Vliv složení směsi na vlastnosti topných pelet

ÚVOD

Vzhledem k vyčerpatelnosti fosilních zdrojů energie roste celosvětově snaha o zvýšení podílu obnovitelných energetických zdrojů na primární spotřebě energetických zdrojů. Tento požadavek je kvantifikován směrnicí 2001/77/EC „o podpoře elektřiny z obnovitelných zdrojů v podmínkách vnitřního trhu s elektřinou“. Tato směrnice stanovuje tuzemské energetice za cíl zvýšení podílu výroby elektřiny v zařízeních na bázi obnovitelných energetických zdrojů na hrubé spotřebě elektřiny v takovém rozsahu, aby v roce 2010 byla v ČR dosažena cílová hodnota 8 % a zvýšení podílu obnovitelných energetických zdrojů na primární spotřebě energetických zdrojů na 6 % ve stejném termínu. Do právního řádu ČR je tato směrnice impletována zákonem č. 180/2005 Sb. „o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů a změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů)“. V roce 2003 se výroba elektřiny z OZE na tuzemské spotřebě elektřiny podílela 2,8 % a výroba energie z OZE se na celkových primárních energetických zdrojích podílela 2,4 % (Bufka, 2004). Rozhodující potenciál pro využívání energie z obnovitelných zdrojů v podmínkách ČR tvoří biomasa (Slavík, 2005).

SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY

Hlavní složkou lisovaných biopaliv jsou lignocelulozové materiály rostlinného původu. Vlastnosti vstupního materiálu se řídí požadavky vlastního zařízení, zpravidla lisu. Lisy na výrobu briket a pelet kladou vysoké nároky na velikost vstupních částic. Maximální přípustná velikost částic se pohybuje u briketovacích lisů v desítkách mm, u peletovacích v jednotkách mm (Souček, Maloun, 2003). Důležitou složkou technologického procesu je proto desintegrace, která má funkci tvorby menších částic, zvětšování měrného povrchu suroviny a funkci homogenizace. Podle způsobu desintegrace a velikosti výstupních částic lze rozdělit desintegraci na hrubou (velikost výstupních částic v centimetrech) a na jemnou (velikost výstupních částic v milimetrech) (Hutla, 2003).

Ke tvorbě dřevěných briket či pelet dochází při lisování materiálu vhodné zrnitosti za vysokého tlaku a teploty, kdy lignin plastifikuje a přejímá funkci pojiva. Přitom dochází k objemové redukci vstupního materiálu v poměru cca 12:1 (Simanov, 1995). Lisování do formy briket je vhodné především u paliv, která budou určená pro kotle s diskontinuální dodávkou paliva. Jedná se tedy o kotle určené na kusové dřevo a biopalivové brikety. Také pelety jsou velice perspektivní palivo. Jejich výhodou je malá velikost, mají tedy větší měrný povrch, což umožňuje lepší průběh spalování. Doprava do kotle může být automatická, pelety je možné dopravovat šnekovým i pneumatickým dopravníkem. Linky na výrobu pelet jsou investičně náročnější, ale dosahují větší výkonnosti než lisy briketovací. Alternativně lze využít granulační lisy původně určené pro granulaci krmiv pro hospodářská zvířata.

Základním vstupním parametrem je vlhkost, která je důležitá pro lisování dendromasy. Pokud vlhkost přesáhne hranici 20 %, tak se dendromasa v lisovací komoře nezhutní do požadovaného rozměru a briketa se rozpadne. Maximálně se doporučuje vlhkost do 15 % (Plíštil, Hutla, Roy, 2005). Důležitá je i granulometrie materiálu, lepších parametrů dosahují materiály s nižší granulometrií. Desintegrace na menší rozměr je však energeticky náročnější.

V současné době je nejběžnějším materiálem pro lisování biopaliv dřevo resp. dřevní odpady (piliny, hobliny, aj.). Pro lisovaná biopaliva ze dřeva existují legislativní požadavky na jejich kvalitu. V ČR lze na brikety z dřevního odpadu s max. 20 % rostlinného podílu získat známku ekologicky šetrný výrobek při splnění požadavků směrnice MŽP č. 14-2003. Požadavky na brikety z dřevního odpadu stanovuje i vyhláška MŽP č. 357/2002 Sb., kterou se stanoví požadavky na kvalitu paliv z hlediska ochrany ovzduší. Některé z požadavků uvádím v tab. 1.

Parametr	Směrnice MŽP č. 14-2003	Vyhláška MŽP č. 357/2002
Výhřevnost [MJ.kg-1]	min. 17	17,5 – 19,5
Obsah vody [%hm]	max. 10	max. 21
Obsah popele [%hm]	max. 1,5	max. 1,5
Měrná hmotnost [kg.m-3]	min. 900

Tab. 1: Některé požadavky na brikety z dřevního odpadu

Požadavky na lisovaná biopaliva z rostlinných materiálů nejsou v ČR zatím stanovena, biopaliva z těchto materiálů nemohou splnit některé z uvedených parametrů (např. obsah popele je u rostlinných biopaliv výrazně větší).

METODY MĚŘENÍ

Pelety byly lisovány na dvou různých granulačních lisech po předchozí desintegraci na kladívkovém šrotovníku STOZA ŠV 15 s použitím sít s otvory Ø 8 nebo 15 mm. Pelety Ø 6 mm byly vyrobeny na granulačním lisu STOZA GP 300 s prstencovou matricí, ostatní pelety byly lisovány na granulačním lisu TL 600 od výrobce TMS Pardubice. Přehled vytvořených topných pelet udává tab. 2. Značení vzorků je zachováno v souladu s výzkumnou zprávou výzkumného projektu NAZV MZe ČR č. QF3153 „Energetické využití odpadů z agrárního sektoru ve formě standardizovaných paliv“ řešeného VÚZT, odpovědný řešitel Ing. Petr Hutla, CSc.

Označení	1. materiál (Ø síta mm)	2. materiál (Ø síta mm)	Poměr složek	Aditivum	Ø pelet [mm]
1/2004	zbytky po čištění obilí	-	-	-	8
2/2004	zbytky po čištění obilí	energetický šťovík (Ø 15 mm)	1:1	-	20
4/2004	masokostní moučka	-	-	-	20
5/2004	masokostní moučka	energetický šťovík (Ø 15 mm)	1:1	-	20
13/2004	sláma obilní	-	-	-	10
14/2004	sláma obilní (Ø 8 mm)	energetický šťovík (Ø 8 mm)	1:1	-	10
17/2004	sláma obilní	sláma řepková	1:1	melasa	15
19/2004	lesní štěpka (Ø 8 mm)	-	-	-	6
22/2004	lesní štěpka (Ø 15 mm)	Chrastice (Ø 15 mm)	1:1	-	10
23/2004	lesní štěpka (Ø 15 mm)	Chrastice (Ø 15 mm)	1:1	uhlí 10 %	20
24/2004	kůra (Ø 8 mm)	-	-	-	10
28/2004	kůra (Ø 15 mm)	Chrastice (Ø 15 mm)	1:1	-	10
29/2004	kůra (Ø 15 mm)	Chrastice (Ø 15 mm)	1:1	uhlí 10 %	20

Tab. 2: Vytvořené topné pelety

U vytvořených pelet byly zjišťovány jejich mechanické vlastnosti. Jednotlivé typy pelet byly proměřeny v pěti vzorcích a z nich byla určena průměrná hodnota otěru a měrné hmotnosti. Hodnoty otěru byly zjišťovány dle rakouské normy ÖNORM M7135 pomocí přístroje Ligno-tester (obr. 1). V ČR není v současné době v platnosti žádná norma pro měření a požadované hodnoty otěru.

Při měření otěru se nejprve zváží pelety, následně jsou vloženy do přístroje Ligno-tester, kde jsou proudem vzduchu uvedeny do pohyby. Pelety narážejí vzájemně do sebe i na stěny přístroje a tím dochází k otěru. Po vyjmutí s přístroje jsou pelety opět zváženy a sleduje se hmotnostní úbytek.
othm = (m1 – m2) . 100 / m1 [%]
 

kde: m₁ je počáteční hmotnost pelet
m₂ je hmotnost pelet po provedení zkoušky v Ligno-testeru

Požadavky výše zmiňované normy ÖNORM M7135 na mechanické vlastnosti jsou následující:

• Hodnota otěru menší než 2,3 %,
• měrná hmotnost vyšší než 1120 kg/m³.

VÝSLEDKY

Označení vzorku	Otěr dle ÖNORM [%]	Měrná hmot. [kg/m3]
1/2004	24,8	983
2/2004	0,2	1295
4/2004	1,6	1191
5/2004	0,5	1116
13/2004	1,8	1121
14/2004	3,4	1325
17/2004	0,4	1333
19/2004	0,4	1150
22/2004	2,6	1300
23/2004	0,2	1260
24/2004	1,2	1270
28/2004	1,7	1300
29/2004	0,3	1282

Tab. 3: Mechanické vlastnosti topných pelet

Požadovanou hodnotu otěru výrazně překračují pelety z odpadu čištění obilí (1/2004). Takto vysoká hodnota otěru (24,8 %) vypovídá o nevhodných vlastnostech zbytků po čištění obilí pro tvoření výlisků. Přesto v kombinaci s energetickým šťovíkem (2/2004) dosahuje mimořádně nízkých hodnot otěru (0,2 %). Výrazný pozitivní vliv přídavku energetického šťovíku na schopnost směsi tvořit kvalitní výlisky je zřejmý i u dalších směsí. U masokostní moučky (4/2004), která i samostatně má dobré vlastnosti pro tvorbu výlisků, se tyto vlastnosti přidáním energetického šťovíku zlepšily (5/2004).

U výlisků z obilné slámy jsou hodnoty otěru po přidání energetického šťovíku dokonce horší (13, 14/2004), palivo dobrých mechanických vlastností vzniklo z kombinace obilní a řepkové slámy s přídavkem melasy (17/2004).

Lesní štěpka desintegrovaná na 8 mm (19/2004) tvoří výlisky dobré kvality, ve směsi s chrasticí (20/2004) se sledované vlastnosti zhoršily. Také pelety z kůry mají samostatně lepší vlastnosti než ve směsi s chrasticí. Schopnost těchto směsí tvořit kvalitní výlisky výrazně zlepšil malý přídavek uhlí. Ve všech případech, kdy se do směsi přidalo uhlí, došlo ke zlepšení mechanických vlastností výsledné pelety. Nejvýrazněji se zlepšily vlastnosti pelet z lesní štěpky a chrastice (22, 23/2004). Pozitivní efekt měl přídavek uhlí i u směsi kůry a chrastice (28, 29/2004), jako dostačující se jeví přídavek 10 % uhlí, kdy už je hodnota otěru velmi nízká (0,3 %).

Vzorky pelet byly dále podrobeny rozboru složení z hlediska palivářských vlastností. Tyto parametry udává tab. 4.

Vzorek č.	Voda [%]	Prchavá hořlavina [%]	Neprchavá ořlavina [%]	Popel [%]	Spalné teplo [MJ.kg-1]	Výhřevnost [MJ.kg-1]
1/2004	8,33	71,16	14,02	6,49	17,86	16,25
2/2004	10,69	64,53	19,19	5,59	16,09	14,69
4/2004	7,33	63,56	9,21	19,90	17,75	16,31
5/2004	8,86	65,10	13,65	12,39	17,36	15,94
13/2004	7,31	72,15	16,55	3,99	17,96	16,53
14/2004	5,29	71,48	16,49	6,74	17,41	16,10
17/2004	7,66	69,99	15,08	7,27	16,57	15,08
19/2004	6,79	75,55	14,64	3,02	18,74	17,18
22/2004	5,14	72,45	16,07	6,34	17,50	16,07
23/2004	6,25	69,44	15,90	8,41	17,49	16,04
24/2004	8,52	67,78	20,37	3,33	17,48	16,18
28/2004	5,43	69,36	17,86	7,35	16,89	15,65
29/2004	15,33	55,22	22,58	6,87	16,24	14,87

Tab. 4: Energetické parametry vzorků pelet

Z naměřených hodnot vyplývá pozitivní vliv energetického šťovíku na množství popela ve směsích ze zbytků po čištění obilí (1, 2/2004) a masokostní moučky (4, 5/2004). Energetický šťovík tak má u těchto materiálu pozitivní vliv nejen na mechanické vlastnosti, ale zlepšuje i parametry energetické. U paliv vyrobených ze slámy se vlastnosti přidáním jiných komponentů nelepší, naopak se zvyšuje obsah popela. Paliva z lesní štěpky a kůry dosahují vhodných energetických vlastností samostatně, ve směsích s chrasticí se projevuje zvýšený obsah popela. Tyto materiály se nezdá vhodné míchat s jinými komponenty. Obsah popela mírně zvýší i přídavek uhlí, který se přidává pro zlepšení mechanických vlastností.

ZÁVĚR

Z měření vlastností paliv z různých materiálů a jejich směsí se ukazuje výrazný vliv složení směsi na výsledné vlastnosti paliva. Mechanické vlastnosti pelet byly měřeny podle rakouské normy ÖNORM M7135 (v ČR obdobná norma zatím neexistuje). Pelety z většiny materiálů požadavky této normy splnily, největší problémy byly s odpadem po čištění obilí. Ve směsi s energetickým šťovíkem však požadavky normy splnil i tento samostatně problémový odpad. Pozitivní vliv tvorby směsí s energetickým šťovíkem na mechanické vlastnosti pelet se projevil i u dalších materiálů.

Výhřevnost jednotlivých zkoušených paliv samozřejmě závisí na složení lisované směsi a obsahu vody. U většiny zkoušených materiálů se pohybovala kolem 16 MJ/kg. To je výhřevnost srovnatelná s hnědým uhlím. Výhodou biopaliv ve srovnání se zmíněným hnědým uhlím je výrazně nižší obsah síry a z toho vyplývají i nižší emise SO₂. Při spalování biomasy se do ovzduší uvolňuje jen takové množství CO₂, jaké bylo do hmoty rostliny akumulováno fotosyntézou v období jejího růstu. Spalování biomasy má tedy nulovou bilanci CO₂.

Poděkování: Příspěvek vznikl s podporou výzkumného projektu NAZV MZe ČR č. QF3153 „Energetické využití odpadů z agrárního sektoru ve formě standardizovaných paliv“ řešeného VÚZT, odpovědný řešitel Ing. Petr Hutla, CSc.

LITERATURA

1. Bufka, A. Obnovitelné zdroje energie a energeticky využívané odpady v roce 2003.
   Praha: MPO 2004. 14 s.
2. Hutla, P. A kol. Energetické využití odpadů z agrárního sektoru ve formě standardizovaných paliv. Praha: VÚZT, 2003. 77 s. Výzkumná zpráva č. Z-2424
3. Hutla, P. A kol. Energetické využití odpadů z agrárního sektoru ve formě standardizovaných paliv. Praha: VÚZT, 2004. 71 s. Výzkumná zpráva č. Z-2434
4. Pastorek, Z., Kára, J., Jevič, P. Biomasa – obnovitelný zdroj energie.
   Praha: FCC Public, 2004. 288 s.
5. Plíštil, D., Hutla, P., Roy, A. Briketování odpadů z dendromasy a zjištění mechanických parametrů briket. Biom.cz. [online]
   <https://biom.cz/index.shtml?x=223025> [cit. 14.2.2005]
6. Simanov, V. Energetické využívání dříví. Olomouc: Terrapolis, 1995. 115 s.
7. Slavík, J. Výroba a využití ekologicky nezávadných paliv z vybraných frakcí komunálního a zemědělského odpadu. Diplomová práce na katedře mechaniky a strojnictví TF ČZU v Praze, 2005. 65 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslav Kára, CSc.
8. Souček, J., Maloun, J. Využití kladívkového drtiče při výrobě pevných biopaliv. Biom.cz. [online] <https://biom.cz/index.shtml?x=145787> [cit. 15.9.2003]
    

Článek byl převzat z časopisu BIOM.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky