Topné brikety z kombinovaných rostlinných materiálů

Úvod

Tuhá biopaliva vytvořená z rostlinné biomasy jsou dnes alternativou fosilních paliv využívaných ve stacionárních zdrojích tepla a v blízké budoucnosti bude jejich užití zřejmě nabývat na významu. Předpokládá se, že podíl biomasy na celkové spotřebě energie bude dále stoupat, především v oblasti biomasy cíleně pěstované pouze pro energetické účely. Perspektivní je pěstování rychlerostoucích dřevin (RRD), ale stále více se pozornost upírá k biomase stébelnaté, tzn. k energetickým travinám. Výnosy některých z těchto travin dosahují i více než 10 t/ha v sušině a v souvislosti s udržitelným rozvojem krajiny je jejich pěstování ekonomicky zajímavé. Např. u psinečku bylo dosaženo 12,8 t/ha, u kostřavy 13,7 t/ha, u lesknice 13,3 t/ha (1).

Sklizené a usušené traviny lze využít pro výrobu paliv několika způsoby. Pokud je materiál slisován do balíků, lze jím částečně nahradit obilní slámu, pro jejíž použití jsou běžně budovány výtopny s výkonem několika MW. Problémem ovšem mohou být odlišné parametry spalovacího procesu a následky v podobě zvýšených emisí.

Při spalování několika druhů trav v kotli Verner 1800 kW, který je určen pro kombinované spalování různých druhů čisté biomasy, bylo zjištěno, že u paliva z travin jsou naměřeny výrazně vyšší emise CO oproti dřevní štěpce (2).

Jinou možností je vytvořit z travin topné brikety či topné pelety. Při jejich spalování ovšem dochází ke spékání popela v topeništi, neboť teplota tavení popelů travin, případně i teplota spékání je oproti jiným rostlinným materiálům poměrně nízká. Tato vlastnost závisí i na době sklizně travin. Bylo zjištěno, že při sklizni lesknice rákosovité na jaře se kvalita z hlediska palivářského výrazně zvyšuje (3).

Dvakrát až šestkrát se snižuje obsah alkalických látek a chloru, což mj. přispívá ke zvýšení teploty tavení popele z 1070 °C na 1400 °C. Ve většině prací se ovšem uvádějí údaje o vlastnostech popelů rostlin bez ohledu na dobu jejich sklizně (4), kdy byly zjišťovány vlastnosti popelů.

20 druhů rostlinných materiálů bylo kvalifikováno do tří skupin dle obsahu popelů a jejich vlastností. Nejlepší kvality jsou materiály dřevní, ve srovnání s bylinnou biomasou a materiály obsahujícími škroby, které charakterizuje nízká teplota tavení popelů. Teplotu spékání popelů je u daného rostlinného materiálu možno i následně ovlivnit některými aditivy. Byly zjišťovány vlivy několika aditiv (kaolin, vápenec, vápno, dolomit, pálený dolomit, ofit, oxid hlinitý).

U pěti druhů biomasy (pcháč, habešská hořčice, ječná sláma, mandlové skořápky, olivové výlisky) bylo zjištěno snížení spékání popelů (5). Výsledky spalování takto vytvořených briket jsou uváděny ve srovnání se spalováním briket ze dřeva v kotli V 25 (2). Emise CO u briket z psinečku byly 2x vyšší, u ovsíku až 4 x vyšší. Rovněž byly zjišťovány vlivy jiných materiálů přidaných do lisovací směsi (6). Jako nejvýhodnější kombinace materiálů byla vyhodnocena směs sena a kůry jehličnanů.

Materiál a metody

Pro vytvoření tuhých biopaliv, která byla dále testována, byly použity jednak samotné energetické trávy, jednak tyto materiály v kombinaci s rostlinnými materiály doplňkovými. Z travin se jedná o lesknici rákosovitou, ovsík vyvýšený a srhu laločnatou. Tyto porosty byly sklízeny ve dvou termínech. Z travin byly vytvořeny topné brikety o průměru 65 mm s využitím briketovacího lisu HLS 50 (výrobce: Briklis, spol. s r.o.). Brikety byly dále spalovány ve dvou spalovacích zařízeních, přičemž byly měřeny emise CO a NOx. Jedná se o krbová kamna SK-2 (výrobce: RETAP, s.r.o.) – obr. 1 a kotel V 25 (výrobce: VERNER, a.s.) – obr. 2.

Vedle briket jednosložkových byly dále vytvořeny topné brikety z následujících kombinací materiálů:

• topol + srha
• topol + ovsík
• kukuřice + srha
• kukuřice + ovsík
• vrba + srha
• vrba + ovsík
• vrba + kostřava.

Topolová i vrbová složka briket byla ve formě jemné štěpky. Pro vytvoření byl použit štěpkovač Pezzolato PZ 110mb. Struktura štěpky je dle tab. 1. Kukuřičná složka byla mechanicky vytvořena drtičem Viking GE 220. Energetické trávy, které tvoří druhou složku lisovací směsi, byly desintegrovány kladívkovým šrotovníkem ŠV 15 (výrobce: STOZA s.r.o.), v němž bylo použito síto s průměrem děr 20 mm. U všech briket byly zjištěny mechanické vlastnosti, tj. hustota a destrukční síla, potřebná pro příčnou destrukci, což je veličina charakterizující jejich pevnost v tlaku. Pro měření emisí ve spalinách byl použit analyzátor Testo 350 XL. Každých 6 sekund byl měřen obsah CO a NO_x.

Naměřené hodnoty CO byly pak přepočteny na 13 % obsah kyslíku a porovnány s normou ČSN EN 13229, jejíž požadavky jsou uvedeny v tab. 2.

Měření každého vzorku bylo prováděno po dobu 2 h. Naměřené hodnoty obsahu NO_x byly rovněž přepočítávány na 13 % obsahu kyslíku a porovnány se směrnicí MŽP č. 13-2006 definující požadavky pro propůjčení ochranné známky ,,Ekologicky šetrný výrobek“ pro teplovodní kotle na spalování biomasy do tepelného výkonu 0,3 MW. Směrnice udává emisní limitní hodnotu (250 mg.mN^-3) obsahu NOx při 11 % obsahu O₂. Po přepočítání na 13 % obsah O₂ je emisní limitní hodnota obsahu NO_x rovna 200 mg.mN^-3.

Jako standardní palivo byly rovněž proměřeny dřevěné brikety z hoblin a pilin. Jedná se o komerční výrobek Turbohard (výrobce BIOMAC s.r.o.). Průměr briket je 90 mm, délka je 280 mm.

Výsledky a diskuse

Zjištěné palivoenergetické parametry použitých energetických trav uvádíme v tab. 3. V tab. 4 dále uvádíme mechanické vlastnosti briket vytvořených z rostlin chrastice a kostřavy. Všechny hodnoty byly vypočteny jako střední hodnota z deseti měření. U destrukční síly uvádíme v závorce celý interval naměřených hodnot. Tyto parametry jsou srovnatelné s briketami vyrobenými z podobných energetických rostlin, např. z miscanthu (7).

V tab. 5 jsou uvedeny emise při spalování jednosložkových briket. V grafickém vyjádření jsou tyto hodnoty uvedeny na obr. 3. Brikety z obou druhů trav, tj. z ovsíku i srhy vykazují vysoké hodnoty emisí CO vlivem nestability spalovacího procesu. I při zvýšeném přebytku vzduchu nedochází k prohoření brikety a popel se spéká. Takto vytvořená paliva nejsou vhodná pro použití. Jako srovnávací palivo byly rovněž proměřeny dřevěné brikety Turbohard. Průměrné emise CO při 13 % kyslíku byly zjištěny 1651 mg/m³, emise NOx89 mg/m³.

Mechanické vlastnosti kombinovaných briket jsou uvedeny v tab. 6.

Z tabulky 6 vyplývá zvýšení hodnot hustoty i mechanické pevnosti u takto vytvořených kombinovaných paliv ve srovnání s briketami vytvořenými z jednotlivých složek. Výsledky měření emisí v kamnech SK-2 jsou uvedeny v tab. 7. Graficky jsou hodnoty uvedeny na obr. 4.

Z výsledků měření emisí je zřejmý zásadní vliv kombinovaných biomateriálů na proces hoření. Materiály z energetických trav – srha, ovsík jsou v kombinaci s dřevem RRD i v kombinaci s kukuřicí vhodným materiálem pro energetické využití. U kombinovaných paliv tvořených vrbovým dřevem se navíc projevil i pozitivní vliv nižšího obsahu organicky vázaného dusíku na snížení emisí NO_x.

Závěr

Energetické traviny jsou významným zdrojem energie s dosud nedoceněným potenciálem. Při jejich zpracování na tuhá biopaliva je zásadní otázkou standardizace a kvalita takovýchto paliv. Na příkladu jednoho druhu výrobku, tj. topných briket byl zjištěn zásadní vliv na užitné vlastnosti, tj. vliv materiálu, z něhož je toto palivo vyrobeno. Brikety vyrobené z jednosložkového materiálu vykazují vysoké emise CO, což svědčí o problémech při spalování. Řešením je výroba briket z energetických travin kombinovaných s doplňkovým materiálem, kterým může být dřevo, příp. energetická kukuřice. Tímto způsobem dochází k výraznému zlepšení spalovacího procesu a souvisejícímu snížení emisí CO.

Poznámka

Uvedené výsledky byly získány v rámci řešení výzkumného záměru MZE 0002703102.

Literatura

• 1) FRYDRYCH, J., ANDERT, D., JUCHELKOVÁ, D. Výzkum energetických trav. In: Zemědělská techniky a biomasa 2006. Praha, VÚZT 2006, s. 33-35. ISBN-80-86884-15-5
• 2) ANDERT, D., JUCHELKOVÁ, D., FRYDRYCH, J.: Spalování travin. In: Zemědělská technika a biomasa 2006. Praha, VÚZT 2006, s. 15-19. ISBN 80-86884-15-5
• 3) BURVALL, J. Influence of harvest time and soil type on fuel quality in reed canary grass (Phalaris arundinacea L.). Biomass and Bioenergy, 12 (1997), č. 3, s. 149-154
• 4) TOSCANO, G., RIVA, G., PEDRETTI, E.F., CORINALDESI, F.: Evaluation of solid biomass for energy use in relation to the ash qualitative and quantitative characteristics. In: Agricultural and biosystems engineering for a sustainable world. Hersonissos, 2008
• 5) LLORENTE, M.J., AROCAZ, P.D., NEBOT, L.G., GARCIA, J.E.: The effect of the adition of chemical materials on the sintering of biomass ash. Fuel. 87 (2008), č. 12. s. 2651-2658.
• 6) SLAVÍK, J., HUTLA, P., PASTOREK, M.: Vlastnosti topných briket z biomasy travních porostů. In: Zemědělská technika a biomasa 2006. Praha, VÚZT 2006, s. 123-127.ISBN 80-86884-15-5
• 7) HUTLA, P., JEVIČ, P.: Solid biofuels from miscanthus. In: New trends in design and utilisation of machines in agriculture, landscape maintenance and environment protection. Prague, ČZU v Praze 2009, s. 116-121. ISBN 978- 80-213-1897-7

Tento článek byl převzat v rámci spolupráce s magazínem Agritech Science.

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