Peletovaná alternativní paliva ze spalitelných zbytků a biomasy

Využívání tuhých biopaliv vyrobených přímo nebo nepřímo z biomasy přispívá k úsporám klasických fosilních zdrojů energie, jako je uhlí a importovaný zemní plyn, a tím i ke snížení skleníkových plynů prostřednictvím dekarbonizace paliv používaných ve stacionárních zdrojích tepla a elektrické energie. Stejný význam však také mohou mít paliva vyrobená z alternativních materiálů, která jsou k dispozici ve značných množstvích jako druhotné suroviny ze zpracování vyřazených výrobků nebo jako vedlejší technologický produkt. Oba tyto směry jsou rozvojem energetiky do budoucna a v současnosti jsou především vhodným doplněním existujících energetických zdrojů. Při využití takovýchto materiálů je třeba pečlivě dbát legislativních předpisů, neboť při nezvládnuté technologii výroby nebo při nesprávném používání vyrobených tuhých paliv je zde reálné nebezpečí z hlediska ochrany ovzduší. Ještě v loňském roce byla v platnosti Vyhláška MŽP č. 357/2002 Sb. [5].

Podle ní bylo definováno alternativní palivo jako směs spalitelných materiálů bez nebezpečných vlastností a pro povolené spalování bylo třeba ověřit složení paliva a vlastnosti produktů spálení. Bylo možné jej spalovat pouze v zařízení středního zdroje nebo většího zdroje znečišťování, na němž byla provedena spalovací zkouška. Uvedená vyhláška byla od r. 2009 nahrazena vyhláškou č. 13/2009 [4], která již pojem alternativní palivo neuvádí. Nařízení vlády č. 146/2007 Sb. [7] o emisních limitech a dalších podmínkách provozován spalovacích stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší však vymezuje podmínky pro provoz spalovacích zdrojů spalujících alternativní palivo. Pro úzkou souvislost mezi druhotnými surovinami a alternativními palivy je tedy vhodné se dále držet technických předpisů. Standardy uvádějí oblasti výroby a obchodování s tuhými alternativními palivy (TAP), která jsou připravována z jiných než nebezpečných odpadů. Na obr. 1 je uvedeno schéma, které tyto souvislosti dokládá [3].

Samotné TAP je definováno [3] jako tuhé palivo vyrobené z jiného než nebezpečného odpadu (resp. z odpadu neklasifikovaných jako nebezpečné), určené k energetickému využití a zužitkování ve spalovnách (spalovacích zařízení) nebo zařízeních pro spoluspalování a splňující požadavky na třídění a specifikaci, stanovené v CEN/TS 15359 [2]. Samotný pojem „vyrobené“ znamená podle této definice zpracované, homogenizované a zlepšené na kvalitu, umožňující obchodování mezi výrobci a uživateli.

Technický standard existuje na třídění a specifikaci TAP [2]. Tato norma popisuje třídící systém a šablonu, zahrnující třídu, původ a fyzikálně-chemické parametry, pro specifikaci jejich vlastností. Technická specifikace slouží jako nástroj, umožňující efektivní obchodování s TAP, zajišťuje jejich přijatelnost na trhu s palivy a zvýšení důvěry veřejnosti. Umožňuje i porozumění mezi prodávajícím a nakupujícím, usnadňuje nákup, použití a kontrolu, i dobrou komunikaci s výrobci spalovacích zařízení.

O jaké kvality paliv se jedná, můžeme uvést na několika příkladech. V tab. 1 jsou palivo-energetické parametry šesti druhů TAP ve formě topných pelet. Pro srovnání jsou uvedeny i vlastnosti standardních pelet ze dřeva. Jedná se o pelety:

• z odpadního papíru, materiálem je především karton z obalů
• z masokostní moučky (MKM)
• ze směsi masokostní moučky a energetického šťovíku v poměru 1:1 m/m
• z paliva Ekobiopal. Tento materiál je vytvořen na bázi biomasy a čistírenských kalů, technologií aerobní fermentace. Po vysušení je materiál dále desintegrován a lisován do pelet.
• ze separátu z bioplynové stanice po aerobní fermentaci
• ze směsi separátu z bioplynové stanice po aerobní fermentace a topolového dřeva v poměru 1:1 m/m
• z čistých pilin z jehličnatého dřeva

Tabulka 1: Palivo-energetické parametry vybraných TAP ve formě topných pelet

	Jednotka	Karton	MKM	MKM +šťovík	Eko-biopal	Separát	Separát+ topol	Dřevo
Obsah vody	% m/m	4,84	7,33	8,86	8,04	9,16	7,46	7,23
Prchavá hořlavina	% m/m	76,26	63,56	65,10	63,29	58,46	62,16	78,83
Neprchavá hořlavina	% m/m	13,94	9,21	13,65	16,55	14,92	18,66	13,57
Popel	% m/m	4,96	19,9	12,39	12,12	17,46	11,72	0,37
C	% m/m	42,27	41,32	42,82	42,47	41,79	42,33	47,12
H	% m/m	5,56	6,63	6,53	4,68	6,65	6,30	6,62
N	% m/m	<0,1	8,85	4,79	1,18	1,57	1,20	0,11
S	% m/m	0,104	0,66	0,48	0,28	0,20	0,11	0,007
O	% m/m	42,21	14,93	23,89	31,01	22,91	30,60	38,62
Cl	% m/m	0,061	0,41	0,26	0,063	0,26	0,28	0,019
Hg	% m/m		<0,005	<0,003	0,064
Spalné teplo	MJ/kg	16,85	17,75	17,36	16,91	16,74	17,57	18,91
Výhřevnost	MJ/kg	15,52	16,31	15,94	15,64	15,07	16,02	17,32
Popel:
měknutí	°C	1300	>1290	>1290	1210	1140	1080	1210
tání	°C	1320	>1290	>1290	1230	1190	1170	1250
tečení	°C	1340	>1290	>1290	>1290	1240	1190	1260

Pro porovnání s normami pro TAP uvádíme v tab. 2 třídící systém podle TNI 83 8302. Všechna paliva z tab. 1 mají kód třídy NCV 3, Cl 1 – 2, Hg 1 až 2.

Tabulka 2: Třídící systém pro TAP

Třídícívlastnost	Statistickámíra	Jednotka	Třídy
			1	2	3	4	5
Výhřevnost (NCV)	střední hodnota (aritmetický průměr)	MJ/kg (ar)	≥ 25	≥ 20	≥ 15	≥ 10	≥ 3
Chlor (Cl)	střední hodnota (aritmetický průměr)	% (m/m) d	≤ 0,2	≤ 0,6	≤ 1,0	≤ 1,5	≤ 3
Rtuť (Hg)	medián80. percentil	mg/MJ (ar) mg/MJ (ar)	≤ 0,02≤ 0,04	≤ 0,03≤ 0,06	≤ 0,08≤ 0,16	≤ 0,15≤ 0,30	≤ 0,50≤ 1,00

V tomto příspěvku se uvádí technologie výroby lisovaných TAP z druhotného materiálu, který vzniká při recyklaci použitých autoplášťů. Na autopláště se vztahuje povinnost zpětného odběru, která vyplývá z §38 Zákona 185/2001 [6]. To umožňuje jejich centrální soustředění a následné využití.

Technický princip spočívá v separaci materiálů, z nichž je autoplášť tvořen. Dochází k oddělení pryže, ocelového kordu a textilní vložky. Pryž je po separaci v granulované formě, a dále se využívá jako hodnotná surovina. Ocelové výztuhy tvořené tenkými drátky jsou slisovány do formy briket a předávány pro další hutní zpracování. Textilní vložky jsou v autoplášti pro zachycení jejich vnitřních tlaků a pro vhodné tvarování a dosednutí na ráfek. Jsou tvořeny částečně bavlnou, částečně chemlonem. Po separaci má tato frakce vatovitou strukturu ve tvaru chuchvalců. Jejich tvar je zřejmý z obr. 2. Kromě textilních zbytků obsahuje i značný podíl pryže. Hustota při volném naskladnění je cca 106 kg/m³.

V tomto stavu je materiál dále těžko zpracovatelný. Nabízí se jeho využití jako palivo. Pro tento účel je však třeba jej přepracovat do takové mechanické formy, v níž je možné jej dodávat do spalovacího zařízení, příp. jej spoluspalovat s uhlím. Logisticky vhodná je forma pelet, pro něž byl zvolen průměr 8 mm.

Popis linky

Pro realizaci technologie peletování byla navržena linka dodaná firmou PolyComp, a.s. Schématické uspořádání v půdorysu je zřejmé z obr. 3.

Výrobcem převážné části zařízení je firma ATEA Praha, s.r.o., která je zavedeným výrobcem granulačních linek pro výrobu topných pelet ze slámy. Jelikož zpracovávaný materiál má v porovnání se slámou zcela odlišné vlastnosti, bylo potřeba nově vyřešit konstrukci dopravních cest, funkci granulátoru i následně teplotní stabilizaci produktu.

Celá linka je řešena jako dvojité zařízení, což je varianta méně citlivá na případné poruchy a umožňuje rovněž údržbu nebo výměnu opotřebených částí při provozu druhé větve. Předpokládané množství zpracovávané suroviny odebírané z recyklačního provozu je 12 000 tun ročně. Při předpokládaném třísměnném provozu vychází požadovaný výkon jednoho granulátoru cca 750 kg.h^-1. Reálně dosažený výkon je ovšem vyšší a činí asi 1,1 t.h^-1.

Zpracovávaný materiál je nejdříve dodáván do vstupní násypky, která tak tvoří provozní mezisklad. Z ní je šnekovým dopravníkem dodáván do peletizátoru. Materiál je v peletizátoru zpracováván bez předchozí mechanické dezintegrace, která nastává přímo v peletizátoru působením rolen. Peletizátor je deskového typu, s matricí o průměru 700 mm. Lisovací kanálky jsou ve svém tvaru a délce přizpůsobeny materiálu a jejich tvar je předmětem průmyslové ochrany. Po výstupu z peletizátoru prochází pelety třídičem, kde jsou separovány jemné části, přičemž jsou intenzivně chlazeny. Jemné částice z třídiče i z aspirátoru chladiče jsou vratnou cestou dodávány zpět do peletizátoru k dalšímu zpracování. Z chladiče jsou pelety přepravovány výstupním dopravníkem do velkokapacitního podjezdového zásobníku. Přeprava k uživateli je řešena nákladními automobily.

Produkt

Vytvořené pelety jsou v současnosti určeny pro velké a střední spalovací zdroje splňující podmínky nařízení vlády č. 146/2007 Sb. [7]. Souběžně byly vyrobené směsné pelety se složením 40 % m/m textilních zbytků po recyklaci autoplášťů (AP-PTZRA) a 60 % m/m pšeničné slámy pro porovnání tepelně-technických parametrů a plynných emisí při spoalování dřevních pelet, čistých AP-PTZRA a těchto směsných pelet v prototypu automatického teplovodního kotle LICOTHERM AM 15 (regulovaný výkon 3 – 15 kW). Palivo-energetické parametry, zjištěné v laboratoři Výzkumného ústavu zemědělské techniky, v.v.i. v Praze, jsou uvedeny v tab. 3.

Tabulka 3: Palivo-energetické parametry topných pelet na bázi TAP z druhotných textilních materiálů recyklovaných autoplášťů (AP-PTZRA)

	Jednotka	Původní vzorek	Bezvodý vzorek
Obsah vody	% m/m	1,50	-
Prchavá hořlavina	% m/m	69,75	70,81
Neprchavá hořlavina	% m/m	18,82	19,11
Popel	% m/m	9,93	10,08
H	% m/m	9,18	9,32
S	% m/m	0,72	0,73
Cl	% m/m	0,049	0,050
Spalné teplo	MJ/kg	30,44	30,90
Výhřevnost	MJ/kg	28,41	28,88
Popel:
měknutí	°C	980
tání	°C	1020
tečení	°C	1110
Otěr dle ÖNORM M 7135	%	0,32
Hustota	kg/dm3	0,96

Tvar pelet je dále znázorněn na obr. 4. Hustota pelet se blíží hranici 1 kg.dm^-3. Pelety jsou částečně pružné, což má mj. za následek velmi nízkou hodnotu otěru. To je výhodné pro manipulaci s produktem.

Emisní zkoušky

Zkušební porovnání dřevních pelet, peletovaných textilních zbytků po recyklaci autoplášťů (AP-PTZRA) a směsi 40 % m/m AP-PTZRA & 60 % m/m pšeničné slámy ukazuje tab. 4. Účelem hlavního měření bylo stanovení emisí výstupní koncentrace a hmotnostních toků znečišťujících látek SO₂, NO_x, CO, sumárního organického uhlíku TOC, O₂, CO₂ a koncentrace Cu, Pb, Zn, Hg a HCl při spalování peletovaných textilních zbytků po recyklaci autoplášťů (AP-PTZRA) a směsi AP-PTZRA a hnědého uhlí ořech II v poměru 50 : 50 % V/V. V tab. 5 jsou uvedeny parametry akreditovanými a autorizovanými metodami a postupy měřeného kotle.

Tabulka 4: Střední hodnoty vybraných složek plynných emisí při zkušebním spalování dřevních pelet, peletovaných textilních zbytků po recyklaci autoplášťů (AP-PTZRA) a směsi 40 % m/m AP-PTZRA & 60 % m/m pšeničné slámy v prototypu automatického teplovodního zařízení LICOTHERM AM 15 při dosaženém tepelném výkonu 15 kW

	Jednotka	Pelety ø 8 mm
		Dřevo	AP-PTZRA	40 % m/m AP-PTZRA & 60 % m/m pšeničné slámy
O2	% V/V	11,8	12,1	11,9
CO2	% V/V	8,7	8,1	8,4
Přebytek vzduchu	-	2,3	2,4	2,3
Teplota spalin	°C	242	213	254
CO	mg.m-3N,referenční obsah kyslíku 10 % V/V	368	756	636
SO2		3	285	156
NO		90	303	285
NO2		2	5	0
NOx		140	471	437

Tabulka 5: Parametry kotle H 3000

	Tuhé znečišťující látky	Oxid siřičitý	Oxidy dusíky jako NO2	Oxid uhelnatý	Referenční obsah kyslíku
Limitní hodnoty	250	2500	650	650	6 % V/V
AP-PTZRA	13,3	1862	390	361
50 % V/V AP-PTZRA + 50 % V/V HU	9,4	1931	375	184

Zdroj: http://kotelfluid.ic.cz

V tab. 6 je provedeno srovnání naměřených hodnot s platnými emisními limity (příloha 4 k nařízení vlády č. 146/2007 Sb.) a v tab. 7 hmotnostní toky a objemové koncentrace O₂ a CO₂ v suchém plynu.

Tabulka 6: Srovnání naměřených hodnot znečišťujících látek při spalování peletovaných textilních zbytků po recyklaci autoplášťů (AP-PTZRA) a jejich 50 % V/V směsi s hnědým uhlím ořech II (HU), vztaženo na normální stavové podmínky a suchý plyn (v mg.m-3)

	Jednotka	AP-PTZRA	50 % V/V AP-PTZRA+ 50 % V/V HU
O2	% V/V	10,1 ± 0,2	7,5 ± 0,2
CO2	% V/V	9,1 ± 0,4	11,7 ± 0,5
Objemový podíl suchého plynu za nor. podmínek	m3.h-1	5240	4030
SO2	kg.h-1	7,1 ± 0,9	7,0 ± 0,8
NOx	kg.h-1	1,5 ± 0,2	1,3 ± 0,2
CO	kg.h-1	1,4 ± 0,2	0,7 ± 0,1
TOC	kg.h-1	0,02 ± 0,008	0,006 ± 0,003
TZL	kg.h-1	0,05 ± 0,01	0,03 ± 0,006
Cu	kg.h-1	(0)	(0,000001)
Zn	kg.h-1	(0)	(0)
Pb	kg.h-1	(0,000001)	(0,000002)
Hg	kg.h-1	(0,00002)	(0,000002)
HCl	kg.h-1	(0,012)	(0,009)

Tabulka 7: Hmotnostní toky a objemové koncentrace O₂ a CO₂ v suchém plynu za normálních podmínek při spalování peletovaných textilních zbytků po recyklaci autoplášťů (AP-PTZRA) a jejich 50 % V/V směsi s hnědým uhlím ořech II (HU)

Typ kotle	H 3000
Výrobce	Kotle-mont a.s. Praha
Rok výroby	2000
Jmenovitý výkon	2,9 MW
Popis kotle	Horkovodní vodotrubný kotel s horním bubnem s fluidním topeništěm pro spalování uhlí, opatřený startovacím olejovým hořákem pro spalování LTO
Provozní přetlak	1,0 MPa
Jmenovitý tepelný výkon	2,9 MW
Nejmenší tepelný výkon	1,2 MW
Největší tepelný výkon	3,0 MW
Typ spalovací komory	membránová
Palivo (char. znaky)	hnědé uhlí ořech II, podíl zrn pod 5 mm, max. 5 % výhřevnost 16,5 MJ.kg-1, obsah vody cca 27 %, obsah popela 12 – 14 %, obsah síry 1 – 1,1 %
AP-PTZRA	peletované textilní zbytky po recyklaci autoplášťů (ø 8 mm), char. znaky viz tab. 3
Filtrace spalin	odsíření spalin – ve fluidní vrstvě – nástřikem vody v absorbéru
Odlučovač TZL	tkaninový
Komín	společný, výška 38 m

Diskuze a závěr

Také zavedení druhotných spalitelných zbytků a nikoliv nebezpečných odpadů do systémů distribuce energie trpí potřebou manipulace s velkými objemy na jednotku energie. Zhutnění těchto materiálů peletováním se tak jeví jako klíč pro usnadnění manipulace, dopravy, skladování a energetického využití. Vedle toho nabízí jednotné vlastnosti, které jsou příznivé pro standardizaci paliva a zlepšení jeho kvality. Nutnou podmínkou však je, aby koneční uživatelé dohlíželi na kompatibilitu technologie konverze s tuhými alternativními palivy, což je nezbytným předpokladem dosažení provozně optimalizovaného procesu využití, mj. minimalizace emisí konverzního procesu, např. nedokonalým spalováním.

V návaznosti na realizované strojně technologické systémy recyklace autoplášťů byly úspěšně vyřešeny jednotlivé operace příjmu, dávkování, dopravy, peletování, chlazení a skladování textilních frakcí. Peletováním se odstranily jejich značné nevýhody nízké objemové hmotnosti a špatné manipulace. Autorizované zkoušky a měření emisí při využití jak čistých peletovaných textilních zbytků po recyklaci autoplášťů, tak i jejich 50 % objemové směsi s hnědým uhlím ořech II ve spalovacím fluidním kotli 2,9 MW potvrdily splnění přísných zákonem stanovených limitních hodnot tuhých znečišťujících látek, SO₂, NO_x, CO a sledovaných těžkých kovů se značnou rezervou.

Neméně významná je i efektivnost tohoto využití oproti záporné ekonomice jejich doposud jediného odstraňování skládkováním. Výhřevnost 28 MJ.kg^-1 pelet je téměř dvojnásobná oproti hnědému uhlí. Při výkupní ceně 60 – 75 Kč.GJ^-1 (1000 – 1200 Kč.t^-1 hnědouhelného hruboprachu s výhřevností 15 MJ.kg^-1, tj. 67 – 80 Kč.GJ^-1), celkových nákladech na peletování nepřevyšujících 1 000 Kč.t^-1 pelet a dopravě 400 Kč.t^-1 pelet, lze dosáhnout hrubého zisku mezi 280 – 700 Kč.t^-1 pelet.

Tato práce je výsledkem řešení výzkumného záměru č. MZE0002703102 „Výzkum efektivního využití technologických systémů pro setrvalé hospodaření a využívání přírodních zdrojů ve specifických podmínkách českého zemědělství“, který je financován MZe ČR.

Použitá literatura

• [1] Směrnice 2000/76/ES Evropského parlamentu a rady ze dne 4. prosince 2000 o spalování odpadů
• [2] TNI 83 8302 Tuhá alternativní paliva – Specifikace a třídy. 2007
• [3] TNI 83 8300 Tuhá alternativní paliva – Terminologie, definice a popis. 2007 [4] Vyhláška č. 13/2009 Sb. o stanovení požadavků na kvalitu paliv pro stacionární zdroje z hlediska ochrany ovzduší
• [5] Vyhláška č. 357/2002 Sb., kterou se stanoví požadavky na kvalitu paliv z hlediska ochrany ovzduší
• [6] Zákon č. 185/2005 Sb. o odpadech
• [7] Nařízení vlády č. 146/2007 Sb. o emisních limitech a dalších podmínkách provozován spalovacích stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší
• [8] JEVIČ, P., ŠEDIVÁ, Z., PŘIKRYL, M.: Techničeskie trebovanija, klassifikacija tverdych vtoričnych topliv iz biogennych otchodov. In Energoobespečenie i energosbereženie v selskom chozjajstve, čast 1 – problemy energoobespečenija i energosbereženija. Moskva, VIESH, 16 – 17 maja, 2006, s. 383 – 389. ISSN 0131-5277

Tweet

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

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?