NÍZKOENERGETICKÝ ZHUTŇOVACÍ STROJ
Viliam Čačko, Juraj Ondruška, Ľubomír Šooš
Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality, Strojnícka fakulta STU v Bratislave,
Nám. Slobody 17, 812 31 Bratislava
Cieľ príspevku je sústredený na ozrejmenie prejavovaných nedostatkov konštrukcie nízkoenergetického
zhutňovacieho stroja. Doposiaľ zistené konštrukčné nedokonalosti by nám mali poslúžiť ako odrazový mostík
na dosiahnutie plnej funkčnosti peletovacieho stroja. Prvým krokom by malo byť odmeranie reálnej lisovacej sily,
ktorá pôsobí v mieste lisovania, a teda výraznou mierou vplýva aj na samotnú konštrukciu peletovacieho stroja.
V článku je uvedený aj stručný teoretický popis merania lisovacej sily pomocou snímačov.
Kľúčové slová: zhutňovací stroj, konštrukcia lisu, lisovacia sila, lisovací tlak, optimálny tvar výlisku
ÚVOD
Ani pre človeka ktorý sa vyslovene nezaoberá danou problematikou, a teda problematikou energetického
charakteru ako napríklad vykurovaním nie je nejasné že budúcnosť v tomto odvetví je prinajmenšom neistá.
Nejedná sa iba o kvantitu a s ňou spojené klesajúce zásoby nerastných surovín, ale čoraz viac sa pozornosť
sústreďuje na ekonomické náklady na energiu, ktorá je potrebná na výrobu napr. tepla. Teplo predstavuje
z hľadiska nákladov na udržanie priemernej životnej úrovne európsky krajín medzi kľúčové komodity. S určitosťou
môžeme povedať že v popredných priečkach problémov súčasnej doby patrí aj ďalšia významná komodita a to
odpad. Pred niekoľkými rokmi sa dostala do popredia myšlienka odpad energeticky zhodnocovať, ľudovo
povedané „zabiť dve muchy jednou ranou“. Ešte pred tým ako sa či už spomínaný odpad alebo biomasa dostane
k samotnému energetickému zhodnocovaniu je potrebná úprava suroviny. Jednou z dôležitých častí vybraného
zhodnocovacieho procesu je zhutoňovanie suroviny, ktorého dôsledkom má byť premena odpadu na zušľachtené
palivo. Výsledkom procesu zhutňovania môže štandardne briketa alebo peleta. Peleta alebo briketa sú výrobkami
peltovacích resp. briketovacích strojov. Na Ústave Environmentálnych Systémov a Manažmentu Kvality SjF STU
sa už niekoľko rokov zaoberáme konštrukciou ale aj vývojom tejto technológie. Výsledkom niekoľkoročného
skúmania v tejto oblasti je niekoľko vyrobených prototypov strojov. V článku sa konkrétne venujem jednému
z nich a to Prstencovému Zhutňovaciemu Stroju na výrobu peliet.
VÝVOJ A VÝROBA PROTOTYPU ZHUTŇOVACIEHO STROJA
Vznik nového tvaru výlisku
Na základe skúmania a vykonaných meraní bol optimalizovaný tvar výlisku. Rozsiahle analýzy ukázali, že veľmi
vhodný je tvar ktorý je v podstate prienik dvoch valcov. Do určitej miery tento tvar zahŕňa špecifiká spojené s
výrobou brikiet, peliet a technológie granulovania. Snahou je aby optimalizovaný výlisok bol teda nositeľom výhod
všetkých troch zhutňovacích technológií. Hlavnou výhodou je zmenšenie príkonu daného stroja pri výrobe výlisku
ako aj vlastnosti horenia samotného produktu.
Obr. 1 Model výlisku.
/ 29 /
Brno 2011
Návrh technológie zhutňovania
Cieľom navrhovanej technológie bola eliminácia najväčších problémov, ktoré negatívne a veľmi výrazne vplývajú
na efektívnu prevádzkovateľnosť a efektivitu zhutňovacích strojov:
-
Nadmerné opotrebenie lisovacích nástrojov a s tým súvisiaca ich častá výmena
Vysoká kvalita vstupného materiálu a teda zvýšenie nákladov na jeho úpravu
Za účelom eliminácie vybraných nevýhod sa dospelo k navrhnutiu technológie Prstencového Lisu. Lisovací
priestor je vytvorený medzi lisovacím prstencom a vnútorným lisovacím kotúčom. Extrémny lisovací tlak je
vyvodzovaný v mieste najmenšej vzdialenosti valcov. Po odľahčení tlaku sa výlisok dostáva pod kalibračný
segment, ktorý zabráni expanzii výlisku a zabezpečuje výdrž pod tlakom potrebnú pre stabilizáciu výlisku.
Návrh konštrukcie stroja
Základnými časťami lisu sú lisovací prstenec a lisovací kotúč. Po obvode prstenca je vyrobené ozubenie,
pomocou ktorého je prstenec poháňaný. Pohon zabezpečuje pastorok uložený v spodnej časti. Prstenec má po
odvode vyrobené nosné plochy, po ktorých sa prstenec odvaľuje po nosných kladkách. Lisovaný materiál je
pomocou podávacej závitovky dopravovaný do lisovacieho priestoru.
Obr. 2 3D model stroja.
Výroba prototypu stroja
Na základe modelu bol vyrobený prototyp nízkoenergetického stroja.
Obr. 3 Prototyp stroja.
/ 30 /
Brno 2011
NAVRHOVANÉ KONŠTRUKČNÉ ÚPRAVY
Rám stroja
Rám stroja je pri každom stroji veľmi dôležitou súčasťou hneď s viacerých hľadísk ako pevnosť, tuhosť ale
i bezpečnosť stroja. V prípade nízkoenergetického zhutňovacieho stroja to platí tiež. Rám stroja ma priamy vplyv
na jeho základnú funkciu lisovania. Je teda potrebné zabezpečiť dostatočnú tuhosť rámu stroja a to hlavne
v súvislosti s dilatáciami v mieste lisovania. V mieste lisovania dochádza nie len k lisovaniu, ale aj k oddeľovaniu
jednotlivých výliskov od seba. Na konštrukciu sú z tohto kritického miesta vyvíjane extrémne tlaky. Z dôvodu
generovaných zaťažení do konštrukcie dochádza k jej deformácii v medziach pružnosti materiálu. V konečnom
dôsledku v procese lisovania dochádza k oddialeniu lisovacieho kotúča od lisovacieho prstenca. Túto deformáciu
nie je možné v absolútnej miere eliminovať, ale je dôležité aby jej miera bola prípustná z hľadiska navrhovanej
technológie a samotného princípu lisovania na tomto stroji. Technologickým dôsledkom týchto deformácií je určitý
pokles tlaku v porovnaní s teoretický predpokladanými hodnotami vyplývajúcimi zo základných teórií výpočtu.
Ďalším zásadným problémom s tým priamo súvisiacim je samotné oddeľovanie výliskov. Teoretickým
predpokladom pre zdarné delenie výliskov je minimálna „nulová“ vzdialenosť medzi nástrojmi, kotúč – prstenec
v mieste lisovania. Počas procesu dochádza k pretvoreniu hmoty až do požadovaného tvaru výlisku. Tlak sa
postupne zvyšuje až do miesta maxima. Práve v tomto mieste teoreticky dôjde k ustrihnutiu susedných výliskov
zubom nástroja, ktorý musí do protikusu presne zapadať (viď obr.5). V dielenskej praxi sa takto nastavená
vzdialenosť nástrojov verifikuje vložením cigaretového papierika medzi strižné plochy. Ak je stroj dobre nastavený
malo by dôjsť k predpokladanému porušeniu papierika. Tento predpoklad funkčnosti treba zabezpečiť aj
v prevádzke pri maximálnom tlaku, inak nedôjde k oddeľovaniu výliskov. Z tohto dôvodu musí byť rám
optimalizovaný hlavne zo zreteľom na tuhosť v smeroch s tým súvisiacich. Súčasná konštrukcia v tomto smere
vykazuje značné nedostatky, ktoré treba pred daľšími skúškami odstrániť. Dôsledky týchto predpokladov boli
zaznamenané aj pri prvých skúškach stroja. Filozofia konštrukčných úprav sa dá predpokladať na základe
teoretického prevádzkového zaťaženia, ktoré vieme. Na určenie presných rozmerov a tvaru modifikácií rámu by
bolo vhodné zistiť reálne zaťaženie počas prevádzky súčasnej konštrukcie. Zaťaženie je určené lisovacou silou,
ktorej hodnotu je potrebné experimentálne odmerať. V súčasnosti plánujeme sériu meraní, ktoré by nám mali
pomôcť nájsť odpovede na naše otázky. Ďalšia súvisiaca podmienka funkčnosti je, že zuby lisovacieho prstenca
spoločne s lisovacím kotúčom musia vytvoriť tzv. nožnicový efekt z hľadiska tvaru plôch. Sú potrebné relatívne
presne definované tvary nástrojov. Dôležitý je hlavne vnútorný rádius kotúča a vonkajší rádius zuba. Ich kontakt
by mal vytvoriť čiarový styk v mieste strihania. Súčasné nástroje v tomuto predpokladu nezodpovedajú (viď
obr.5). Navrhujeme úpravu lisovacieho kotúča prebrúsením tohto rádiusu na presný tvar a rozmer.
Obr. 4 Kritické miesta na ráme.
/ 31 /
Brno 2011
Obr. 5 Nepresné dosadnutie lisovacieho prstenca do lisovacieho kotúča.
PRÍPRAVA A STRUČNÝ POSTUP EXPERIMENTU MERANIA LISOVACEJ SILY
Potreba experimentálneho merania lisovacej sily je jednou zo základných priorít ďalšieho postupu vývoja
nízkoenergetického zhutňovacieho stroja. Na základe nameranej hodnoty budú navrhnuté výstuhy, ich veľkosť,
počet, rozmiestnenie upevnenie a tvar. Úlohou výstuh je eliminovať v maximálnej miere akýmkoľvek posuny rámu
v mieste lisovania pri dodržaní symetrických deformácií systému vzhľadom na funkčnosť a technológiu. Merať
budeme silu v dvoch skrutkách do ktorých je lisovacia sila prenášaná. Lisovacia sila bude meraná silomerom.
Obr. 6 Miesto uloženia snímača.
ZÁVER
Pre naplnenie určených cieľov a teda k realizácií výskumu nie je potrebná len odhodlanosť vedecko-výskumných
pracovníkov v našom tíme, tá nám nechýba. Ku realizácií experimentov je potrebné kvalitné zázemie dielenskej
a laboratórnej techniky potrebné meracie prístroje a iný materiál. Ak chceme byť úprimný musíme otvorene
povedať že všetko je otázkou finančných prostriedkov. V súčasnosti sa realizujú prípravy a plánovanie práve
v oblasti nákupu a zabezpečenia financovania nárokov tohto projektu. Pre tento projekt sa v súčasnosti snažíme
hľadať obchodno-technických partnerov, čo je základný predpoklad k získaniu financií. V tejto súvislosti
plánujeme s našimi partnermi z praxe spolupracovať aj na poli Európskych štrukturálnych fondov. Verím že sa
nám podarí získať partnerov a financie, aby bolo možné realizovať výskum a experimenty s vierohodným
výsledkom.
POĎAKOVANIE
/ 32 /
Brno 2011
POUŽITÁ LITERATÚRA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
GROS, P. Zariadenie na technológiu zhutňovania tuhého odpadu. písomná práca k dizertačnej skúške.
Bratislava : KVT SjF STU v Bratislave, 2002. 96 s.
KRIŽAN, P. Analýza procesu zhutňovania a konštrukcií zhutňovacích strojov: písomná práca k dizertačnej
skúške. KVT SjF STU v Bratislave, 2005. 84 s.
MATÚŠ, M. Nizkoenergetický zhutňovací stroj. Písomná práca k dizertačnej skúške. ÚSETM SjF STU v
Bratislave, 2008. 110 s.
ŠOOŠ, Ľ.: Progresívne technológie – predpoklad pre kvalitné biopalivá. In.: [Časopis] TZB Haus Technik,
ročník 9, 2001, číslo 4, ISSN 1210-356X, str. 15 – 16.
ŠOOŠ, Ľ.a kol.: Projekt VaV č. 2003 SP 260280 C 04. „Modifikácia úžitkových vlastností drevných
materiálov a rozšírenie oblasti ich využitia“. Realizačný výstup A62: Technológia výroby a zariadenie na
výrobu modifikovaného energonosiča.
ŠOOŠ, Ľ.: Design of crank shaft for a briquetting press. In: Annals of The Faculty of Engineering
Hunedoara. [Časopis] RO, ISSN 1584-2665.-Vol. 5, No. 2/2007, s.189-196.
ŠOOŠ, Ľ. Zhutňovací stroj na biomasu a výlisok - Úžitkový vzor číslo 4928. Banská Bystrica 29.9.2006, 7s.
ŠOOŠ, Ľ, MATÚŠ, M. KRIŽAN, P. Inovatívne technológie pre produkciu tuhých biopalív.
/ 33 /
Brno 2011
/ 34 /
Brno 2011
VPLYV OBOHATENIA VZDUCHU NA SPAĽOVACÍ PROCES
Miroslav Dudrik, Augustín Varga, Gustáv Jablonský
Technická univerzita v Košiciach, Hutnícka fakulta, Katedra pecí a teplotechniky, Letná 9, 042 00 Košice
Článok sa zaoberá vplyvom zvyšovania koncentrácie kyslíka v oxidačnom činidle na výšku dosahovaných teplôt
a zloženie produkovaných spalín. Vplyv obohacovania vzduchu na dosahované teploty je analyzovaný
teoretickými výpočtami a overovaný praktickými meraniami. Analýza zložiek spalín je zameriavaná na ich
percentuálne zloženie pri jednotlivých stupňoch obohatenia. Pri praktických meraniach sa analýza sústredila na
produkciu emisií NOx.
Klíčová slova: oxy spaľovanie, zemný plyn, kyslík
ÚVOD
V priemysle sa bežne používa na spaľovanie oxidačné činidlo vzduch, ktorého zloženie je 21% O2 a 79% N2.
Dusík ako balastný zdroj v procese spaľovania predstavuje veľký zdroj neefektívnosti konvenčného spaľovania
palív. Dusík prechádza do spalín čím zväčšuje ich objem a zvyšuje straty tepla. Časť dusíka nám zoxiduje a
vytvára emisie NOx, ktoré predstavujú problém týkajúci sa ekologického hľadiska. Oproti konvenčnému
spaľovaniu sa oxy spaľovanie dá charakterizovať ako spaľovací proces pri, ktorom je palivo spaľované s
oxidačným činidlom, ktoré je buď 100% kyslík, alebo vzduch pri ktorom sme technologicky zvýšili obsah kyslíka v
zmesi.
Veľmi významným aspektom, prečo využívať túto technológiu je, že spaľovací proces môže produkovať spaliny
bez emisií NOx a bohaté na CO2 a H2O. U týchto spalín je možné CO2 odseparovať od H2O a odseparované CO2
uskladňovať.
Hlavné znaky oxy spaľovania
•
•
•
•
•
•
•
zníženiu objemu produkovaných spalín a následné náklady na filtráciu spalín,
možnosť dosiahnuť spaliny tvorené len CO2 a H2O,
možnosť dosiahnuť nulové emisie NOx,
dosahovanie vyšších spaľovacích teplôt,
absenciou dusíka pri spaľovaní nedochádza k spotrebe tepla na ohrev tejto balastnej zložky,
zvýšenie prenosu tepla radiáciou a pokles prenosu tepla konvekciou,
úspora paliva a skrátenie doby ohrevu.
Metódy dodávania kyslíka k plynnému palivu
Existujú 3 základné spôsoby dodávania kyslíka k plynnému palivu:
a) Injektovanie kyslíka do prívodu vzduchu
b) Privádzanie kyslíka do pecné priestoru
c) Spaľovanie so 100 % kyslíkom
/ 35 /
Brno 2011
Obr. 1 Technologické riešenia dodávania kyslíka k plynnému palivu [4].
Jednotlivé metódy sa od seba odlišujú len v technologickom riešení prívodu kyslíka. Prvé dva metódy sú určené
pre nízke stupne obohatenia a prívod kyslíka je možné doplniť už do existujúceho zariadenia. Pri rekonštrukcii
existujúceho horákového zariadenia vplyvom kyslíka je nutné dbať na stabilitu plameňa, dosahované spaľovacie
teploty a produkciu zložiek spalín. Prívod kyslíka do pecného priestoru má oproti zvyšným metódam výhodu v
tom, že kyslík je dodávaný presne tam kde je ho potreba. Pri spaľovaní s čistým kyslíkom dochádza ku najväčším
zmenám oproti konvenčnému spaľovaniu a je nutné zohľadniť hlavne prestup tepla v pecnom priestore a úpravu
výmurovky pece [1-3].
Vplyv obohacovania vzduchu na plynné médiá
Pri spaľovaní plynného paliva so vzduchom je zrejmé, že značnú časť oxidačného činidla tvorí dusík, ktorý sa v
procese spaľovania správa ako balastná zložka. Na obr. 2 je znázornená závislosť minimálneho a skutočného
množstva oxidačného činidla pre dokonalé spálenie zemného plynu, ako aj množstvo produkovaných spalín. Pre
skutočné množstvo oxidačného činidla na obr. 2 bolo uvažované s 10 % prebytkom oxidačného činidla.
Obr. 2 Závislosť minimálneho, skutočného množstva oxidačného činidla a skutočné množstvo spalín od
koncentrácie kyslíka v oxidačnom činidle.
Obohacovanie vzduchu ma výrazný vplyv na zloženie a množstvo produkovaných spalín. Nárastom množstva
kyslíka v oxidačnom činidle dochádza k znižovaniu množstva produkovaného dusíka. Vzhľadom k tomuto
procesu je množstvo produkovaných spalín menšie, keďže dusík predstavoval značnú časť objemu spalín.
Na obr. 3 je znázornená závislosť jednotlivých zložiek spalín od množstva kyslíka v oxidačnom činidle pre zemný
/ 36 /
Brno 2011
plyn je zrejmé, že okrem zníženia množstva produkovaného dusíka, dochádza obohacovaním k zvýšeniu
koncentrácie zložiek CO2 a H2O.
Obr. 3 Závislosť zloženia spalín od stupňa obohatenia oxidačného činidla.
Vplyv obohacovania vzduchu na dosahované teploty
Zo zväčšujúcim sa množstvom kyslíka v oxidačnom činidle dochádza k nárastu teplôt. Na obr.4 je znázornený
priebeh adiabatickej a teoretickej teploty s disociáciou v závislosti od množstva kyslíka vo vzduchu. Na závislosti
je zrejmé, že s narastajúcim obohatením dochádza k poklesu teoretickej teploty s disociáciou. Pri teplote 1600
°C dochádza k disociácii zložiek CO2 a H2O, čo sa prejavy na poklese teploty. Pri teplote okolo 3000 °C
dochádza k ďalšej disociácii zložiek H, OH, O, čo sa opäť prejavy na znížení teploty. Vyššia teplota plameňa sa
nám premietne do teploty spalín a to do efektívnosti úspory energie. Zvýšenie koncentrácie CO2 a H2O sa prejavy
v náraste prenosu tepla žiarením a tým aj v zvýšení tepelnej účinnosti daného agregátu.
Obr. 4 Závislosť adiabatickej teploty a teoretickej teploty s disociáciou od množstva kyslíka v oxidačnom činidle.
/ 37 /
Brno 2011
Praktické merania
Praktické merania boli vykonané na zariadení, ktoré bolo vyhotovené podľa návrhu horáka, viď obr. 5. Spaľovacia
komora bola tvorená rúrou uloženou vo vertikálnej polohe. Zo spodu horáka bol privádzaný zemný plyn a
okysličovadlo. Prívod mal charakter rúrka v rúrke, kde prívod určený pre vzduch (okysličovadlo) obsahoval v sebe
prívod zemného plynu. Horák obsahoval priestor pre vymeniteľné nadstavce, ktoré bolo nutné meniť, keď
nastala zmena merania (obohatenie vzduchu s kyslíkom). Nadstavce boli vyrobené s parametrami pre 21%, 35%,
50%, 75%, obsahu kyslíka vo vzduchu. Horák obsahoval 8 otvorov pre termočlánky a jeden otvor pre analyzátor
spalín. Pri vývode spalín bola nainštalovaná škrtiaca klapka určená na vytvorenie pretlaku v spaľovacej komore a
tým eliminácii prisávania okolitého vzduchu.
Obr. 5 Grafický model laboratórneho zariadenia.
Počas merania sa merala teplota zemného plynu, vzduchu, kyslíka a termočlánkami sa merali teploty plameňa a
spalín. Statický tlak bol meraný pre vzduch a kyslík pomocou U-trubíc. Barometrický tlak bol meraný pomocou
barometru. Zariadenie obsahovalo dva plynomery, cez ktoré sa meral prietok zemného plynu a vzduchu. Kyslík
bol pridávaný z fľaše a jeho prietok bol určovaný pomocou rotameru R2U nerez dutý (plavák). Pre analýzu spalín
bol použitý analyzátor TESTO 350 XL, ktorý vyhodnocoval objemy NO, NO2, O2, CO, CO2 v suchých spalinách.
Obr. 6 Schéma zapojenia laboratórneho zariadenia.
/ 38 /
Brno 2011
Výsledky praktických meraní
Na obr. 7 sú znázornené dosahované teploty plameňa a koncentrácie emisií NOx v závislosti od koncentrácie
kyslíka v oxidačnom činidle. V porovnaní s teoretickými výpočtami a nameranými hodnotami teplôt je vidno
značnú odchýlku. Tá môže byť spôsobená meraním. Termočlánky boli umiestnené v strede priemeru spaľovacej
komory (vo vertikálnej osi), avšak vzhľadom k intenzifikácii spaľovacieho procesu mohlo dôjsť k vertikálne
odchýlke plameňa. Umiestnenie termočlánkov sa nemenilo počas zmeny merania a bolo ponechané v pôvodnej
polohe, aby nedochádzalo k ďalším chybám merania.
Obr. 7 Grafická závislosť priebehu teplôt plameňa a koncentrácie NOx vzhľadom ku koncentrácii kyslíka
v oxidačnom činidle.
Pre stabilizovanie a zlepšenie procesu spaľovania bol navrhnutý zmiešavač s cieľom zabezpečenia čo
najdokonalejšieho zmiešavania plynného paliva a oxidačného činidla. Zmiešavač bol umiestnený pred
zmiešavacou komorou, viď obr. 8.
Obr. 8 Grafický model laboratórneho zariadenia s implementovaným zmiešavacím zariadením.
/ 39 /
Brno 2011
Z obr. 9 je zrejmé že zmiešavač mal výrazný vplyv na spaľovací proces. Namerané hodnoty sa zhodovali
s teoretickými poznatkami. Z narastajúcim obohatením došlo k rastu teplôt plameňa a rastu produkcie emisií NOx.
Pri 75 % obohatení tento zmiešavač dosahoval vysokú produkciu emisií NOx, čo mohlo byť výsledkom vysokých
teplôt plameňa a dostatočne dlhým plameňom.
Obr. 9 Grafická závislosť priebehu teplôt plameňa a koncentrácie NOx vzhľadom ku koncentrácii kyslíka
v oxidačnom činidle pri použití zmiešavacieho zariadenia.
ZÁVER
Obohacovaním vzduchu dochádza k výraznému ovplyvňovaniu spaľovacieho procesu. S nárastom koncentrácie
kyslíka dochádza k znižovaniu koncentrácie dusíka vo vzduchu. Znížením koncentrácie dusíka ako balastnej
zložky zníži straty tepla, ktoré by nastali z dôvodu ohrevu tejto balastnej zložky. Obohacovaním nastáva
znižovanie objemu produkovaných spalín čo sa prejavy v zmene prenosu tepla v pecnom priestore. Dochádza
k dominancii prenosu tepla radiáciou a k poklesu prenosu tepla konvekciou. Zvýšenie prenosu tepla konvekciou
je možné v tomto prípade zabezpečiť recirkuláciou spalín. Obohacovanie vzduchu je spojené s dosahovaním
vyšších spaľovacích teplôt. Vysoké spaľovacie teploty, ktoré sú charakteristické pre oxy spaľovanie zabezpečujú
zníženie spotreby paliva a skrátenie výrobného procesu. Praktické merania, ktoré boli zamerané na rozloženie
teplôt po výške plameňa a zloženie spalín, potvrdili teoretické poznatky. Aplikovaním zmiešavača v laboratórnom
zariadení pri postupnom obohacovaní došlo k nárastu teplôt plameňa. Vzhľadom k vysokým teplotám plameňa
a dostatočnou výdržou dusíka v rozmedzí týchto teplôt nastal nárast produkcie emisií termických NOx.
Obohacovanie vzduchu kyslíkom prináša so sebou rad výhod, ktoré hovoria v jeho prospech. Avšak jeho
nevýhodou je finančná náročnosť, ktorá je spôsobená cenou kyslíka, resp. nákladmi na generátor kyslíka.
POĎAKOVANIE
Výsledky uvedené v príspevku sú súčastou grantového projektu č. 1/0164/10 “Vplyv oxidačného činidla na proces
spaľovania a tepelný výkon agregátov”.
[1]
[2]
[3]
[4]
BAUKAL, CHARLES E. Oxygen – enhanced combustion. 1.vyd. 1998. ISBN 0-8493-1695-2.
FÍK, J. Zemní plyn. 1.vyd. 2006. ISBN 80-86028-22-4.
SVOBODA, A. et al. Plynárenská příručka. 1.vyd. 1997. ISBN 80-902339-6-1.
Dostupné na internete: http://www.airproducts.sk/glass/sklarstvo/kyslikovoPalivoveTech.htm [cit 2011-09-4].
/ 40 /
Brno 2011
PRODUKCIA DECHTU PRI SPLYŇOVANÍ BIOMASY V NEHYBNOM LÔŽKU
Furka Filip, Pástor Marcel, Kočanová Slávka
Technická univerzita v Košiciach, hutnícka fakulta, Katedra pecí a teplotechniky, Letná 9, 042 00 Košice
Článok pojednáva o tvorbe dechtu v procese splyňovania. Dechty sú nežiaduce prvky v drevoplyne a robí
problémy pre následné využitie plynu v oblasti technológií. Existuje mnoho metód čistenia, ale žiadna nie je
naozaj účinná, takže ho možno bez problémov použiť v praxi. Použitím vysokého výkonu, veľkého spyňovacieho
genrátora vieme tvorbu dechtov zmenšiť. Na tvorbu dechtu vplýva viacero premenných. Je dôležité zvoliť správny
typ splyňovacieho generátora podľa potrieb kvality drevoplynu. Tento článok ukazuje, ako na splyňovanie vplýva
splyňovacia teplota a vlhkosť drevnej štiepky.
Klíčová slova: decht, splyňovanie, drevná štiepka
DECHT
Dechty sú uhličitany, ktoré sú za normálnej teploty a tlaku v kvapalnom skupenstve. Decht sa v plyne nachádza
v rozmedzí 5 - 75 gm-3. Záleží hlavne od typu splyňovacieho zariadenia, od teploty, tlaku a zloženia paliva.
Tvorba dechtu je vždy vedľajší produkt pri splyňovaní biomasy [1].
Prchavé látky sú hlavným zdrojom dechtu, ktorý je uvolnený počas pyrolýzy biomasy. Vlastnosti dechtov sú
funkcie ohrevu, teploty a doby zadržania plynu v generátore. Pri nízkych teplotách (450-500 ° C), decht pochádza
hlavne z prchavých látok. So zvyšujúcou sa teplotou a dobou pobytu plynu v generátore sa dechty transformujú.
Súčasti prchavých látok sa postupne stabilizujú a ich celkové množstvo v plyne pomaly klesá.
Pre zjednodušenosť vlastností dechtu sa používa stupnica založená na transformácii primárnych, sekundárnych
a terciárnych dechtov. Tieto kategórie sa líšia zložením, rôznými chemickými a fyzikálnymi vlastnosti.
Nestabilnosť primárnych dechtov je relatívne ľahko transformovaná do sekundárnych, ktoré sú charakterizované
prchavými fenolmy. Ich obsah v plyne je menší a zvyšovaním teploty prebieha ďalšia transformácia na terciárne
dechty, ktorých je základným prvkom benzén. Vplyv teploty na transformáciu dechtu je znázornený na Obr. 1. [2]
Obr. 1 Temperature influence on the transformation of tar.
/ 41 /
Brno 2011
VLHKOSŤ BIOMASY
Pri spaľovaní a splyňovaní predstavuje vysoký podiel vlhkosti v palive väčšie nároky a spotrebovanú energiu.
Vplyv vlhkosti paliva má za následok nasledujúce problémy:
- objem vodnej pary v spalinách,
- upchávanie (zasekávanie) posunu paliva v zásobníku,
- vzrast teploty rosného bodu,
- náchylnosť na koróziu častí zariadenia. [3]
Z tabuľky 1 vyplýva, že najvhodnejšie pre použitie v zariadeniach na spaľovanie a splyňovanie je drevo usušené,
ktoré má až o 60% menší podiel vody ako čerstvé drevo po ťažbe. Popol je pod hranicou 1 % aj pri čerstvom aj
vysušenom dreve, pri peletách sa to pohybuje okolo jedného percenta.
Tab. 1 Priemerné zastúpenie horľaviny, vody a popola v deve [4].
Palivo
Horľavina
[%]
Drevo po ťažbe
20-40
Drevo vysušené na vzduchu 79-82
Pelety z dreva
91
Voda
[%]
60-80
17-20
8
Popol
[%]
0,1
0,5
1
Skutočná výhrevnosť dreva je uvedená v tabuľke 2. Ako je vidno, pri obsahu vody do 20% je výhrevnosť skoro
dvojnásobná ako pri 50% vlhkosti. Hlavným dôvodom nízkeho výkonu a veľkej spotreby paliva je práve vlhkosť
obsiahnutá v palive.
Tab. 2 Skutočná výhrevnosť dreva [5].
Obsah vody
[%]
0
10
20
30
40
50
60
Palivo
Drevo
[MJ/kg]
18,5
16,4
14,3
12,2
10,1
8
6
/ 42 /
Brno 2011
EXPERIMENTÁLNE SPLYŇOVACIE ZARIADENIE
Na Obr.2 je znázornené laboratórne splyňovacie zariadenie. Do tohto zariadenia je privádzaný vzduch cez
vzduchovú rúrku a vzniknutý plyn vystupuje cez šikmú rúrku znázornenú na obrázku.
Obr. 2 Experimentálne splyňovacie zariadenie.
Ohrev zariadenia vykonávaný elektrickou odporovou pieckou do ktorej bol vyrobený otvor, aby zariadenie mohlo
byť zasunuté do pecného priestoru. Teplota v peci je regulovaná potenciometrom s rozsahom od 100°C o
1200°C. Plyn na výstupe prechádza filtrom, na ktorom sa zachytávajú nečistoty a to hlavne prachové častice a
skondenzované dechty. Dechty v plyne kondenzujú už pri teplote 300°C. Pri hmotnosti vsádzky 17-20g a prietoku
vzduchu 1dm3/min je tok plynu tak pomalý, že nie je potrebné daný plyn chladiť. Na Obr.3 je znázornený filter pre
dané zariadenie.
Obr. 3 Tkaninový filter před meraním.
Vsádzku do splyňovača tvorí drevná štiepka o známej vlhkosti, hmotnosti a druhu dreviny. Vzduch do splyňovača
je privádzaný malým kompresorom cez gumnú hadicu. Prietok vzduchu je 1l za minútu nastavený cez rotameter.
Na obrázku 4 je znázornené zariadenie počas splyňovania.
Obr. 4 Priebeh splyňovania.
/ 43 /
Brno 2011
Praktické meranie bolo vykonané pri dvoch rôznych teplotách (770-870 °C). Na splyňovanie sa používa drevná
štiepka o rôznej vlhkosti. Výsledky merania sú znázornené v tabuľke 3.
Tab. 3 Výsledky merania.
Palivo
Vlhkosť (%)
Splyňovacia teplota(°C)
Doba splyňovania (min.)
Prebytok vzduchu
Hmotnosť vsádzky
Váha filtra před splyňovaním(g)
Váha filtra po splyňovaní (vysušený) (g)
Hmotnosť zvyšku (g)
Hmotnosť splyňenej vsádzky (g)
Spotreba vzduchu (l)
Vyprodukované dechty + TZL (g)
Vyprodukované dechty na 1g suchej
vsádzky (g)
Vyprodukované dechty na 1g vsádzky (g)
Drevná
štiepka
25
770
15
0,25
15
218,3
221,8
2,7
8,8
15
3,5
Drevná
štiepka
25
870
15
0,25
15
219
221,8
2,4
10,1
15
2,8
Drevná
štiepka
0
770
9,2
0,25
9,5
219
220,8
2,2
5,5
9,2
1,8
Drevná
štiepka
0
870
10
0,25
9,8
219,7
221,6
1,9
6
10
1,9
0,233
0,186
0,245
0,186
0,189
0,186
0,193
0,186
Výsledky potvrdzujú že viacej dechtov sa vytvorí při použití vlhkej štiepky. V tabuľke je vypočítaný pomer
vyprodukovaný dechtov na 1g vsádzky. Při štiepke s vlhkosťou 25% a prepočte na suchý stav sa vyprodukuje
z 1g vsádzky 0,245g dechtu s TZL. Při štiepke vopred usušenej je na 1g vsádzky vyprodukované 0,193g dechtu
s TZL.
ZÁVER
Meraním bola zistená zmenená torba dechtu při použití suchej drevnej štiepky. Odporučil by som meranie
uskutočniť vo vädšom počte s rôznymi vlhkosťami. Splyňovacie teploty 770°C a 870°C sú postačujúce pre tieto
merania, pretože sú to teploty pohybujúce sa v rozmedzí protiprúdneho splyňovaciho geneátora s ktorým katedra
disponuje.
Tento príspevok bol vypracovaný ako súčasť riešenia projektu VEGA č. 1/0616/10 a získané výsledky sú
súčasťou riešenia tohoto grantového projektu.
[1] V. Mitrík, T. Suchý, L. Horváth: Acta Metallurgica Slovaca, Vol. 14, 2008, No. 2, p. 298 - 301, ISSN 13351532
[2] P. Kohout, L. Ochrana, M. Baláš, M. Lisý, Pavlů J.: Acta Metallurgica Slovaca, Vol.13, 2007, SI 3, p.166172, ISSN 1335-1532
[3] Tadeáš Ochodek, Jan Koloničný, Michal Branc, Technologie pro přípravu a energetické využití biomasy,
Ostrava 2007, ISBN 978-80-248-1426-1
[4] Dzurenda,L.: Spaľovanie dreva a kôry, vydanie I.-2005, Vydavateľstvo TU vo Zvolene, ISBN 80-228-1555-1
[5] Jandačka J., Malcho M., Mikulík M., Technológie pre prípravu a energetické využitie biomasy, Mojš 2007,
ISBN 978-80-969595-3-2
/ 44 /
Brno 2011
PROBLEMATIKA VYUŽITÍ ALTERNATIVNÍHO PALIVA Z EKOLOGICKÝCH ZÁTĚŽÍ
Jan Hrdlička, Lukáš Pilař
ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, 166 07 Praha 6
Tento příspěvek shrnuje získané poznatky při řešení možnosti energetického využití alternativního paliva formou
přímého spalování s využitím fluidní vrstvy. Všechny spalovací zkoušky ukázaly zásadní problémy s tavením
popelovin, limitující tak využití fluidní vrstvy. Další analýzy měly za cíl přibližné stanovení teplotní úrovně tavení
popelovin a zjištění důvodu jejich roztavení ve fluidní vrstvě. Zásadním zjištěním je zřejmě velká nehomogenita
paliva, způsobující lokální přehřátí fluidní vrstvy nad mez tepelné stability popelovin i inertního materiálu.
Klíčová slova: spalování; alternativní palivo; fluidní vrstva; tavení popelovin
ÚVOD
V posledních několika letech se postupně zvyšuje zájem na využívání tzv. alternativních paliv, vzhledem ke
končícím kontraktům na dodávky hnědého uhlí zejména pro sektor komunálního teplárenství. Není přitom nikde
exaktně definováno, zejména z hlediska legislativy, co konkrétně pojem alternativní palivo představuje. Obvykle
jsou tak nazývána paliva, která nejsou pro daný způsob využití typická. Například podle [1] jsou tak v oblasti
spalovacích motorů označována všechna paliva, která nejsou ropného původu. Z tohoto pohledu se z hlediska
tuhých paliv v energetice může jednat o paliva vyrobená z odpadních materiálů, ale není tak v současnosti
označována biomasa.
V ČR existuje řada lokalit, ve kterých jsou deponovány odpadní produkty z nejrůznějších druhů
(petro)chemického průmyslu. Kromě toho, že představují velké ekologické riziko pro místní prostředí (např.
kontaminace spodní vody), jedná se materiály s relativně velkým zbytkovým energetickým obsahem, který je
možné využít. Zároveň je vhodné se tímto způsobem ekologické zátěže zbavit. Tento příspěvek představuje
výsledky úvodní studie využití dvou různých paliv vyrobených z podobných materiálů formou spoluspalování
s uhlím ve fluidní vrstvě. Podle současných informací je odpadního materiálu k dispozici až několik stovek tisíc
tun, jedná se tedy o relativně dlouhodobou záležitost, kdy má smysl řešit problematiku jeho využití detailně.
ALTERNATIVNÍ PALIVO
Pro provedení úvodních experimentů byly použity dva druhy alternativního paliva, označené jako AF1 a AF2. Obě
obsahují stejné hlavní komponenty, ale v odlišném zastoupení. Hlavními komponentami je odpadní materiál
z ekologické zátěže, černé uhlí z produkce OKD a vápno. Složení obou paliv je následující:
-
AF1: 55 % černé uhlí, 35 % odpadní materiál, 10 % vápno
AF2: 10 % černé uhlí, 75 % odpadní materiál, 15 % vápno
Dle deklarace výrobce by palivo mělo být homogenní, nicméně realita byla poněkud odlišná. Palivo zjevně
obsahovalo separované části jednotlivých komponent, konkrétně uhlí a odpadního materiálu. Pro potřebné
stanovení palivových vlastností obou alternativních paliva byly připraveny homogenní analytické vzorky. Složení
obou paliv je uvedeno v tabulce 1.
/ 45 /
Brno 2011
Tab. 1 Vlastnosti alternativních paliv.
Parametr
Ar (%)
Ad (%)
Wrt (%)
Vdaf (%)
Cdaf (%)
Hdaf (%)
Ndaf (%)
Sdaf (%)
Odaf (%)
Cld (%)
Qsr (MJ/kg)
Qir (MJ/kg)
AF1
39,40
46,23
14,79
73,56
65,47
8,36
0,02
6,75
19,43
0,031
13,44
12,25
AF2
48,13
54,57
11,80
66,68
85,32
7,55
1,04
4,30
1,77
0,041
13,79
12,73
Obě paliva jsou vysoce popelnatá s relativně nízkým podílem vlhkosti. I přes obrovský podíl balastních složek
však mají relativně vysokou výhřevnost. To je dáno složením hořlaviny, která obsahuje velký podíl uhlíku. To je
výrazné zejména u paliva AF2, u kterého je poměrem C:H = 11,3 a C:O = 48 identifikován výrazný podíl vyšších
ropných uhlovodíků. To odpovídá i zastoupení jednotlivých komponent. Je také zajímavé, že palivo AF1 s vyšším
podílem uhlí má obsah chlóru 0,32%, a palivo AF2 s obsahem pouze 10% uhlí má podíl chlóru 0,047%.
Vzhledem k původu uhlí lze ale předpokládat, že nositelem chlóru v alternativních palivech je uhlí a nikoliv
materiál lagun. V karvinských slojích je výskyt chlóru v surovém uhlí cca 0,06 až 0,1% hm. V polských černých
uhlích z katovické oblasti je obsah chlóru 0,5 až 0,6% hm.
SPALOVACÍ ZKOUŠKY
Spalovací zkouška s těmito palivy je nezbytným krokem před jejich průmyslovým nasazením. Pro zkoušky byla
vybrána technologie fluidní vrstvy především z toho důvodu, že lze u takových zařízení lépe zajistit řízení, resp.
omezení plynných emisí, než u roštového spalování. Možnost práškového spalování nebyla vzhledem ke
konzistenci obou alternativních paliv vůbec uvažována. Nepřekročitelným technologickým problémem by bylo
především mletí paliva na požadovanou velikost pod 100 µm.
Zkoušky byly provedeny na 500 kW kotli s bublinkovou fluidní vrstvou v laboratoři Ústavu energetiky, přičemž
byly zvoleny 2 materiály fluidní vrstvy. Jako první byl použit cizí materiál – keramzit a s ním byly provedeny
zkoušky samostatného spalování obou alternativních paliv. Zkoušky ovšem byly velice rychle ukončeny z důvodu
extrémně rychlého roztavení popelovin i materiálu vrstvy, přičemž větší rychlost slinutí byla pozorována u paliva
AF2, které obsahuje větší podíl odpadního materiálu. Velké potíže byly rovněž se zalepováním šnekového
dopravníku paliva, pozorované zejména u paliva AF2. Ukázka slinutého keramického materiálu vrstvy a
popeloviny paliva je na obrázku 1.
/ 46 /
Brno 2011
Obr. 1 Slinuté popeloviny a materiál vrstvy ze spalovací zkoušky paliva AF1.
Jako jeden z důvodů tohoto jevu byla uvažována nevhodná volba materiálu fluidní vrstvy, resp. teoretická
možnost reakce sloučenin popelovin paliva a materiálu vrstvy v jeho vysoce porézní struktuře. Proto byl zvolen
jiný materiál, tentokrát se jednalo o popelovou fluidní vrstvu původem z fluidního kotle spalujícího hnědé uhlí.
Nicméně výsledek byl naprosto stejný, opět došlo ke slinutí fluidní vrstvy a tím k ukončení zkoušky. Vyvstala tedy
otázka, z jakého důvodu slinutí nastalo. Během všech zkoušek byl pozorován zajímavý jev v záznamu teploty
fluidní vrstvy. Po vyhřátí vrstvy plynovým hořákem na cca 750°C bylo do vrstvy přivedeno palivo. Po jeho
vznícení se teplota vrstvy ustálila na hodnotách okolo 850°C, nicméně po krátké době začalo docházet ke
krátkodobým špičkám teploty až na hodnoty okolo 1150°C. Přitom byla pozorována jasná ložiska ve vrstvě,
zřejmě indikující lokální vznícení těch částí alternativního paliva, které vzhledem k nehomogenitě paliva
obsahovaly převažující podíl odpadního ropného materiálu. Nejpravděpodobnější možností se proto stala
hypotéza lokálního (globálně neměřitelného) nárůstu teploty vrstvy nad mez teploty tavitelnosti popelovin či
materiálu vrstvy. Ověření bylo provedeno pomocí laboratorního experimentu.
VYHODNOCENÍ CHOVÁNÍ ALTERNATIVNÍHO PALIVA ZA VYSOKÉ TEPLOTY
Experiment spočíval nejprve v provedení zkoušky řízené tepelné degradace vzorků obou alternativních paliv
s cílem sledovat známky tavení popelovin. Podstatou bylo vzorek nejprve řízeně zbavit prchavé hořlaviny tak, aby
nedošlo k jeho samovolnému vznícení. Tento krok představovalo zahřátí vzorku na 300°C a udržení této teploty
po dobu 3 hodin. Poté byl vzorek ve vzdušném prostředí řízeně zahříván postupně až na teplotu 1050°C tak, aby
byla spálena i veškerá fixní hořlavina. Při této teplotě byly poté vizuálně sledovány známky měknutí popelovin.
Zároveň byla provedena i hmotností bilance. Pro tuto zkoušku byly voleny vždy 3 vzorky od obou alternativních
paliv. Prvním byl homogenní vzorek (značeno C), druhým část původního vzorku obsahující převážně uhelnou
frakci (značeno B) a třetím vzorek s převažující frakcí odpadního materiálu (značeno A), celkem tedy 6 vzorků.
Tímto postupem byly vytvořeny vzorky popela, které byly poté podrobeny prvkové analýze pomocí rentgenové
fluorescenční spektroskopie. Příklad vzhledu materiálů po ukončení řízeného spalování je na obrázku 2.
/ 47 /
Brno 2011
Obr. 2 Fotografie vzorků alternativního paliva AF2 po ukončení zkoušky tepelné degradace.
Na fotografiích jsou zřejmé pevné hrudky, které vznikly po spálení části pocházející z odpadního materiálu,
zatímco ze spálení uhelné frakce vznikl jemný prášek. Žádný ze vzorků však nevykazoval známky natavování
popeloviny. K těmto šesti vzorkům bylo připojeno 5 dalších – oba původní materiály fluidní vrstvy a odebrané
vzorky slinuté vrstvy po všech třech provedených spalovacích zkouškách. Tyto dodatečné vzorky jsou značeny
takto:
-
SPAF1A: palivo AF1, materiál vrstvy keramzit
SPAF1B: palivo AF1, materiál vrstvy uhelný popel
SPAF2: palivo AF2, materiál vrstvy keramzit
Výsledky XRF analýzy jsou shrnuty v tabulce 2.
Tab. 2 Výsledky XRF prvkové analýzy, majoritní prvky; koncentrace prvků jsou v hm.% oxidu daného prvku
v nejvyšším oxidačním stupni; síra je uvedena jako síran a fosfor jako fosforečnan.
hm. %
uhelný popel
keramzit
AF1A
AF1B
AF1C
AF2A
AF2B
AF2C
SPAF1A
SPAF1B
SPAF2
Na
0,186
0,701
0,403
0,733
0,632
0,353
0,367
0,523
0,893
0,982
0,811
K
1,03
2,99
0,28
1,02
1,05
0,22
0,28
0,50
2,76
1,72
2,94
Ca
21,36
5,42
46,88
35,93
39,23
48,19
48,25
44,57
14,92
32,72
13,16
Mg
1,40
2,50
1,40
1,49
1,51
1,32
1,24
1,27
2,03
1,32
2,29
Si
32,45
44,34
22,84
28,48
25,35
21,75
19,79
21,72
43,40
32,64
41,12
Al
23,57
28,98
7,35
12,83
13,50
6,66
6,51
7,78
22,48
16,33
24,77
P
0,120
0,309
0,354
0,473
0,423
0,340
0,331
0,316
0,273
0,344
0,297
S
13,38
0,271
18,08
14,43
12,93
18,66
20,42
20,14
1,65
6,93
2,47
Fe
4,58
10,34
1,87
3,57
4,10
1,86
2,02
2,34
8,40
5,69
8,57
Především je nutné zmínit, že všechny vzorky, uvedené v tabulce (kromě keramzitu), prošly určitým tepelným
namáháním. U vzorků AF1A-C a AF2A-C se jedná o maximální teplotu 1050°C, u vzorku popela cca 850°C a u
vzorků SPAFXY je teplota neidentifikovatelná. Ve všech těchto případech to však znamená, že jejich složení je
do určité míry odlišné od složení popelovin, které byly obsaženy v původním palivu, a proto i dále vyhodnocená
kritéria jsou do jisté míry zatížena určitou chybou. Některé těkavé sloučeniny částečně přešly do plynné fáze a
odešly spolu se spalinami (např. chloridy některých alkalických kovů), u jiných došlo k tepelnému rozkladu a tím
ke změně hmotnostního podílu, typicky např. rozklad uhličitanů. Tyto údaje byly poté použity k výpočtu
charakteristických parametrů týkajících se vlastností popelů (popř. původních paliv) ve spalovacím procesu.
/ 48 /
Brno 2011
Těmito parametry jsou:
-
Teuneho číslo, určující oblast teploty tání popela [2]
koeficienty určující sklony k tvorbě strusky Rs a nánosů Rp [2]
výpočet teploty deformace a tečení popelovin podle [3]
VÝSLEDKY A DISKUSE
Hlavním výsledkem provedené zkoušky teplotní deformace bylo vizuální pozorování případných známek počátku
tavení popelovin. Nic takového však po ukončení zkoušky nebylo zjištěno, z čehož lze vzhledem k omezené
objektivitě takového pozorování usuzovat, že při teplotě 1050°C ještě k žádnému tavení popelovin takového
rozsahu, že by tím mohlo dojít k sintraci celé fluidní vrstvy v kotli, nedochází. To také podporuje hypotézu, že
k roztavení popelovin došlo vlivem výrazně vyšší teploty, která mohla být ve vrstvě vlivem nehomogenity paliva
lokálně dosažena. Hmotností bilance degradační zkoušky je shrnuta v grafu na obrázku 3.
70
63,7
64,5
300°C
1050°C
60
Úbytek hmotnosti (wt. %)
54,5
52,3
52
51,5
50
40
36,7
36,2
29,8
30
31,9
29,6
30
20
10
0
AF1A
AF1B
AF1C
AF2A
AF2B
AF2C
Obr. 3 Hmotnostní bilance zkoušky tepelné degradace vzorků alternativních paliv.
U výsledků bilance lze vysledovat skutečnost, že úbytek hmotnosti je při 300°C vždy nejvyšší u typu vzorku A, tj.
u vzorku, kdy byla odebrána samostatná část s velkým obsahem odpadního materiálu. U obou dalších vzorků B a
C je úbytek hmotnosti nižší. Nebyl přitom zjištěn výraznější rozdíl mezi oběma alternativními palivy. Úbytek
hmotnosti při teplotě 1050°C je logicky správný a je nižší u paliva AF2, neboť v tomto palivu je dle základního
rozboru vyšší obsah popela. Ten lze rovněž jednoduše určit odečtením těchto hodnot od 100 %. V průměru je
pak u vzorku AF1 obsah popela 40 % a u vzorku AF2 47 %, což relativně dobře odpovídá hodnotám zjištěným
hrubým rozborem v tabulce 1. Teoreticky by se hodnota úbytku hmotnosti u vzorků typu C měla pohybovat mezi
hodnotami zjištěnými pro vzorky A a B, tato skutečnost však bilancí zjištěna nebyla, je ovšem nutné dodat, že
typy vzorků byly rozlišovány pouze podle vizuálního hodnocení. Vyšší úbytek hmotnosti u vzorků typu A
podporuje předpoklad, že v souvislosti s pozorovanými problémy spékání popelovin ve fluidní vrstvě hraje
nehomogenita paliva důležitou roli. Výsledek této hmotnostní bilance naznačuje, že určité části paliva obsahují
vyšší podíl prchavé hořlaviny, než ostatní, a že se jedná o ty frakce, které obsahují vyšší podíl ropných složek,
pocházejících z odpadního materiálu. To zároveň podporuje úvahu, že tyto frakce skutečně mohou způsobit při
svém vznícení lokální výrazné zvýšení teploty a tím způsobit roztavení popelovin.
Vyhodnocení charakteristických parametrů je uvedeno v následujících dvou grafech na obrázku 4 a v tabulce 3.
/ 49 /
Brno 2011
3,5
1,2
Velmi silná
Velmi silná
3
1
2,5
2
0,8
Silná
Silná
0,6
1,5
Střední
0,4
1
Střední
0,2
0,5
Slabá
Slabá
0
0
AF1A
AF1B
AF1C
AF2A
AF2B
AF2C
AF1A
AF1B
AF1C
AF2A
AF2B
AF2C
Obr. 4 Vyhodnocení parametru tendence k tvorbě strusky Rs (vlevo) a k tvorbě úsad Rp (vpravo).
Tab. 3 Vyhodnocení Teuneho čísla a teplot deformace a tečení popela.
Vzorek
uhelný popel
keramzit
AF1A
AF1B
AF1C
AF2A
AF2B
AF2C
SPAF1A
SPAF1B
SPAF2
Teplota deformace DT (°C)
----1250
1229
1235
1253
1253
1246
-------
Teplota tečení FT (°C)
----1299
1313
1308
1297
1297
1302
-------
Te (-)
2,0
4,0
0,6
1,0
0,9
0,6
0,5
0,6
2,6
1,2
2,7
Je nutné zmínit, že ne pro všechny vzorky bylo možné určit všechny parametry. Důvod je ten, že parametry Rs a
Rp a teploty DT a FT se počítají na původní palivo, zatímco Teuneho číslo pro popel. Proto první čtyři jmenované
nemohly být určeny pro inertní materiály vrstvy a pro odebrané vzorky spečené vrstvy.
Z parametrů Rs a Rp je pro chování ve vrstvě důležitý především parametr tendence k tvorbě strusky. Ten se
pohybuje v oblasti „střední“ až „silný“. Výsledky v tabulce 3 jsou poněkud rozporuplné. Hodnoty Teuneho čísla,
které jsou u vzorků AF1X a AF2X v rozsahu 0,5 – 1 znamenají, že tavitelnost popelovin by se měla pohybovat
pod hodnotou 1200°C, zatímco výpočet teploty deformace poskytuje výsledky vyšší než 1200°C. U vyhodnocení
Teuneho čísla není určen druh závislosti mezi jeho hodnotou a teplotou tavitelnosti, existují pouze 3 diskrétní
hodnoty odpovídající třem teplotním úrovním. Není proto možné provést extrapolaci mimo uvedený rozsah, i když
po proložení regresní křivky uvedenými třemi body se jedná s hodnotou spolehlivosti 0,99 o lineární závislost.
Znalost závislosti by jinak byla velmi potřebná, neboť u všech vzorků paliva se hodnoty Te pohybují okolo 0,9 – 1,
přičemž podle literatury je nejnižší definovaná hodnota 2,5 odpovídající 1200°C. Pokud by bylo možné
předpokládat, že závislost je skutečně lineární, pak by hodnotě Te = 1 odpovídala teplota tavení přibližně
1040°C. To se nejeví jako příliš pravděpodobné, neboť, jak bylo zmíněno výše, u testovaných vzorků při teplotě
1050°C nebyly pozorovány žádné známky tavení popeloviny.
Velmi zajímavé je také vyhodnocení Teuneho čísla pro keramzit, popel, a spečené vzorky odebrané po
zkouškách. Keramzit vykazuje hodnotu Teuneho čísla 4,0, což by odpovídalo teplotě počátku tavení okolo 1300 –
1350°C a je možné tuto hodnotu považovat za reálnou. Pokud se však podíváme na vzorek popela coby inertní
náplně fluidní vrstvy, vykazuje hodnotu Te = 2, což by mělo odpovídat teplotě přibližně 1150°C. Typické hodnoty
tavitelnosti popelovin severočeských hnědých uhlí jsou však okolo 1200 – 1250°C. Hodnoty vypočítané pro
vzorky alternativního paliva by pak ukazovaly na teploty tavení ještě nižší, než je tomu u uhelného popela. To
však příliš nekoresponduje s hodnotami vypočtenými v tabulce 3. Určité srovnání poskytuje výše popsaná
zkouška tepelné degradace vzorků, kdy, jak již bylo zmíněno, při teplotě 1050°C nebyly pozorovány žádné
/ 50 /
Brno 2011
známky tavení popelovin. Tento závěr upřednostňuje výpočet teplot DT a FT podle [2]. Lze tedy přijmout závěr,
že teplotu počátku tavení popelovin u vzorků alternativního lze očekávat v oblasti okolo 1200°C.
ZÁVĚR
Provedené spalovací zkoušky ukázaly, že testovaná alternativní paliva vykazují intenzivní tavení popelovin,
nezávisle na podílu jednotlivých složek i použitého inertního materiálu fluidní vrstvy. Z dalších provedených testů
lze usuzovat, že tavitelnost popelovin těchto paliv se pohybuje okolo 1200°C. Za normálních okolností by tedy
pozorované problémy neměly nastat. Jako nejvíce pravděpodobná se tak jeví hypotéza, podpořená zjištěními
během spalovacích zkoušek, že klíčovým problémem je nehomogenita alternativního paliva, která způsobuje
akumulaci jedné z jeho složek (odpadní materiál ropného původu). Vznícení této frakce, která má velmi vysokou
výhřevnost (odhad okolo 30 MJ/kg) a převažující podíl prchavých složek, způsobí lokální nárůst teploty,
pravděpodobně podstatně výše, než je tepelná stabilita popelovin, odhadovaná na 1200°C. Využití fluidní vrstvy
se tedy pro toto palivo jeví jako velmi problematické a bude třeba hledat jiná řešení.
[1] DAGSVIK, J.K. et al (2002): Potential demand for alternative fuel vehicles, Transportation Research Part B
2002, Vol. 36, p. 361 – 384. ISSN 0191-2615
[2] TOMECZEK, J. (1994): Coal Combustion, Krieger Publishing Company. ISBN 0-89464-651-6
[3] KALTSCHMITT, M., HARTMANN, HOFBAUER, H. (2009): Energie aus Biomasse, Springer. ISBN 978-3540-85094-6
/ 51 /
Brno 2011
/ 52 /
Brno 2011
KOPYROLÝZA UHLÍ A BIOMASY
Lenka Jílková, Karel Ciahotný, Jaroslav Kusý, Jaroslav Káňa
VŠCHT Praha, FTOP, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, Technická 5, 166 28 Praha 6
e-mail: [email protected]
Příspěvek se zabývá kopyrolýzou směsí hnědého uhlí a řepkových pokrutin v různých poměrech za různých
teplot. Pyrolýza byla prováděna dvěma způsoby, a to na laboratorní aparatuře a na mikropyrolýzní jednotce.
Kapalné a plynné produkty z laboratorní pyrolýzy byly identifikovány metodou plynové chromatografie. Těkavé
produkty z mikropyrolýzy byly analyzovány plynovým chromatografem s hmotnostním detektorem. Obě metody
pyrolýzy byly porovnávány z hlediska složení jednotlivých produktů.
Klíčová slova: pyrolýza, kopyrolýza, uhlí, biomasa, řepkové pokrutiny
ÚVOD
V současné době je energie z uhlí i z biomasy získávána především spalováním. K získávání energeticky
významných produktů z uhlí a biomasy se dále využívá procesů zplyňování, zkapalňování, esterifikace
a fermentace.
Již v 19. století se pyrolýza využívala k výrobě olejů a parafínů [1]. K největšímu rozvoji pyrolýzy však došlo
v období druhé světové války, kdy byly v Německu pohonné hmoty získávány z uhlí, a to především využitím
tohoto procesu.
V posledních letech se vyvíjí převážně různé technologie pyrolýzy biomasy. Problémem je však vysoký podíl
vody a kyslíku, obsaženého v biomase, a její nízká měrná hmotnost. S tím souvisí vysoké náklady na dopravu,
skladování a úpravu suroviny před vlastním energetickým využitím. Jako optimální řešení se jeví kopyrolýza
biomasy s uhlím, při které se výhodně skloubí chemické složení obou materiálů a zvýší se produkce kapalných
produktů.
TEORETICKÁ ČÁST
Pyrolýza je fyzikálně - chemický děj, který probíhá za nepřístupu vzduchu a který je řazen k termickým procesům:
tzn., že na organický materiál působí teplota vyšší, než je mez jeho termické stability. Vlivem vysoké teploty
dochází k rozkladu materiálu na stabilní nízkomolekulární látky a tuhý zbytek [2].
Pyrolýza produkuje pevný pyrolýzní zbytek, který bývá označován jako koks nebo polokoks, kapalný produkt
(organické látky a voda), který vzniká ochlazením těkavých produktů a pyrolýzní plyn [3]. Pevný zbytek se
využívá jako palivo nebo jako adsorbent. Kapalný produkt lze rafinačně zpracovat a následně využívat jako
náhradu za automobilový benzín, motorovou naftu a letecký petrolej. Pyrolýzní plyn se v procesu používá
především k ohřevu pyrolýzního reaktoru. Dalším produktem je pyrogenetická voda, ze které se dají získat fenoly
a čpavek [4]. Maximum výtěžku žádaných kapalných produktů je zajištěno rychlou pyrolýzou a rychlým odvodem
produktů z reakčního prostoru [5]. Vlastnosti produktů jsou úzce spojeny s vlastnostmi pyrolyzovaného materiálu
a s podmínkami procesu [6]. S rostoucí teplotou pyrolýzy roste výtěžek prchavých látek a klesá výtěžek
polokoksu. Zároveň s rostoucí dobou zdržení dochází k sekundárním reakcím (termické krakování, polymerizace,
kondenzace), čímž klesá množství žádaných kapalných produktů [7], [8].
Tepelnému rozkladu podléhají nejsnáze látky, které ve svých molekulách obsahují síru, dusík a kyslík, čímž
dochází ke vzniku CO2, CO, NH3 a H2S, pyrolýzní vody a dalších produktů [3]. Při zahřívání materiálu dochází
při pyrolýze k typickým pochodům, které probíhají v určitých rozmezích teplot [9], [10]:
•
•
•
do 200 °C – odpaření vody, desorpce adsorbovaných plynů (především CO2, CH4, C2H6, N2, O2)
200 - 300 °C – začátek rozkladu organické hmoty (odštěpování prvních uhlovodíkových par, CO2, CO, H2S)
300 – 400 °C – intenzivní vývoj dehtových par (CH4 a vyšší uhlovodíky)
/ 53 /
•
•
Brno 2011
450 – 600 °C – další tepelný rozklad organických látek, vývin H2, tvoří se pyrolýzní uhlík, vznik polokoksu
600 – 1000 °C – konec vývinu dehtových látek, ukončení rozkladu zbylých organických látek na uhlík
a vodík (s rostoucí teplotou stoupá obsah H2 a klesá obsah CH4 v plynu), polokoks se mění na koks.
Během pyrolýzy dochází k velkému množství chemických reakcí, zejména k štěpení (vysokomolekulární látky se
štěpí na látky s nižší molekulovou hmotností), k polymeraci (nenasycené sloučeniny polymerují
na vysokomolekulární látky dehtovité povahy), ke kondenzaci a polykondenzaci (vznik vysokomolekulárních
látek), k cyklizaci (vznik cykloalkanů a aromátů), k izomeraci (změna struktury primárně vzniklých uhlovodíků),
k dehydrogenaci (vznik nenasycených uhlovodíků, popř. až na H2 a pyrolýzního uhlíku) a k hydrogenaci
(uvolněný vodík z dehydrogenace hydrogenuje nenasycené uhlovodíky na nasycené) [3].
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Směsi hnědého uhlí a biomasy, v různých poměrech, byly za srovnatelných podmínek pyrolyzovány
na laboratorní aparatuře. Pyrolýzy směsí, také v různých poměrech hnědé uhlí: biomasa, byly posléze prováděny
za různých teplot i v mikroměřítku na přístroji Pyroprobe 5200. Po stanovení výtěžků produktů byla následně
provedena jejich analýza.
Laboratorní aparatura
Laboratorní aparatura, na které byly prováděny pyrolýzní testy, se nacházela v laboratoři VÚHU Most (Obr. 1).
Obr. 1 Laboratorní aparatura umístěná v laboratoři Výzkumného ústavu pro hnědé uhlí v Mostě.
Vsázka (1 kg) byla nasypána do kovové retorty (200x165x74 mm, objem cca 2,45 l), ta byla umístěna
do elektricky vyhřívané pece. Retorta byla vyhřívána z teploty 25 °C na 650 °C teplotním gradientem 3,5 °C·min-1
s prodlevou jedné hodiny na konečné teplotě. Vyvíjené páry a aerosoly byly vedeny do nepřímého vodního
chladiče a následně do čtyř za sebou řazených odlučovačů, do kterých byl jímán kapalný kondenzát. Pyrolýzní
plyn byl odebírán do tedlarových vaků, a to při teplotě 510 °C v retortě, pro následnou analýzu metodou plynové
chromatografie. Přebytky plynu byly spalovány v plynovém hořáku. Po skončení pyrolýzy byl systém samovolně
ochlazen na laboratorní teplotu 25 °C. Po ukončení každého pyrolýzního testu byla provedena hmotnostní
bilance (množství plynu dopočítáno do 100 %) a analýza produktů.
Mikropyrolyzér Pyroprobe 5200
Směsi hnědého uhlí a řepkových pokrutin byly pyrolyzovány v mikroměřítku s použitím přístroje Pyroprobe 5200.
V tomto případě pyrolyzována pouze malá navážka vzorku (jednotky mg), která byla zahřívána velkým teplotním
gradientem 100 °C·s-1. Vzorek směsi byl umístěn v křemenné kapiláře a během ohřevu byl proplachován inertním
/ 54 /
Brno 2011
plynem, heliem. Uvolněné látky byly transportovány do plynového chromatografu. Tam byly rozděleny
na skleněné koloně (30 m, ø 25 mm) se zakotvenou stacionární fází PDMS a následně byly detekovány
hmotnostním detektorem. Po ukončení pyrolýzy byl zvážen pevný zbytek.
Pyrolyzovaný materiál
Surovinami pro pyrolýzy bylo hnědé uhlí z lomu ČSA a řepkové pokrutiny (výlisky semen z lisování řepkového
oleje), které byly poskytnuty společností Preol a.s., Lovosice.
Pro testy na laboratorní aparatuře byly použity směsi ve složení:
•
•
•
80 % hnědého uhlí a 20 % řepkových pokrutin
Pro mikropyrolýzy byly použity směsi od 100 do 0 % hnědého uhlí s odpovídajícím množstvím řepkových pokrutin
a krokem 10 %.
Základní vlastnosti použitého hnědého uhlí a řepkových pokrutin jsou uvedeny v následující tabulce (Tab. 1).
Tab. 1 Základní vlastnosti hnědého uhlí a řepkových pokrutin.
parametr
hnědé uhlí, ČSA
Wa [% hm.]
Aa [% hm.]
Std [% hm.]
Cd [% hm.]
Vd [% hm.]
Qsd [% hm.]
5,98
4,06
0,75
72,3
54,83
31,34
řepkové pokrutiny,
Preol, a.s.
6,31
6,36
0,68
49,12
78,11
21,99
VÝSLEDKY A DISKUZE
Hmotnostní bilance
Pyrolýza na laboratorní aparatuře
Po provedení pyrolýz na laboratorní aparatuře byla provedena hmotnostní bilance. Výsledky bilance jsou shrnuty
v následující Tab. 2.
Tab. 2 Hmotnostní bilance z pyrolýz provedených na laboratorní aparatuře.
[% hm.]
pevný zbytek
pyrolýzní voda
org. kondenzát
plyn + ztráty
80% U + 20% P 70% U + 30% P 60% U + 40% P
45,4
43,5
40,8
16,5
17,1
18,6
17,4
18,5
19,2
20,7
20,9
21,4
Z hmotnostní bilance vyplývá, že s rostoucím podílem biomasy v původním vzorku klesá výtěžek polokoksu.
Výtěžek kapalných produktů a pyrolýzních plynů naopak roste, což je způsobeno snadnějším rozkladem
řepkových pokrutin oproti hnědému uhlí.
/ 55 /
Brno 2011
Mikropyrolýza
Následující graf (Obr. 2) znázorňuje hmotnostní podíly pevných zbytků, které zůstaly po jednotlivých pyrolýzách
směsí hnědého uhlí (U) a řepkových pokrutin (P) v křemenné kapiláře.
Obr. 2 Pevné zbytky po jednotlivých pyrolýzách.
Z grafu (Obr. 2) je zřejmé, že výtěžek polokoksu klesá s klesajícím množstvím hnědého uhlí v pyrolyzovaném
vzorku. To vypovídá o skutečnosti, že pokrutiny podléhají rozkladným reakcím snadněji než hnědé uhlí
a poskytují tak více těkavých produktů. Zároveň klesá výtěžek pevného zbytku s rostoucí teplotou pyrolýzy, kdy
dochází k dalšímu rozkladu pyrolyzovaného materiálu.
Složení pyrolýzních plynů z laboratorní aparatury
Pyrolýzní plyny vyvíjené při pyrolýzách, prováděných na laboratorní aparatuře, byly analyzovány metodou
plynové chromatografie. Výsledky analýz jsou shrnuty v následující tabulce (Tab. 3).
Tab. 3 Složení pyrolýzních plynů.
[% obj.]
vodík
Kyslík
Dusík
methan
oxid uhelnatý
oxid uhličitý
uhlovodíky + amoniak
80% U + 20% P
22,72
< 0,01
0,86
36,41
9,73
20,07
10,21
70% U + 30% P
17,27
0,28
2,84
34,43
10,60
24,74
9,84
60% U + 40% P
16,95
<0,01
0,66
33,93
9,83
25,43
13,19
Z předchozí tabulky (Tab. 3) je zřejmé, že se pyrolýzní plyny skládají zejména z methanu, oxidu uhličitého
a z vodíku. Je patrné, že s rostoucím podílem řepkových pokrutin v původním vzorku roste obsah methanu
a oxidu uhličitého v odebíraném pyrolýzním plynu, a to na úkor vodíku.
Frakční rozdělení těkavých produktů z mikropyrolýz
Těkavé produkty z jednotlivých mikropyrolýz byly analyzovány metodou plynové chromatografie s hmotnostním
detektorem. Produkty byly rozděleny do frakcí, které svým destilačním rozmezím odpovídaly frakci plynů,
automobilového benzínu (BA), motorové nafty (NM), nebo frakci zbytku z atmosférické destilace ropy. Za frakci
plynů byly považovány produkty, které eluovaly před n-pentanem (b. v. 36 °C), který je za normálních podmínek
kapalný. Za předělovou mez mezi frakcí BA a NM byl vybrán n-undekan (b. v. 196 °C). Látky, které eluovaly
/ 56 /
Brno 2011
až za n-pentakontanem (b. v. 402 °C), byly zařazeny do frakce s destilačním rozmezím, které odpovídá zbytku
z atmosférické destilace ropy.
Podíly produktů, odpovídající svým destilačním rozmezím frakci plynů, jsou znázorněny v následujícím grafu
(Obr. 3).
Obr. 3 Obsah frakce odpovídající plynu.
Z grafu (Obr. 3) pro frakci odpovídající plynu vyplývá, že složení pyrolyzovaných směsí nemá na výtěžek plynné
frakce výrazný vliv. Je však patrné, že nejvyššího výtěžku plynů je dosahováno při teplotě pyrolýzy 400 °C.
S rostoucí teplotou se výtěžky ustalují na hodnotách okolo 20 – 25 % hm z celkového množství těkavého podílu.
V dalším grafu (Obr. 4) jsou znázorněny výtěžky frakce, která svým destilačním rozmezím odpovídá BA.
Obr. 4 Obsah frakce odpovídající automobilovému benzínu (BA).
Graf na Obr. 4 ukazuje, že při teplotách 400 °C a 500 °C roste výtěžek frakce odpovídající BA
až do pyrolyzovaného vzorku s 60 % hm. hnědého uhlí. Poté se výtěžek benzinové frakce ustaluje s rostoucím
podílem biomasy ve vzorku na hodnotě kolem 14 % hm. z těkavého podílu.
Následující graf (Obr. 5) znázorňuje, jak vysoké byly výtěžky frakce, která svým destilačním rozmezím odpovídá
motorové naftě (NM).
/ 57 /
Brno 2011
Obr. 5 Obsah frakce odpovídající motorové naftě (NM).
Výtěžek frakce, která odpovídá motorové naftě, výrazně narůstal s rostoucí teplotou pyrolýzy a zároveň rostl také
s klesajícím podílem hnědého uhlí v pyrolyzované směsi (při teplotách 600 °C a 700 °C jen mírně). Výtěžky
frakce odpovídající NM dosahovaly až k 50 % hm. z těkavého podílu.
Další graf (Obr. 6) ukazuje, jaké byly výtěžky frakce odpovídající zbytku z atmosférické destilace ropy.
Obr. 6 Obsah frakce odpovídající zbytku z atmosférické destilace ropy.
