tisk ]Spalování biomasy s vysokou účinností
Obnovitelné zdroje energie: SPALOVÁNÍ BIOMASY S VYSOKOU ÚČINOSTÍÚvodem:
Je nesporným faktem, že lidstvo využívá ohně pro zajištění tepla, úpravu potravin a k technologickým účelům (keramická výroba, kovovýroba, ...) od pradávných dob. Nové poznatky přírodních věd vynucené nástupem průmyslové revoluce před přibližně 200 léty, zejména pak objevení a využíváním fyzikálně chemických zákonů hoření, otevřely nové technologie spalování, které nejenže dokázaly spálit používané palivo dokonaleji a s vyšší účinností, ale vyšší spalovací teplotou umožnily využití dalších paliv, které byly pro původní technologie spalování nepoužitelné.
Krátký pohled do historie:
Dnes již historický přechod energetiky na uhlí umožnil do té doby nevídané zvýšení výkonu topenišť podmiňující koncentraci průmyslové výroby a vznik kvalitativně nových oborů (železniční, lodní, automobilová a letecká doprava, elektroenergetika, teplárenství, plynárenství apod.), které nejen obrazně, ale fakticky změnily svět i náš život.
Dynamický rozvoj energetiky, která je součástí prakticky všech průmyslových oborů probíhá dosud, a to jak ve vlastním hoření, které je primární energetickou transformací, tak i v předcházejících nebo navazujících souvislostech, (zajištění a struktura primárních energetických zdrojů, energetické hospodářství, emise a ochrana životního prostředí a pod.).
Přes vysokou úroveň současných poznatků a energetických systému však musíme mít na paměti, že platí stále stejné přírodní zákony jimiž se řídí fyzikálně chemický proces hoření a termodynamické veličiny jako koncentrace teplota a tlak jsou racionálními prostředky pro řízení spalovacího procesu.
Analyzujme proto historický vývoj spalování právě z hlediska termodynamických veličin. Na počátku však lze vyloučit tlak, neboť spalování za vyšších tlaků je v energetice výjimečné. Teplota a koncentrace nám však poskytují dostatečné množství variant řešení pro dokonalejší spalování s vyšší účinností přeměny energie paliva.
Historicky nejstarším spalovacím zařízením je otevřené ohniště, které v podobě otevřených krbů přetrvává až do současnosti a v souvislosti se zvyšujícím se podílem biomasy jako paliva je stále aktuální. Analyzujeme proto podmínky spalování vlhkého paliva (dřeva) na otevřeném ohništi, které umožňuje neřízený přístup chladného spalovacího vzduchu, jenž je díky vztlaku horkých spalin přisáván z okolního prostředí v několikanásobném (5 až 10x) přebytku. Logicky nutným důsledkem je nízká teplota plamene a nízká koncentrace prchavé hořlaviny uvolňující se ze dřeva. Nepříznivé podmínky vznícení a hoření jsou dále komplikovány vlhkostí dřeva, která nejenže snižuje efektivní výhřevnost paliva až na polovinu, ale blokuje spotřebou tepla na odpaření vlhkosti počáteční fáze hoření a počátek uvolňování prchavé hořlaviny. Logickým důsledkem nízké teploty je i nízká rychlost chemické reakce a vysoký obsah hořlaviny (nespálených uhlovodíků a oxidu uhelnatého) ve spalinách. Popsaným nepříznivým podmínkám spalování odpovídá i účinnost v rozsahu 15 až 20%.
Topeniště a proces hoření:
Průlomem do otevřených ohnišť byl vynález uzavřeného roštového topeniště. Omezený a řízený přístup spalovacího vzduchu s uzavřeným vyzděným resp. částečně kovovým spalovacím prostorem výrazně změnil podmínky spalování. Spalovací vzduch již pouze přibližně v dvojnásobném přebytku typickém pro roštová topeniště je navíc předehříván při průchodu přes kovový rošt a popelník. Reakční teplota daná teplotou plamene je nejen vyšší, ale také rovnoměrnější v prostoru topeniště. Koncentrace prchavé hořlaviny je rovněž díky pouze dvojnásobnému přebytku vzduchu příznivější, i když je stále nehomogenní v prostoru topeniště. Problémem je však cyklické přikládání chladného a vlhkého paliva. Při přiložení dochází k výraznému snížení teploty nejen krátkodobým otevřením uzavřeného prostoru topeniště umožňující tahem komínu přisátí výrazně většího množství spalovacího vzduchu, ale především spotřebou tepla na ohřev přiloženého paliva a odpaření jeho vlhkosti. Odpaření vlhkosti probíhá v závislosti na kusovosti paliva přibližně do teploty 150°C, neboť ve vnitřních vrstvách paliva je vytvářen vyšší tlak potřebný pro průnik páry na povrch a z povrchu paliva do spalin. Vyšší tlak však zvýšením teploty bodu varu udrží přehřátou vodu v kapalném stavu i při teplotách přesahující 100°C. Již při částečném úniku vlhkosti mikrotrhlinami nebo póry však dojde k velmi rychlému snížení tlaku a s ním spojeným poklesem teploty bodu varu. Přehřátá voda se explozivním způsobem vypaří, což je doprovázeno zvukovými efekty "praskání" dřeva při spalování. U uhlí díky porézní struktuře není tento jev tak výrazný.
Problémem pro hoření je však spotřeba energie pro odpaření vlhkosti a ohřev paliva na teplotu (150°C), kdy teprve začíná uvolňování prchavé hořlaviny, která se ve směsi se vzduchem vznítí a uvolňovaným teplem zásobuje celý systém potřebnou energií. Odpařování vlhkosti totiž udržuje teplotu paliva na aktuálním bodu varu a blokuje tak další zvýšení teploty potřebné pro uvolňování prchavé hořlaviny v počátečních fázích hoření, kdy je celý systém energeticky deficitní. Praxe nás naučila provozní režimy umožňující tento problém překonat. U malých výkonů (kamna), proto přikládáme nikoliv na konci cyklu paliva, ale ještě ve fázi, kdy dohořívá tuhý zbytek paliva z předchozího cyklu přikládání. Dokonalejší spalování však dosáhneme systematickým oddělením jednotlivých fází hoření probíhajících postupně při ohřevu paliva (odpaření vlhkosti, uvolňováním prchavé hořlaviny a dohořívání tuhého zbytku). Na pevném roštu je tento provozní režim problematický a znamenal by přiložení paliva na přední část roštu s relativně nízkou teplotou, která však zajistí jeho vysušování (150°C). Ve střední části roštu by u vysušeného paliva docházelo k uvolňování prchavé hořlaviny hořící dlouhým svítivým plamenem odtahovaným přes spalovací prostor topeniště nad zadní části roštu na kterém dohořívá krátkým nesvítivým plamenem tuhý zbytek paliva. Za těchto podmínek energeticky zisková střední část roštu zajistí teplo pro vysoušení paliva na přední části roštu. Dlouhý plamen hořící prchavé hořlaviny je navíc nad zadní části roštu s dohořívajícím tuhým zbytkem udržen v oblasti vysokých teplot s dostatečnou rychlostí reakce, takže teplotní i koncentrační podmínky umožňují dokonalejší spalování. Prakticky je však problematické tento režim realizovat. Vyžaduje totiž postupné posouvání paliva na roštu pohrabáčem, což již dnes není pro většinu uživatelů přijatelné a při topení kusovým dřevem (polena, brikety) není prakticky realizovatelné. Přikládání paliva (např. uhlí) na hořící nebo dohořívající palivo má pak za následek ochlazení hořící směsi unikající ze spodní vrstvy hořícího paliva v horní krycí vrstvě přiloženého chladného a vlhkého paliva. Ochlazení souvisí se snížením reakční rychlosti a je tak intenzivní, že často dlouhý plamen hořící prchavé hořlaviny zhasne. I když se prchavá hořlavina ve spodní vrstvě vyvíjí a mísí se ze vzduchem na hořlavou směs, chybí aktivace na zápalnou teplotu, která přichází teprve později při "prohoření" vrstvy přiloženého paliva. Nespálené uhlovodíky při dalším poklesu teploty v částech ohniště s nízkou teplotou (pod zápalnou teplotou), na teplosměnných plochách nebo v komíně kondenzují na vizuálně pozorovatelnou mlhovinu složenou z jemných kapek nebo sublimují na tuhou fázi (saze), které vytvářejí dým (směs spalin, zkondenzovaných nespálených uhlovodíků a sazí). Častý výskyt popsaného nepříznivého režimu navíc podporuje způsob regulace výkonu topeniště regulováním (omezováním) spalovacího vzduchu místo regulace přívodu paliva frekvencí přikládání. Záměrně tak omezováním spalovacího vzduchu přivádíme režim do nedokonalého spalování s nižším tepelným efektem, který teprve následně sníží tepotu spalovacího prostoru a zpomalí rychlosti reakce hoření čímž sníží tepelný výkon.
Nutným průvodním jevem uvedeného režimu spalování jsou zvýšené koncentrace nespálených uhlovodíků ve spalinách, což znamená nejen nízkou energetickou účinnost, ale i zvýšené emise škodlivin.
Zcela odlišná situace je ve spalovacích zařízeních velkých výkonů. Trvalé problémy vedly k výrazné inovaci spalovací technologie, a to ještě v době před "tlakem" ekologických předpisů. Motivace byla technicko ekonomického charakteru, a to zvýšením výkonu a účinností.
Roštové topeniště z hlediska termodynamických veličin a tedy podmínek spalování, nejsou zdaleka ideální. Dvojnásobný přebytek spalovacího vzduchu a nerovnoměrnost mísení s nehomogenními koncentracemi sice umožnily dynamický rozvoj průmyslové revoluce, ale typickým projevem byly "dýmající komíny vyjadřující prosperitu". Požadavek zvyšování výkonů kotlových bloků především v elektrárnách a teplárnách vedl k nástupu práškového uhlí. Takto upravené palivo (sušené a jemné granulace) mělo zcela odlišné spalovací vlastnosti především v nižším přebytku vzduchu (1,3x), rovnoměrnější koncentraci a výrazně vyšší spalovací teplotě. Rychlost reakce byla proto vyšší a došlo k dokonalejšímu a rychlejšímu spálení paliva. V polovině minulého století proto rozhodující většina velkých zdrojů přešla na náročnější (sušení, mletí) technologii spalování uhelného prášku, která měla díky vyšší účinnosti i výrazný ekonomický efekt.
Zdroj tepla - biomasa:
Popsaná problematika spalování je obecně platná pro tuhá paliva. To je velmi aktuální i dnes, kdy se výrazně rozšiřuje energetické využívání biomasy. Ekologicky dokonalé spalování biomasy je však podmíněno znalostí této technologie a zajištěním odpovídajících podmínek. Prakticky každý má zřejmě zkušenosti s otevřeným ohništěm ve formě "ohýnku" nebo "táboráku", případně se spalováním dřeva a listí na zahradách. Je proto jasné, že paliva na bázi biomasy musí mít takové vlastnosti, aby v technicky racionálně konstruovaných zařízeních spálily biomasu s minimem škodlivých emisí.
V této souvislosti máme k dispozici dobrý příklad v sousedním Rakousku, kde energetická politika státu i jednotlivých zemí výrazně podporuje obnovitelné zdroje energie v nichž dominuje vedle vodní energie (Alpy) biomasa. Není náhodné, že centrální zdroje vytápění biomasou jsou doporučovány pouze pro hustou zástavbu center vesnic, neboť po zkušenostech je zřejmé, že rozvody tepla jsou náročné jak z hlediska investic (65%), tak z hlediska provozních nákladů (cirkulace a tepelné ztráty).
Kamna nebo kotle na biomasu jsou dnes v Rakousku výrazně orientovány na použití pelet s výhodou možnosti programového nebo dálkového startu a časově rovnoměrného průběhu spalování s regulací výkonu řízením přiváděného množství paliva, a to již v páté konstrukční generaci kotlů využívajících například kondenzační provozní režim pro předehřev spalovacího vzduchu.
