Výkonové a emisné parametre teplovodného kotla na spaľovanie biomasy

Ako sa menia v závislosti od vlhkosti spaľovacieho vzduchu? Spaľovanie biomasy je relatívne komplikované a ako také nezaručuje nízku produkciu emisií, aj keď sa pri ňom využíva obnoviteľný zdroj energie. Spaľovanie so zlým nastavením spaľovacieho zariadenia tak môže byť veľmi neefektívne – s vysokou produkciou emisií. Na spaľovací proces pritom pôsobí viacero aspektov, medzi ktoré patrí aj vlhkosť spaľovacieho vzduchu. V článku sa prezentujú výsledky vplyvu relatívnej vlhkosti spaľovacieho vzduchu pri konštantnej teplote na výkonové a emisné parametre malého teplovodného kotla na spaľovanie biomasy.

Biomasa predstavuje jeden z najuniverzálnejších a najrozšírenejších zdrojov energie na Zemi – už od objavenia ohňa sa využíva ako palivo. Predstavuje obnoviteľný zdroj energie, ktorý má v súčasnosti široké využitie v energetike, a to najmä vďaka svojej ekologickosti a nižšej cene. Rastúce ceny za teplo na Slovensku smerujú prirodzene k využívaniu obnoviteľných zdrojov energie, vrátane biomasy, ktorá predstavuje až 42 % použiteľného potenciálu [2]. Využíva sa na výrobu tepla a elektrickej energie v spaľovacích zariadeniach, ale aj na pohon motorových vozidiel [1]. Jedným z najrozšírenejších spôsobov, ako získať z biomasy tepelnú energiu, je jej spaľovanie.

Biomasu možno spaľovať v zdrojoch tepla s rôznymi výkonmi podľa druhu paliva – či už ide o dendromasu vo forme polien, peliet, brikiet, alebo o fytomasu vo forme balíkov zo slamy obilnín, olejnín, prípadne o energetické rastliny vo forme balíkov, peliet alebo brikiet [3]. Efektívne využitie biomasy pri nízkom emisnom zaťažení prostredia si však vyžaduje aplikáciu kvalitných technológií a ich správne prevádzkovanie. Spaľovanie biomasy v zdroji tepla ovplyvňuje viacero aspektov, ako sú použitý druh paliva, prívod a prerozdelenie spaľovacieho vzduchu, spôsob spaľovania, konštrukcia kúreniska či spôsob regulácie zdroja tepla [4]. Všetky tieto aspekty vplývajú v konečnom dôsledku na výkonové a emisné parametre zdroja tepla. Emisie sú znečisťujúce látky vznikajúce pri spaľovaní biomasy rozptýlené vo vzduchu. Medzi základné emisie patria oxid uhoľnatý (CO), oxidy dusíka (NOx), oxid siričitý (SO2), nespálené produkty označované ako organické uhľovodíky (OGC) a tuhé znečisťujúce látky (TZL). Aby sa zachovala ekologickosť biomasy, štát vydáva opatrenia vo forme emisných limitov, ktoré musí dodržiavať každý prevádzkovateľ spaľovacieho zariadenia [5].

Spaľovanie biopalív je zložitý termický proces pozostávajúci z viacerých fyzikálnych a chemických dejov tepelného rozkladu a oxidácie horľavých zložiek paliva, prebiehajúci vo vymedzenom priestore a v konkrétnom čase. Proces oxidácie horľaviny paliva sa zväčša realizuje pomocou vzdušného kyslíka, pričom energia chemicky viazaná v palive sa mení na teplo, ktoré sa následne využíva. Okrem tepla vznikajú pri spaľovaní aj vedľajšie produkty spaľovania ako spaliny a popol [6]. Ako sme už spomínali, spaľovací proces môže ovplyvňovať viacero aspektov. Článok sa zaoberá konkrétne vplyvom relatívnej vlhkosti spaľovacieho vzduchu na tepelnotechnické parametre zdroja tepla, konkrétne na tepelný výkon zdroja tepla a produkciu emisií pri zachovaní rovnakých podmienok.

Obr. 1 Experimentálne zariadenie na testovanie vplyvu relatívnej vlhkosti spaľovacieho vzduchu

Metodika experimentu

V rámci určovania vplyvu relatívnej vlhkosti spaľovacieho vzduchu v zdroji tepla na spaľovanie drevných peliet sa ako palivo použili kvalitné drevné pelety s vlhkosťou 10,01 %, spalným teplom 20,47 MJ/kg, s výhrevnosťou 18,83 MJ/kg a s obsahom popola 0,52 %. Drevné pelety patrili na základe zmeraných parametrov do triedy A1 podľa normy STN EN 14961 (priemer 6 mm, dĺžka do 40 mm, vlhkosť do 10 %, obsah popola do 0,7 %). Zariadenie na určenie vplyvu relatívnej vlhkosti spaľovacieho vzduchu na výkonové a emisné parametre zdroja tepla bolo zostavené podľa schémy na obr. 1, ktorá pozostáva z testovaného zdroja tepla (teplovodný kotol na spaľovanie drevných peliet s menovitým tepelným výkonom 18 kW), zo zariadenia na určenie tepelného výkonu zdroja tepla s regulátorom teploty a s chladičom na marenie produkovaného tepla a z analyzátorov plynných emisií (oxidu uhoľnatého – CO, oxidov dusíka – NOx, oxidu siričitého – SO2 a organických uhľovodíkov – OGC). V okolí plameňa, v spaľovacej komore zdroja tepla, boli umiestnené termočlánky na určenie teploty plameňa. Všetky meracie zariadenia boli pripojené k meracej ústredni. Meracia ústredňa zaznamenávala sledované veličiny v časovom intervale 20 sekúnd. Údaje z nej sa zaznamenávali a spracovávali na osobnom počítači. Relatívna vlhkosť spaľovacieho vzduchu sa regulovala v polystyrénovej komore s rozmermi 1,5 m × 1,0 m × 1,0 m (obr. 2).

V polystyrénovej komore bol prívod okolitého vzduchu s relatívnou vlhkosťou 49 % a teplotou 23 °C a prívod vodnej pary z parného zvlhčovača s reguláciou relatívnej vlhkosti v komore. Na účinnejšie premiešanie privádzaného okolitého vzduchu s vodnou parou sa v komore vytvorili priečky. Relatívna vlhkosť spaľovacieho vzduchu sa merala tesne pred vstupom do zdroja tepla a postupne bola nastavená na 50, 60, 70, 80, 90 a 99 %. Vlhčenie vzduchu vodnou parou prebiehalo podľa Mollierovho h-x diagramu izotermicky – na zvýšenie relatívnej vlhkosti zo 49 % pri teplote 23 °C na relatívnu vlhkosť 60 % pri konštantnej teplote treba priviesť 2 g vodnej pary na 1 kg vzduchu. Teplota spaľovacieho vzduchu na vstupe do zdroja tepla bola rovnaká ako teplota vzduchu na vstupe do polystyrénovej komory. Počas všetkých meraní boli nastavené rovnaké podmienky spaľovania: čas podávania paliva bol 18 sekúnd, čas státia paliva bol 25 sekúnd, prívod spaľovacieho vzduchu bol nastavený na 40 % a ťah komína bol nastavený na 12 Pa.

Obr. 2 Úprava relatívnej vlhkosti spaľovacieho vzduchu v polystyrénovej komore

Výsledky experimentu

Počas experimentov sa potvrdili predpoklady, že relatívna vlhkosť spaľovacieho vzduchu má vplyv na tepelnotechnické parametre zdroja tepla. Na obr. 3 je znázornený vplyv zmeny relatívnej vlhkosti privádzaného spaľovacieho vzduchu na tepelný výkon zdroja tepla a teplotu v plameni. Z experimentu vyplýva, že tepelný výkon pri zvyšovaní relatívnej vlhkosti postupne mierne klesal. Pokles výkonu zdroja tepla bol spôsobený ochladzovaním plameňa v spaľovacej komore vplyvom vody obsiahnutej vo vlhkom privádzanom vzduchu. Čím bola vlhkosť vzduchu vyššia, tým viac vlhkosti vzduch obsahoval, preto výkon v konečnom dôsledku pri privádzaní vzduchu s relatívnou vlhkosťou 99 % poklesol o 4 % v porovnaní s privádzaným vzduchom s relatívnou vlhkosťou miestnosti, ktorá sa rovnala 49 %. Podľa výsledkov možno tvrdiť, že najvyšší tepelný výkon sa dosiahol pri približne 50 % relatívnej vlhkosti privádzaného spaľovacieho vzduchu.

Obr. 3 Vplyv zmeny relatívnej vlhkosti privádzaného spaľovacieho vzduchu na tepelný výkon zdroja tepla a teplotu v plameni

Počas experimentov sa zaznamenal aj vplyv zmeny relatívnej vlhkosti privádzaného spaľovacieho vzduchu na produkciu plynných emisií CO, NOx, SO2 a OGC. Z obr. 4 vyplýva, že produkcia CO mala mierne stúpajúci charakter. Pri 99 % vlhkosti vzduchu však produkcia CO stúpla viac ako 7-násobne, čo bolo spôsobené nižšou teplotou plameňa a nedokonalejším spaľovaním vzhľadom na menšie množstvo kyslíka na úkor vodnej pary. Produkcia NOx mierne klesala so stúpajúcou vlhkosťou vzduchu, čo bolo spôsobené ochladzovaním plameňa vplyvom vody obsiahnutej vo vlhkom vzduchu. V prípade 99 % vlhkosti vzduchu klesla produkcia NOx o viac ako 20 %. Produkcia SO2 a OGC sa so zmenou relatívnej vlhkosti spaľovacieho vzduchu takmer nemenila. Výnimkou je produkcia OGC počas relatívnej vlhkosti 99 %, ktorá bola mnohonásobne vyššia v porovnaní s produkciou OGC pri relatívnej vlhkosti 50 %.

Obr. 4 Vplyv zmeny relatívnej vlhkosti privádzaného spaľovacieho vzduchu na produkciu plynných emisií CO, NOx, SO2 a OGC

Záver

Spaľovací proces v zdrojoch tepla na spaľovanie tuhých palív môže ovplyvniť viacero aspektov. Na základe výsledkov v tejto práci možno konštatovať, že relatívna vlhkosť spaľovacieho vzduchu má pomerne významný vplyv na tepelnotechnické parametre zdroja tepla, konkrétne na tepelný výkon a produkciu plynných emisií. Z výsledkov vyplýva, že spaľovací vzduch by mal mať čo možno najnižšiu relatívnu vlhkosť.

Článok vznikol v rámci riešenia projektov Moderné zdroje tepla pre vykurovanie, KEGA 070ŽU-4/2013, a Výskumné centrum Žilinskej univerzity v Žiline, ITMS 26220220183.

Foto a obrázky: autori

Literatúra
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.
Autori pôsobia na Katedre energetickej techniky Žilinskej univerzity v Žiline.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.