Z grafu (Obr. 6) je patrné, že výtěžek frakce, odpovídající destilačním rozmezím zbytku z atmosférické destilace
ropy, klesá s rostoucí podílem pokrutin v původním vzorku, což se nejvíce projevuje při teplotě 400 °C. Vliv
teploty se nijak výrazně neuplatňuje.
Porovnání pyrolýzy a mikropyrolýzy
Jednotlivé metody pyrolýz byly porovnávány dvěma způsoby. Nejprve dle obsahu frakcí v kondenzátech
z laboratorních pyrolýz a v těkavém podílu z mikropyrolýz, posléze bylo provedeno porovnání dle jednotlivých
látek, jež byly identifikovány jak v kondenzátech z pyrolýz, tak v těkavých podílech z mikropyrolýz. Pro porovnání
byly vybrány mikropyrolýzy při 600 °C, a to pro stejné směsi jako u laboratorních pyrolýz.
Porovnání pyrolýzy a mikropyrolýzy podle obsahu jednotlivých frakcí
Rozdělení těkavých podílů z mikropyrolýz bylo popsáno již výše. Stejným způsobem byly rozděleny i kondenzáty,
získané při laboratorních pyrolýzách. Porovnání obou metod pyrolýz dle výtěžků jednotlivých frakcí je ukázáno
v následujícím grafu (Obr. 7).
/ 58 /
Brno 2011
Obr. 7 Srovnání pyrolýzy a mikropyrolýzy na základě frakcí.
Graf na Obr. 7 dokládá, že výtěžky frakce odpovídající BA jsou ve všech třech případech vyšší pro laboratorní
pyrolýzu. Ten samý trend lze vysledovat i u frakce, která odpovídá zbytku z atmosférické destilace ropy. V tomto
případě navíc dochází ke zvyšování výtěžku s rostoucím podílem biomasy v původním vzorku. Těkavé podíly
z mikropyrolýz obsahovaly naopak vyšší podíl frakce, která svým destilačním rozmezím koresponduje s NM
(téměř 60 % hm.). Podíl této frakce klesal s množstvím pokrutin v pyrolyzované směsi jak u pyrolýzy, tak
u mikropyrolýzy.
Porovnání pyrolýzy a mikropyrolýzy podle obsahu vybraných látek
Grafy na Obr. 8 a Obr. 9 porovnávají jednotlivé metody pyrolýzy podle vybraných látek, které obsahovaly kapalné
kondenzáty z pyrolýzy i těkavé podíly z mikropyrolýzy.
Obr. 8 Výtěžky 2 – methylfenolu.
Obr. 9 Výtěžky heptadekanu.
Pro zhodnocení trendu byl jako zástupce aromatických sloučenin vybrán 2-methylfenol. Z Obr. 8 je patrné, že
vyšší výtěžek 2-methylfenolu vykazuje laboratorní pyrolýza, což potvrzuje vliv sekundárních reakcí, ke kterým
dochází kvůli delší době zdržení uvolňovaných látek v reaktoru a pomalejšímu ohřevu materiálu.
U alifatických látek je tomu právě naopak, jak dokládá graf (Obr. 9) pro heptadekan. Při mikropyrolýze patrně
nedochází k sekundárním reakcím v takové míře (rychlý ohřev materiálu a odvod uvolněných produktů nosným
plynem), což má za následek vyšší výtěžky primárně uvolňovaných alifatických uhlovodíků.
ZÁVĚR
Na laboratorním zařízení byly provedeny pyrolýzy a mikropyrolýzy směsí hnědého uhlí a řepkových pokrutin
v různých poměrech. Z hmotnostní bilance je patrný klesající výtěžek polokoksu s rostoucím podílem biomasy
v pyrolyzovaném vzorku z důvodu vyššího obsahu těkavých látek v pokrutinách (viz.Tab. 1). Výtěžky kapalných a
plynných produktů rostou s rostoucí teplotou pyrolýzy, kdy dochází k překročení meze termické stability dalších
součástí pyrolyzované hmoty, které se rozkládají na látky s nižší molekulovou hmotností.
/ 59 /
Brno 2011
Pyrolýzní plyny odebrané při laboratorních pyrolýzách obsahují především methan a vodík, jejichž podíl
s rostoucím množstvím pokrutin v pyrolyzovaném vzorku klesá, a oxid uhličitý s oxidem uhelnatým, jejichž podíl
s rostoucím podílem biomasy v pyrolyzovaném vzorku naopak roste.
Těkavé podíly z mikropyrolýzy obsahují rostoucí podíly frakcí odpovídající svým destilačním rozmezím
automobilovému benzínu a motorové naftě, a to jak s teplotou, tak s rostoucím podílem řepkových pokrutin
v pyrolyzovaném vzorku. Naopak u frakcí, které odpovídají plynům a zbytku z atmosférické destilace ropy, byl
s rostoucí teplotou a s rostoucím podílem biomasy v pyrolyzovaném vzorku zaznamenán trend klesající.
Z porovnání metod laboratorní pyrolýzy a mikropyrolýzy vyplývá, že podmínky procesu a sekundární reakce,
ke kterým dochází ve velké míře především u laboratorních pyrolýz, mají za následek vyšší produkci frakcí
odpovídající automobilovému benzínu a zbytku z atmosférické destilace ropy. Výtěžek frakce, která svým
destilačním rozmezím odpovídá motorové naftě, byl naopak vyšší u mikropyrolýz.
Srovnání obou metod pyrolýzy ukázalo na vyšší výtěžky aromatických látek v kondenzátu z laboratorních pyrolýz
a zároveň vyšší výtěžky alifatických látek v těkavých podílech u mikropyrolýzy, což je opět způsobeno
sekundárními reakcemi při pyrolýzách, které byly prováděny na laboratorní aparatuře.
[1]
JÍLEK J. Nízkotepelná karbonizace a tepelné zpracování hnědého uhlí, Praha SNTL, 1954.
ISBN 301-05-118
[2] BARGER A. (2008) Pyrolýza biomasy: bakalářská práce. Praha: VŠCHT Praha, 48 s.
[3] CIAHOTNÝ K., et al. Kopyrolýza hnědého uhlí a řepkových pokrutin, Aprochem 2011, 11. - 13. 4. 2011,
Kouty nad Desnou, sborník, 1. díl, 305-312
[4] CORNELISSEN T., et al. Flash co-pyrolysis of biomass: The influence of biopolymers. Journal of analytical
and applied Pyrolysis, 2009, 85, 87-97
[5] VENDERBOSCH R. H., PRINS W. Fast pyrolysis technology development, Biofuels, Bioproducts
& Biorefining, 2010, 6, 178-208
[6] GERHARTZ W. Ullman´s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th ed. Weinheim: VCH, 1986. Volume A7.
ISBN 3-527-20107-6
[7] CARRIER M., et al. Comparison of slow and v vacuum pyrolysis of sugar cae bagasse. Journal of analytical
and applied Pyrolysis, 2011, 90, 12-26
[8] CHEN Y., HE R. Fragmentation and diffusion model for coal pyrolysis. Journal of analytical ad applied
Pyrolysis, 2011, 90, 72-79
[9] RIEDL R., VESELÝ V. Technologie paliv. Praha: SNTL, 1962
[10] LANDA S. Paliva a jejich využití. Praha: SNTL, 1956
/ 60 /
Brno 2011
MATEMATICKÝ MODEL PRODUKCIE OXIDOV DUSÍKA PRI SPAĽOVANÍ DENDROMASY U
KOTLOV MALÝCH VÝKONOV
Marcel Koško
TU v Košiciach, Strojnícka fakulta, Katedra energetickej techniky, Vysokoškolská 4, 042 00 Košice
V príspevku je analyzovaný matematický model na stanovenie produkcie oxidov dusíka pri spaľovaní
dendromasy pre kotly malých výkonov. Matematický model je vypracovaný na základe teórie dimenzionálnej
analýzy a je založený na vybraných fyzikálnych veličinách, ktoré možno v prevádzke kotla kontinuálne merať.
Kľúčové slová: dimenzionálna analýza, matematický model, oxidy dusíka, spaľovanie, kotol, dendromasa
ÚVOD
V roštových a pyrolytických kúreniskách spaľovacích zariadení je proces spaľovania dendromasy sprevádzaný
produkciou nežiaducich sprievodných látok, emisií pozostávajúcich z tuhých znečisťujúcich látok (TZL), oxidu
uhoľnatého (CO), oxidov dusíka (NOx) a organických látok označovaných ako celkový organický uhlík (TOC) [4].
Oxidy dusíka sú do ovzdušia emitované prirodzenou cestou (a to najmä vulkanickou a bakteriologickou činnosťou
na Zemi a elektrickými výbojmi) a činnosťou človeka, spaľovaním palív za účelom výroby tepla a elektrickej
energie, a taktiež aj spaľovacími motormi dopravných prostriedkov. Plynné oxidy dusíka sú taktiež jedným
z významných znečisťovateľov ovzdušia z hľadiska kyslých dažďov a tvorby fotochemického smogu. Z plynných
emisií, ktoré sú produktom spaľovacích procesov, zaujímajú významné postavenie nasledujúce oxidy dusíka:
oxid dusný (N2O), oxid dusnatý (NO), oxid dusitý (N2O3), oxid dusičitý (NO2) a oxid dusičný (N2O5). Zo všetkých
oxidov dusíka sú najcharakteristickejšími znečisťujúcimi látkami NO a NO2, ktoré sú spravidla označované
ako NOx [1], [3], [5].
Dôvodom riešenia problematiky popisu produkcie oxidov dusíka je skutočnosť, že v súčasnosti existujúce modely
pri spaľovaní dendromasy sú postavené veľmi komplikovane a využívajú hlavne „chemizmus“ premeny dreva pri
jeho spaľovaní, bez uvažovania aj iných možných vplyvov. Preto sa aj v súčasnosti stále hľadajú možnosti
aplikácie nových metód a postupov na popis produkcie oxidov dusíka, i iných polutantov, pri spaľovaní
dendromasy. Vzhľadom na zložitosť exaktného popisu procesu tvorby oxidov dusíka, pri rôznych podmienkach jej
spaľovania, nie je možné vypracovať jeden všeobecne platný model, ktorý by túto produkciu popísal pre rôzne
typy kotlov, pre rôzne formy palív (kusové drevo, štiepka, piliny, brikety, pelety a pod.) a pre rôzne druhy dreva
(dub, buk, hrab, smrek, borovica, jedľa a pod.).
Cieľom príspevku je predstaviť matematický model produkcie oxidov dusíka vypracovaný na báze teórie
dimenzionálnej (rozmerovej) analýzy. Vytvorený model je založený na vybraných fyzikálnych veličinách, ktoré
možno počas prevádzky spaľovacieho zariadenia kontinuálne merať. V modeli je pozornosť venovaná hlavne
vplyvu prevádzkových parametrov na produkciu oxidov dusíka pri spaľovaní daného druhu dreva s konkrétnou
výhrevnosťou, čo je zohľadnené výkonom kotla, výhrevnosťou paliva atď.
Pri stavbe matematického modelu bola využitá už spomínaná dimenzionálna analýza (DA). Pokiaľ nie je
k dispozícii príslušná matematická formulácia skúmaného javu, je možné použiť dimenzionálnu analýzu pre
rozbor podmienok podobnosti. Použitie dimenzionálnej analýzy si vyžaduje predbežný rozbor podstaty
skúmaného javu. Pri jej aplikácii je najdôležitejšou fázou správny výber tých veličín, od ktorých sa predpokladá,
že vo významnej miere ovplyvňujú proces spaľovania dreva a teda aj produkciu oxidov dusíka. Vynechanie
niektorej zúčastnenej veličiny pri vyšetrovaní daného javy predstavuje závažnú chybu. Naopak, nie je chybou, ak
do hľadania matematickej závislosti pomocou DA zavedieme také veličiny, ktoré na skúmaný jav nemajú žiadny
vplyv, pretože z ďalšieho riešenia obvykle sami vypadnú. Pri hľadaní matematickej závislosti sa pracuje
s rozmermi veličín ovplyvňujúcimi daný proces, nie so samotnými veličinami. Až následne sa pretransformuje
výsledok rozmerov na zoskupenie samotných veličín do podoby kritérií podobnosti (bezrozmerových argumentov)
π [2].
/ 61 /
Brno 2011
TVORBA OXIDOV DUSÍKA PRI SPAĽOVANÍ DENDROMASY
Obsah dusíka v dreve je rôzny a závisí hlavne od druhu dreviny. Priemerná hodnota obsahu dusíka v dreve
ihličnatých drevín je cca N = 0,03 % a v dreve tvrdých listnatých drevín je to až N = 0,15 %. Priemerné
zastúpenie dusíka v kôre ihličnatých drevín je cca N = 0,40 % a v kôre listnatých drevín až N = 0,72 % [3], [5].
Oxidy dusíka sa v procese spaľovania vlhkého dreva a kôry v roštových kúreniskách tepelných agregátov tvoria
len cestou nízkoteplotnej oxidácie časti dusíka viazaného v palive. Ich produkcia je závislá od množstva dusíka
nachádzajúceho sa v palive a od podielu transformujúceho sa palivového dusíka v palive na emisie. Skutočnosť,
že obsah dusíka v dreve a kôre jednotlivých drevín nie je rovnaký, znamená, že nerovnaké budú i koncentrácie
oxidov dusíka v spalinách z týchto drevín [3].
Metodika aplikovaná pri tvorbe modelu na popis produkcie NOx zo spaľovania dendromasy, zahŕňa vzájomný
vzťah medzi dusíkom obsiahnutým v dreve a oxidmi dusíka v spalinách iba prostredníctvom teploty spalín na
výstupe z kotla. Predpokladá sa totiž, že táto teplota je v priamom súvise s teplotou v ohnisku, ktorej trvalé
meranie je v praktickej prevádzke pomerne problematické.
Pri samotnej tvorbe modelu nemusí byť typ dreviny a vplyv obsahu dusíka v tejto drevine zohľadnený priamo.
Tento vplyv sa premietne v modeli prostredníctvom nameraných hodnôt vybraných veličín, tvoriacich model,
in situ. Namerané oxidy dusíka odrážajú kvalitu i charakter príslušného spaľovacieho procesu, vplyv spaľovanej
dreviny s jej prislúchajúcim obsahom dusíka v dreve i kôre. Vplyv druhu spaľovaného dreva, a tým aj obsahu
dusíka v palive, na samotnú produkciu oxidov dusíka sa prejavuje iba v získaných konštantách A, B
v rovnici (9), ktoré vo vypracovanom modeli budú pre každý druh dreviny a jej výhrevnosť iné. Tieto konštanty je
nutné získať pre príslušný druh spaľovanej dendromasy z experimentu.
Vypracovaný matematický model na stanovenie produkcie oxidov dusíka má všeobecnú platnosť, ale konštanty
A a B, obsiahnuté v ňom, platia iba pre spaľované drevo s konkrétnou hodnotou obsahu dusíka v ňom a s jeho
aktuálnou výhrevnosťou. Preto pri spaľovaní inej dreviny, ako sa spaľovala počas garančných meraní
u analyzovaného kotla VERNER v tomto príspevku (suché bukové drevo o dĺžke polena 34 cm), je potrebné vo
vypracovanom modeli nanovo stanoviť konštanty A a B vyskytujúce sa v rovnici (9).
Matematický model bol vypracovaný pre kotol typu VERNER V210 o výkone 20 kW a bol overený aj pre kotol
obdobnej konštrukcie s nižším výkonom (VERNER V140 o výkone 14 kW). Tieto kotly od firmy VERNER (obr. 1)
sú teplovodné kotly na drevo a sú určené pre úsporné, komfortné a ekologicky šetrné vykurovanie rodinných
domov, bytových jednotiek prevádzok a obdobných objektov s tepelnou stratou do 20 kW (resp. do 14 kW).
Obidva kotly sú založené na princípe dvojstupňového spaľovania, pri ktorom dochádza k splyňovaniu paliva
s následným horením vznikajúcich plynov. Technické parametre oboch kotlov sú uvedené v tab. 1 [7].
Obr. 1 Kotol na kusové drevo VERNER V210 [7].
/ 62 /
Brno 2011
Tab. 1 Parametre kotlov VERNER [7].
KOTOL
V140
V210
Menovitý výkon (kW)
14
20
Účinnosť (%)
90
90
7 - 14
10 - 20
2-7
3 - 10
330
370
1230
1230
580
580
Hĺbka (mm)
825
925
Priemer odťahového hrdla spalín
(mm)
Objem prikladacej komory (l)
Spotreba paliva pri menovitom
výkone (kg·h-1)
160
160
55
75
Regulovateľnosť kontinuálnou
prevádzkou (kW)
Regulovateľnosť odstávkovou
prevádzkou (kW)
Celková hmotnosť (kg)
Výška (bez krytu dymovodu)
(mm)
Šírka (mm)
Vodný objem (l)
KOTOL
V140
V210
Minimálna teplota vratnej
vody do kotla (ºC)
55
55
Teplota spalín na výstupe (ºC)
150
155
Výhrevnosť (MJ·kg )
14,52
15,45
Hmotnostný prietok spalín
(kg·s-1)
0,01
0,015
Minimálny prevádzkový ťah
komína (Pa)
10
10
Emisná trieda kotla
3
3
Rozsah regulácie teploty
výstupnej vody (°C)
60 - 90
60 - 90
Záručné palivo (suché drevo)
priemer: do 15 cm,
dĺžka: do 35 cm
-1
Ostatné palivo
3,6 - 3,8
4,2 - 5,7
30
32
Maximálna hladina hluku
(dB)
drevné brikety,
piliny, suchá drevná
štiepka
55
55
MATEMATICKÝ MODEL POPISUJÚCI TVORBU OXIDOV DUSÍKA
Medzi relevantné veličiny ovplyvňujúce produkciu oxidov dusíka pri spaľovaní dreva na analyzovanom
spaľovacom zariadení boli na základe poznatkov z odbornej literatúry vybraté tie veličiny, ktoré proces
spaľovania sprevádzajú a sú u prevádzkovateľa daného zariadenia merateľné. Ide o nasledujúce veličiny, ktoré
pre aplikáciu dimenzionálnej analýzy musia byť vyjadrené v sústave základných jednotiek:
•
•
•
•
•
•
výkon kotla
množstvo spaľovacieho vzduchu
výhrevnosť paliva
teplota spalín na konci kotla
teplota spaľovacieho vzduchu
oxidy dusíka
Pk
Qvz
Qu
Tsk
Tvz
NOx
(W ≡ kg·m2·s-3),
(m3·s-1),
(J·kg-1 ≡ m2·s-2),
(K),
(K),
(kg·m-3).
V zmysle riešenia podľa DA [2] získavame dva komplexné bezrozmerové argumenty v tvare
Q vz ⋅ Q u ⋅ NO x
Pk
T
π 2 = sk
Tvz
π1 =
(1)
(2)
Všeobecný bezrozmerový popis funkcie vyjadrujúcej tvorbu oxidov dusíka pri spaľovaní dreva možno uviesť v tvare
ψ (π 1 , π 2 ) = 0
Bezrozmerový argument
argumentu π 2
(3)
π1
obsahuje veličinu NOx, preto tento argument možno vyjadriť ako funkciu
/ 63 /
Brno 2011
π 1 = φ (π 2 )
(4)
Funkcia (4) bude znázornená jednoparametrickou sústavou kriviek. Jej tvar sa určí tak, že sa vypočíta hodnota
π 2 z hodnôt získaných meraním (tab. 2) a zakreslí sa ako nezávisle premenná hodnota. Argument π 1 , a tým aj
NOx, sa následne zobrazí ako funkcia závisle premenná funkcie π 2 .
Konkrétne vyjadrenie rovnice (4) možno predpokladať napr. v tvare mocninovej funkcie
π 1 = A· π 2B
(1)
(5)
ktorú logaritmovaním pretransformujeme na rovnicu priamky
log π 1 = log A + B · log π 2
(6)
Výpočet lokujúcej konštanty A vo vzťahu (6), udávajúcej vzdialenosť priesečníka regresnej priamky na súradnici
π 1 od nuly, a regresného súčiniteľa B, udávajúceho smernicu regresnej priamky, možno uskutočniť na základe
metódy najmenších štvorcov a tiež priamo využitím programu Microsoft Excel.
VÝSLEDKY Z APLIKÁCIE VYPRACOVANÉHO MODELU
Pre účel stavby matematického modelu a jeho overenia boli firmou VERNER poskytnuté údaje o jednotlivých
fyzikálnych veličinách (tab. 2). Ide o priemerné hodnoty získané z kontinuálnych meraní pri dvoch prevádzkových
stavoch kotla. Dvakrát sa uskutočnilo meranie pri nominálnom výkone (cca 20 000 W); raz pri cca polovičnom
výkone. Merania realizovala externá firma (Strojírenský zkušební ústav, s.p. Brno).
Tab. 2 Namerané hodnoty príslušných veličín a vypočítané hodnoty NOx podľa vzťahu (10) pre kotol V210.
Pk
(W)
Qvz
(m3·s-1)
Qu
(J·kg-1)
Tsk
(K)
Tvz
(K)
NOx nam
(kg·m-3)
NOx vyp
(kg·m-3)
odchýlka
(%)
20050
0,0097
15450000
394,75
296,65
0,00024235
0,00022490
7,20
20010
0,0101
15450000
397,15
296,85
0,00020538
0,00022026
-7,24
10870
0,0057
15450000
365,15
296,85
0,00015814
0,00015890
-0,48
V tab. 3 sú uvedené vypočítané hodnoty bezrozmerových argumentov π 1 , π 2 podľa vzťahov (1) a (2) a z nich
sú určené logaritmy potrebné pre analytický postup výpočtu regresného súčiniteľa a lokujúcej konštanty.
Z nameraných hodnôt relevantných veličín možno zobraziť skutočný priebeh funkcie log π 1 = φ (log π 2 ) ako aj
priebeh závislosti samotných bezrozmerových argumentov priamo v logaritmických súradniciach.
Zo závislosti vyjadrenej v logaritmických súradniciach vyplýva priamo lokujúca konštanta A a regresný koeficient
B. Ich hodnoty sú A = 0,00063236, B = 3,4190.
Tab. 3 Hodnoty bezrozmerných argumentov pre lineárnu regresiu.
π2
π1
(1)
1,3307E+00
1,3379E+00
1,2301E+00
(1)
1,8089E-03
1,5952E-03
1,2775E-03
log π1
(1)
-2,7424
-2,7972
-2,8936
-8,4332
∑y
log π2
(1)
0,1241
0,1264
0,0899
0,3404
∑x
/ 64 /
log π1 · log π2
(1)
-0,3403
-0,3536
-0,2602
-0,9541
∑x · y
log2π2
(1)
0,0154
0,0160
0,0081
0,0395
∑x2
Brno 2011
Takto stanovené konštanty vo vypracovanom modeli platia iba pre spaľovanie suchého bukového dreva
s výhrevnosťou 15,45 MJ·kg-1. V prípade spaľovania dreva s inou výhrevnosťou by boli počas meraní získané iné
hodnoty jednotlivých veličín vystupujúcich v modeli. Získali by sa aj iné hodnoty bezrozmerových argumentov π 1 a
π 2 a produkciu oxidov dusíka by popisoval vzťah (9), v ktorom by bola podchytená zmena druhu spaľovaného
paliva i produkcia oxidov dusíka prostredníctvom nových hodnôt lokujúcej konštanty A i regresného súčiniteľa B.
Ak sa nezrealizuje experiment za účelom získania nových konštánt A a B pri spaľovaní iného druhu či kvality
dreva, ale použijú sa ich pôvodné hodnoty, je treba očakávať významnejšiu odchýlku vo vyjadrení NOx podľa
vpracovaného modelu, ako je tomu v skutočnosti. Aj takýto prípad aplikácie modelu bude v článku analyzovaný.
Na základe vzťahu (5) možno pre analyzovaný kotol popísať tvorbu oxidov dusíka pri spaľovaní dreva modelom
vytvoreným pomocou rozmerovej analýzy závislosťou relevantných rozmerových veličín nasledovne
T 
Qvz ⋅ Qu ⋅ NOx
= A·  sk 
Pk
 Tvz 
B
(1)
(7)
Funkčná závislosť produkcie NOx na vybraných veličinách vyjadrená zo vzťahu (7) bude v tvare
NO x = A ⋅ Pk ⋅TskB ⋅ Q vz-1 ⋅ Qu-1 ⋅ Tvz− B
(kg·m-3)
(8)
Doplnením konkrétnych hodnôt regresného súčiniteľa a lokujúcej konštanty do výrazu (8) získame
 Pk   Tsk
 ⋅ 
NO x = 63236 ⋅ 10 ⋅ 
 Q vz ⋅ Qu   Tvz
resp.
−8
m
 Pk   Tsk 
 ⋅  
NOx = C ⋅ 
 Qvz ⋅ Qu   Tvz 



3,4190
(kg·m-3) (9)
n
(kg·m-3)
(10)
kde jednotlivé konštanty predstavujú hodnoty C = 63236·10-8, m = 1,0, n = 3,4190.
Vzťah (10) predstavuje matematický model produkcie NOx pri spaľovaní dreva u kotlov malých výkonov
rovnakej, príp. geometricky podobnej, konštrukcie s konštrukciou kotlov firmy VERNER.
OVERENIE VYPRACOVANÉHO MATEMATICKÉHO MODELU PRE KOTOL VERNER V140
Vypracovaný model produkcie oxidov dusíka bol overovaný aj pre kotol nižšieho výkonu - typ VERNER V140. Aj
pri tomto kotle boli získané stredné hodnoty nameraných veličín potrebných do vzťahu (10) pri dvoch menovitých
výkonoch a pri zhruba polovičnom výkone kotla od spoločnosti Strojírenský zkušební ústav, s. p. Brno. Overenie
modelu prebiehalo prakticky dosadením jednotlivých veličín platných pre kotol V140 do vzťahu (10) pri dodržaní
rovnakých hodnôt konštánt C, m, n ako v prípade kotla V210. Namerané a vypočítané hodnoty oxidov dusíka
pre kotol s nižším výkonom sú v tab. 4.
Tab. 4 Namerané hodnoty príslušných veličín a vypočítané hodnoty NOx podľa vzťahu (10) pre kotol V140.
Pk
(W)
13210
13530
6930
Qvz
(m3·s-1)
0,0065
0,0067
0,0038
Qu
(J·kg-1)
14520000
14520000
14520000
Tsk
(K)
384,45
386,55
376,25
Tvz
(K)
295,55
297,25
298,15
/ 65 /
NOx nam
(kg·m-3)
0,0002115
0,0002074
3
0,0001930
6
NOx vyp
(kg·m-3)
0,0002183
0,0002157
7
0,0001780
2
odchýlka
(%)
-3,21
-4,02
7,79
Brno 2011
Rozdiel medzi nameranými a vypočítanými hodnotami podľa uvedeného vzťahu pre kotol VERNER V210 (tab. 4)
možno zdôvodniť tým, že pri výbere relevantných veličín sa s určitosťou nezohľadnili všetky vplyvy, od ktorých
oxidy dusíka pri spaľovaní dreva závisia. Priorita pri stavbe modelu však bola zameraná na veličiny jednoducho
merateľné, preto je odôvodnené očakávať významnejšiu odchýlku medzi nameranými veličinami oxidov dusíka
a vypočítanými podľa vypracovaného vzťahu (10).
Experiment použiť rovnaký model na stanovenie NOx pre kotol s nižším výkonom ukázal, že model použiť možno.
Odchýlka vo výsledkoch u kotla V140 je dokonca menšia, ako u kotla s výkonom vyšším (V210). Je však treba
poznamenať, že u spaľovaného dreva v kotle V140 nebol známy dôvod zníženej výhrevnosti rovnakého typu
spaľovaného dreva (obsah dusíka v dreve, nepomer spaľovanej kôry a samotnej drevnej časti, iná vlhkosť dreva,
drevo z inej lokality, a pod.), preto nemožno kvalifikovane zdôvodniť priaznivý výsledok v získaných hodnotách
oxidov dusíka pomocou modelu v prípade kotla s nižším výkonom. Očakávalo sa však, že odchýlka vo výsledku
bude pre tento kotol väčšia, ako je to v prípade kotla s vyšším výkonom, pre ktorý bol model vypracovaný.
ZÁVER
Základným predpokladom pre aplikáciu tohto modelu na stanovenie aktuálnej hodnoty NOx je poznanie
aktuálnych hodnôt všetkých veličín vystupujúcich v matematickom modeli pre daný typ kotla. Model môže slúžiť
na kontrolu spaľovacieho procesu online, príp. orientačne pre užívateľa kotla. Vypracovaný matematický model
pomocou dimenzionálnej analýzy potvrdil možnosť využitia tejto metódy na stanovenie hodnoty produkovaných
oxidov dusíka pri spaľovaní dreva v zariadeniach malých výkonov. Z tab. 2 a 4 vyplýva, že odchýlka v stanovení
produkcie oxidov dusíka z priamych meraní na kotle V210 a pomocou matematického modelu sa pohybuje v
rozmedzí od -7,24 % do 7,20 % a na kotle V140 od -4,02 % do 7,79 %. Zistené odchýlky medzi nameranými
a vypočítanými hodnotami je možné zdôvodniť aj tým, že pri výbere relevantných veličín ovplyvňujúcich proces
spaľovania dreva sa s určitosťou nezohľadnili všetky vplyvy, od ktorých tvorba NOx závisí.
Nevyhnutnosťou pri stavbe matematického modelu využívajúceho dimenzionálnu analýzu je dôkladne poznať
fyzikálnu podstatu skúmaného javu a zohľadniť v ňom všetky relevantné veličiny, od ktorých daný jav závisí. Pri
spaľovaní dreva by mala byť medzi relevantné veličiny zaradená, okrem teploty spalín na konci kotla, napr. aj
teplota plameňa. Trvalé meranie teploty plameňa v zóne spaľovania je však v praktickej prevádzke problematické,
preto sa upustilo od zaradenia tejto relevantnej veličiny do vytvárania matematického modelu. Predpokladalo sa, že
táto teplota súvisí s konečnou teplotou spalín. Nezaradenie teploty plameňa medzi relevantné veličiny je istou
chybou pri popise produkcie oxidov dusíka a v zásadnej miere sa tento nedostatok podieľa na zistenej odchýlke
produkovaných oxidov dusíka podľa vypracovaného modelu, vzťah (10), a z priameho merania.
Príspevok vznikol v rámci riešenia čiastkového problému grantového projektu VEGA č.1/0006/11 a KEGA 045-015TUKE4/2010.
[1] BRANC, M. - BOJKO, M.: A definition of the mathematical model of combustion process in the stove.
Journal of Applied Science in the Thermodynamics and Fluid Mechanics, 2009, Vol. 3, No. 1/2009, s. 1-5,
ISSN 1802-9388.
[2] ČARNOGURSKÁ, M. (2000): Základy matematického a fyzikálneho modelovania v mechanike tekutín a
termodynamike. Vienala, Košice, 176 s. ISBN 80-7099-344-8.
[3] DZURENDA, L. (2005): Spaľovanie dreva a kôry: Príručka. Vydavateľstvo TU vo Zvolene, Zvolen, 124 s.
ISBN 80-228-1555-1.
[4] JANDAČKA, J. (2008): Ekologické aspekty zámeny fosílnych palív za biomasu. Jozef Bulejčík, Žilina, 226 s.
ISBN 978-80-969595-5-6.
[5] KOŠKO, M. Oxidy dusíka vznikajúce pri spaľovaní dendromasy. In Plynár-Vodár-Kúrenár+Klimatizácia,
2011, roč. 9, č. 3, s. 18-21, ISSN 1335-9614.
[6] NOSEK, R. - JURKECHOVÁ, J. - PAPUČÍK, Š. - JANDAČKA, J.: Influence of fuel supply to in small
capacity boiler on efficiency and pollutant emissions, Experimental Fluid Mechanics 2010, Liberec 2426.11.2010, str. 458-463, ISBN 978-80-7372-670-6.
/ 66 /
Brno 2011
[7] VERNER a. s. Kotly na kusové dřevo. Firemný materiál. [cit. 2011-10-10]. Dostupné na internete:
<http://www.kotle-verner.cz/produkty/kotle-na-kusove-drevo>.
/ 67 /
Brno 2011
/ 68 /
Brno 2011
ABSORPČNÍ CYKLY
Petr Kracík, Jiří Pospíšil, Ladislav Šnajdárek
VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Technická 2896/2, 616 69 Brno
Požadavky lidí na jejich komfort se rok od roku stupňují a tím vzrůstají i jejich energetické nároky. Ale
zásoby nerostných surovin se tenčí a jejich vzrůstající cena již řadu let tlačí na jejich efektivní transformaci.
Z energetikova pohledu lidé využívají hlavně tři druhy energií. A to elektřinu, teplo a v poslední době se
vzrůstající tendencí i chlad, jehož problematikou se bude zabývat následující článek.
Klíčová slova: chlad, absorpční cyklus, kompresorový cyklus, skrápěné výměníky
CHLAD A JEHO VÝROBA
Chlad je nepostradatelnou součástí v potravinářském, chemickém i strojírenském průmyslu a v poslední době se
dynamicky rozvíjí jeho spotřeba při zvyšování pohody prostředí nejen v nákupních centrech, kancelářských
budovách ale hlavně v domácnostech.
Chlad se dnes převážně vyrábí pomocí kompresorových chladicích zařízení, která mají vysokou spotřebu
elektrické energie. Jejich reálnou alternativou je absorpční cyklus. Rozdíl mezi těmito technologiemi výroby je
uveden na následujících dvou obrázcích.
Obr. 1 Schéma kompresorového chladícího zařízení.
V kompresorovém chladicím zařízení je teplonosnou látkou chladivo, které obíhá v uzavřeném cyklu. Chladivo
proudící z kondenzátoru expanduje za expanzním ventilem ve výparníku. Latentní teplo potřebné pro vypařování
je odebíráno ochlazované látce. Parní směs je dále stlačována v kompresoru, který dodává energii do cyklu.
Vlivem ochlazování při vyšším tlaku začne parní směs kondenzovat a vzniklý kondenzát opět teče do expanzního
ventilu, čím je cyklus uzavřen.
U absorpční jednotky je energie dodávána do cyklu v podobě tepla buď přímým spalováním paliva v absorpční
jednotce (nejčastěji realizováno plynovými hořáky) nebo nepřímo z libovolné teplonosné látky o vhodné teplotě
(vodou či parou), jak je patrné z Obr. 2 viz níže. Parní směs proudící z výparníku, kde je teplo odnímáno
ochlazované látce, jde do absorbéru, kde je absorbována do kapalné absorpční látky (absorbentu) při současném
uvolnění absorpčního tepla. Směs absorbentu a chladiva je dále stlačována čerpadlem a dopravována
do desorbéru, kde je dodávána již výše zmíněná tepelná energie do cyklu. Zvyšováním teploty dochází
k vypařování chladiva, která následně proudí do kondenzátoru. Z desorbéru odchází absorpční látka prosta
chladiva z vysokotlaké části cyklu přes redukční ventil zpět do nízkotlaké části, tedy do absorbéru. Chladivo
/ 69 /
Brno 2011
v kondenzátoru kondenzuje při vhodném odvodu tepla z cyklu a kondenzát odchází přes redukční ventil
do výparníku, kde se po prudkém snížení tlaku začne vypařovat. Latentní teplo potřebné k vypařování je
odnímáno opět ochlazované látce, čímž je celý cyklus uzavřen
Obr. 2 Schéma absorpčního cyklu.
Při výběru vhodných látek využitelných v absorpčních obězích hraje hlavní roli dobrá rozpustnost chladiva
v absorpční látce. Dalším kritériem při výběru jsou tepelné stavy, při kterých látky prochází fázovou přeměnou,
na čemž celý cyklus stojí. Těmto kritériím vyhovují nejlépe kombinace látek (chladivo / absorbér) H2O / LiBr
(bromid lithný), H2O / NaOH (hydroxid sodný), H2O / LiCl (chlorid lithný) či NH3 (amoniak, resp. triviální název je
čpavek) / H2O. V současných instalacích se převážně používá dvojice H2O / LiBr. Jelikož je voda v této kombinaci
chladivem, vyplývají z ní omezené pracovní teploty využití, které musí být nad bodem mrazu, tedy větší než 0°C.
Bromid lithný je sůl získávaná z mořské vody. Je tedy netoxická a šetrná k životnímu prostředí, ale v kombinaci
s kyslíkem má vysoké korozivní účinky na ocel.
Když porovnáme závislost spotřeby elektrické energie obou cyklů, je zřejmá výhodnost absorpčního cyklu, neboť
má jen přibližně pětinovou spotřebu elektrické energie. Jeho nevýhodou jsou větší rozměry, resp. hmotnost a
vyšší pořizovací cena, která je vyvážena delší dobou životnosti, protože jedinou rotační částí je čerpadlo, na které
se při pořizování nekladou žádné zvláštní nároky, oproti kompresoru v kompresorovém chladicím zařízení.
Investice jsou tedy do absorpčního oběhu větší, ale provozní náklady jsou nižší. Proto je doba návratnosti
u absorpčního oběhu přibližně srovnatelná s dobou návratnosti u kompresorového chladícího zařízení.
KOGENERACE NEBO TRIGENERACE?
Společná výroba tepla a elektřiny neboli kogenerace přináší výhody v podobě úspory primárního paliva a
centralizaci resp. snížení škodlivin, oproti oddělené výrobě tepla či elektřiny tím, že teplo, které již není efektivní
expandovat na turbíně při výrobě elektřiny, je dále využíváno pro technické potřeby energetického zařízení
(například pro regeneraci tepla, pro chemickou úpravu vody, pro parní napáječky apod.) nebo dodáváno dalšímu
spotřebiteli čímž je zvyšována efektivnost parního oběhu v elektrárně.
Při pohledu na spotřební diagram tepla je zřejmé, že v průběhu roku je spotřeba nejvyšší v období zimy a nejnižší
v období léta a v případě elektřiny není tento rozdíl tak markantní vlivem využívání klimatizací v letním období.
Pro technická zařízení by ale byl optimální konstantní průběh výroby po celý rok a to nejen z ekonomického
hlediska. Stabilní výkon zařízení vede k prodloužení jeho životnosti a spolehlivosti.
/ 70 /
Brno 2011
Jednou z možností, jak využívat teplo z teplárenských celků ve větším objemu i v letním období, je výroba
chladu. Společná výroba elektřiny, tepla a chladu se nazývá trigenerace a tepelné toky jsou zřejmé
z následujícího obrázku.
Obr. 3 Energetické toky v trigenerační jednotce.
Podle umístění absorpční jednotky a dodávky chladu lze dělit systémy na centralizovanou výrobu chladu a
decentralizovanou výrobu chladu. V případě centralizované výroby chladu a jeho dálkového zásobování je
absorpční jednotka umístěna přímo u zdroje tepla a chlad je rozváděn vlastním potrubím k zákazníkům. Jako
teplonosná látka se převážně využívá voda. Tento způsob se sice ve světě rozšiřuje, ale nese sebou velké
investiční náklady na rozvody chladu. Potrubí nemusí být v zemi nijak speciálně izolováno, jelikož v nezámrzné
hloubce je malý teplotní spád mezi ochlazenou vodou a okolím trubky, ale v přebírací stanici u zákazníka musí
být zaručeno nízké tepelné ovlivnění.
V případě decentralizované výroby chladu je chlad vyráběn u zákazníka, přičemž teplo je přiváděno stávajícím
systém centrálního zásobování teplem (CZT). Zde jsou úspory na rozvodu tepla patrné. Ale vlivem tepelných
ztrát v potrubí na cestě k zákazníkovi je snížen možný tepelný spád v absorpční jednotce.
EXPERIMENTÁLNÍ ATMOSFERICKÝ SKRÁPĚNÝ TRUBKOVÝ VÝMĚNÍK
Jednou z hlavních komponent absorpčních oběhů je výměník zajišťující optimální přestup tepla. Touto
problematikou se již řadu let zabývá náš Odbor energetického inženýrství. První vzniklé experimentální zařízení
pracuje při atmosférickém tlaku a uvažuje různé rozteče a typy povrchů trubek výměníku.
/ 71 /
Brno 2011
Obr. 4 Experimentální atmosferický trubkový výměník.
Trubkový svazek (poz. 2 na Obr. 4) upevněný na rámu (poz. 1) může být tvořen až 20 ti trubkami uspořádanými
nad sebou v zákrytu, u nichž lze nastavit rozteč trubek s krokem 5 mm a to v rozsahu 15 až 35 mm. Průtok
v chladicí smyčce (v trubkovém svazku) může být udržován čerpadlem až ve výši 300 l/h. Skrápěná kapalina je
rozváděna čerpadlem nad trubkový svazek pomocí rozváděcí trubky, která má v sobě otvory o průměru 1,5 mm
s roztečí děr 10 mm po celé délce.
Experimentální zařízení je vybaveno čtyřmi termočlánky, které měří teploty na vstupu a výstupu skrápěné i
skrápějící kapaliny. Průtok je měřen dvěma způsoby. Okamžitý průtok je sledován průtokoměrem na poz. 3 a
celkový průtok je sledován vodoměrem (poz. 4). Průtokovým ohřívačem (poz. 5) je ohřívána skrápěcí kapalina,
kterou zachytává žlab (poz. 6). Zkrápěná kapalina je brána z vodovodního řádu.
Samotný trubkový svazek tvoří měděné trubky o průměru 12 mm s různými povrchovými úpravami. Pro tento
stend byly použity: hladké, pískované a žebrované trubky.
Obr. 5 Povrchy použitých trubek [3].
Ve skrápěném výměníku obecně nastávají 3 druhy režimů a to: I. kapkový, II. sloupcový, III. blánový viz. Obr. 6.
Obr. 6 Režimy při skrápění [4].
/ 72 /
Brno 2011
Na charakter zkrápění mají hlavní vliv dvě fyzikální vlastnosti a to povrchové napětí a viskozita. Pro optimální
zkrápění trubek je nutná nižší viskozita. Toto je docíleno různými rozpustnými přísadami (např. vyšší alkoholy).
Cílem je docílit optimálního nastavení průtoku, rozteče a tvaru trubek pro vytvoření kapkovo-sloupcového režimu.
Součinitel přestupu tepla byl počítán pomocí dvou metod. Při první metodě byl využit Dittova-Boelova vztah, kde
fyzikální vlastnosti byly odečteny pro průměrnou teplotu v chladicí smyčce. Ve druhé metodě byl využit Jakoby –
Hu, kde fyzikální vlastnosti byly vztaženy ke vstupní teplotě skrápěné kapaliny. Na následujícím obrázku jsou
srovnány obě varianty pro dvě rozteče.
Obr. 7 Součinitele přestupu tepla [3].
EXPERIMENTÁLNÍ PODTLAKOVÝ SKRÁPĚNÝ TRUBKOVÝ VÝMĚNÍK
Na výzkum přestupu tepla na skrápěném trubkové svazku při atmosférickém tlaku plynule navazuje vývoj
trubkového svazku umístěného v nádobě, ve které je vývěvou skrze ejektor tvořen podtlak. V komoře může být
simulován var i kondenzace na skrápěném trubkovém svazku. Na Obr. 8 je schéma v současné době
montovaného podtlakového stendu.
Obr. 8 Schéma podtlakového stendu.
Komora podtlakového stendu je válcová nádoba s třemi průzory, v níž je umístěn trubkový svazek. Na komoru
jsou napojeny tři uzavřené smyčky. Dvě smyčky jsou navržené pro přetlak až 1,0 MPa a slouží pro dopravu
chladicí/topné kapaliny. Třetí smyčka slouží pro dopravu skrápěcí kapaliny. Každá smyčka je osazena
/ 73 /
Brno 2011
čerpadlem, regulačním ventilem, měřičem průtoku a deskovým výměníkem. Deskový výměník je možné napojit
na boiler s horkou vodou pro ohřev kapaliny, nebo vodovodní řád v případě ochlazování. Přetlakové smyčky jsou
navíc osazeny expanzními nádobami, které slouží pro vyrovnání dovolených tlakových diferencí, a pro případ
nepřípustného navýšení tlaku slouží pojistný ventil, který část média může upustit. Pro vizuální kontrolu jsou
smyčky také osazeny manometrem a teploměrem.
Teplotní stavy v jednotlivých smyčkách jsou měřeny termočlánky na vstupu resp. výstupu médií z nádoby a
pro bližší přiblížení rozvrstvení tepla v trubkovém svazku jsou umístěny čtyři termočlánky po dvou v každé
smyčce. Montážní plech trubkových svazků je rozdělen na dvě poloviny, kde v každé polovině jsou vrtány rozteče
rozdílně pro velkou variabilitu uspořádání. Trubkový svazek je složen z měděných trubek o průměru 12 mm a
ve skrápěcí trubce jsou otvory o průměru 1,0 mm s roztečí 9,2 mm na délce 940 mm.
Pro měření podtlaku slouží tři vakuometry. První je určen pro vizuální kontrolu a je rtuťový, druhý digitální měří
v celém požadovaném spektru podtlaku, ale při velmi nízkých tlacích je značně nepřesný. Pro měření tohoto
nízkého spektra (pod 20kPa absolutního tlaku) slouží třetí digitální vakuometr.
Na obrázku Obr. 9 je ukázka sestavy modelu podtlakového stendu a fotografie již realizovaných částí.
Obr. 9 Stav realizace podtlakového stendu a jeho počítačový model.
ZÁVĚR
Absorpční cykly jsou stále méně využívané kvůli větší pořizovací ceně, ale jejich produkce stále strměji roste.
Na požadavky průmyslu ohledně výzkumu v této oblasti pružně již řadu let reaguje Odbor energetického
inženýrství fakulty Strojního inženýrství na VUT v Brně. V současné době se zkoumá součinitel přestupu tepla
při atmosférickém tlaku na povrchu skrápěných trubek a vlivy, které ho ovlivňují. Jako například povrch
zkrápěných trubek, velikost kapek, vodné příměsi ve skrápějící vodě atd. Na současný výzkum navazuje
/ 74 /
Brno 2011
realizace podtlakového stendu, který Vám snad budeme moci představit i s prvními naměřenými výsledky
na další konferenci.
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za finanční podpory GA ČR v rámci řešen projektu č. P10/10/1669.
[1] Osterreicher D., Pol O., Concerto Inititiative and Polygeneration, Proceedings of the 1st European
Conference on Polygeneration, Vol.1, No.1, pp. 39-54., 2007
[2] Petchers, Neil, Combined heating, cooling & power handbook, Lilburn: The Fairmont Press, Inc. 2003
[3] Fortelný, Z.; Chroboczek, L.; Pospíšil, J.; Škvařil, J. Přestup tepla ve svazkovém výměníku. In ERIN 2010.
2010. s. 1-8. ISBN: 978-80-7043-866-4.
[4] JACOBI, A. M., HU, X.: The Intertube Falling-Film Modes: Transition, Hysteresis, and Effects on Heat
Transfer, Urbana, IL 61801, (217) 333-3115, 1995
[5] Minciuc E., Corre O., Athanasovici V., Tazerout M., Fuel saving and CO2 emissions for tri-generation
systems, Applied Thermal Engineering 23, pp. 1333-1346, 2003
/ 75 /
Brno 2011
/ 76 /
Brno 2011
PELETOVANIE TRÁVNATÉHO ODPADU
Ing. Peter Križan, PhD.; Ing. Miloš Matúš
Ústav výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality, Strojnícka fakulta STU Bratislava;
Nám. Slobody 17, 81231 Bratislava
Cieľom príspevku je opísať experimenty zhutňovania trávnatého odpadu – seno, a potvrdiť vhodnosť použitia
tohto typu materiálu pre získavanie energie. Rapídne sa znižujú množstvá drevných odpadov pre energetické
využívanie a preto je potrebné nájsť náhradu, teda materiály s veľmi podobnou energetickou hodnotou. Máme
veľmi veľké možnosti začať výraznejšie využívať materiály, ktoré sa spoločne nazývajú fytomasa. V tomto
príspevku je opísaná fáza úpravy sena pred zhutňovaním, samotné skúšky zhutňovania a výsledky testovania
výliskov z pohľadu mechanických ukazovateľov kvality výliskov (hustota výliskov, pevnosť výliskov, oter výliskov,
tvrdosť výliskov).
Kľúčové slová: fytomasa, seno, pelety zo sena, hustota výliskov, oter výliskov, pevnosť výliskov
ÚVOD
Trávnatý odpad – seno, sa ako zdroj energie využíva vo viacerých krajinách. Budovanie kotolní na túto fytomasu
vo vyspelých krajinách bolo a je podporované z dôvodov životného prostredia a aj preto, že je to ekonomicky
zaujímavé a takéto riešenie bioenergetiky poskytuje dodatočný zdroj príjmov. Trvalý trávnatý porast ako odpad je
možné energeticky zhodnotiť niekoľkými technológiami. Veľmi ekonomicky zaujímavým spôsobom energetického
zhodnotenia je priamo spaľovanie. Seno ako energetickú surovinu určujú nasledovné parametre a vlastnosti:
- Výhrevnosť [kWh/kg, GJ/t]
- Teplota horenia [°C]
- Teplota tavenia popola [°C]
- Vlhkosť [%]
- Objemová hmotnosť [m3/t]
- Energetický potenciál [GJ]
Spaľovanie sena je z hľadiska uvoľňovania emisií skleníkových plynov neutrálne a jeho výhrevnosť je približne
14-15 MJ na 1 kg. Výhrevnosť nie je konštantná, závisí na druhu a akosti sena, pričom akosť je ovplyvnená
obsahom vody a fázou zberu sena. V porovnaní s hnedým uhlím je výhrevnosť sena takmer totožná a v
niektorých prípadoch aj vyššia.
Obr. 1 Trávnatý odpad – seno pred kosbou (vľavo) a pokosené a vysušené seno (vpravo).
Seno sa ukazuje ako veľmi vhodné palivo z niekoľkých dôvodov:
• Seno má relatívne vysokú výhrevnosť, čím sa radí pred hnedé uhlie.
• Seno je energetickou surovinou, ktorá sa bez problémov každoročne produkuje.
• Seno patrí medzi stabilné obnoviteľné zdroje energie.
/ 77 /
•
•
•
Brno 2011
Výroba energie spaľovaním sena je z hľadiska uvoľňovania emisií skleníkových plynov neutrálna.
Využívanie sena na energetické účely znižuje závislosť organizácií na fosílnych palivách.
Využívanie sena vytvára priestor pre vznik nových pracovných príležitostí.
ÚPRAVA SENA PRED PELETOVANÍM
Parametre sena pre energetické využitie sú veľmi podobné parametrom obilnej slamy [2], z čoho vychádza
