Jak potlačit spékání biomasového popela?

Při spalování slámy nebo znečištěné hnědé štěpky nastávají problémy se spékáním biomasového popela, což vede ke tvorbě nápeků v hořáku či plamencové části kotlového výměníku. Spékání popela je způsobeno chemickým složením popela, které vytváří nízko tající eutektika. Vznik nápeků představuje vážné provozní komplikace, proto jsme se zaměřili na nalezení příčin a způsobu, jak zabránit spékání. Provedli jsme analýzu nápeků a popela. Odpovědi jsme hledali ve fázovém diagramu K₂O-CaO-SiO₂. Na základě našich poznatků jsme navrhli dva typy aditiv obsahující zvýšené koncentrace CaO, SiO₂ a Al₂O₃.

Provozní zkoušky v centrální výtopně společnosti Žlutická teplárenská, a.s., prokázaly velmi příznivé účinky aditiva s vysokou koncentrací CaO. Přidáváním tohoto aditiva do paliva byly odstraněny problémy se spékáním jak u slámy, tak i u znečištěné hnědé štěpky.

I. Spékání biomasového popela

Centrální výtopna společnosti Žlutická teplárenská, a.s., spaluje již řadu let dřevní štěpku a balíkovou slámu. Štěpky se ročně spálí přibližně 4 000 t a slámy kolem 1 000 t. Při spalování slámy a znečištěné hnědé štěpky docházelo v hořáku ke vzniku nápeků, které představovaly velký problém pro kontinuální provoz kotle.

Pracovníci obsluhující kotle museli tyto nápeky velmi pracně mechanicky odstraňovat, a tak se vystavovali velkému riziku pracovního úrazu. Vedle zapékání roštu hořáku způsoboval popel z tohoto paliva rovněž vznik skelných nebo skelně krystalických vrstev v plamencové části kotlového výměníku tepla. Na obr. 1 jsou snímky skelných a skelně krystalických vrstev, které vznikly v plamencové části kotle při spalování slámy a hnědé štěpky, která byla znečištěna hlínou.

II. Složení a příčiny spékání popela

Pro zjištění příčiny vniku těchto vrstev jsme provedli jejich chemický rozbor rentgenovou fluorescenční analýzou (XRF). V tab. 1 jsou uvedeny příklady chemického složení vrstev vzniklých při spalování uvedených druhů biomasy. Jak je patrné, vrstvy měly poměrně vysoký obsah oxidů SiO₂, CaO a K₂O. Tyto oxidy velmi snadno vytvářejí sklo, ve kterém SiO₂ hraje významnou roli sklotvorného oxidu; oxidy CaO a K₂O pak snižují viskozitu vzniklé sklotvorné taveniny. Mezi ostatními oxidy P₂O₅ rovněž vytváří sklo a zbývající oxidy jsou v křemičitém skle rozpustné a napomáhají jeho vzniku.

Následně jsme se zaměřili na analýzu popela vznikajícího při spalování uvedených druhů biomasy. Pro jeho získání jsme vytvořili laboratorní postup řízeného spalování. Palivo o hmotnosti přibližně 200 g jsme spálili v korundovém kelímku ve speciálně zkonstruované elektrické peci s odporovým kanthalovým vinutím. Teplota uvnitř spalovacího prostoru byla měřena PtRh termočlánkem a řízena přesným programovatelným regulátorem. Maximální dosahovaná teplota při spalování byla 1100 °C.

Získaný popel jsme v pevném stavu analyzovali opět rtg. fluorescenční analýzou. Příklady složení popela vybraných druhů biomasy jsou uvedeny v tab. 2 a 3. Na obr. 2 je zachycena ztuhlá tavenina se zbytky popela po spálení vzorků pšeničné a žitné slámy. Lesklý charakter povrchu ztuhlé taveniny a její částečná průhlednost v tenké vrstvě svědčí o skelném charakteru vrstvy. Vznik taveniny, která se pevně pojí se žáruvzdorným materiálem, souvisí s chemickým složením popela a vznikem nízkotavitelných eutektik. Proto jsme ke studiu a předpovědi vlivu složení popela na vznik jeho taveniny začali využívat termodynamický přístup.

V současné době pracujeme především s fázovými rovnováhami v soustavě K₂O-CaO-SiO₂ (obr. 3). Pro tento účel jsme zjednodušili původní mnoha komponentní složení popela. Provedli jsme sloučení složek, které mají velmi podobný chemický charakter, a tím i vliv na fázovou rovnováhu. Koncentraci K₂O jsme zvýšili o koncentraci Na₂O. Podobně jsme zvýšili koncentraci CaO o MgO a SiO₂ o Al₂O₃. Ostatní méně významné složky jsme zanedbali. Pak jsme mohli složení popelů vynést v ternárním diagramu K₂O-CaO-SiO₂. Na obr. 3 jsou zakreslena tato zjednodušená složení popelů vybraných druhů paliv v uvedeném diagramu. Obrázek ilustruje např. významné rozdíly ve složení popela z pšeničné slámy od různých dodavatelů. Popel z ječmene je bohatší na CaO; popel z žita je zase bohatší na K₂O a vyšší obsah tohoto oxidu má také popel ze sena. Výrazně odlišné složení má popel z řepkové slámy, který obsahuje jen velmi malé množství SiO₂. Výrazné rozdíly jsou i ve složení popela ze štěpky, která je obecně chudá na K₂O. Z diagramu plyne, že složení popelů o obsahu SiO₂ nad 40 hmot% a CaO do 30 hmot%, kde leží řada popelů ze slámy a z borové štěpky, obsahuje invariantní body o relativně nízké eutektické teplotě 720-1000 °C. Eutektická teplota roste s rostoucím obsahem CaO. Pro zabránění vzniku taveniny je proto třeba mít v popelu vyšší obsah CaO a současně buď nízký obsah K₂O nebo SiO₂. Vhodné úpravy složení popela je možné dosáhnout buď mícháním paliv o dostatečně odlišném složení, nebo přidáváním aditiv.

Někdy však nelze zcela potlačit vznik taveniny. Tehdy je výhodné upravit složení paliv tak, aby při nízkých teplotách byl ve směsi taveniny a krystalů podíl taveniny co nejmenší a po ztuhnutí tak vzniklo co nejméně spojité skelné fáze. Právě skelná fáze vytváří velmi pevné kompaktní vrstvy. Viskozita taveniny by měla být buď velmi nízká, nebo velmi vysoká. Nízká viskozita usnadní krystalizaci, a tím se zabrání vzniku významného množství skelné fáze. Výrazně vyšší viskozita taveniny zase zabrání jejímu roztečení, a tak nedojde k nalepení na žáruvzdorný materiál. Viskozitu výrazně zvyšují oxidy SiO₂ a Al₂O₃. V našem případě jsme zvolili použití aditiva. Pro naše experimenty jsme zvolili dva typy aditiva označené jako A1 a A2. Aditivum A1 má vysoký obsah CaO a aditivum A2 má vysoký obsah SiO₂ a Al₂O₃. V laboratoři jsme připravili modelové směsi oxidů simulujících složení biomasového popela z pšeničné slámy. Tyto modelové směsi pak obsahovaly podíl aditiva A1, nebo A2.

III. Určování eutektické teploty

Eutektická teplota směsi je nejnižší teplota, kdy vznikne první tavenina v dané oblasti fázového diagramu. Eutektickou teplotu biomasových popelů a modelových směsí jsme určovali měřením impedance. Pevná směs popela byla zahřívána konstantní rychlostí 3 °C/min. Impedance při frekvenci 1kHz byla měřena PtRh elektrodami zasunutými do směsi. Jakmile dojde ke vzniku taveniny, která vzájemně propojí elektrody, impedance prudce poklesne. Na obr. 4 je zachycena teplotní závislost absolutní hodnoty impedance pro popel pšeničné slámy PSL10 a pro modelovou směs PSL10M. Uvedená eutektická teplota T_E = 627 °C byla prakticky shodná, což svědčí o správně zvolené modelové směsi. Tato směs pak byla připravena s aditivy A1 a A2.

Aditiva A1 bylo v přepočtu přidáno 2,15 hmot.% vztažených na hmotnost paliva a aditiva A2 bylo přidáno 5,35 hmot.%. Obr. 5 ukazuje teplotní průběh absolutní hodnoty impedance pro směs s aditivem A1. Z průběhu křivky vyplývá, že došlo ke zvýšení T_E o 48 °C. Podobná křivka pro aditivum A2 na obr. 6 indikuje zvýšení T_E o 218 °C. Laboratorní výsledky ukazují, že 1 hmot.% aditiva A1 zvýší T_E o 22 °C a u aditiva A2 dojde ke zvýšení o 41 °C.

VI. Zkoušky aditiv

S navrženými aditivy A1 a A2 jsme provedli laboratorní zkoušku. Pšeničná a žitná sláma byla spálena spolu s aditivem v korundovém kelímku. Obrázky vzniklého popela jsou uvedeny na obr. 7 a 8. Při porovnání s popelem bez aditiv na obr. 2 můžeme konstatovat, že přidaná aditiva významně potlačila vznik sklotvorné taveniny.

Na základě tohoto pozitivního výsledku jsme přikročili k provozním zkouškám obou aditiv v centrální výtopně společnosti Žlutická teplárenská, a.s. Provozní zkouška aditiva A2 ukázala jeho malou účinnost. Zato výsledky pěti měsíčního provozního testu ukázaly velmi příznivý vliv aditiva A1, které odstranilo problémy vzniku nápeků v hořáku.

Aditivum A2 pravděpodobně nezabrání vzniku taveniny, pouze zvyšuje její viskozitu. Zato aditivum A1 je schopné potlačit vznik taveniny v hořáku, a tak odstranit problémy vzniku nápeků jak při spalování slámy, tak znečištěné hnědé štěpky.

Poděkování

Tento výzkum byl financován ze zdrojů projektu Ministerstva průmyslu a obchodu TIP FRTI1/497 „Nová technologie spalování biomasy s kontinuálním odvodem popela o řízeném chemickém složení“ a projektu Ministerstva školství mládeţe a tělovýchovy MSM 6046137302 „Příprava a výzkum funkčních materiálů a materiálových technologií s využitím mikro- a nanoskopických metod“.

Článek byl publikován na Konferenci OZE 2011 - Výsledky výzkumu, vývoje a inovací pro obnovitelné zdroje energie (13.-15. dubna 2011, Kouty nad Desnou).

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