Výkonové a emisní parametry teplovodního kotle na spalování biomasy

Spalování biomasy je relativně komplikované a jako takové nezaručuje nízkou produkci emisí i navzdory tomu, že se u něj využívá obnovitelný zdroj energie. Spalování se špatným nastavením spalovacího zařízení tak může být velmi neefektivní – s vysokou produkcí emisí. Na spalovací proces přitom působí několik aspektů, mezi něž patří i vlhkost spalovacího vzduchu. V článku se prezentují výsledky vlivu relativní vlhkosti spalovacího vzduchu při konstantní teplotě na výkonové a emisní parametry malého teplovodního kotle na spalování biomasy.

Biomasa představuje jeden z nejuniverzálnějších a nejrozšířenějších zdrojů energie na Zemi – už od objevení ohně se využívá jako palivo. Představuje obnovitelný zdroj energie, který má v současnosti široké využití v energetice, a to především díky své ekologičnosti a nižší ceně. Rostoucí ceny za teplo na Slovensku směřují přirozeně k využívání obnovitelných zdrojů energie, včetně biomasy, která představuje až 42 % použitelného potenciálu [2]. Využívá se k výrobě tepla a elektrické energie ve spalovacích zařízeních, ale i k pohonu motorových vozidel [1].

Jedním z nejrozšířenějších způsobů, jak získat z biomasy tepelnou energii, je její spalování. Biomasu lze spalovat ve zdrojích tepla s různými výkony podle druhu paliva ─ ať už jde o dendromasu ve formě polen, pelet, briket, nebo o fytomasu ve formě balíků ze slámy obilnin, olejnin, případně o energetické rostliny ve formě balíků, pelet nebo briket [3]. Efektivní využití biomasy při nízkém emisním zatížení prostředí však vyžaduje aplikaci kvalitních technologií a jejich správné provozování. Spalování biomasy ve zdroji tepla ovlivňuje několik aspektů, jako jsou použitý druh paliva, přívod a přerozdělení spalovacího vzduchu, způsob spalování, konstrukce topeniště či způsob regulace zdroje tepla [4]. Všechny tyto aspekty ovlivňují v konečném důsledku výkonové a emisní parametry zdroje tepla. Emise jsou znečišťující látky vznikající při spalování biomasy, rozptýlené ve vzduchu. Mezi základní emise patří oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NOx), oxid siřičitý (SO₂), nespálené produkty označované jako organické uhlovodíky (OGC) a pevné znečišťující látky (TZL). Aby se zachovala ekologičnost biomasy, stát vydává opatření ve formě emisních limitů, které musí dodržovat každý provozovatel spalovacího zařízení [5].

Spalování biopaliv je složitý termický proces složený z několika fyzikálních a chemických dějů tepelného rozkladu a oxidace hořlavých složek paliva, probíhající ve vymezeném prostoru a v konkrétním čase. Proces oxidace hořlaviny paliva se většinou realizuje pomocí vzdušného kyslíku, přičemž energie chemicky vázaná v palivu se mění na teplo, které se následně využívá. Kromě tepla vznikají při spalování i vedlejší produkty spalování jako spaliny a popel [6]. Jak jsme již zmínili, spalovací proces může ovlivňovat několik aspektů. Článek se zabývá konkrétně vlivem relativní vlhkosti spalovacího vzduchu na tepelnětechnické parametry zdroje tepla, konkrétně na tepelný výkon zdroje tepla a produkci emisí při zachování stejných podmínek.

Obr. 1  Experimentální zařízení na testování vlivu relativní vlhkosti spalovacího vzduchu

Metodika experimentu

V rámci určování vlivu relativní vlhkosti spalovacího vzduchu ve zdroji tepla na spalování dřevních pelet byly jako palivo použity kvalitní dřevné pelety s vlhkostí 10,01 %, spalným teplem 20,47 MJ/kg, s výhřevností 18,83 MJ/kg a s obsahem popela 0,52 %. Dřevní pelety patřily na základě změřených parametrů do třídy A1 podle normy STN EN 14961 (průměr 6 mm, délka do 40 mm, vlhkost do 10 %, obsah popela do 0,7 %). Zařízení na určení vlivu relativní vlhkosti spalovacího vzduchu na výkonové a emisní parametry zdroje tepla bylo sestaveno podle schématu na obr. 1, které je složeno z testovaného zdroje tepla (teplovodní kotel na spalování dřevních pelet se jmenovitým výkonem 18 kW), ze zařízení na určení tepelného výkonu zdroje tepla s regulátorem teploty a s chladičem na měření produkovaného tepla a z analyzátorů plynných emisí (oxidu uhelnatého – CO, oxidů dusíku – NOx, oxidu siřičitého – SO₂ a organických uhlovodíků – OGC). V okolí plamene, ve spalovací komoře zdroje tepla, byly umístěny termočlánky k určení teploty plamene. Všechna měřicí zařízení byla připojena k měřicí ústředně. Měřicí ústředna zaznamenávala sledované veličiny v časovém intervalu 20 sekund. Údaje z ní se zaznamenávaly a zpracovávaly na osobním počítači.

Obr. 2  Úprava relativní vlhkosti spalovacího vzduchu v polystyrenové komoře

Relativní vlhkost spalovacího vzduchu se regulovala v polystyrenové komoře s rozměry 1,5 m × 1,0 m × 1,0 m (obr. 2). V polystyrenové komoře byl přívod okolního vzduchu s relativní vlhkostí 49 % a teplotou 23 °C a přívod vodní páry z parního zvlhčovače s regulací relativní vlhkosti v komoře. Pro účinnější promíchání přiváděného okolního vzduchu s vodní párou byly v komoře vytvořeny příčky. Relativní vlhkost spalovacího vzduchu se měřila těsně před vstupem do zdroje tepla a postupně byla nastavena na 50, 60, 70, 80, 90 a 99 %. Vlhčení vzduchu vodní párou probíhalo podle Mollierova h-x diagramu izotermicky ─ na zvýšení relativní vlhkosti ze 49 % při teplotě 23 °C na relativní vlhkost 60 % při konstantní teplotě je třeba přivést 2 g vodní páry na 1 kg vzduchu. Teplota spalovacího vzduchu na vstupu do zdroje tepla byla stejná jako teplota vzduchu na vstupu do polystyrenové komory. Během všech měření byly nastaveny stejné podmínky spalování: čas podávání paliva byl 18 sekund, čas stání paliva byl 25 sekund, přívod spalovacího vzduchu byl nastaven na 40 % a tah komínu byl nastaven na 12 Pa.

Výsledky experimentu

Během experimentů byly potvrzeny předpoklady, že relativní vlhkost spalovacího vzduchu má vliv na tepelnětechnické parametry zdroje tepla. Na obr. 3 je znázorněn vliv změny relativní vlhkosti přiváděného spalovacího vzduchu na tepelný výkon zdroje tepla a teplotu v plamenu. Z experimentu vyplývá, že tepelný výkon při zvyšování relativní vlhkosti postupně mírně klesal. Pokles výkonu zdroje tepla byl způsoben ochlazováním plamene ve spalovací komoře vlivem vody obsažené ve vlhkém přiváděném vzduchu. Čím byla vlhkost vzduchu vyšší, tím více vlhkosti vzduch obsahoval, proto výkon v konečném důsledku při přivádění vzduchu s relativní vlhkostí 99 % poklesl o 4 % v porovnání s přiváděným vzduchem s relativní vlhkostí místnosti, která se rovnala 49 %. Podle výsledků lze tvrdit, že nejvyššího tepelného výkonu bylo dosaženo při přibližně 50 % relativní vlhkosti přiváděného spalovacího vzduchu.

Obr. 3  Vliv změny relativní vlhkosti přiváděného spalovacího vzduchu na tepelný výkon zdroje tepla a teplotu v plameni

Během experimentů byl zaznamenán i vliv změny relativní vlhkosti přiváděného spalovacího vzduchu na produkci plynných emisí CO, NOx, SO₂ a OGC. Z obr. 4 vyplývá, že produkce CO měla mírně stoupající charakter. Při 99% vlhkosti vzduchu však produkce CO stoupla více než sedminásobně, což bylo způsobeno nižší teplotou plamene a nedokonalejším spalováním vzhledem k menšímu množství kyslíku na úkor vodní páry. Produkce NOx mírně klesala se stoupající vlhkostí vzduchu, což bylo způsobeno ochlazováním plamene vlivem vody obsažené ve vlhkém vzduchu. V případě 99% vlhkosti vzduchu klesla produkce NOx o více než 20 %. Produkce SO₂ a OGC se se změnou relativní vlhkosti spalovacího vzduchu téměř neměnila. Výjimkou je produkce OGC během relativní vlhkosti 99 %, která byla mnohonásobně vyšší v porovnání s produkcí OGC při relativní vlhkosti 50 %.

Obr. 4  Vliv změny relativní vlhkosti přiváděného spalovacího vzduchu na produkci plynných emisí CO, NOx, SO₂ a OGC

Závěr

Spalovací proces ve zdrojích tepla na spalování pevných paliv může ovlivnit několik aspektů. Na základě výsledků v této práci lze konstatovat, že relativní vlhkost spalovacího vzduchu má poměrně významný vliv na tepelnětechnické parametry zdroje tepla, konkrétně na tepelný výkon a produkci plynných emisí. Z výsledků vyplývá, že spalovací vzduch by měl mít co možná nejnižší relativní vlhkost.
Článek vznikl v rámci řešení projektů Moderní zdroje tepla pro vytápění, KEGA 070ŽU-4/2013, a Výzkumné centrum Žilinské univerzity v Žilině, ITMS 26220220183.

Foto a obrázky: autoři

Literatura
1.    ŠOOŠ, L., KOLEJÁK, M., URBAN, F.: Biomasa ─ obnoviteľný zdroj energie. Vert Bratislava, 2012.
2.    TAUŠ, P., TAUŠOVÁ, M.: Economical analysis of FV power plants according installed performance, Acta Montanistica Slovaca, 14 (1), 2009.
3.    URBAN, F., ŠOOŠ, Ľ., MUŠKÁT, P: Ekonomické hodnotenie vykurovania rodinného domu peletami. Vykurovanie 2013, Bratislava, s. 85 ─ 88.
4.    VITÁZEK, I., VITÁZKOVÁ, B., PLOTH, J.: Production of gas emissions from biomass heat source. Engineering MECHANICS, roč. 20, 2013, č. 3/4, s. 289 ─ 298.
5.    ČARNOGURSKÁ, M., PŘÍHODA, M., KOŠKO, M., PYSZKO, R.: Verification of pollutant creation model at dendromass combustion, Journal of Mechanical Science and Technology, roč. 26, č. 12, 2012, s. 4161 ─ 4169.
6.    DZURENDA, L.: Spaľovanie dreva a kôry. Vydavateľstvo TU vo Zvolene, 2005, 124 s.

Ing. Michal Holubčík, PhD., prof. Ing. Jozef Jandačka, PhD.
Autoři působí na Katedře energetické techniky Žilinské univerzity v Žilině.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.