možnosť rovnakej úpravy a spaľovania takéhoto materiálu. Obilná slama sa v súčasnosti využíva na energetické
zhodnotenie vo väčšej miere v porovnaní so senom z dôvodu vyššej dostupnosti a potenciálu v podmienkach SR.
Ale v prípade dostatočnej palivovej základne sena je možné tento materiál energeticky využiť rovnakými
technológiami úpravy a spaľovania, využitím rovnakých strojných a spaľovacích zariadení ako v prípade slamy.
Je potrebné uviesť, že energetické vlastnosti, ale predovšetkým chemické zloženie sena a slamy sa značne líši
od drevnej biomasy, čo neumožňuje použitie rovnakej technológie spaľovania a spaľovacích zariadení.
Technológia energetického zhodnotenia trávnatého odpadu – sena, pozostáva z fázy zberu, úpravy a spaľovania.
Pre podmienky zhodnotenia odpadu spaľovaním bude vo fáze zberu tento trávnatý porast pokosený a vysušený
prirodzenou cestou priamo na ploche zberu. Následne je balíkovaný a uskladnený. Pred vstupom pripravenej
suroviny do zhutňovacieho stroja je nutné balík rozdružiť, seno dezintegrovať na menšie častice a až následne je
pripravené pre zhutňovanie.
Na našom pracovisku sme vykonali experiment, ktorý pozostával z viacerých fáz. V úvodnej časti sme
rozdruženú vzorku sena (viď. obr. 2) podrobili dezintegrácii, pretože ako je vidno z obrázka 2, seno nebolo
optimálnej veľkosti frakcie. Pre dezintegráciu sme použili laboratórne dezintegračné zariadenie (nožový mlyn),
obr. 4 a obr. 5. Nožové mlyny sú optimálne zariadenia na dezintegráciu odpadov z fytomasy. Odpad sa
nenamotáva na pracovné nástroje zariadenia a je plynule dezintegrovaný na menšie častice.
Obr. 2 Vzorka sena pred dezintegráciou.
Obr. 3 Vzorka sena po dezintegrácii.
Seno posekané v pracovnej komore postupne prepadáva cez sito s veľkosťou ôk ø 5 mm, ktoré je umiestnené
pod pracovným priestorom nožového mlynu. Pre dosiahnutie veľkosti frakcie vhodnej pre peletovanie sme vzorku
posekali na nožovom mlyne 2-krát. Posekanú frakciu sena môžeme vidieť na predchádzajúcom obrázku 3.
Nasledujúcim krokom bolo zisťovanie vlhkosti dezintegrovanej vzorky sena. Presná metóda na zisťovanie obsahu
vody vo vzorke je stanoviť ju ako úbytok hmotnosti vzorky po sušení v sušiarni, podľa normy DIN 51718 – Tuhé
palivá – zistenie obsahu vody. Vlhkosť dezintegrovanej vzorky sena bola predbežne stanovená pomocou
vlhkomera GMH 3830 a jej hodnota bola wr =7 %.
Z uskutočnených úprav vzorky trávnatého odpadu (sena) a z vykonaných analýz vzorky, a na základe skúseností
a znalosti procesu zhutňovania (briketovanie, peletovanie), môžeme povedať že takto upravený a pripravený
materiál je vhodný na lisovanie aj v briketovacích aj v peletovacích lisoch. V procese zhodnocovania sena bude
teda nutné po rozdružení balíkov, toto seno dezintegrovať na nožovom mlyne. Takto upravené seno bude
vhodné na briketovanie. Ak dezintegráciu zopakujeme, t.z. budeme mať dvojstupňovú dezintegráciu, budeme
mať vstupný materiál (seno) vhodný aj pre technológiu peletovania. Vlhkosť vstupného materiálu je vhodná na
/ 78 /
Brno 2011
briketovanie aj na peletovanie. V prípade vyššej vlhkosti sena, t.z. nad 18 %, je nutné v procese zhodnocovania
sena zabezpečiť vysušenie pomocou pásových alebo rúrových sušiacich zariadení.
Obr. 4 Vzorka sena pred dezintegráciou.
Obr. 5 Vzorka sena po dezintegrácii.
PELETOVANIE TRÁVNATÉHO ODPADU
Pre potreby skúšania a testovania lisovateľnosti rôznych druhov materiálov, naše pracovisko disponuje
laboratórnym peletovacím lisom (Obr. 6 a Obr. 7). Lis je určený testovanie lisovania rôznych druhov materiálov.
Bol navrhnutý a skonštruovaný na našom pracovisku, s uvažovaním všetkých základných princípov procesu
zhutňovania. Príkon peletovacieho lisu je 4 kW a výkon sa pohybuje v rozmedzí od 45 do 70 kg/hod. v závislosti
od zhutňovaného druhu materiálu.
Účelom tejto skúšky je overiť lisovateľnosť danej vzorky vo viac-menej reálnych podmienkach, tzn. bez možnosti
nastavenia optimálnych podmienok (lisovacej teploty, lisovacieho tlaku). Lisovali dezintegrovanú vzorku sena
s veľkosťou frakcie najviac ø 4 mm s vlhkosťou 7%, pri teplote okolia cca 23-25°C. Na Obr. 8 sú vidieť pelety
vylisované na tomto peletovacom lise.
Obr. 7 Laboratórny peletovací lis.
Obr. 6 Pohľad na výstup z lisovacej hubice.
/ 79 /
Brno 2011
Obr. 8 Pelety zo sena lisované na laboratórnom peletovacom lise [5].
TESTOVANIE KVALITY ZLISOVANÝCH VÝLISKOV
Stanovenie hustoty výliskov (z dreva) sa vykonáva podľa normy DIN 52182 (prídavná norma k norme DIN 51731)
[3]. Postup opísaný v tejto norme je možné využiť aj našom prípade. Hustota výliskov je najdôležitejším
ukazovateľom kvality výliskov. Hustota výliskov je dôležitá z hľadiska ich manipulácie. Výlisky musia byť súdržné,
aby nevznikali trhliny a neoddeľovali sa jemné častice. So zvyšovaním hustoty výliskov sa úmerne zvyšuje aj ich
pevnosť. Výlisky s vyššou hustotou majú dlhšiu dobu horenia, čo je vzhľadom na ich primárnu úlohu ako paliva
najvýznamnejšia vlastnosť. Vyššia hustota priaznivo ovplyvňuje tiež dlhotrvajúcu objemovú a tvarovú stálosť
výlisku, ako aj znižuje schopnosť výlisku absorbovať vlhkosť zo vzduchu. Po vylisovaní sme umiestnili výlisok do
stabilných klimatických podmienok. Priebežne meriame výlisok (jeho priemer, dĺžku a hmotnosť), avšak s týmito
hodnotami ešte nie je možné ďalej pracovať. Dôvodom je dilatácia. Dilatácia je jav bežný, ale nevyhovujúci. Je
nutné s ňou však uvažovať pri zisťovaní hustoty výliskov. Výlisok mení vplyvom dilatácie svoje rozmery. Proces
dilatácie vzniká vplyvom uvoľnenia lisovacieho tlaku a v závislosti od vzájomnej interakcie lisovacej teploty,
vstupnej vlhkosti lisovaného materiálu a vstupnej veľkosti frakcie. Na základe týchto hodnôt môže mať dilatácia
charakter záporný aj kladný, t.z. rozmery výlisku sa môžu zväčšovať, ale tak isto aj zmenšovať. Menovaná norma
uvažuje s dobou stabilizácie. To je doba, počas ktorej sa výlisok stabilizuje, dilatuje. Počas tejto doby výlisok
priebežne meriame a vyhodnocujeme jeho hmotnosť. Ak sa v priebehu posledných 24 hodín zmení hmotnosť
výlisku najviac o 0,1 %, pokladáme stav výlisku za ustálený. Pri stanovení hustoty výliskov postupujeme
nasledovne: na vzorke zmeriame s presnosťou 1 % geometrické rozmery vzorky (priemer, dĺžku). Zmeriame aj
hmotnosť vzorky mn (kg alebo g). Z nameraných geometrických rozmerov vypočítame objem vzorky Vn (dm3
alebo cm3). Z takto určených hodnôt vypočítame mernú hustotu vzorky ρn (g.cm-3 alebo kg.dm-3). Výsledky
testovania hustoty peliet zo sena je možné vidieť v Tab.1.
Oter sa bežne stanovuje len pre pelety, t.j. pre výlisky rozmerovej rady HP4 a HP5 normy DIN 51731, DIN Plus
a pre pelety rozmerovej rady HP1, HP2, RP1, RP2 normy ŐNORM M 7135 [4]. Oter je dôležitým parametrom
praktického posúdenia kvality. Tieto normy predpisujú jeho hodnoty, ako aj spôsob jeho určenia. Oter súvisí
s požiadavkou zamedziť vzniku prachových častíc v procese automatizovanej dopravy takéhoto paliva a tým
zamedziť výbuchu prachových častíc v procese horenia. Meranie oteru brikiet sa bežne nepoužíva, existuje však
na jeho stanovenie norma STN 44 1309 „Stanovenie oteru brikiet“.
Stanovenie tohto ukazovateľa kvality peliet je jednoduché a rýchle. Skúška oteru sa robí na zariadení Lignotester
(LT – II alebo NHP 100), Obr. 9. Pelety sa musia skúšať zbavené prachových častíc. Pred skúškou sa preto
odsituje z peliet jemný podiel (pomocou laboratórneho sita s veľkosťou ôk 3,15 mm podľa ISO 3310-1). Naváži sa
100g ± 0,5g peliet, ktoré sa vložia do prístroja, tzv. Ligno Tester, kde sú pri tlaku 70 mbar omieľané 60 sekúnd
v prúde vzduchu. Takto sú pelety namáhané podobne ako pri transporte, nárazom a trením medzi sebou
a o steny zariadenia. Oter sa stanoví výpočtom z úbytku hmotnosti materiálu v %, podľa nasledovného vzťahu.
Táto skúška sa vykoná 5 krát a výsledný oter sa stanoví ako aritmetický priemer výsledkov jednotlivých skúšok.
/ 80 /
Brno 2011
Výpočet oteru [1]:
AR =
kde:
mE − m A
.100
mE
(1)
AR – oter (%),
mE – hmotnosť peliet pred skúškou (kg),
mA – hmotnosť peliet po skúške (kg).
Akceptovateľná odchýlka aritmetického priemeru od hraničnej hodnoty je 0,2 %. Maximálna dovolená hodnota
oteru je podľa normy ŐNORM M 7135 resp. normy DIN Plus ARmax=2,3 %. Výsledky testovanie oteru peliet zo
sena je vidieť v Tab.2.
Obr. 9 Prístroj na stanovenie oteru peliet – Lignotester [1].
Tvrdosť peliet obyčajne súvisí s kvalitou zhutňovania. V zásade tvrdšie pelety sú kvalitnejšie. Pritom sa takéto
pelety vyznačujú aj väčšou mernou váhou a teda aj väčšou „hustotou“ energie. Myslí sa tým, pri rovnakom
objeme peliet, vyššia výhrevnosť peliet. Tvrdosť je možné jednoducho preveriť tzv. skúškou ponoru peliet do
vody. Pelety s vyššou hustotou (> 1 kg.dm-3) sa musia ponoriť. Keď sa pelety ponorené do vody rozpadnú do 5
minút, ide o veľmi nízku kvalitu. Pri rozpade peliet do 15 minút, jedná sa o strednú kvalitu a pri rozpade nad 20
minút považujeme pelety za kvalitné.
Inou možnosťou na testovanie tvrdosti peliet je použiť zariadenie na testovanie tvrdosti od firmy KAHL (Obr. 10).
Peleta je vložená do pracovného priestoru zariadenia medzi tvarované lisovadlo a lisovník. Zariadenie vyvíja silu
na peletu až do porušenia výlisku. Zaznamenáva sa sila, ktorou sa rozdrví peleta. Takýmto zariadením však naše
pracovisko nedisponuje, takže tvrdosť peliet sme preverili skúškou ponoru.
/ 81 /
Brno 2011
Obr. 10 Zariadenie na testovanie tvrdosti peliet od firmy KAHL [1].
Tab. 1 Namerané a vypočítané parametre peliet [5].
Vzorka č.:
(a)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
ā
Tab. 2
Dĺžka
[mm]
31,61
31,64
31,76
33,31
27,54
30,35
28,67
31,3
32,99
32,42
30,29
31,98
30,54
32,82
29,38
29,58
30,37
30,65
31,58
29,92
Priemer
[mm]
8,26
8,18
8,46
8,35
8,28
8,46
8,18
8,13
8,28
8,41
8,35
8,27
8,17
8,41
8,38
8,38
8,14
8,26
8,25
8,19
Hmotnosť
[g]
1,97
2
1,97
2,06
1,73
1,91
1,82
2,01
2,07
2,01
1,87
2,05
1,87
2,01
1,89
1,86
1,95
1,94
2,01
1,93
V
[mm3]
1693,8
1662,8
1785,3
1824,1
1482,9
1706,0
1506,7
1624,9
1776,4
1800,9
1658,7
1717,8
1601,0
1823,1
1620,4
1631,5
1580,5
1642,4
1688,1
1576,2
Namerané a vypočítané parametre peliet pri testovaní oteru [5].
Vzorka č.:
(a)
1
2
3
4
5
ā
hmotnosť
mE [g]
100,330
99,79
100,43
99,82
100,06
hmotnosť
mA [g]
98,250
97,47
98,24
98,03
97,63
/ 82 /
oter
AR [%]
2,073
2,325
2,181
1,793
2,429
2,16
ρ
[kg/dm3]
1,1630
1,2028
1,1035
1,1294
1,1666
1,1196
1,2079
1,2370
1,1653
1,1161
1,1274
1,1934
1,1680
1,1025
1,1664
1,1401
1,2338
1,1812
1,1907
1,2244
1,1670
Brno 2011
Akceptovateľná odchýlka aritmetického priemeru od hraničnej hodnoty je 0,2 %. Maximálna dovolená hodnota
oteru je podľa normy ŐNORM M 7135 resp. normy DIN Plus ARmax=2,3 % > 2,16 %. [5]
Skúška tvrdosti ponorom (viď. nasledujúci Obr. 11):
► po vložení peliet do pohára s vodou, pelety ihneď klesli na dno => hustota peliet > 1 kg/dm3;
► čas rozpadu bol zaznamenaný => 12 minút a 18 sekúnd => stredná kvalita peliet
Obr. 11 Pelety zo sena – skúška tvrdosti ponorom [5].
ZÁVER
Cieľom tohto príspevku bolo prezentovať výsledky experimentu, ktorý bol realizovaný na našom pracovisku.
Vykurovanie spaľovaním peliet vyrobených zo sena (trávnatého odpadu) je investične náročnejší spôsob výroby
tepla z takéhoto paliva. Záverom môžeme konštatovať, že z pohľadu výroby peliet zo sena je tento druh materiálu
bezproblémový, ľahko upraviteľný (veľkosť frakcie, vlhkosť) a jednoducho peletovateľný. Zasa na druhej strane
boli zaznamenané určité komplikácie pri spaľovaní peliet. Tieto súvisia s nízkym bodom tavenia čo spôsobuje
spekanie na činných častiach kotlov, ale aj s chemickým zložením sena, resp. všetkých druhov fytomasy. To
spôsobuje vyššie nároky na materiálové úpravy vnútorných častí kotlov. V porovnaní s drevným odpadom boli
zaznamenané teda opačné vlastnosti. Drevné pelety síce ľahšie spálime, avšak ťažšie vyrobíme.
Na strane druhej biopalivo vo forme peliet prináša celý rad výhod. Tým základným pozitívom je komfort
automatizovaného procesu spaľovania a jeho vysoký stupeň regulácie. Ďalšou výhodou takéhoto biopaliva je
skladovanie. Takéto ušľachtilé biopalivo je stále, neabsorbuje atmosférickú vlhkosť a neprebiehajú v ňom
degradačné procesy ako v nespracovanom sene, čím sa dlhodobo zachovávajú jeho energetické vlastnosti.
Medzi výhody skladovania peliet patria tiež nižšie priestorové nároky v porovnaní s balíkmi sena vďaka vyššej
hustote a vyššej energetickej hodnote viazanej na objem paliva.
POĎAKOVANIE
[1] KRIŽAN, P.: Proces lisovania drevného odpadu a koncepcia konštrukcie lisov, Dizertačná práca, ÚSETM,
SjF STU v Bratislave, Júl 2009, str. 150
[2] VŠCHT Praha (Ústav energetiky) - Analýza brikiet zo sena, pšeničnej slamy a topoľa
/ 83 /
Brno 2011
[3] DIN Plus: 2002 Certification Scheme. Wood pellets for use in small furnaces. Berlin, Germany. DIN
CERTCO - Gesellschaft für Konformitätsbewertung mbH
[4] Ö-Norm M 7135:2000 Compressed wood or compressed bark in natural state-pellets and briquettes,
requirements and test specifications. Vienna, Austria: Österreichisches Normungsinstitut
[5] ŠOOŠ, Ľ.; URBAN, F.; MATÚŠ, M.; KRIŽAN, P.; ONDRUŠKA, J.; BIATH, P.: Expertná analýza
energetického zhodnotenia trávnatého odpadu pre spoločnosť Letisko Košice-Airport Košice, a.s. –
Bratislava : STU v Bratislave SjF, 2011. - 86 s.
/ 84 /
Brno 2011
HODNOTENIE KVALITY TUHÝCH BIOPALÍV V EURÓPSKOM PRIESTORE
Miloš Matúš, Peter Križan
Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Námestie slobody 17, 812 31 Bratislava
Príspevok sa venuje štandardizácii kvality produkovaných a predávaných tuhých biopalív, predovšetkým peliet.
V súčasnosti sa dostávajú do platnosti nové spoločné európske normy definujúce kvalitu tohto paliva, ktoré
nahrádzajú a v krátkej dobe nahradia všetky národné normy v krajinách EÚ. Príspevok predstavuje prierez
novými európskymi normami a poukazuje na najvýraznejšie rozdiely s doteraz platnými národnými normami. Táto
oblasť sa týka tak producentov palív ako aj výrobcov spaľovacích zariadení a obchodníkov.
Kľúčové slová: biomasa, biopalivo, pelety, brikety, kvalita biopalív
ŠTANDARDIZÁCIA TUHÝCH BIOPALÍV V EURÓPE
V posledných rokoch bolo v Európe vydaných niekoľko národných noriem a regulačných nariadení, ktoré sa
snažili regulovať kvalitu tuhých ušľachtilých biopalív na trhu. Medzi najvýznamnejšie patria národné normy
Rakúska, Nemecka, Švédska a Talianska. Tieto normy a nariadenia sa však v niektorých častiach podstatne
líšia. Odlišujú sa nielen v stanovených limitných hodnotách jednotlivých parametroch, ale predovšetkým v tom, že
nelimitujú rovnaké parametre. Zároveň prinášajú nejednotnosť v stanovovaní limitných hodnôt jednotlivých
parametrov, t.j. niektoré normy udávajú rovnaký parameter (napr. výhrevnosť) v bezvodom stave, iné pri určitej
definovanej vlhkosti. Preto vznikla potreba zjednotiť limity pre stanovenie kvality tuhých ušľachtilých biopalív
v EÚ. Európska komisia pre normalizáciu (CEN), výbor TC335, vydala už množstvo noriem a zverejnila
pripravované normy pre tuhé biopalivá, ktoré sú už čiastočne aktualizované a pripravené pre vydanie úplného
zväzku Európskych noriem pre tuhé biopalivá (Tab.1). Postupne ako sa dostávajú Európske normy do platnosti,
národné normy musia byť v priebehu 6 mesiacov zrušené alebo prispôsobené týmto Európskym normám.
Jednou z nich je aj norma EN 14588 - "Tuhé biopalivá" - "Terminológia, definície a opis". Táto EN obsahuje
všetku terminológiu používanú pri normalizácii v rámci CEN/TC335. Norma bola už prebraná a na Slovensku je
platná pod označením STN EN 14588. Základné pojmy definuje takto:
• Tuhé biopalivo je tuhé palivo vyrobené priamo alebo nepriamo z biomasy.
• Zhutnené biopalivo alebo lisované biopalivo je tuhé biopalivo vyrobené z mechanicky lisovanej biomasy
za účelom zvýšenia jej hustoty a dodania tuhému biopalivu špecifickú veľkosť a tvar (biopalivové brikety,
biopalivové pelety).
• Biopalivová briketa je zhutnené biopalivo vyrobené s aditívami alebo bez nich, vo forme kvádrov alebo
valcov, získané zlisovaním práškovej biomasy. Surovinou pre brikety môže byť drevná biomasa, bylinná
biomasa, ovocná biomasa a definované alebo nedefinované zmesi biomasy.
• Biopalivová peleta je zhutnené biopalivo vyrobené z práškovej biomasy s aditívami alebo bez nich,
zvyčajne valcového tvaru, náhodnej dĺžky od 5 do 40 mm s odlomenými koncami. Surovinou na výrobu
biopalivových peliet môže byť drevná biomasa, bylinná biomasa, ovocná biomasa alebo zmesi biomasy.
Podľa stanoviska CEN/TC 335 možno normu STN EN 14588 uplatniť na tuhé palivá pochádzajúce z
nasledovných zdrojov suroviny:
• Produkty z poľnohospodárstva a lesníctva.
• Rastlinný odpad z poľnohospodárstva a lesníctva.
• Rastlinný odpad z potravinárskeho priemyslu.
• Drevný odpad, s výnimkou drevných odpadov, ktoré môžu obsahovať organické halogénové zlúčeniny
alebo ťažké kovy, ako výsledok ošetrenia dreva konzervačnými prostriedkami na drevo alebo
náterovými hmotami, a ktoré zahrňujú zvlášť taký drevený odpad, ktorý pochádza zo stavieb
a demolačný odpad.
• Odpadový korok.
• Vláknitý rastlinný odpad zo spracovania prírodnej buničiny a z výroby papiera z celulózy, ak je
spoluspaľovaný v mieste výroby a vzniknuté teplo je znovu využité.
/ 85 /
Brno 2011
Tab.1 Existujúce európske EN normy pre tuhé biopalivá a pripravované normy Európskou komisiou pre
normalizáciu TC335 (CEN).
Číslo normy
EN 14588
EN 14774-1
EN 14774-2
EN 14774-3
EN 14775
EN 14778
EN 14780
EN 14918
EN 14961
Názov
Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá -
EN 15103
EN 15104
Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá -
EN 15105
EN 15148
EN 15149-1
Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá -
EN 15149-2
Tuhé biopalivá -
EN 15150
EN 15210-1
EN 15210-2
prEN 15234
Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá -
EN 15289
EN 15290
EN 15296
EN 15297
Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá Tuhé biopalivá -
prEN 15370
Tuhé biopalivá -
Terminológia, definície a opis
Stanovenie obsahu vlhkosti. Metóda sušenia v sušiarni.
Stanovenie obsahu popola
Odber vzoriek
Príprava vzoriek
Stanovenie výhrevnosti
Špecifikácie a triedy palív (Viacdielne normy)
Časť 1: Všeobecné požiadavky
Časť 2: Drevné pelety pre nepriemyselné využitie
Časť 3: Drevné brikety pre nepriemyselné využitie
Časť 4: Drevná štiepka pre nepriemyselné využitie
Časť 5: Palivové drevo pre nepriemyselné využitie
Časť 6: Nedrevné pelety (fytopelety) pre nepriemyselné využitie
Stanovenie sypnej hmotnosti
Stanovenie celkového obsahu uhlíka, vodíka a dusíka - inštrumentálne
metódy
Stanovenie obsahu chloridu, sodíka a draslíka rozpustných vo vode
Stanovenie obsahu prchavých látok
Stanovenie rozdelenia veľkosti častíc, Časť 1: Oscilujúcou sitovou metódou
s otvormi sita veľkosti 1 mm a väčšími
Stanovenie rozdelenia veľkosti častíc, Časť 2: Metóda s vibračným sitom s
veľkosťou otvorov 3,15 mm a menej
Stanovenie hustoty častíc
Stanovenie mechanickej odolnosti peliet a brikiet, Časť 1: Pelety
Stanovenie mechanickej odolnosti peliet a brikiet, Časť 2: Brikety
Zabezpečovanie kvality paliva (Viacdielne normy)
Časť 1: Všeobecné požiadavky
Časť 2: Drevné pelety pre nepriemyselné využitie
Časť 3: Drevné brikety pre nepriemyselné využitie
Časť 4: Drevná štiepka pre nepriemyselné využitie
Časť 5: Palivové drevo pre nepriemyselné využitie
Časť 6: Nedrevné pelety (fytopelety) pre nepriemyselné využitie
Stanovenie celkového obsahu síry a chlóru
Stanovenie hlavných prvkov
Prepočet výsledkov analýz z jedného stavu na iný stav
Stanovenie vedľajších prvkov. As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, V
a Zn
Metóda stanovenia teploty topenia popola
Poznámka: Európske normy v procese prípravy doposiaľ nepublikované (do februára 2012) sú označené symbolom
"pr" pred číslom normy.
/ 86 /
Brno 2011
HODNOTENIE KVALITY TUHÝCH BIOPALÍV
Vlastnosti, ktoré musia tuhé biopalivá spĺňať, sú podrobne uvedené v EN 14961-1 pre nasledovné formy tuhých
biopalív: brikety, pelety, drevná štiepka, palivové drevo, piliny, hobliny, kôra, balíky slamy, balíky chrastice
trsťovitej (Phalaris arundinacea) a balíky ozdobnice (Miscanthus), energetické obilie, olivové zvyšky a ovocné
semená. Normou stanovené vlastnosti sú súčasťou špecifikácie paliva. Tieto vlastnosti sa líšia v závislosti od
druhu biopaliva. Najvýznamnejšími vlastnosťami spoločnými pre všetky druhy biopalív sú vlhkosť, veľkosť častíc
alebo rozmery (pri výliskoch) a obsah popola.
Vyhlásenie o zhode tuhého biopaliva s EN 14961-1 musí byť vydané dodávateľom a odovzdané konečnému
spotrebiteľovi. Dodávateľ je povinný datovať jednotlivé certifikáty a archivovať záznamy minimálne jeden rok od
doručenia biopaliva konečnému spotrebiteľovi. Vydaný certifikát kvality potvrdzuje kvalitu biopaliva v súlade
s príslušnou časťou EN 14961-1.
Normy EN uvádzané v tomto príspevku sú určené predovšetkým pre využívanie peliet v malých spaľovacích
zariadeniach do výkonu100 kWt, pre ktoré sú vysoké požiadavky a prísne limity zárukou plne automatizovanej a
bezproblémovej prevádzky. Okrem týchto noriem pre biopalivá existujú v niektorých krajinách tzv. priemyselné
normy, ktoré stanovujú kvalitu biopaliva určeného pre väčšie spaľovacie zariadenia s výkonom nad 100 kWt .
Priemyselné normy majú nižšie kvalitatívne požiadavky na biopalivo. Európske normy pre pelety popisujú okrem
už stanovenej najvyššej kvalitatívnej triedy peliet A1 aj dve doplňujúce triedy A2 a B. Surovina na výrobu peliet
triedy A1 zahŕňa čisté drevo a chemicky neupravované drevné zvyšky (drevný odpad) s nízkym obsahom popola
a chlóru. Pelety s vyšším obsahom popola a/alebo vyšším obsahom chlóru spadajú do triedy A2. Táto trieda
peliet sa bude môcť stať rovnako príslušným štandardom pre pelety využívané v malých spaľovacích
zariadeniach v domácnostiach, hneď ako budú na trhu dostupné vykurovacie systémy na pelety adaptované na
túto triedu kvality (adaptácia bude nevyhnutná z dôvodu vyššieho obsahu popola a chlóru). Kvalitatívna trieda B
zahŕňa priemyselné pelety využívané v zariadeniach s výkonom nad 100 kWt . Po prvýkrát existuje normalizovaná
kvalita takéhoto typu peliet ako biopaliva. Surovinami pre výrobu peliet triedy B je chemicky upravovaný drevný
odpad z priemyslu ako vedľajší produkt výroby, drevné zvyšky a odpadové drevo. Typ peliet podliehajúci triede B
sa od peliet vyššej kvality líši väčším priemerom výliskov, vyšším obsahom popola, dusíka, síry a chlóru a nižšou
povolenou výhrevnosťou. Priemyselné pelety sú prispôsobené požiadavkám veľkých spotrebiteľov a sú relatívne
lacné v porovnaní s vysokokvalitnými peletami určenými pre malých spotrebiteľov (domácnosti). Je nevyhnutné
zdôrazniť, že priemyselné pelety triedy B nie sú vhodné pre malé spaľovacie zariadenia, pretože by mohli
spôsobiť vážne poruchy týchto zariadení (pokiaľ sa nejedná o špeciálne prispôsobené zariadenia).
V súčasnosti pelety podľa rakúskej normy ÖNORM M 7135 a nemeckej DINplus musia byť vyrábané výlučne
z čistého prírodného dreva alebo kôry. Švédska norma SS 187120 umožňuje vyrábať pelety zo zvyškov z ťažby a
spracovania dreva, z vedľajších produktov z lesného a drevospracujúceho priemyslu, slamy a papiera. Pelety
podľa nemeckej normy DIN 51731 sa vyrábajú z dreva v prírodnom stave, ktoré bolo len mechanicky spracované.
Pôvod a zdroj suroviny na výrobu peliet podľa talianskej normy CTI sa zhodujú s EN 14961-1.
Tab. 2 uvádza porovnanie európskej normy s národnými normami Rakúska, Švédska, Nemecka a Talianska
stanovujúcimi limity jednotlivých ukazovateľov kvality peliet. Uvádzané a porovnávané limity sa vzťahujú na
najmenšiu rozmerovú kategóriu peliet, nakoľko práve táto je najpodstatnejšia pre sektor domácností.
/ 87 /
Brno 2011
Tab. 2 Porovnanie parametrov peliet vymedzených európskymi normami a vybranými národnými normami
Parameter
ÖNORM
Trieda A1
EN 14961-2
Trieda A2
Trieda B
mm
mm
6 alebo 813)
3,15 - 40
6 alebo 813)
3,15 - 40
6 alebo 813)
3,15 - 40
Sypná hmotnosť
kg/m3
≥ 600
≥ 600
≥ 600
Hustota častíc
kg/dm3
Vlhkosť
% (m.b.)
≤ 10
≤ 10
≤ 10
Priemer D
Dĺžka
Obsah popola
Jednotka
% (s.b.)
SS
187120
DIN
51731
DINplus
CTI
18)
4 - 10
≤ 5 x D1) ≤ 4xD1)
4 - 10
≤ 50
4 - 1014)
≤ 5xD1)
615)
D - 4xD
≥ 6002)
≥ 1,12
≤
0,76)
≤
1,56)
≤
3,56)
≤ 10
≤
0,57)
≤ 10
≤
0,76)
≥ 18,03) ≥ 16,9
Výhrevnosť
MJ/kg (m.b.)
16,5 - 19,0
16,3 - 19,0
16,0 - 19,0
Obsah síry
% (s.b.)
≤ 0,03
≤ 0,03
≤ 0,04
≤ 0,04
Obsah dusíka
% (s.b.)
≤ 0,30
≤ 0,50
≤ 1,0
≤ 0,30
Obsah chlóru
% (s.b.)
≤ 0,02
≤ 0,02
≤ 0,03
≤ 0,02
97,79)
≤ 0,03
1 - 1,4
≥ 1,12
≤ 12
≤ 10
≤ 10
0,57)
≤ 0,76)
17,5 19,54)
≤ 0,08
≥ 18,03)
≥ 16,9
≤ 0,04
≤ 0,05
≤ 0,30
≤ 0,30
≤ 0,30
≤ 0,03
≤ 0,02
≤ 0,03
97,79)
≥ 97,5
≤
1,57)
≥
99,22)9)
≤
Mechanická
odolnosť
Množstvo jemných
častíc
Aditíva
% (m.b.)
≥ 97,5
≥ 97,5
≥ 96,5
% (m.b.)
≤ 1,010)
≤ 1,010)
≤ 1,010)
≤ 18)
%
≤ 2,011)
≤ 2,011)
≤ 2,011)
≤ 25)
Taviteľnosť popola
°C
12)
12)
12)
Arzén
mg/kg (s.b.)
≤1
≤1
≤1
≤ 0,8
Kadmium
mg/kg (s.b.)
≤ 0,5
≤ 0,5
≤ 0,5
≤ 0,5
17)
Chróm
mg/kg (s.b.)
≤ 10
≤ 10
≤ 10
≤8
17)
Meď
mg/kg (s.b.)
≤ 10
≤ 10
≤ 10
≤5
Ortuť
mg/kg (s.b.)
≤ 0,1
≤ 0,1
≤ 0,1
≤ 0,05
17)
Nikel
mg/kg (s.b.)
≤ 10
≤ 10
≤ 10
Olovo
mg/kg (s.b.)
≤ 10
≤ 10
≤ 10
≤ 10
17)
Zinok
mg/kg (s.b.)
≤ 100
≤ 100
≤ 100
≤ 100
Extrahovateľné
mg/kg (s.b.)
organicky viazané
halogény (EOX)
≥
≤ 0,08
620 - 720
≥
≤ 1,0
11)
≤ 2,05)
11) 16)
IT18)
≤3
Poznámky: s.b. - suchá báza; m.b. - mokrá báza;
1)
20 % peliet môže mať dĺžku väčšiu ako 7,5 x D; 2) v skladovacom zariadení výrobcu; 3) zodpovedá suchému materiálu; 4) v
bezvodom stave a bez popola; 5) výhradne chemicky nemodifikované produkty z primárnej lesnej a poľnohospodárskej biomasy; 6)
stanovené pri teplote 550 °C; 7) stanovené pri teplote 815 °C; 8) pri manipulácii podľa ÖNORM M 7136; 9) opak abrázie (abrázia =
100 - mechanická odolnosť); 10) množstvo jemnej frakcie pri výstupe peliet od producenta, t.j. opustenie finálneho skladu alebo
fabriky, ak sú pelety doručované konečnému spotrebiteľovi, limit musí byť dodržaný aj v prípade, ak pelety neodchádzajú priamo
ku konečnému spotrebiteľovi, ale opúšťajú producenta; 11) musí byť presne uvedený druh a množstvo použitého aditíva; 12) musia
byť uvedené všetky charakteristické teploty (počiatočná teplota zrážania, deformačná teplota, teplota tavenia); 13) ± 1 mm; 14)
skutočný priemer musí byť v rozmedzí ± 10 % z uvedeného priemeru; 15) ± 0,5 mm; 16) pre kvalitatívne triedy A1 a A2 nie sú
povolené aditíva; 17) pre pelety vyrábané z nespracovanej a neupravovanej suroviny musí byť celková koncentrácia Pb, Hg, Cd, a
Cr ≤ 20 mg/kg ; 18) musí byť uvedený výrobcom; Zdroje údajov [6, 7, 8, 9].
Na základe tabulky 2 je možné uvedené ukazovatele kvality tuhých biopalív rozdeliť do dvoch skupín. Prvú
skupinu tvoria chemicko-termické ukazovatele kvality. Sem patrí obsah popola, výhrevnosť, vlhkosť, obsah
chemických a stopových prvkov. Druhá skupina pozostáva z fyzikálno-mechanických ukazovateľov kvality, kde
patria hustota výliskov a mechanická odolnosť výliskov. Prvá skupina je závislá od druhu lisovaného materiálu,
tzn. jeho vlastnostní a chemického zloženia. Druhá skupina závisí od viacerých parametrov (materiálových,
technologických a konštrukčných).
/ 88 /
Brno 2011
FYZIKÁLNO - MECHANICKÉ UKAZOVATELE KVALITY
Hustota tuhých biopalív
Hustota výliskov ako biopaliva je ich najdôležitejším ukazovateľom kvality. Hustota biopaliva vplýva predovšetkým
na proces horenia. Biopalivo s vyššou hustotou horí ustálenejšie a dlhšie. Hustota výliskov je tiež dôležitá
z hľadiska ich manipulácie. Výlisky musia byť súdržné, aby nevznikali trhliny a neoddeľovali sa jemné častice. So
zvyšovaním hustoty výliskov z drevnej hmoty sa úmerne zvyšuje aj ich pevnosť. Vyššia hustota priaznivo
ovplyvňuje tiež dlhotrvajúcu objemovú a tvarovú stálosť výlisku, ako aj znižuje schopnosť výlisku absorbovať
vlhkosť zo vzduchu.
Európska norma EN 14961, ktorá už nahradila národné normy európskych krajín, nestanovuje minimálnu hustotu
drevných peliet. Ale doposiaľ sa producenti tuhých biopalív riadili rakúskou normou ŐNORM M 7135, ktorá udáva
minimálnu hustotu pre drevné pelety 1,12 kg.dm-3 alebo nemeckou normou DIN 51731 stanovujúcou hustotu
peliet v rozmedzí 1,0 – 1,4 kg.dm-3 a jej certifikáciou DINplus, ktorá túto hodnotu upresňuje na minimálne 1,12
kg.dm-3.
Pri zisťovaní hustoty výliskov je potrebné zdôrazniť, že použitá meracia metóda vplýva na výsledok merania,
zvlášť metóda na zisťovanie objemu. Porovnávaním niekoľkých metód zisťovania objemu výliskov bola na
základe opakovateľnosti vyhodnotená ako najvhodnejšia metóda na princípe vztlaku, kde sa pred meraním
pridalo do vody zmáčadlo. V európskej norme EN 15150 je táto metóda stanovenia hustoty častíc lisovaných
palív (peliet a brikiet) podrobne opísaná. Je potrebné si však uvedomiť, že hustota častíc nie je absolútna
hodnota a podmienky pre jej stanovenie musia byť normalizované, aby umožnili uskutočniť porovnateľné
stanovenie. Hustota častíc je náchylná k zmenám z dôvodu citlivosti organického materiálu k prostrediu alebo
technickým vplyvom, napr. vlhkosti vzduchu, vibrácii, abrázii alebo biodegradácii. Hustota častíc sa preto môže s
časom meniť, a preto by mali byť hodnoty merania považované za okamžitú vlastnosť paliva.
Sypná hmotnosť tuhých biopalív
Sypná hmotnosť je dôležitým parametrom palív dodávaných na základe objemu a spolu s výhrevnosťou sa
používa na stanovenie hustoty energie. Sypná hmotnosť narastá so zvyšujúcou sa hustotou tuhého biopaliva.
Vyššia sypná hmotnosť tuhého biopaliva znamená vyššiu energetickú hustotu a nižšie náklady na transport
a skladovanie. A preto je z ekonomického pohľadu producentmi biopalív, distribútormi, predajcami a v konečnom
dôsledku aj spotrebiteľmi žiadaná vysoká sypná hmotnosť biopalív.
Sypná hmotnosť predstavuje pomer hmotnosti biopaliva nasypaného do určitého objemu. Je závislá od hustoty
častíc biopaliva a objemu pórov nasypaného biopaliva. Hrubý odhad sypnej hmotnosti biopaliva je možné
stanoviť ako polovicu z hustoty častice biopaliva.
Sypná hmotnosť tuhých biopalív ako jeden zo základných ukazovateľov ich kvality je daná platnou európskou
normou EN 14961. Európska norma EN 15103 uvádza podrobný postup stanovenia sypnej hmotnosti sypkých
tuhých biopalív, ktoré môžu byť dopravované nepretržitým tokom materiálu. Meranie sa uskutočňuje
prostredníctvom štandardizovanej nádoby so špecifickým objemom (napr. pre pelety s objemom 5 litrov), ktorá je
naplnená peletami a sypná hmotnosť sa meria po troch dopadoch nádoby z výšky 15 cm. Norma EN 14961-2
stanovuje minimálnu hodnotu sypnej hmotnosti drevných peliet na 600 kg.m-3.
Mechanická odolnosť tuhých biopalív
Mechanická odolnosť je jeden z najvýznamnejších ukazovateľov kvality tuhých biopalív udávaných normou EN
14961 (minimálna hodnota je 97,5 % hmotnosti). Mechanická odolnosť definovaná normou EN 14588
predstavuje odolnosť zhutneného biopaliva (brikiet a peliet) voči otrasom a oteru v dôsledku manipulácie
a prepravy. Veľké množstvo jemných častíc môže totiž viesť ku klembovaniu paliva v skladovacích zariadeniach
spotrebiteľa, a tým spôsobiť zastavenie dodávky paliva do kotla. Rovnako môže nadmerné množstvo jemných
častíc spôsobiť zablokovanie podávacej závitovky. Toto je hlavný dôvod, prečo ja kladený taký veľký dôraz na
nízky podiel jemných častíc pri skladovaní biopaliva. Okrem toho zvyšovaním množstva jemných častíc v procese
/ 89 /
Brno 2011
spaľovania sa zvyšuje aj podiel tuhých častíc v emisiách, čomu je potrebné sa vyhnúť z ekologického hľadiska.
Vysoké množstvo jemných častíc vplýva na sypnú hustotu a zvyšuje straty počas prepravy a tiež zvyšuje
prachové emisie pri manipulácii s palivom. Navyše je potrebné zdôrazniť, že prach môže spôsobiť explózie počas
skladovania či manipulácie.
Metóde stanovenia mechanickej odolnosti tuhých biopalív sa venuje norma EN 15210. Jej cieľom je definovať
požiadavky a metódu používanú na skúšanie mechanickej odolnosti peliet a brikiet. V tejto súvislosti treba
poznamenať, že pre stanovenie mechanickej odolnosti, respektíve oteru (oter predstavuje rozdiel medzi 100
a mechanickou odolnosťou v percentách) sa v posledných rokoch často využíval Ligno-Tester (Ligno-Tester LT II
od spoločnosti Borregaard Lignotech, cf., obr 1). Túto metódu predpisovala rakúska norma ÖNORM M 7135 aj
nemecká DINplus. Podľa švédskej normy SS 187120 bol pre stanovenie oteru predpísaný iný typ zariadenia
(postup skúšok podľa SS 187180). Táto norma predpisovala použitie šesťuholníkového rotačného bubna (obr. 2).
Obr. 1 Schéma prístroja na stanovenie oteru peliet Obr. 2 Schéma prístroja na stanovenie oteru peliet
podľa švédskej normy SS 187120.
podľa ÖNORM M 7135 a DINplus.
V súlade s platnou EN 15210-1 sa na meranie mechanickej odolnosti peliet používa typ testera, kde je vzorka
vystavená riadeným nárazom peliet o seba a nárazom o steny predpísanej rotujúcej testovacej komory. Schéma
takéhoto testera je uvedená na obr. 2. Mechanická odolnosť sa vypočíta z hmotnosti zostávajúcej vzorky po
odseparovaní obrúsených a jemných dolámaných častíc. Táto metóda na stanovenie mechanickej odolnosti bola
uznaná za spoľahlivejšiu a je teda súčasťou európskej normy. Je založená na omieľaní vzorky s hmotnosťou 500
± 10 g v bubne testera po dobu 10 minút pri otáčkach 50 ± 2 min-1. Následné preosiatie sa vykoná na site
s okrúhlymi okami priemeru 3,15 mm.
Obr. 3 Schéma prístroja na stanovenie mechanickej odolnosti peliet podľa EN 15210-1.
/ 90 /
Brno 2011
ZÁVER
Kvalita výliskov je rozhodujúci faktor na trhu s biopalivami. Uvedené európske normy komplexne zachytávajú celú
problematiku od zdroja suroviny, výroby, skúšok, až po energetické zhodnocovanie takéhoto biopaliva.
Najväčším prínosom je zjednotenie kvalitatívnych požiadaviek na tuhé biopalivá na európskom trhu. Tieto normy
prispievajú k lepšej kvalite tuhých biopalív, k ochrane spaľovacích zariadení, k prehľadnosti a lepšej orientácii
zákazníka na trhu s palivami, a v neposlednom rade aj k ochrane životného prostredia využívaním energie z
vysokokvalitného obnoviteľného zdroja.
POĎAKOVANIE
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
EN 14961: Solid biofuels - Fuel specifications and classes (Multipart standard)
EN 14588: Solid biofuels - Terminology, definitions and descriptions
EN 15103: Solid biofuels - Determination of bulk density
EN 15150: Solid biofuels - Determination of particle density
EN 15210: Solid biofuels - Determination of mechnical durability of pellets and briquettes - Part 1: Pellets
ÖNORM M 7135: Compressed wood or compressed bark in natural state - pellets and briquettes requirements and test specifications, Austrian Standards Institute, Vienna, Austria, 2000.
[7] ÖNORM M 7136: Compressed wood or compressed bark in natural state - pellets - quality assurance in the
field of logistics of transport and storage, Austrian Standards Institute, Vienna, Austria, 2000.
[8] SS 187120: Biofuels and peat - Fuel pellets - Classification, Swedish Standard Institute, Stockholm,
Sweden, 1998.
[9] DIN 51731: Prüfung fester Brennstoffe. Presslinge aus naturbelassenem Holz. Anforderung und Prüfung,
1996.
[10] Obernberger, I., Thek, G. (2010): The Pellet Handbook - The production and thermal utilisation of biomass
pellets. Earthscan. London.
/ 91 /
Brno 2011
/ 92 /
Brno 2011
VÝZKUM A VÝVOJ METOD A TECHNOLOGIÍ ZACHYCOVÁNÍ CO2 V ELEKTRÁRNÁCH NA
FOSLINÍ PALIVA A UKLÁDÁNÍ DO GEOLOGICKÝCH FORMACÍ V PODMÍNKÁCH ČR
Lukáš Pilař
ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, 166 07 Praha 6, (Ústav jaderného výzkumu Řež
a.s. divize ENERGOPROJEKT PRAHA, Vyskočilova 3/741, 140 021 Praha 4
e-mail: [email protected]
Tento příspěvek se zabývá průběhem řešení projektu TIP č. FR-TI1/379 pod názvem „Výzkumu a vývoje
optimální koncepce a technologie zachycování CO2 ze spalin elektrárny spalující hnědé uhlí v České republice“.
Předně se příspěvek zabývá jednou etapou řešení projektu a to popisem vybrané metody technologie post
combustion, tedy separování CO2 se spalin pomocí amoniaku s vytipováním dopadů do stávajícího
technologického celku elektrárny spalující fosilní paliva.
Klíčová slova: Post combustion, fosilní paliva, amoniak
ÚVOD
V dnešní době tolik diskutovaná otázka snížení emisí CO2 uvolňovaného spalování fosilních paliv je předmětem
projektu výzkumu a vývoje optimální koncepce a technologie zachycování CO2 ze spalin elektrárny spalující
hnědé uhlí v České republice TIP č. FR-TI1/379. V projektu, který je řešen v rámci účelové podpory
programového projektu výzkumu a vývoje na rok 2009, jsou vyvíjeny dvě varianty řešení systému zachycování
CO2 pro zadaný elektrárenský blok a pro zadané palivo. Jedna varianta je na bázi chemické absorpce a druhá
varianta na principu Oxyfuel. Celý projekt se v další fázi zabývá vyvíjením analytických nástrojů a metod pro
řešení ukládání CO2 do geologických struktur. Článek se zabývá jednou z části projektu, chemickou absorpci CO2
ze spalin.
METODY A TECHNOLOGIE ZACHYCOVÁNÍ CO2 ZE SPALIN
Metody zachycování CO2 ze spalin lze rozdělit podle jejich fyzikální a chemické podstaty. Jedná se o následující
rozdělení:
-
Absorpční – vypíráním kapalným absorbentem
Adsorpční – absorpce na povrchu tuhé látky, absorpce /vypíraní pomocí iontových kapalin
Fyzikální separace (membránová separace, kryogenní separace (vymražování)
Hybridní řešení
Biologický záchyt
Pro aplikaci separace spalin CO2 pro uhelné elektrárny v České republice v rámci projektu, jsme se zabývali jen
metodami absopčnímy.
Absorpční metody
Absorpce CO2 lze provádět fyzikálními rozpouštědly, nebo chemickými roztoky. V obou těchto případech je
princip separace CO2 stejný.
Plyn/spaliny vstupuje do absorpční kolony, ve které je sprchován protiproudně pracovní kapalinou, do které je
pohlcována požadovaná složka (zde CO2). Nasycený roztok pracího činidla pak je veden do druhé kolony, ve
které je pohlcená složka (CO2) z roztoku vypuzena a regenerované činidlo se vrací zpět do absorpční kolony. Při
provozu musí být neustále část reagentu doplňována, protože vlivem různých dalších složek v plynu může být
prací činidlo ničeno (např. vázáno do sloučenin, které se v regenerační koloně nerozloží) a dále může docházet
k únosu reagentu vyčištěným plynem/spalinami. Princip je patrný na obrázku číslo 1.
/ 93 /
Brno 2011
Jako reakční činidla jsou v současnosti zkoumány a testovány především vodné roztoky obsahující:
-
Různé aminy – primární, sekundární, terciální, heterocyklické
Amoniak
Uhličitany alkalických kovů (uhličitan sodný nebo draselný)
Směsné roztoky
Obr. 1 Princip absorpčních metod.
POSOUZENÍ VHODNOSTI METOD
Nejpodrobněji jsou ve všech podkladech popsány metody absorpční, které jsou nejvíce vyvinuté a mezi nimiž
jsou technologie již realizované (pro jiné účely anebo již realizované pilotní jednotky) a technologie intenzivně
vyvíjené či přizpůsobované speciálně pro záchyt CO2 ze spalin klasických elektráren. Pro porovnání a výběr
vhodné technologie pro podmínky v České republice byly následně vybrány dvě absorpční metody separace CO2
ze spalin, které podle dostupných údajů jsou ve vývoji nejdále, a lze předpokládat, že budou mezi prvními
realizovanými technologiemi. Jedná se o technologie na principu chemické reakce CO2 s amoniovým iontem –
technologie aminové vypírky a technologie vypírky spalin amoniakem. Pro separaci CO2 jsou vyvíjeny i další
technologie jak je výše uvedeno, ale jen popisované dvě metody jsou blízko průmyslového využití, tedy možné
aplikace. Ostatní metody separace CO2 jsou ve fázi výzkumu nebo laboratorních zařízení.
Aminy
Aminy a alkanolaminy ve vodném roztoku velmi snadno reagují s oxidem uhličitým za vzniku karbamátu,
bikarbonátu či karbonátové sloučeniny (podle druhu aminu). Např. pro primární aminy je výsledná reakce
2 R-NH2 + CO2 = R-NH-COO- + R-NH3+
(1)
Dodávkou tepla se reakce obrátí zpět zprava do leva a probíhá rozklad vzniklé sloučeniny.
Relativní poměr pohlceného CO2 závisí na mnoha faktorech, jako jsou druh aminu a jeho koncentrace ve vodném
roztoku, acidita roztoku, reakční podmínky a doba styku spalin s pracím činidlem atd. Jsou testovaných různé
typy aminů.
/ 94 /
Brno 2011
Jako jeden z prvních a nejrozšířenější je používán MEA, dále pak MDEA. Tyto aminy jsou levné, avšak silně
korozivní, takže pro zařízení je nutné používat drahé konstrukční materiály. I když jsou poměrně málo těkavé,
přes to se pozvolna vypařují. Vážnější problém však představuje jejich postupná degradace během provozu.
Degradace probíhá jednak kyslíkem přítomným ve spalinách a jednak dalšími sloučeninami, zejména oxidem
siřičitým a oxidy dusíku.
Amoniak
Amoniak představuje výchozí chemickou sloučeninu, ze které náhradou jednoho až tří atomů vodíku vznikají
aminy. Je proto pochopitelné, že sám také ve vodném roztoku reaguje s oxidem uhličitým a to výrazně lépe, než
aminy.
Základní výslednou reakci probíhající ve vodném roztoku lze zapsat jako vznik hydrogenuhličitanu amonného:
NH3 + H2O + CO2 = NH4HCO3
(2)
Amoniak má oproti Aminům řadu výhod, ale i řadu nevýhod. Srovnání obou metod bude v další kapitole.
Srovnání a výběr metody vhodné pro aplikaci v České republice
Tyto dvě vybrané metody byly následně porovnávány dle výhod, nevýhod a jejich možnosti uplatnění v rámci
České republiky. Obě metody byly dále posouzeny jak z materiálního hlediska, tak i z hlediska energetické
náročnosti. Pro názornost jsou uvedeny některé výhody a nevýhody obou metod separace CO2 ze spalin
z hlediska několika parametrů.
-
Finanční náročnost - Investiční náklady jsou dle dostupné literatury u amoniakové metody o 20% nižší
než u aminové metody. Hlavní finanční výhoda je v pořizovací ceně vypíracího média. Amoniak je
cenově mnohem výhodnější než aminy.
-
Chemické vlastnosti absorpčního činidla - Obě vybrané média jsou toxická a silně korozivní. Aminy
oproti amoniaku podléhají degradaci kyslíkem. Další a daleko větší vliv je degradace vlivem koncentrace
SO2 a NOx. Aminová technologie vyžaduje tedy nižší vstupní koncentrace SO2 a NOX (pod 30 mg/Nm3)
oproti amoniakové technologii. Tedy separace CO2 pomocí aminů vyžaduje dodatečné odsiření a použití
DENOx technologie. V dnešní době jsou již ale vyvíjený aminy, které již nevyžadují koncentraci SO2 a
NOx na tak nízké úrovni.
-
Provozní teploty - Aminová technologie pracuje za vyšších teplot, než technologie využívající amoniak.
Pro použití aminové metody je nutný dodatečný přívod páry vyšších parametrů, tedy nutnost vyšší
teploty. Oproti tomu u amoniakové metody stačí přívod páry o nižších parametrech (řádově 140°C).
Zatímco spotřeba tepla je vyšší u metody využívající jako vypíracího média aminy, při spotřebě chladu je
náročnější metoda vyžívající amoniak. Amoniaková metody vyžaduje nejen chlazení ve formě chladící
vody, ale dle zvolené technologie i další přísun chladu (Teploty v absorpční koloně se pohybují okolo
0°C).
-
Záchyt CO2 - Dle literatury uvedené v rešeršní části bylo zjištěno, že amoniaková metoda má oproti
aminové metodě 3 x vetší absorbované množství CO2 na kg vypíracího média. Uvedený záchyt CO2 je
porovnán mezi aminovou metodou MEA a amoniakovou metodou. Jednotlivé společnosti zabývající se
aminovou metodou provádějí zlepšení chemických vlastnost vypíracího média.
-
Energetická náročnost - Všechny údaje jsou získané jen v rámci rešeršní části z článků, konferencí a
zpráv od jednotlivých společností zabývající se separací CO2 ze spalin. Spotřeba tepla je při použití
amoniakové metody o 65 % nižší než při použití aminové metody. Samotné snížení účinnosti v rámci
/ 95 /
Brno 2011
celého bloku je u aminové metody více jak 9 procentních bodů a u amoniakové metody okolo 4
procentních bodů.
Tab. 1 Srovnání metod separace CO2 se spalin.
Technologie využívající aminy
Technologie využívající amoniak
absorpční činidlo (prací médium)
Dražší, vyšší investiční náklady na médium
Levné
Toxické, korozivní
Toxický, korozivní
Degradace kyslíkem
Nepodléhá degradaci kyslíkem
vstupní koncentrace SO2 a NOx ve spalinách a produkty reakcí s nimi
nízké koncentrace: SO2 pod 30 mg/Nm3, NOx
obdobně, nutné tedy dodatečné odsíření a Denox
Nepotřebuje dodatečné odsiření ani Denox
Produkty degradace nutno likvidovat – likvidace
termicky
Produkty reakce s SO2 a NOx nutno odělit, ale je
možnost prodeje jako hnojivo
provozní podmínky/potřeby tepla a chladu
Provozní teplota vyšší – potřeba páry vyšších
parametrů
Provozní teplota nižší – potřeba páry o nižších
parametrech
Spotřeba chladu – jen spotřeba chladící vody
Spotřeba chladu – chladící voda + podle technologie
spotřeba dalšího chladu
Záchyt CO2/kg sorbentu
100 %
Až 300%
Spotřeba tepla
100 %
Okolo 35 %
Investiční náklady (data na základě rešerše)
100 %
Pod 80 %
Snížení celkové účinnosti elektrárenského bloku
9 procentních bodů
3,5 procentních bodů
Snížení celkové účinnosti je zpracováno na elektrárenský blok spalující černá uhlí. Na základě výše uvedených
rozborů byla pro posouzení účinků a možností implementace v podmínkách České republiky pro elektrárny
spalující hnědé uhlí zvolena metoda vypírání spalin amoniakem.
VSTUPNÍ HODNOTY
Pro návrh technologie jsou použity následující parametry spalin z odsíření:
Tab. 2 Parametry vstupujících spalin.
Suché spaliny
CO2
O2
N2
SO2
SO3
Nm3/h
% obj
% obj
% obj
mg/Nm3
mg/Nm3
766 045
13,94
5,44
80,62
155,6
12,44
/ 96 /
NOx
TZL
pára
voda (unášené kapky)
mg/Nm3
mg/Nm3
Nm3/h
kg/h
207,5
10,4
218 493
80
teplota
°C
62
Brno 2011
TECHNOLOGICKÉ ŘEŠENÍ
Technologický proces amoniakové metody zahrnuje tyto hlavní dílčí technologické kroky
- zchlazení spalin +spalinový ventilátor
- absorpce CO2
- dočištění vypraných spalin
- desorpce CO2
- dočištění CO2
- komprese CO2
- pomocný zdroj chladu
- amoniakové hospodářství
Jednotlivé systémy jsou dále velice zjednodušeně popsány
Zchlazení spalin – Proces absorpce CO2 probíhá u amoniakové metody při nízkých teplotách (5 -10°C), je nutné
spaliny co nejvíce zchladit. Při procesu ochlazování současně vypadne ve formě kondenzátu pára obsažena ve
spalinách. Je navrženo dvoustupňové chlazení, kde v prvním stupni je navrženo vodní protiproudé chlazení a ve
druhém stupni trubkové kompresorové chlazení spalin. Následně je za chladicí systém navržen spalinový
ventilátor sloužící k překonání tlakových ztrát všech zařízení na trase spalin.
Absorpce – Absorbér je principiálně shodný s absorbérem určeného pro odsíření spalin a i jeho funkce je
obdobná. Vypírání spalin bude prováděno prací suspenz. Při kontaktu suspenze se spalinami se CO2 nejprve
rozpouští ve vodě a pak následně reaguje s rozpuštěným NH3 a uhličitanem amonným. Vykrystalizovaný
hydrogenuhličitan amonný se reakce nezúčastní a je odtahován k regeneraci. Do nejvyššího patra je přiváděn
zregenerovaný prací roztok z desorpční kolony, který bude před vstupem do absorbéru nutné vychladit. Spaliny
za absorbérem musí projít zařízením, ve kterém je zachycován amoniak. Dále čisté spaliny o teplotě cca 10 °C
budou přiváděny do spalinového výměníku, kde budou ohřátý na teplotu cca 50 °C surovými spalinami
vystupujících z odsíření. Ohřáté spaliny budou vedeny do chladící věže.
Suspenze odebrána s absorbéru je vedena přes hydrocyklón, kde dochází k zahuštění obsahu krystalů
hydrogenuhličitan na koncentrace vyšší než 50 % hm. Spodní tok je veden do sběrné nádrže odkud je suspenze
čerpána vysokotlakým čerpadlem na tlak cca 3,2 MPa. Suspenze přechází přes regenerativní výměník, kde je
ohřátá teplem regenerovaného roztoku, který se vrací s desorpční kolony. Při ohřevu se krystaly rozpustí a
vstupují do desorpční kolony
Desorpce – V desorpční koloně dochází k rozkladu hydrogenuhličitan amonného na amoniak a na CO2. Amoniak
za tlaku zůstává rozpuštěný ve vodní fázi, CO2 se uvolňuje jako plyn a je odváděn pryč z desorpční kolony.
Proces probíhá při tlaku 3,0 MPa a teplotě okolí 120 °C. Pro desorpci je nutné dodat nejenom zpátky veškeré
reakční teplo, které bylo odebráno v absorbéru při chemické reakci vzniku hydrogenuhličitanu amonného, ale
navíc teplo potřebné pro zahřátí desorbovaného roztoku na cca 120°C. Toto teplo bude dodávané párou
odebíranou z okruhu turbíny.
Proud CO2 uvolněný v desorpční koloně odchází z hlavy kolony s teplotou cca 115°C, prochází chladičem, kde
se ochladí na 30°C. Vykondenzované kapky vody se oddělí v separátoru a prakticky čistý CO2 je potom
v kompresoru komprimován na tlak potřebný pro transport. Pro transport je tlak 10 MPa a teplota 50 °C. Tedy
CO2 se nachází v superkritickém stavu a kapalný.
Komprese CO2 – Je navržen dvoustupňový kompaktní radiální kompresor s mezi chlazením (dle dostupné
literatury se využívá tzv. Integrally Geared Compressors). Výstupní teplota z kompresoru bude cca 116°C,
následovat bude další chlazení. První návrh počítá s chlazením pomocí samostatného okruhu, kde teplo
komprimovaného CO2 bude dále využito v procesu.
Pomocný zdroj chladu - Pro chlazení v rámci technologie budou použity dva zdroje chladu. Prvním (a výkonově
největším) bude okruh s chladicí věží (nebo ventilátorovými věžemi). V něm však nelze dosáhnout teploty
chladicí vody blízko 0°C – v létě je maximum možného okolo 23°C. Pro dosažení nižších teplot je nutné použít
/ 97 /
Brno 2011
kompresorové chlazení. Předpokládáme použití kompresorového chlazení s náplní amoniaku. Běžně se lze
setkat s nabídkou na okruh s výparnou teplotou média okolo -12°C. To je zcela postačující pro potřeby této
technologie a pravděpodobně bude možné vystačit s nižšími parametry.
Amoniakové hospodářství - Pro skladování NH3 a jeho doplňování do absorpčního okruhu bude nutné
čpavkové hospodářství, ve kterém bude skladován NH3 pravděpodobně v kapalném stavu (bude ještě
upřesněno) a dávkován podle potřeby do okruhu absorpce.
Jednotlivé technologické celky a systém absorpce CO2 ze spalin pomocí amoniaku je jen velice zevrubně popsán
a celý technologický celek obsahu mnohem více dalších zařízení. Jedná se především o čerpadla, menší
pomocné chlazení, hospodářství demi vody….Pro účely prezentace jsou vyjmenovaný jen hlavní celky.
DOPADY DO STÁVAJÍCÍ TECHNOLOGIE
Instalace navržené technologie zásadně ovlivní celý výrobní blok a to velice negativně. V rámci projektu jsou již
známé hlavní dopady. Jedná se především o:
-
Zvýšení množství vody – navržené chlazení bude mít veliký požadavek na potřebu chladící vody
Zvýšení vlastní spotřeby energie – je již známá spotřeba hlavních elektrických zařízení, tedy
kompresoru, kompresního chlazení, spalinového ventilátoru. Vlastní spotřeba elektřiny technologie post
combustion se pohybuje okolo hodnoty 50 MWe.
Odběr páry – Pro desorpci je nutné dodat nejenom zpátky veškeré reakční teplo, které bylo odebráno
v absorbéru při chemické reakci vzniku hydrogenuhličitanu amonného, ale navíc teplo potřebné pro
zahřátí desorbovaného roztoku na cca 120°C. Řádově se jedná o potřebu páry 20,73 kg/s.
Snížení účinnosti výkonu bloku – vlivem instalace technologie post combustion klesne výsledná
účinnost bloku o cca 11 procentuálních bodu. Výsledná účinnost bloku 250 MW bude 28 %.
Problematika odpadních vod – odpadní vody budou obsahovat sloučeniny solí. Dojde ke zvýšení
množství odpadních vod vstupujících do úpravny odpadních vod
Dispozice – literatura uvádí, že pro blok 600 MWe je potřeba 25 000 m2 volné plochy. Jedná se o velice
dispozičně náročnou technologii
ZÁVĚR
Cíle projektu označeného FR-TI1/379 jehož ukončení je v roce 2013 je návrh optimální koncepce a technologie
zachycování CO2 ze spalin elektrárny spalující České hnědé uhlí. Technický návrh dvou variant řešení systému
zachycování pro elektrárenský blok o výkonu 250 MW a zadané palivo, jedné založené na vybrané metodě
chemické absorbce a druhé metodě oxyfuel. Jednotlivé metody budou optimálním způsobem integrovány do
výrobní technologie elektrárny. V rámci úplnosti projektu bude provedeno pro obě varianty technicko-ekonomické
vyhodnocení a porovnání. Zpracování technických návrhů nezbytných úprav základní výrobní technologie bloku a
technický návrh vybraných nových komponent pro následný průmyslový vývoj. Pro samotné ukládání CO2 budou
vyvinuty a ověřeny metodiky nezbytné pro řešení ukládání do geologických struktur – soubor metodik pro
hodnocení migrace a interakce CO2 s okolním horninovým prostředím, metodiky pro hodnocení bezpečnosti
ukládání CO2 do horninového prostředí a v poslední řadě také metodika pro hodnocení přijatelnosti ukládání CO2
do geologického prostředí pro veřejnost. Možným výsledkem tedy budou podklady pro možnou výstavbu
demonstrační jednotky CCS v České republice.
[1] SLOUKA, Pavel, DUPAL, Tomáš. Metody a technologie zachycování CO2 ze spalin a technologie oxyfuel:
Výzkum a vývoj metod a technologií zachycování CO2 v elektrárnách na fosilní paliva a ukládání do
geologických formací v podmínkách ČR, 2009, 5021-F-091112
[2] SLOUKA, Pavel, PILAŘ, Lukáš, Řešení programové Etapy E2.3, E2.4, E5.1: Výzkum a vývoj metod a
technologií zachycování CO2 v elektrárnách na fosilní paliva a ukládání do geologických formací v
podmínkách ČR, 2009, UJV 13439 T
/ 98 /
Brno 2011
SUŠENÍ BIOMASY
Michaela Zárybnická
VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Technická 2, Brno 616 69
Příspěvek se zabývá problematikou snižování vlhkosti biomasy sušením a jejím následným využitím jako
biopaliva. Jsou navrženy různé varianty sušení. Konkrétně byla navržena pásová sušárna, kde jsou
předpokládány různé druhy sušícího média.
Klíčová slova: sušení, spaliny, pásová suška
ÚVOD
Jedním z hlavních problémů při zpracování biomasy je míra její vlhkosti, která snižuje výhřevnost dané hmoty.
Spalování velmi vlhkých paliv v podobě různých druhů biomasy je komplikované a má neblahý dopad nejen
na celkovou účinnost spalovacího procesu, ale i na zvýšenou tvorbu škodlivých emisí. Klasické roštové spalovací
kotle jsou citlivé na obsah vody v palivu, proto jako první je nutné palivo sušit. Je tudíž žádoucí využívat různé
metody vedoucí ke snížení vlhkosti před dalším zpracováním a využíváním biomasy. Z běžných a vhodných
druhů biopaliv pro přímé spalování je dřevní štěpka.
VLHKOST
Vlhkost, či obsah vody v biomase, kterou hodláme spalovat, je základním parametrem, podle kterého se řídíme
při výběru spalovacího zdroje, protože právě vlhkost je významnou veličinou určující kvalitu spalovacího procesu.
Snahou je získat palivo s co nejnižším obsahem vody. Vlhkost závisí především na tom, z jakých zdrojů biomasu
získáváme.
Důležitým rozdílem ve vyjadřování vlhkosti je, zdali máme na mysli dřevozpracující průmysl, nebo energetickou
praxi.
V dřevozpracujícím průmyslu se obsah vody vztahuje k suchému vzorku. Obecný vzorec pro výpočet vlhkosti:
wd =
m p − mo
mo
⋅ 100%
kde m p je počáteční váha vzorku a m o je váha vzorku po vysušení.
V energetické praxi se však vztahuje obsah vody k původnímu vzorku. Obecný vzorec pro výpočet vlhkosti:
we =
m p − mo
mp
⋅ 100 %
Závislost výhřevnosti na obsahu vody
V ýh řevn o st [M J/kg ]
20
18
16
14
12
10
8
0
5
10
15
20
25
Vlhkost [%]
Obr. 1 Závislost výhřevnosti na obsahu vody [4].
/ 99 /
30
35
40
45
50
Brno 2011
Formy vody ve struktuře dřeva
Obsah vody se u dřevitých materiálů pohybuje v rozsahu 20 % u sušených až po 65 % v surovém stavu.
Rostoucí strom potřebuje vodu ke svému životu, získává ji pomocí kořenů z půdy. Množství potřebné vody je
obrovské. Po skácení stromu zůstává voda, pokud se nevypaří, ve dřevě. Vlhkostí dřeva tedy rozumíme vodu,
která je v něm obsažena, obsah vlhkosti je však vždy různý. Rozlišujeme několik možností, jak může být voda
ve dřevě vázána:
Volná (kapilární) voda, jedná se o vodu, která se nejdříve vypařuje z cév a buněčných dutin Tato voda se
vypařuje sama nebo ji lze ze dřeva odstranit mechanicky, například lisováním či odstřeďováním. Další je vázaná
voda, ta se odstraňuje mnohem obtížněji ze dřeva. Tuto vodu nelze ze dřeva odstranit mechanicky, ale lze to
za pomoci tepla, jedná se tedy o přeměnu kapalné vlhkosti na vodní páru. Voda vázaná je někdy nazývána
vodou hygroskopickou. Vyplívá to z vlastnosti, že vodu vázanou může dřevo přijmout i ve formě vodní páry.
Pokud mluvíme o chemicky vázané vodě, tak tu lze odstranit pouze spálením, proto se objevuje i při nulové
absolutní vlhkosti. Zjišťuje se při chemických analýzách paliva a její celkové množství představuje 1 – 2 % sušiny.
METODY PRO SNÍŽENÍ OBSAHU VLHKOSTI
Sušení je běžný fyzikální proces odstraňování nežádoucí vody z příslušného paliva. Při samotném sušení
vlhkých paliv probíhají vzájemně provázané procesy přenosu tepla a hmoty mezi palivem a sušicím médiem.
Materiál lze sušit přirozeným nebo umělým způsobem. Oba tyto způsoby mají své výhody a nevýhody.
Pasivní sušení je nejstarší způsob odstraňování vlhkosti ze hmoty. Přirozeně lze sušit materiál pod přístřeškem
nebo lze použít voděodolnou nebo polopropustnou pokrývku. Voda se na povrchu odpařuje a pára difunduje
do okolního vzduchu. Aktivní sušení je velmi rozšířený proces a dnes se provádí za pomoci sušáren. Vzhledem
ke značně rozmanitým požadavkům na sušený materiál existuje mnoho typů sušáren, liší se především
způsobem, jakým se dodává energie potřebná k sušení, a způsobem dopravy materiálu sušárnou.
Sušící zařízení
Sušárny většinou pracují v blízkosti atmosférického tlaku, je to z důvodu minimalizace netěsnosti sušícího
zařízení. Vzduch nebo spaliny jsou nejběžnějším použitým sušícím médiem. Přehřátou páru jako sušící médium
je vhodné použít např. v teplárnách, kde je možno použít odběrovou páru.
Lopatková sušárna využívá dopravníkového pásu, který je opatřen lopatkami. Vlhký materiál je průběžně
míchaný vyhřívanými otáčejícími břity, což má za následek vypařování vlhkosti a vysušování vlhkého materiálu
na požadovanou suchost. Základním principem, který je využíván v sušárně s fluidní vrstvou je, že dřevěný vlhký
materiál se profukuje horkým vzduchem nebo jiným plynem proudícím zezdola přes perforované dno pracovního
prostoru aparátu. Často se využívají příčné proudy vzduchu, které umožňují přenos dřeva skrz sušárnu. Kontakt
částic vlhkého materiálu s horkým sušícím médiem je dokonalý, což usnadňuje a urychluje přestup tepla
a zvyšuje využití entalpie sušícího média k odpařování kapaliny tvořící vlhkost sušeného materiálu. Šneková
sušárna opět využívá dopravníkového šneku, který je opatřen lopatkami. Šnekový dopravník zaručí nejen posun
biomasy komorou, ale i její čechrání. V praxi je možné umístit až tři žlaby se šneky nad sebou, do horního je
dopravována biomasa, která na konci šneku volně propadne do vany se šnekem pod sebou. Z posledního šneku
je usušená biomasa dopravována pneumaticky nebo dopravníkem do zásobníku. Bubnová sušárna využívá
spalin z kotle ochlazeného studeným vzduchem na teplotu 300–500 °C. Dávkování do bubnu je regulováno
řídicím systémem tak, aby se výstupní teplota páry ze sušárny udržovala na konstantní teplotě. Buben sušárny je
skloněn pod malým úhlem, z důvodu snazšího postupu sušeného materiálu, a je umístěn mezi kladkami, což
umožňuje jeho otáčení kolem osy, které způsobuje přesýpání štěpky uvnitř bubnu a zlepšuje tak prostupnost
spalin, tudíž zvyšuje účinnost. U pásové sušárny je nejdůležitějším komponentem celého zařízení prodyšný
sušící pás na pásovém dopravníku, na kterém se pomocí dávkovacích šnekových dopravníků vytváří sušená
vrstva. Sušený materiál musí být zbaven větších kusů dřeva či kovových částí, které by mohly způsobit
mechanické poškození pásu. Výhodou pásového sušení je nízká teplota a velký objem proudícího vzduchu. Díky
tomu nedochází u pilin či dřevní štěpky k spálení či přesušení nebo jinému znehodnocení sušeného materiálu.
/ 100 /
Brno 2011
Obr. 2 Pásová sušárna [6].
Obr. 3 Bubnová sušárna [6].
Systém sušení
Cílem práce bylo navržení systému využívající pásovou sušku sušící dřevní štěpku, pro spalování v kotli. Jako
sušící médium se uvažovalo horky vzduch, spaliny, případně zbytková pára. Pokud bude do kotle dodávána
mokrá štěpka o původní vlhkosti 50 %, tak pro požadovaný výkon kotle 50 MWt je nutné do kotle dopravovat 25
t/hod paliva. Výhřevnost takto mokré štěpky je 8,05 MJ/kg. Předpokládané množství sušeného materiálu bylo
50 000 m3/hod při počáteční vlhkost 50 %, po vysušení bylo požadováno 30 %. Na Obr. 4 je systém sušení, kdy
sušícím médiem je uvažován vlhký vzduch. Jak je vidět pro sušení je zde využit okolní vzduch, který je ohříván
na požadovanou sušící teplotu 120 ˚C ve výměníku LUVO. Aby bylo dosaženo požadovaných hodnot, byla
navržena pásová suška o délce a šířce 20 m, výška sušeného paliva byla 1 m. Rychlost posuvu pásu bylo
stanoveno na 5 m/hod, celková doba sušení tedy činila 4 hod. Po odstranění vlhkosti z paliva, se výhřevnost
paliva výrazně zvýšila na hodnotu 12,3 MJ/kg, což je požadovaný efekt. Množství paliva dodávané do kotle
pro výkon 50 MWt je tedy nyní 17,87 t/hod.
Obr. 4 Schématický diagram zapojení se vzduchem.
Na Obr. 5 je obdobný návrh systému sušení se zapojením pásové sušky, ale v tomto případě jsou zde pro sušení
využívány spaliny. Zapojení je o něco složitější a tedy i případné pořizovací náklady jsou vyšší, jedná se zde
především o drahý kondenzační výměník spaliny-vzduch. Celý systém, tvoří takovou smyčku. Spaliny pro sušení
jsou odváděny z kotle přes výměník a cyklon přímo na pásovou sušku, poté přes kondenzační výměník odchází
do komína. Stejně jako u vzduchu po vysušení dochází ke snížení požadovaného množství paliva jdoucího do
kotle v závislosti na výkonu kotle.
/ 101 /
Brno 2011
Obr. 5 Schématický diagram zapojení se spalinami.
Závěrem lze říci, že je pouze na rozhodnutí provozovatele kotle, zda bude spalovat mokrou štěpku a tím do
budoucnosti možná zapříčiní případnou poruchovost kotle nebo se rozhodne investovat do sušené dřevní štěpky,
ať už je to jakýmkoliv způsobem.
[1] HENRIK, H.: Biofuel drying as a concept to improve the energy efficiency of an industrial chp plant.
Helsinky, 2007. 66 s. Dissertation. Helsinky University of Technology. ISBN 978-951-22-8648-5
[2] JÍCHA, M.: Přenos tepla a látky. Vyd. 1. Brno : Akademické nakladatelství CERM, 2001. 160 s. ISBN 80214-2029-4.
[3] BALÁŠ, M.: Kotle a výměníky tepla. Vyd. 1. Brno : Akademické nakladatelství CERM, 2009. 109 s. ISBN
978-80-214-3955-9.
[4] ČERNÝ, V.: Parní kotle. Praha : SNTL, 1983. 858 s.
[5] WERTHANOVÁ, M.: Atlas makrostruktury dřeva exotických dřevin [online]. 2010 [cit.2011-04-23]. Stavba
kmene. Dostupné z WWW: ttp://www.atlasdreva.hu.cz/makro_exoticke/teorie_charakteristika_drevin.html>.
[6] Tůma cz s.r.o. [online]. 2010 [cit. 2011-04-23]. Dostupné z WWW:<http://www.tumacz.cz/>.
/ 102 /
Používání dat a informací publikovaných v tomto sborníku v dalších pracích, článcích,
přednáškách a prezentacích bez uvedení zdroje, resp. autora je nepřípustné.
Příklady způsobu citace článků uvedených ve sborníku:
[1] BENIAK, J. (2011): Spracovanie biomasy pomocou dvojstupňoveho dezintegračneho komplexu.
Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy XII“. VUT v Brně. ISBN 978-80-214-4403-4
[2] L. Jílková, K. Ciahotný a kol. Kopyrolýza uhlí a biomasy. Sborník příspěvků ze semináře „Energie
z biomasy XII“, VUT v Brně, 2011, ISBN 978-80-214-4403-4
[3] Hrdlička, J. a Pilař, L.: Problematika využití alternaticního paliva z ekologických zátěží. Sborník
příspěvků ze semináře „Energie z biomasy XII“. VUT v Brně (2011). ISBN 978-80-214-4403-4
editoři:
Martin Lisý
Marian Brázdil
Ladislav Šnajdárek
Publikace neprošla jazykovou úpravou.
ENERGIE Z BIOMASY XII
Sborník příspěvků ze semináře
Vydavatel:
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta strojního inženýrství
Tisk:
Vydání:
Rok vydání:
Náklad:
Počet stran:
první
2011
35
105
ISBN 978-80-214-4403-4

pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

Transkript

Podobné dokumenty

obsah - Fakulta strojní - VŠB-TU Ostrava

Kopyrolýza hnědého uhlí a řepkových pokrutin

Energetické využití odpadů

pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

energie z biomasy xiii - Energetický ústav

Absorpční cykly - Energetický ústav

Digital MP3/MP4 player

číslo v PDF

Prezentace aplikace PowerPoint

rizika „čipování“

často kladené otázky

Strategie komunitně vedeného místního rozvoje Místní akční skupiny

Elektroforéza bílkovin, imunofixace a isoelektrická fokusace

Sborník - Energis 24

Směry zvýšení efektivnosti výroby biopaliv