Fluidní kotel na biomasu s inertní náplní Liapor

Úvod

Biomasa jako významný zdroj obnovitelné energie v ČR je již po několik let ve středu zájmu, a lze očekávat, že spožadavkem EU na dosažení cílového podílu obnovitelných zdrojů 13 % konečné spotřeby energie v roce 2020 její význam bude dále stoupat. V současnosti je situace v prostředí ČR taková, že tradiční dřevní biomasa je již z podstatné části energeticky využívána a není velký prostor pro další zvýšení jejího podílu. Pozornost se proto zaměřuje i na další druhy biomasy, kterými jsou mimo jiné i odpady a vedlejší produkty ze zemědělské a lesnické výroby, které nemají další využití. Zde se skrývá relativně velký potenciál, jehož velikost lze ovšem jen obtížně odhadnout. Určité odhady lze nalézt např. v [1], kde je uveden roční dostupný potenciál (stav k r. 2004) pěstované biomasy 136 PJ a dřevní biomasy 44,8 PJ. Zejména zemědělské produkty jsou však coby zdroje energie většinou méně kvalitní, než je tomu u dřevní biomasy, typickou odlišností je často výrazně vyšší obsah vody u zelených rostlin a tím i nižší výhřevnost, a rovněž také odlišné složení popelovin, které často způsobuje jejich tavení a spékání již od teplot 700 °C.

V současnosti je nejběžnějším způsobem využití energie z biomasy její přímé spálení, a lze předpokládat, že tomu bude i nadále. Důvod je hlavně ten, že potenciál energetické biomasy je, na rozdíl např. od uhlí, výrazně méně „koncentrovaný“, tj. dostupná biomasa obvykle není soustředěna do jednoho místa, ale je nutné ji k místu spotřeby dopravovat z plošně často rozsáhlých oblastí. Tato skutečnost podporuje realizaci spíše menších decentralizovaných technologií, které budou efektivně zpracovávat biomasu dostupnou v dané lokalitě v menším měřítku, za přiměřených nákladů na dopravu. Pro spalování biomasy, zejména v menším měřítku do 10 MW, je dnes dominantní technologií spalování na roštu, a to v řadě modifikací. Možné je ovšem i použití technologie fluidního spalování, které je v současnosti používáno v ČR převážně u větších aplikací. Pro výkony cca do 30 MW lze použít kotle s bublinkovou (stacionární) fluidní vrstvou, jejíž výška je omezena na spodní část fluidního ohniště. Pro větší výkony je obtížné udržet teplotu fluidní vrstvy na požadované úrovni, proto se přechází na tzv. cirkulující fluidní vrstvu.

Pro vytvoření stabilní fluidní vrstvy je zapotřebí většího množství materiálu, než je hmota paliva, proto je fluidní lože tvořeno z větší části inertním materiálem, kterým může být popel z paliva nebo uměle dodávaný materiál, např. písek o různé zrnitosti. Nízká koncentrace paliva ve fluidní vrstvě, která se pohybuje v řádu jednotek procent, umožňuje vést spalování při velmi nízké teplotě (i okolo 750 °C) a umožňuje se tak vyhnout problémům s tavením popelovin některých biopaliv. Protože biomasa zmiňovaná v úvodu má obvykle velmi nízký obsah vlastních popelovin – většinou nepřesahuje 10 % – je nutné pro nasazení fluidní technologie zvolit cizí inertní materiál. Jednou z řady variant je i keramický materiál prodávaný pod obchodním názvem „Liapor“, který bude diskutován dále.

Keramický materiál „Liapor“

Tento keramický materiál je místně specifickým produktem pocházejícím z oblasti severozápadních Čech. Surovinou pro tento materiál jsou cyprisové jíly, které tvoří nadložní vrstvu hnědouhelných slojí v sokolovské pánvi. Tyto jíly jsou pojmenovány podle drobného korýše Cypris augusta, jehož přítomnost ve formě zkamenělin je typickým znakem těchto usazených vrstev.

