Úpravy kotlů pro spalování biopaliv

ÚVODEM

Česká republiky kryje své energetické potřeby jen asi z 2,5 % obnovitelnými zdroji, z toho biopaliva kryjí asi polovinu, přestože miliony tun dřevního odpadu a slámy zůstávají každoročně nevyužity. Růst cen fosilních paliv v poslední době vytváří prostor pro ekonomické využívání pevných biopaliv, které však musí být organizačně a technicky řešeno s ohledem na jejich specifika. Pevná biopaliva mohou mít zásadní, i když jen místní, význam zejména na venkově republiky, kde jejich výroba může přinést ekonomické a ekologické výhody a řadu pracovních a podnikatelských příležitostí. Tomuto procesu mohou zásadně pomoci rekonstrukce stávajících kotelen.

ZVLÁŠTNOSTI PEVNÝCH BIOPALIV

Paliva rostlinného původu sloužila lidstvu mnohá tisíciletí jako zdroj tepla a teprve v průběhu posledních dvě stě padesáti let je postupně většinou vytlačila výhřevnější a praktičtější paliva fosilní. Každoroční přírůstky biomasy na Zemi svým energetickým potenciálem asi desetkrát převyšují současnou energetickou potřebu společnosti, ale obtížnější podmínky získávání a rozmanitost druhů, vlastností a výhřevností i forem brání širšímu a bezprostřednímu používání. Celosvětově se biopaliva dnes podílejí na krytí energetických potřeb asi 25 až 30 %, v západoevropských státech asi 5 %, v Rakousku a Skandinávii až l5 %. Moderní energetická zařízení nemohou využívat zpravidla biopaliva v přírodním, původním stavu a standardizaci vyžaduje i zaváděný trh biopaliv. Vyžaduje se standardizace obsahu vody - pod 30 % u dřevin a pod 20 % u stébelnin. Dále se vyžadují tvarové úpravy - u dřevin na štěpku, polena, polínka, brikety a pelety, u stébelnin se požadují lisované balíky včetně obřích, brikety a pelety. Důležitým aspektem standardizace je záruka výhřevnosti nakupovaného biopaliva.

Obsah vody se u dřevin pohybuje od cca 20 do 55 % (uměle sušené dřevo může mít méně vody), u stébelnin se při sklizni v suchém stavu pohybuje obsah vody od l5 do 20 %. V obráceném poměru k obsahu vody se projevuje výhřevnost. U vlhkého, syrového dřeva a čerstvé kůry dosahuje jen 6 - 8 MJ. kg^-1, suchá sláma mívá l4,5 MJ.kg^-l. Absolutně suchá biomasa má výhřevnost kolem l8 MJ.kg^-l, což je více než u dobrého hnědého uhlí. Obsah popele je u biopaliv v porovnání s pevnými fosilními palivy velmi nízký. U dřeva je to 0,5 až l %, u stébelnin je popelovin až do 6 %. Síry je v biopalivech asi desetkrát méně než ve fosilních palivech, zato však biopaliva obsahují chlor. Obsah vody staví operaci dosoušení biopaliv na první místo - převládá většinou sice delší, ale levnější dosoušení přirozeným průvanem.

Objemová hmotnost a tvarové úpravy jsou ve vzájemné závislosti, a tak druhou technologickou operací při standardizaci biopaliv, zpravidla v návaznosti na získání - sklizeň paliva, je tvarová úprava - řezání, štípání, štěpkování, ale u stébelnin i šrotování a následné briketování. U slámy je dnes prvotní operací lisování do obřích balíků na poli. Volně ložená sláma a řezanka mají objemovou hmotnost 40 - 50 kg.m^-3. Balíky mají kolem l50 kg.m^-3, dřevní štěpka kolem 250 kg.m^-3, polena 500 kg.m^-3 a absolutní objemová hmotnost briket a pelet je přes l 000 kg.m^-3, v sypném stavu asi 650 kg.m^-3.

Většinu stávajících biopaliv s výjimkou polenového dřeva představují různé formy odpadů hlavní zemědělské nebo lesní výroby, vedlejší výrobky, dřevní a obalový šrot a cena z nich vyrobených paliv je odvozena od nákladů na:

• dopravu, manipulaci a skladování,
• sušení - zejména umělé,
• tvarové úpravy, zejména briketování.

Veškerá zařízení potřebná ke sklizni a přípravě biopaliv jsou v podstatě vyvinuta - i když někdy jen ve stadiu prototypu, jako je tomu např. u strojů na sklizeň rychle rostoucích dřevin.Většinou se však používají k získávání biopaliv běžné zemědělské a lesnické stroje, doplňované zařízením na briketování. Zde je nutné zdůraznit, že spotřeba energie na úpravu pevných biopaliv i při briketování zpravidla nepřevyšuje 5-6 % energetického obsahu daného paliva, ale cenový podíl je vyšší. Rozhodujícím faktorem v nákladovosti tvarovaných biopaliv jsou odpisy zařízení a budov a osobní náklady personálu. Proto technologické linky výroby tvarovaných biopaliv musí být plně během roku využity - nejlépe ve dvou směnách. Jen tak mohou tvarovaná paliva dosáhnout nižší cenu než srovnatelné hnědé uhlí. (Ceny tvarovaných biopaliv se pohybují od l 500 do 3 000 Kč za tunu, sláma v obřích balíkách a dřevní štěpka přijde na 500 až 700 Kč za tunu).

Topenářské vlastnosti biopaliv se od uhlí a koksu liší zejména vysokým obsahem zplyňujících - těkavých látek (až 80 %) a malým podílem zbytku vytvářejícího dlouho žhnoucí hmotu podobnou např. koksu, předávající svůj obsah energie radiací. Biopaliva předávají tudíž svoji energii především konvekcí na teplosměnných plochách - ovšem v dokonale vyhořelém stavu. Menší objemová hmotnost, nižší výhřevnost, vyšší obsah vody a vysoký podíl zplyňujících látek ovlivňují zásadně konstrukci topenišť na biopaliva. Ta musí zajistit:

• požadovanou zásobu paliva s možností předsušení,
• zplynování paliva a prohoření spalných plynů před jejich dotekem s teplosměnnými plochami.

Už při teplotách nad 200°C (kdy z paliva byla před tím odpařena voda) začíná zplynování, které je charakteristické pro spalování biopaliv. Probíhá do teploty 600°C a trvá velmi krátkou dobu - u štěpky l0 - l2 minut. Zbylá, odplyněná hmota tvořená převážně žhnoucím uhlíkem prohořívá v podstatě přímým okysličováním bez výraznějšího plamene po dobu asi 45 minut. Tato doba platí pro polínka, polena, brikety prohořívají déle, štěpka kratší dobu. V praxi jsou obě fáze hoření biopaliv těžko odlišitelné, neboť hranici ovlivňuje nově dodávané palivo. Pouze u dřevozplyňujících kotlů je možno tento jev pozorovat. Vznikající spalné plyny přecházejí přes žhnoucí zbytky před tím odplyněného paliva, což je velmi žádoucí s ohledem na nezbytné krakování dehtů, rozklad vody, obohacení spalných plynů hořlavinou a rovnoměrnost hoření.

Velké množství vznikajících plynů v relativně nerovnoměrném toku daném palivem podmiňuje zcela odlišné provedení topenišť na spalování pevných biopaliv od topenišť na pevná fosilní paliva, zejména koks. Vzniklé plyny, zejména při teplotách pod 600° C, špatně prohořívají - odtud dým, neboť jejich "hutnost" zabraňuje vniknutí spalného vzduchu a řádnému okysličení. Nepostačuje dodávka vzduchu roštem a je nezbytné nuceně přimíchávat tzv. sekundární a u velkých kotlů i terciální vzduch do hořících plynů, jejichž plameny dosahují značných délek. Svými dlouhými plameny se topeniště na biopaliva podobají skutečně plynovým kotlům s centrálním hořákem. U topenišť s tepelným výkonem l MW byly naměřeny až pětimetrové délky plamenů. To spolu s ostatním aspekty podmiňuje podstatně větší rozměry topenišť a kotlů na biopaliva, než je tomu u fosilních paliv. Hořící plyny nesmí být nikde ochlazovány, protože jinak okamžitě nastává tvorba sazí a klesá účinnost kotle. Pokud se biopaliva spalují v neupravených kotlích na koks, nikdy se nedosáhne plného výkonu a účinnosti, kotle se zanášejí a mnoho energie utíká s dlouhými plameny za kotel do komína. Kromě toho dochází ke vzniku nežádoucích, škodlivých emisí.

ZAŘÍZENÍ NA SPALOVÁNÍ PEVNÝCH BIOPALIV V ČR

V České republice se používají v podstatě čtyři hlavní typy topenišť na pevná biopaliva s ohledem na tepelný výkon a určení:

• Malá topeniště - lokální kamna a krbová kamna do jednotlivých místností a malé dřevozplyňuiící kotle na kusové dřevo pro vytápění rodinných domků a budov s tepelným výkonem od 5 do l00 kW. V této kategorii jsou nabízeny i automatické kotle na pelety a dřevní štěpku. Zásluhou českých firem ATMOS, VERNER a dalších bylo v posledních létech dodáno jen dřevozplyňujících kotlů na český trh přes 30 000 kusů. Jejich zásluhou se podíl dřeva na tvorbě tepla při vytápění domů zdvojnásobil.
• Střední skupina kotlů na spalování dřeva a slámy je zastoupena kotli s tepelným výkonem 100 až 1000 kW. Zahrnuje jednak kotle z dovozu - dánské PASSATY na slámu a belgické firmy VYNCKE na dřevní odpad. Sem patří i české kotle firem ŠAMATA, VERNER, STEP a TRACTANT FABRI. Dovoz výborných zahraničních kotlů byl umožněn jen dík různým dotacím neboť jejich cena je až trojnásobná. Patří sem dále i rekonstruované litinové kotle firmy VIADRUS, Bohumín typu VSB IV , kterých bylo pro vytápění větších budou dodáno pro vytápění uhlím a koksem několik tisíc. Tyto litinové kotle vynikají dlouhou životností a mohou po úpravách a doplnění předtopeništi využívat i biopaliva, především tam, ke se nepočítá se zavedení zemního plynu, tj. v některých venkovských obcích.
• Velké tepelné jednotky s tepelným výkonem od l MW do l0 MW jsou v počtu více než l00 kusů používány ve velkých dřevozpracujících podnicích. Většinou se jedná o kotle firem DUKLA, ROUČKA z ČR a dovezené kotle od firmy VOLUND nebo VYNCKE. Kotel firmy VOLUND o tepelném výkonu 5 MW je nasazen ve výtopně v Pelhřimově.
• Supervelké dovezené tepelné jednotky s výkonem přes l0 MW na spalování dřevního odpadu jsou u nás pravděpodobně zastoupeny v Paskově a ve Štětí.

ADAPTACE LITINOVÝCH KOTLŮ VSB IV PRO BIOPALIVA

Pouze zdánlivě zastaralé kotle VSB IV, původně konstruované na spalování koksu a uhlí jsou v současné době často unáhleně vyřazovány přesto, že jako litinové vynikají velkou životností a provozní spolehlivostí. Jsou adaptabilní na úpravu pro spalování zemního plynu a podobně, i když poněkud nákladněji i pro spalování pevných biopaliv. Shodně pro oba, tak rozdílné druhy paliva, je nezbytná rekonstrukce samotného kotle, spočívající ve vyvložkování původního topeniště kotle šamotovou vyzdívkou, jak je obvyklé u plynového provedení těchto kotlů. Rekonstrukce zajišťuje dosažení náhrady sálavé složky přestupu tepla obvyklé u žhnoucího koksu i při spalování zemního plynu nebo plynu z biopaliv. Přídavná vyzdívka také zajišťuje patřičnou prodlevu spalin v prostoru kotle, který po úpravě slouží vlastně jen jako výměník, protože se vlastní proces hoření paliva vyčleňuje mimo prostor stávajícího kotle, a to zařazením přídavného předtopeniště a dohořívací komory. Bez těchto úprav nelze efektivně a ekologicky a při zachování tepelného výkonu biopaliva spalovat. Ve spolupráci VÚZT Řepy a vývojového oddělení závodu ŽDB VIADRUS, Bohumín byly takto rekonstruovány dva litinové kotle VSB IV o tepelném výkonu dvakrát 300 kW v kotelně základní školy v RUDÍKOVĚ, okres Třebíč. Dva kotle byly doplněny jedním velkým zplyňujícím předtopeništěm a dohořívací komorou.Úprava umožnila spalování rozmanitého dřevního odpadu a slaměných briket při zachování původního tepelného výkonu a velmi nízkých emisích. Obdobně vybavuje tyto kotle předtopeništěm i firma VERNER

PODSTATA REKONSTRUKCE KOTLE VSB IV

• Umístění přídavné šamotové vyzdívky do původního spalovacího prostoru kotle po vyjmutí původního roštu - na způsob přestavby kotle na plynový.
• Výstavba dřevozplyňujícího předtopeniště ze šamotových cihel a desek o vnitřních rozměrech l,5 x 1,5 x1,5 m s horní plechovou zásobníkovou násypkou jehlanovitého tvaru, šikmým, pohyblivým roštem a ventilátorkem primárního vzduchu.
• Výstavba vertikálně vedené a pro dva kotle se rozdělující dohořívací komory o obsahu 2,5 m³ ze šamotových cihel a desek s přívodem sekundárního vzduchu od samostatného ventilátorku.
• Předtopeniště i dohořívací komora byly opatřeny tepelně izolujícím opláštěním.
• Pro plynulou regulaci tepelného výkonu byla uplatněna počítačová technika a frekvenční měniče otáček odtahového ventilátoru.

Palivem v topné sezóně 1997 - 98 byla především dřevní štěpka z odpadového dřeva z pil a prořezávek o průměrné vlhkosti 26 % po půlročním uskladnění pod střechou s výhřevností l3 MJ.kg^-l a slaměné a dřevní brikety s vlhkostí l2 % a výhřevností l4,5 MJ.kg^-l. Tato obnovitelná paliva nahradila v topné sezóně přibližně 80 % dříve spalovaných fosilních paliv, zejména koksu při zhruba polovičních až třetinových nákladech na palivo. Investiční náklad úprav ve výši cca 0,65 mil Kč byl tak uhrazen úsporami na palivu za cca l,5 topné sezóny.

Z problémů, se kterými jsme se během zkušebního provozu setkali, je nutné především uvést značné tepelné namáhání roštu, zejména ve spodní části předtopeniště, projevující se deformacemi. Využitím vodou chlazeného roštu budou potíže odstraněny. Neopomenutelné problémy jsou však při skladování a manipulaci paliva.

POZNATKY Z OVĚŘOVACÍHO PROVOZU

ÚČINNOST využití tepelného obsahu paliv se pohybovala kolem 85 % vzhledem k tomu, že bylo možno snižovat teplotu do komína odcházejících spalin na hodnotu kolem 110°C - na rozdíl od spalin od kotlů na uhlí, kde je nutno ji udržovat s ohledem na obsah síry v uhlí na min. 200°C. Kotle VSB IV se osvědčily jako velmi dobré výměníky. Teplota ve zplyňujícím topeništi se pohybovala od 600 do 900°C - na výstupu do dohořívací komory bylo až 1000°C, v samotné dohořívací komoře bylo kolem l l00°C. Uvedené teploty zajišťovaly jednak bezdýmé spalování, jednak nízkou emisi škodlivin ve spalinách.

EMISE CO stanovené normou pro tuto kategorii kotlů na l000 mg.m^-3 se ve skutečnosti pohybovaly od 0 do 60 mg.m^-3. Emise SO₂ v porovnání s normou ve výši 2500 mg.m^-3 dosahovaly pouze 20 až 272 mg.m^-3 a emise NOx v porovnání s normou 650 mg.m^-3 dosahovaly pouze l69 až 318 mg.m^-3. Byly však zaznamenány i emise HCl, o kterých se zatím norma nezmiňuje a to ve výši 135 až 254 mg.m^-3. V důsledku odděleného zplynování paliva v předtopeništi a hoření spalných plynů v dohořívací komoře, malému podílu popele v palivu a relativně velkým prostorám v dohořívací komoře a komíně nebyl zaznamenán úlet pevných částic, které byly zachyceny před výstupem spalin do ovzduší.

SOUHRN

Vzhledem k tomu, že pro výrobu a rozvod tepla byla využita všechna, již dříve vybudovaná a využívaná zařízení - stavba, rozvody, kotle, elektroinstalace a kotelna byla doplněna jen předtopeništěm, dohořívací komorou, dopravníkem paliva a regulačním systémem, bylo při rekonstrukci zajišťující spalování biopaliv dosaženo relativně nízkých realizačních nákladů, nesrovnatelně nižších než jaké by bylo nutno vynaložit při výměně dosavadních kotlů za nové, speciální. Náklady spíše odpovídaly větší opravě kotelny. Cena dovezeného kotle obdobného výkonu se pohybuje kolem 3 mil. Kč, českého přes l,5 mil Kč.

Navržený a ověřený systém může být uplatněn v řadě míst, kde ještě jsou kotle VSB IV a podobné litinové v provozu, kde nebude zaveden zemní plyn a kde je dostatek biopaliv. Jejich dokonalé spalování dvoustupňovým způsobem zaručuje vysokou účinnost, nízké emise a dlouhodobé využití trvanlivých litinových kotlů VSB IV a i možnost obnovení jejich výroby v dokonalejším provedení. V některých kotelnách však může nastat problém s prostorem pro umístění přídavných zařízení nebo se skladem paliva. Navržený systém umožňuje využívat širokou paletu různých biopaliv na bázi dřevin i stébelnin, dřevního i obalového šrotu případně i s přídavkem uhlí, což plně vyhovuje současným požadavkům.

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