Současná spalovací zařízení na biomasu (kamna) určená jako hlavní zdroj vytápění zajišťují racionální konstrukcí dokonalé spalování paliva v biotopeništi bez kovových součástí. Akumulace tepla v keramickém modulárním systému KMS při minimální provozní obsluze umožňuje udržet aktuální spalovací výkon na úrovni zajišťující dostatečně vysokou teplotu plamene podmiňující dokonalé vyhoření prchavé hořlaviny a oxidu uhličitého.
Na základě uvedených znalostí byly postaveny a experimentálním měřením ověřovány kamna na polenové dřevo nebo brikety. Kamna jsou složeny ze spalovací komory, keramického akumulačního modulárního systému a výměníkového systému (hypokaustu) předávajícího teplo do vytápěného prostoru. Dochází tak k oddělení spalovacího procesu od akumulačního a výměníkového procesu. Spalovací komora (biotopeniště) tepelně izolačními vlastnostmi umožňuje udržení vysoké spalovací teploty plamene zajištěné předehříváním primárního i sekundárního vzduchu v kanálcích vyzdívky dna a bočních stěn biotopeniště. Svislý odtahový tah (pád) zařazený za spalovací komorou zajistí vztlakové rozvrstvení spalin, jehož důsledkem jsou udržovány ve spalovací komoře maximální teploty a odtahovány jsou relativně chladnější spaliny do keramického modulárního systému. KMS je vyroben z mullitového zdiva s vysokou hustotou (2800 kg.m-3) ve tvaru kubických prvků jednotného modulu zajišťujícího snadné a provozně spolehlivé sestavení. KMS zajišťuje akumulací tepla získaného spalováním v přibližně dvouhodinovém časovém úseku s následným desetihodinovým předáváním tepla přes výměníkový systém (hypokaust) do vytápěného prostoru. Z KMS jsou spaliny odváděny do komínu.
Experimentální měření bylo zaměřeno na ověření teplotních a koncentračních podmínek při spalování dřevěných briket s vlhkostí 9,8%. Konkrétně byly měřeny pomocí termočlánků teploty primárního a sekundárního vzduchu před vstupem do spalovací komory, teploty spalin při výstupu ze spalovací komory, při vstupu do KMS a vstupu do komína. Průběžně byla měřena analýza spalin (O2, CO, NOx, NO2, CxHy) a stanoven obsah CO2. Analýza spalin byla prováděna analyzátorem TESTO 350 M/XL umožňujícího analýzu nespálených uhlovodíků CxHy. Z naměřených veličin byl stanoven aktuální přebytek spalovacího vzduchu a nepřímou metodou byla stanovena účinnost, která se v závislosti na jednotlivých fázích hoření prchavé hořlaviny s dlouhým a svítivým plamenem nebo dohořívání tuhého zbytku s krátkým a nesvítivým plamenem pohybovala v intervalu 83 až 91%.
Co dodat na závěr:
Souhrnně lze konstatovat, že moderní racionální konstrukce spalovacích zařízení i v malých výkonech dokáže spalovat upravena paliva s vysokou účinností a minimálním množstvím škodlivých emisí. Je však nutné podpořit jak propagaci a využívání spalovacích zařízení schopných splnit náročné podmínky, tak i systém zajištění, distribuce a používání upravených paliv jako podmínku pro dosažení požadovaných výkonových i kvalitativních parametrů. Vzhledem ke spolehlivosti provozu je rovněž zajímavé, že v řadě případů nepotřebují elektřinu ani další zdroj energie. Vývojové tendence jsou zřejmé: vysoká účinnost běžně přesahující 80% (špičkově přes 90 %), nezávislost na vnějších energetických sítích (elektřina), dokonalé spalování s minimem škodlivých emisí, obslužně nenáročný provoz s dvanáctihodinovým intervalem přikládání.
Zpracováno podle referátu Doc. Ing. Zdeněka Tomana, CSc., VŠB - TU Ostrava, předneseného na konferenci o Zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie při zajišťování tepla v Ostravě.