Stáří těchto jílovitých vrstev je odhadováno na cca 150 mil. let, z druhohorního období Jury. Proces výroby probíhá vypalováním a expandováním těchto jílů v rotačních pecích při teplotách okolo 1100 – 1200 °C. Výstupem je granulovaný keramický materiál, jehož hlavní použití je v současnosti jako lehké kamenivo ve stavebnictví, používá se například pro tepelně-izolační zásypy střech, výplňové a konstrukční zásypy nebo i jako filtrační materiál pro čištění odpadních vod. Vzhledem ke svým vlastnostem, které jsou shrnuty v tabulce 1, je tento materiál vhodný i jako inertní náplň fluidní vrstvy.

Na obrázku 1 je zobrazena fotografie jedné částice tohoto materiálu. Tento materiál má některé další důležité vlastnosti – těmi jsou teplotní stabilita tvaru částic nejméně do teploty 1100 °C a vysoká mechanická odolnost a otěruvzdornost. Poslední dvě jmenované vlastnosti však přinášejí kromě výhod ve formě menší spotřeby materiálu i negativa. Vysoká mechanická odolnost částic může způsobit zvýšenou abrazi teplosměnných částí kotle, zejména těch, které jsou umístěny jako trubkové svazky přímo do proudu spalin. Proto tento materiál není vhodný pro cirkulující fluidní vrstvu, ale je možné jej aplikovat u stacionární (bublinkové) vrstvy, kde je riziko abraze výrazně menší.

Konkrétní vlastnosti materiálu, který byl použit v laboratoři pro počáteční experimenty s nově postaveným fluidním kotlem, jsou shrnuty v tabulce 2.

Vlastnosti materiálu vrstvy byly pro první testy zvoleny tak, aby především hustota inertu odpovídala hustotě paliva. Hustota smrkového dřeva s obsahem vody 45 %, které bylo ve formě štěpky použito jako testovací palivo, je přibližně uvedených 800 kg/m³.

Pro základní popis vrstvy – výpočet její prahové rychlosti fluidace – byla použita Ergunova rovnice [2], a rovněž byla i pro základní výšku vrstvy 500 mm vypočtena tlaková ztráta vrstvy při minimální rychlosti fluidace. Byla také vypočtena pádová rychlost částice, tj. rychlost, při které by došlo k úletu částic vrstvy a vrstva přešla do stavu pneumatického transportu. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 3.

Popis fluidního kotle a výsledky prvních experimentů

Fluidní kotel, postavený v tepelné laboratoři Juliska, je řešen jako vertikální dvoutahový kruhového průřezu, s převáděcí komorou, která spojuje oba tahy kotle. První tah kotle slouží jako stupňová dopalovací komora se čtyřmi výškovými úrovněmi vstupu sekundárního vzduchu. Fluidní vrstva je navržena jako stacionární (bublinková), distributor vzduchu je modifikace provedení žlabového roštu typu EFDM. Sestává se ze zapalovacího (a stabilizačního) žlabu, který je připojen k plynovému hořáku, a tří řad po šesti tryskách na každé straně žlabu. Celý první tah kotle, včetně fluidního roštu, je řešen jako adiabatická spalovací komora. Komora je vyzděna po celé výšce, vyzdívka je zvenku chlazena vodním pláštěm. Převáděcí komora je rovněž chlazena vodním pláštěm, druhý tah kotle pak představuje žárotrubný výměník spaliny-voda.

Převáděcí komora rovněž bude sloužit jako experimentální prostor pro výzkum vlivu spalin ze spalování biopaliv na korozi materiálů. Navržený výkon kotle je 500 kW, výstupní teplota spalin je při nominálním výkonu 250 °C – kotel je konstruován v této fázi jako experimentální zařízení, a tepelné výměníky slouží pouze k odvodu tepla. Detailní pohled do spalovací komory, ještě před instalací, je včetně popisků na obrázku 2.

Fluidační vzduch je do kotle přiváděn pomocí plynule řízeného primárního ventilátoru, který je dimenzován i na „těžší“ typy fluidních vrstev; maximální tlaková ztráta fluidní vrstvy může být 5 kPa, což je postačující při maximální výšce vrstvy v klidu 60 cm i na vrstvu tvořenou uhelnými popelovinami. Sekundární vzduch je přiváděn pomocí samostatného ventilátoru do rozvaděče, odkud je rozveden do prostoru nad hladinou fluidní vrstvy (freeboardu), a to ve čtyřech výškových úrovních (cca 0,5, 1, 1,5 a 2 m). Po obvodu každé úrovně jsou rozmístěny 4 vstřikovací body, celkem je tedy sekundární vzduch přiváděn 16 body, které jsou opatřeny klapkou pro možnost regulace. Kotel může pracovat jak v režimu čistého spalování, tj. množství primárního vzduchu je větší než stechiometrické, tak i částečně ve zplyňovacím režimu, kdy je množství primárního vzduchu podstechiometrické, a dohořívání probíhá ve freeboardu pomocí sekundárního vzduchu. Tento režim je možné aplikovat pouze u lehčích vrstev – např. některé druhy Liaporu – z důvodu nezbytnosti překročení mezní rychlosti fluidace. Palivo je do kotle přiváděno z násypky pomocí dvou šnekových podavačů, vstup paliva je umístěn v úrovni horní hladiny fluidní vrstvy, palivo tedy padá na vrstvu.

Na kotli byly dosud provedeny pouze první testy, které měly za cíl ověřit funkčnost všech celků, a zejména chování paliva ve fluidní vrstvě vytvořené z materiálu Liapor. Pro první experimenty byla jako palivo použita dřevní štěpka o vlhkosti průměrně 45 % a výhřevností přibližně 10 MJ/kg. Během experimentu se štěpka chovala přesně podle předpokladů, po dopadu na povrch vrstvy byly těžké částice vtaženy dovnitř vrstvy, kde došlo k jejich vyhoření.

Keramický materiál se díky své jednotné velikosti kulových částic choval definovaně, jako bublinková fluidní vrstva. Během experimentu byly prováděny změny ve výkonu kotle, který dosahoval rozmezí 250 – 550 kW. Při středním stabilizovaném výkonu kotle cca 420 kW byl pořízen hodinový záznam složení emisí, které jsou uvedeny v tabulce 4.

Závěr

Myšlenka použití keramického materiálu Liapor byla realizována na experimentálním kotli s bublinkovou fluidní vrstvou o výkonu 500 kW. Jako velká výhoda materiálu Liapor se ukázala relativně uniformní velikost částic a jejich téměř ideální kulový tvar, který zjednodušuje řadu výpočtů fluidní vrstvy, ve kterých figuruje sféricita. Díky jednotným vlastnostem materiálu je fluidní vrstva stabilní a chová se definovaně. Liapor je vhodným inertním materiálem pro spalování biomasy, neboť má odpovídající vlastnosti, jako je např. hustota nebo mezní rychlost fluidace. Další výhodou využití Liaporu je jeho tepelná stabilita, naopak nevýhodou může být riziko zvýšené abraze konvekčních částí kotle. Proto je vhodné použití Liaporu pouze ve stacionární fluidní vrstvě. Funkčnost tohoto konceptu byla ověřena během úvodních spalovacích zkoušek, které byly provedeny se dřevní štěpkou o vlhkosti přibližně 45 % s pozitivními výsledky, kdy bylo možné dlouhodobě udržet spalovací proces s koncentrací kyslíku za kotlem 6,8 % a koncentrací CO pod 200 mg/m³N při 11 % referenčním O₂ ve spalinách.

Použitá literatura

• [1] Váňa, J a kol.: Zpracování prognózy využívání obnovitelných zdrojů energie v ČR do roku 2050, výsledek řešení projektu SM/320/10/03, 2004
• [2] Levenspiel, O., Kunii, D.: Fluidization engineering, Butterworth-Heinemann, USA, 1991

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu