Biomasová výtopna Žlutice – efektivní propojení praxe s výzkumem

Úvod

V současné době je nejpoužívanějším obnovitelným zdrojem energie v podmínkách České republiky biomasa. Potenciál dřevní hmoty je vlivem prudkého nárůstu provozů využívajících tento druh paliva prakticky na hranici vyčerpání. Cena tohoto materiálu prudce vzrůstá a blíží se doba, kdy bude tohoto materiálu citelný nedostatek. Z dostupných druhů biomasy je stále ještě ne zcela plně využívaným zdrojem biomasy zemědělství, tudíž rostlinná biomasa. Následné využití rostlinné biomasy jako obnovitelného zdroje energie umožňuje vytvořit v daném regionu nová pracovní místa v zemědělství, region učinit více energeticky soběstačným, výrobu energie decentralizovat. Rostlinná biomasa se především hodí k výrobě tepla v komunálních výtopnách, kterých by mohlo být realizováno více, než tomu je doposud. Důvodem, proč je výtopen na spalování rostlinné biomasy stále ještě realizováno méně, než by zdroje tohoto paliva umožňovaly, je skutečnost, že spalování rostlinného materiálu je z důvodu nízké eutektické teploty zbylého biomasového popela náročné pro obsluhující personál výtopny, neboť kotle je nutné poměrně často čistit, náročnější jsou též práce údržbářského charakteru. Vyšší náklady má takový provoz také v souvislosti s položkou na opravy zařízení a spotřebu elektrické energie.

Centrální výtopna na spalování biomasy ve Žluticích ročně spálí přes 1000 t balíkované obilné slámy. Tato výtopna je dobrým příkladem toho, že lze energií ze slámy spolehlivě zásobovat odběratele tepelnou energií, a to přes všechna negativa, která z problematického chování biomasového popela během spalovacího procesu plynou.

Cíl propojení praxe s výzkumem

Cílem bylo navrhnout taková opatření, která by vedla k eliminaci problematického chování biomasového popela souvisejícího s jeho nízkou eutektickou teplotou (v případě čisté látky se jedná o teplotu tání). Nízká eutektická teplota biomasového popela způsobovala v provozu žlutické výtopny tvorbu skelných nálepů na povrchu žárobetonových vyzdívek dna plamence kotlového výměníku tepla. Skelný nálep je tvořen z částeček biomasového popela uneseného spalinami do prostoru plamence a k jeho vytvoření vede vysoká teplota spalin v této kotlové zóně. Teplota zde dosahuje až 1100 °C.

Nalepování skla k povrchu žárobetonových vyzdívek v prostoru dna plamence kotlového výměníku tepla bylo velkým problémem způsobujícím provozovateli prodloužení doby odstávky kotle za účelem jeho čištění, jelikož odstranění skla z povrchu žárobetonu nebylo jednoduchou záležitostí. Sklo po odstavení kotle zůstávalo pevně spojené s povrchem žárobetonu (Obr. 1). Při jeho odstraňování musela obsluha postupovat velice opatrně, aby co nejvíce eliminovala mechanické poškození povrchu žárobetonu. K odstraňování skelného nápeku bylo používáno mechanické nářadí, obsluha musela pečlivě dbát na bezpečnost práce. Spolu s odstraňovanou vrstvou skla docházelo též k odlupování povrchových částí žárobetonů v tloušťce asi kolem 5 mm, což by bez hledání nápravných opatření, vedlo k postupnému ztenčování žárobetonových vyzdívek osazených na dně plamence kotlového výměníku tepla. Tato skutečnost by postupně vedla až k nutnosti výměny žárobetonových vyzdívek za nové, což by představovalo pro provozovatele výtopny značné finanční zatížení v položce nákladů na opravy.

Problém s nalepováním skla na žárobetonové vyzdívky se týkal ve žlutické výtopně především biomasových kotlů spalujících rostlinnou biomasu.

Složení biomasového popela, zvláště jeho nízká eutektická teplota tání, činilo obsluze také problém související se spékáním některých druhů obilné slámy přímo v hořáku kotle.

Na výše popsané problémy související s provozem výtopny reagovala ředitelka společnosti v roce 2007 tím, že se rozhodla zabývat se problematikou chování biomasového popela ve své disertační práci. Tato práce byla dokončena a úspěšně obhájena na podzim roku 2008. Jelikož se závěry výzkumu ukázaly jako velmi zajímavé a přínosné pro objasnění problematiky spalování biomasy, bylo na tuto disertační práci plynule v následujícím roce navázáno projektem podpořeným grantem Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programového projektu TIP. Tento projekt bude dokončen a vyhodnocen v dubnu v roce 2012.

Propojení praxe s výzkumem v reálném provozu výtopny

Hlavním záměrem zahájení spolupráce s výzkumnou institucí bylo navržení takových opatření, která by vedla k eliminaci problematického odstraňování skelných nápeků na žárobetonových vyzdívkách dna plamence kotle a eliminace problémů souvisejících s nízkou eutektickou teplotou biomasového popela vznikajícího z některých druhů rostlinné biomasy.

Vklad provozovatele výtopny k probíhajícímu výzkumu

Provozovatel výtopny během podrobného sledování spalovacího procesu za účelem sběru vzorků popela a provozních dat sleduje pracovní cykly kotlů, tedy dobu provozu kotle mezi odstávkami kotle nutnými k jeho vyčištění. Po ukončení pracovního cyklu odebírá vzorky popela ze zvolených kotlových zón (Obr. 2), spočítáno je celkové množství spáleného paliva, zaznamenány jsou provozní hodiny kotle během pracovní cyklu a druh spalovaného paliva. Vzorky popela jsou odebírány z prostoru hořáku kotle, odebírán je vzorek sypkého popela a vzorek skelného nápeku ze dna plamence kotlového výměníku tepla, dále jsou odebírány vzorky popela z čela kotlového výměníku tepla, z trubkovnic kotlového výměníku tepla z míst prvního (trubkovnice I.) a druhého obratu spalin (kapsa), z trubkovnic II. – místem před vstupem spalin do cyklonu a popel zachycený v cyklonu (Obr.2).

Vklad výzkumného pracoviště k probíhajícímu výzkumu

Odebrané vzorky popela a skelného nápeku jsou následně provozovatelem výtopny dopraveny do laboratoří Ústavu skla a keramiky VŠCHT v Praze a podrobeny analýze v Centrálních laboratořích. Chemické analýzy jsou prováděny metodou rentgenové fluorescenční analýzy (XRF) za pomoci sekvenčního vlnovědisperzního rentgenového spektrometru švýcarské firmy THERMO ARL, model ARL 9400 XP. U vzorků popela je zjištěno jejich prvkové složení. Vzorky paliv jsou spáleny a prvkové analýze je následně podroben vzniklý popel. Toto pracoviště se také zabývá zjištěním teploty tání (teploty liquidus) biomasového popela. Po vyhodnocení prvkového složení dodaných vzorků a po prokonzultování provozních zjištěních a požadavků provozovatele výtopny, navrhuje toto pracoviště opatření, které je následně potřebné v reálném provozu ověřit.

Vklad dodavatele technologie k prováděnému výzkumu

Firma VERNER a.s. jako výrobce a dodavatel technologií na spalování biomasy průběžně sleduje a vyhodnocuje získané poznatky z laboratoře i z reálného provozu žlutické výtopny. Provoz žlutické výtopny využívá jako zkušební k ověření návrhů nových technologií, založených na nově získaných poznatcích souvisejících s probíhajícím výzkumem. V praxi výtopny ověřené postupy zavádí do inovování vyráběných spalovacích zařízení. Na zavedení inovací do vlastního provozu žlutické výtopny spolupracuje s jejím provozovatelem.

Dosavadní v praxi ověřené výsledky výzkumu

Eliminace lepení skelných nápeků na žárobetonové vyzdívky

Po vyhodnocení prvkového složení biomasového popela a po následných laboratorních experimentech bylo na základě zjištěných závislostí a s ohledem na skutečnost, že výtopna spadá do provozoven vysoce ekologických, navrženo výzkumným pracovištěm VŠCHT v Praze, laboratořemi Ústavu skla a keramiky, takové složení ochranné směsi, které splňuje podmínku vysoké teploty liquidus, absence rizikových prvků, nízké ceny a snadné dostupnosti.

Při provozním experimentu v reálném provozu výtopny byl povrch žárobetony vyloženého dna plamence kotlového výměníku tepla pečlivě očištěn od nalepeného skelného nápeku a následně ošetřen potřením ochrannou vrstvou směsi o složení, které bylo navrženo tak, aby jeho hlavní fyzikální vlastností byla vysoká teplota tání. Principem ochrany byl předpoklad vytvoření mezivrstvy oddělující povrch žárobetonu od skelného nápeku. Ochranná vrstva směsi měla tloušťku asi 40 mm. Po ošetření povrchů žárobetonů ochrannou směsí byl kotel uveden do provozu. Po uplynutí pracovního cyklu byl kotel odstaven a během čištění podroben prohlídce stavu skelných nápeků na žárobetonových vyzdívkách dna plamence kotlového výměníku tepla, aby bylo možné vyhodnotit provozní zkoušku navrženého technického opatření. Po prohlédnutí stavu dna plamence kotlového výměníku tepla bylo zjištěno, že navržená ochranná směs vytvořila mezi povrchem žárobetonové vyzdívky a vrstvou skelného nápeku, křehkou vrstvu inkrustu, který zabránil přilepení skla k povrchu žárobetonu obr. 3.

Používání ochranné vrstvy žárobetonů ze dna plamence kotlového výměníku tepla je již dnes běžně zavedenou praxí v reálném provozu výtopny. Vzniklé sklo je nyní možné při čištění kotle velice snadno z povrchu žárobetonu odstranit seškrábnutím tak, aniž by došlo k poškození žárobetonové vyzdívky.

Eliminace spékání biomasového popela

Dalším problémem, se kterým se obsluha výtopny potýká při spalování určitých druhů rostlinné biomasy, ale i některých druhů dřevního materiálu, je spékání vznikajícího biomasového popela přímo v kotlovém hořáku. Eliminace tohoto problému souvisí s potřebou nalezení souvislostí mezi složením biomasového popela a jeho eutektickou teplotou. Jelikož je biomasa svou podstatou obecně velice variabilní materiál, je vyřešení této problematiky složitější.

V rámci řešeného projektu je na tomto problému stále pracováno. Jako nejvhodnější se zatím jeví eliminace spékání přídavkem vhodných aditiv, případně vhodně zvolený mix paliva, pokud by bylo možné toto v praxi výtopny zajistit.

V současné době je v provozu výtopny zkoušeno několik laboratorně navržených aditiv a tato aditiva jsou zkušebně přidávána k palivu náchylnému ke spékání. Nutné je ověřit nezbytně nutná přidávaná množství aditiv v souvislosti s tím, aby po zavedení do běžné praxe výtopny nedošlo k výraznému nárůstu provozních nákladů. Dosavadní výsledky těchto zkoušek jsou příznivé.

Závěr

Zkušenosti se snahou propojit reálnou praxi s výzkumem, popsané ve výše uvedeném projektu, se jeví jako velice přínosné. Výsledkem dosavadní spolupráce je technické opatření, mající za cíl eliminaci problémů s nalepováním skla na površích žárobetonových vyzdívek slámových kotlů, které je v současné době ve žlutické výtopně provozovatelem běžně používaným opatřením. Obsluha kotlů po každém vyčištění kotlového plamence ošetřuje povrch žárobetonu před dalším pracovním cyklem navrženou směsí.

Pro provozovatele výtopny má toto opatření velký přínos v tom, že se zkracuje doba odstávky kotle za účelem jeho čištění na polovinu, nadále již nedochází k mechanickému poškozování povrchu žárobetonů, což je vzhledem k jejich vysoké ceně značným ekonomickým přínosem. Výše popsané opatření do značné míry eliminuje také nebezpečí neplánovaných poruch zařízení, což je vzhledem k tomu, že je biomasová výtopna strategickým zdrojem energie pro obyvatele města Žlutice, velice důležité. Tepelnou energií zásobuje asi 70 % občanů, město není plynofikováno a není zde ani jiný záložní zdroj energie.

V započatých experimentálních pracích prováděných v reálném provozu žlutické výtopny, sběru vzorků popela, vzorků spalované biomasy a sběru dat o spalovacích procesech, za účelem řešení dalších provozních problémů, bude nadále pokračováno. Nutné je dořešit problematiku spékání biomasového popela v hořácích kotlů tak, jak je v příspěvku blíže vysvětleno.

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 mládeže 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

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?