Upload
phungdiep
View
243
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA
FAKULTA STROJNÍ
KATEDRA ENERGETIKY
ve spolupráci s
TECHNOLOGICKOU PLATFORMOU UDRŽITELNÁ ENERGETIKA ČR
pořádá
XVIII. ROČNÍK MEZINÁRODNÍ KONFERENCE
ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
Moderní energetické technologie a obnovitelné zdroje
2014
SBORNÍK PŘEDNÁŠEK KONFERENCE
10. – 12. září 2014
10. -12. September 2014
Záštitu nad konferencí převzal:
Rút Bízková, předsedkyně TAČR
Alena Vitásková, předsedkyně ERÚ
Jiří Cienciala, vládní zmocněnec ČR
Jan Mládek, ministr MPO ČR
Richard Brabec, ministr ŽP ČR
Krajská hospodářská komora
Moravskoslezského kraje
Partneři konference:
Technologická platforma
„Udržitelná energetika ČR"
Nové kreativní týmy v prioritách vědeckého bádání
- CZ.1.07/2.3.00/30.0055
Skupina ČEZ
ARMATURY Group a.s.
Středoevropský energetický institut -
CZ.1.07/2.2.00/28.0256
Mediální partneři konference:
Časopis Energetika
Teplárenské sdružení České republiky
TZB-info
www.strobo.cz
VÝZKUM VÝZKUM VÝZKUM AAA VÝVOJ VÝVOJ VÝVOJ
VÝROBA VÝROBA VÝROBA AAA REALIZACEREALIZACEREALIZACE
KONCENTRAČNÍCH SOLÁRNÍCH ELEKTRÁRENKONCENTRAČNÍCH SOLÁRNÍCH ELEKTRÁRENKONCENTRAČNÍCH SOLÁRNÍCH ELEKTRÁREN typutyputypu CSP DISH STIRLINGCSP DISH STIRLINGCSP DISH STIRLING
aaa STIRLINGOVÝCH MOTORŮSTIRLINGOVÝCH MOTORŮSTIRLINGOVÝCH MOTORŮ
aktivní spolupráce s českými vysokými školami a univerzitamiaktivní spolupráce s českými vysokými školami a univerzitamiaktivní spolupráce s českými vysokými školami a univerzitami
spolupráce s českými i zahraničními firmami a specialistyspolupráce s českými i zahraničními firmami a specialistyspolupráce s českými i zahraničními firmami a specialisty
zkušenosti s VaV Stirlingova motoru od roku 2000 zkušenosti s VaV Stirlingova motoru od roku 2000 zkušenosti s VaV Stirlingova motoru od roku 2000
vlastní zkušebny na solární a spalovací aplikacevlastní zkušebny na solární a spalovací aplikacevlastní zkušebny na solární a spalovací aplikace
Energetika a životní prostředí 2014
1
OBSAH
BENEKOV, firemní článek
6
Aleš DOBROZEMSKÝ, Jaroslav DOBROZEMSKÝ
VLIV EMISÍ A IMISÍ NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
9
Jarmila DROZDOVÁ
FRAKCIONACE KOVŮ V CELKOVÝCH NEROZPUŠTĚNÝCH LÁTKÁCH V MĚSTSKÝCH
ODPADNÍCH VODÁCH STANOVENÁ SEKVENČNÍ EXTRAKCÍ
10
Adéla HLAVSOVÁ, Dagmar JUCHELKOVÁ, Agnieszka CORSARO, Helena RACLAVSKÁ
VLIV KOMPOSTOVÁNÍ NA PRODUKCI SYNTÉZNÍHO PLYNU Z PYROLÝZY HYBRIDNÍCH
TRAV
14
Simona JURSOVÁ, Pavlína PUSTĚJOVSKÁ, Jiří BILÍK, Jaroslav FRANTÍK
LABORATOŘ PRO VÝZKUM VYSOKOTEPLOTNÍCH VLASTNOSTÍ SUROVIN A VÝZKUM
REDUKČNÍCH PROCESŮ
21
Oldřich KOLÁŘÍK, Martin BOHÁČ, Zdeněk KADLEC
MĚŘENÍ TEPELNÉ ÚČINNOSTI VLNOVCŮ KALORIMETREM
26
Klaus KOPPE
EXISTUJÍ TECHNOLOGIE PRO VÝROBU ENERGIE BEZ RIZIKA? KONFLIKTY A RIZIKA
ZÁSOBOVÁNÍ ENERGIÍ.
31
Veronika KORITTOVÁ
TECHNOLOGICKÉ CENTRUM AV ČR A PROGRAM HORIZONT 2020
42
Lukáš KOVAĽ, Dalibor MATÝSEK
CONTACT ANGLE MEASUREMENTS OF PYRITES USING XANTHATES
43
Stanislav KRAML, Bohumír ČECH
ZKUŠENOSTI S UVÁDĚNÍM VÝSLEDKŮ VÝZKUMU A VÝVOJE DO PRAXE
49
Energetika a životní prostředí 2014
2
Jan KRŇÁVEK, Marek HRKAL
ČISTÍRENSKÉ KALY Z POHLEDU (ČESKÉ) ENERGETIKY
51
Marek KUCBEL, Barbora SÝKOROVÁ
OCCURENCE OF BLACK CARBON IN AIR OF OSTRAVA
56
Jan MINÁŘ
MALÉ ZPLYŇOVACÍ ZAŘÍZENÍ POWER PALLET, POZNATKY Z UGANDY
64
Filip OVČAČÍK
EFFECT OF INSTALLATION CAPSTONE MICROTURBINES TO THE ENVIRONMENT
68
Petr PAVLÍK, Petr ZAPLETAL, Zdeněk SCHEE
ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH MATERIÁLŮ POMOCÍ PYROLÝZY
71
Tomáš PIETROSZ, Ladislav VILIMEC, Jiří VATRAL
OVĚŘENÍ DVOUVRSTVÝCH TRUBEK PRO PŘEHŘÍVÁK PÁRY KOTLŮ NA SPALOVÁNÍ
KOMUNÁLNÍCH ODPADŮ
78
Pavel RAŠKA, Lukáš PROKOP, Stanislav MIŠÁK
FOTOVOLTAIKA A ZELENÁ METALURGIE
82
Leszek REMIORZ, Grzegorz WICIAK, Katarzyna JANUSZ-SZYMAŃSKA
THE UTILIZATION OF THE PHENOMENON OF THE ABSORPTION OF THE INFRARED
RADIATION TO THE ADVANCEMENT OF THE WORK OF MEMBRANES SEPARATING CO2
88
Jiří ROZBROJ, Jan VYLETĚLEK, Lucie JEZERSKÁ, Jiří ZEGZULKA
MOŽNOSTI A ZPŮSOBY ZJIŠŤOVÁNÍ VSTUPNÍCH PARAMETRŮ PRO KALIBRACE V
APLIKACÍCH DEM
94
Michal RUŽIČKA
KATALYZÁTOR PRE ENERGETIKU
98
Energetika a životní prostředí 2014
3
Petr VACULÍK
MODERNÍ VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY VE STŘEDOFREKVENČNÍCH
MĚNIČÍCH
100
Ladislav VILIMEC, Jaroslav KONVIČKA, Radim JÍLEK
DECENTRALIZOVANÝ KOGENERAČNÍ/TRIGENERAČNÍ ENERGETICKÝ ZDROJ S MOŽNOSTÍ
AKUMULACE ELEKTŘINY
104
Mojmír VRTEK, Petr KRAMOLIŠ
ABSORPČNÍ CHLAZENÍ V OSTRAVSKÉ ZOO
108
Jan VYLETĚLEK, Jiří ROZBROJ, Jiří ZEGZULKA, Lucie JEZERSKÁ
VLIV TVARU KONSTRUKCE SKLADOVACÍ NÁDOBY NA CHOVÁNÍ PARTIKULÁRNÍ HMOTY S
VYUŽITÍM SIMULAČNÍ METODY
111
Ondřej ZAJONC, Alfredo IGLESIAS, Stanislav HONUS, Ondřej NĚMČEK
ENERGETICKÉ VYUŽITÍ TRAVIN VE FORMĚ PELET
115
PŘEHLED PREZENTACÍ (bez příspěvku)
Zdeněk BADAN a kol.
VÝVOJ ENERGETICKY NENÁROČNÉ MLÝNICE, ŠETRNÉ K ŽIVOTNÍMU PROSTŘEDÍ – TIP
FR-TI1/309
MLÝNICE NA HNĚDÉ UHLÍ A ZKUŠENOSTI Z JEJÍHO PROVOZU
122
Pavel BARTOŠ
SUROVINY A PROSPERITA STÁTU
124
Rut BÍZKOVÁ
TAČR A ENERGETIKA
127
Jiří CIENCALA
ROLE ENERGETIKY V REGIONU S VYSOKÝM PRŮMYSLOVÝM POTENCIÁLEM A VYSOKOU
NEZAMĚSTNANOSTÍ
131
Energetika a životní prostředí 2014
4
Bohumír ČECH
PREZENTACE ČINNOSTI AKREDITOVANÉHO PRACOVIŠTĚ PRO DIAGNOSTIKU A PROVOZ
TEPELNĚ-ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ
133
Tomáš ČERMÁK
PŘEDSTAVENÍ PROJEKTU OP VaVpI CENTRUM ENET
138
Václav DOMBEK
ICT – INSTITUT ČISTÝCH TECHNOLOGIÍ TĚŽBY A UŽITÍ ENERGETICKÝCH SUROVIN
143
Libor HRDINA, František PETERKA
SMART SYSTÉMY NEJEN PRO OSTRAVU
147
Tomáš HÜNER
ROLE UHLÍ V ČESKÉ ENERGETICE
152
Lucie JEZERSKÁ
EXPERIMENTÁLNÍ STUDIE:
VLIV POJIVA NA TOKOVÉ VLASTNOSTI SMĚSÍ A PROCES PELETIZACE
155
Kamil KUČERA
VÝSTAVBA ELEKTRÁRNY YUNUS EMRE 2X145 MWe TURECKO
157
Jan NEDĚLNÍK
PODPORA TRANSFERU INOVACÍ V ZEMĚDĚLSTVÍ, ZEMĚDĚLSKÝ VÝZKUM, SPOL. S.R.O.,
PŘEDSTAVENÍ PRACOVIŠTĚ
160
Lucie OBALOVÁ
IET – INSTITUT ENVIRONMENTÁLNÍCH TECHNOLOGIÍ
162
Tadeáš OCHODEK
INOVACE PRO EFEKTIVITU A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ – VÝZKUMNÉ ENERGETICKÉ CENTRUM
165
Martin PALKOVIČ
NEW INFRASTRUCTURES IN THE CZECH REPUBLIC - IT4INNOVATIONS NATIONAL
SUPERCOMPUTING CENTER
168
Energetika a životní prostředí 2014
5
Veronika SASSMANOVÁ
MOŽNOSTI VYUŽITÍ PYROLÝZNÍHO PROCESU V OBLASTI ZPRACOVÁNÍ VYBRANÝCH
DRUHŮ MATERIÁLŮ NA PYROLÝZNÍ JEDNOTCE PYROMATIC
171
Zbyněk SKOTNICA
ANALÝZA PLYNU
173
Radomír ŠTĚRBA
VÝVOJ ÚROVNĚ ZNEČIŠŤOVÁNÍ OVZDUŠÍ U VYBRANÝCH SPALOVACÍCH ZDROJŮ
V MORAVSKOSLEZSKÉM KRAJI
177
Ľubomír ŠOOŠ
KONCEPCIA ENERGETICKÉHO ZHODNOTENIA BIOLOGICKÝCH KOMUNÁLNYCH
ODPADOV
180
Jiří VALÍČEK, František PETERKA
POLNÍ INSTRUMENTACE A AUTOMATIZOVANÝ SYSTÉM ŘÍZENÍ BIOKOTLE KUTNÁ HORA
183
Vladimír VAŠÍČEK
VÝVOJ A VÝROBA ARMATUR PRO ENERGETICKÝ PRŮMYSL
185
Franz WINTER, Amon PURGAR
IEA-FBC – AND OTHER WASTE TO ENERGY RELATED TOPICS
189
Petr ZAPLETAL
ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH MATERIÁLŮ POMOCÍ PYROLÝZY – ČIŠTĚNÍ PLYNU POMOCÍ
METYLESTERU
192
Všechny prezentace jsou ke stažení na webové adrese:
http://www.vsb.cz/energetika21stoleti/cs/konference/download/
Energetika a životní prostředí 2014
6
ENERGETICKY ÚSPORNÁ KOTELNA BENEKOV
ENERGY EFFICIENT HEAT SYSTEM BENEKOV
firemní článek
BENEKOVterm s.r.o., Masarykova 402, 793 12 Horní Benešov, tel. (+420) 55 474 8008
e-mail [email protected]
Abstract
This essay describes the major types of costs related to the operation of heating system equipped with
automatic boiler for solid fuels. Different technical solutions to the costs are described in details. Energy saving
heat system BENEKOV is used as an example of best practice. This system is designed in order to minimize the
running costs on the fuel, electricity consumption and time spent by servicing the heat system.).
Klíčová slova: Automatic boilers for solid fuels, Energy savigs, Management of heat system from outside
temperature
Abstrakt
Článek popisuje hlavní nákladové položky spojené s provozem automatické kotelny na tuhá paliva. U
jednotlivých nákladových položek jsou rozepsány technické varianty řešení. Vzorovým řešením je energeticky
úsporná kotelna Benekov, využívající takové technické prvky, které minimalizují spotřebu paliva, elektřiny a
času obsluhy celé otopné soustavy.
Klíčová slova: Automatický kotel na tuhá paliva, Energetické úspory automatického kotle, Ekvitermní
řízení otopné soustavy
1 ÚVOD
Dlouhodobým trendem ve vývoji kotlů na všechny druhy paliv je snižování provozních nákladů a
zvyšování pohodlí obsluhy. Tento trend je všeobecný a je vidět i v jiných segmentech, například u aut nebo
běžných domácích spotřebičů.
2 ENERGETICKY ÚSPORNÁ KOTELNA
Firma BENEKOVterm s.r.o., která je českým lídrem na trhu automatických kotlů na uhlí, dlouhodobě
pracuje s pojmem Energeticky úsporná kotelna. Při rozhodování o investici do jakéhokoliv kotle určeného pro
vytápění rodinných domů i větších objektů nelze zúžit rozhodování pouze na samotný zdroj tepla, ale je nutno
zabývat se všemi parametry kompletní otopné soustavy. Při posuzování výhodnosti investice do nových kotlů je
zapotřebí zvážit všechny druhy nákladů, které jsou s jeho provozem spojeny. Orientovat se v této záležitosti je v
topenářském segmentu relativně složité, protože neexistuje jasný srovnatelný údaj, který by zákazníkům přinesl
vodítko pro srovnání nákladů na provoz různých druhů kotlů. Zatímco u aut se měří průměrná spotřeba
pohonných hmot na 100 km, u otopných soustav žádný takový srovnatelný údaj neexistuje.
BENEKOVterm s.r.o. proto před realizací investic do nových kotlů prezentuje svým zákazníkům základní
druhy nákladů, které jsou s provozem otopné soustavy spojeny, tak aby mohli lépe vyhodnotit účelnost své
investice do nových zdrojů. Posouzení všech nákladových položek u různých variant investic umožní zvolit
takové řešení, které dlouhodobě přinese nejnižší provozní náklady a umožní tak vytvořit ekonomicky
nejvýhodnější řešení. Mezi 4 základní druhy nákladů na otopnou soustavu patří následující:
Účinnost kotle
Účinnost automatických kotlů na tuhá paliva se v akreditovaných zkušebnách měří dvěmi zkouškami, při
100 % a při 30 % výkonu. Hodnoty musí výrobci uvádět v návodech a zákazník tak může objektivně tyto
parametry u jednotlivých výrobků srovnávat. Dnešní nejvyšší dosažené hodnoty účinnosti u automatických kotlů
na uhlí se pohybují na úrovni okolo 90 %. Zkoušky se provádějí po dobu 6 hodin za ustáleného stavu. Účinnost
naměřená ve státní zkušebně nebývá stejná jako reálná provozní účinnost při běžném používání zařízení. Je to
způsobeno zejména tím, že při běžném provozu se kotel zanáší popílkem a tím postupně svou účinnost snižuje.
Z tohoto důvodu jsou ekonomicky výhodnější takové kotle, které mají vertikální konstrukci výměníku. Tato
konstrukce ze své podstaty neumožňuje rychlé zanášení teplosměnných ploch a čištění kotlového tělesa lze
standardně provádět jednou za 4 až 6 týdnů. Naopak všechny kotle s horizontálně řešenými výměníky se zanášejí
rychle, a pokud uživatel minimálně 1 x týdně teplosměnné plochy zanesené popílkem nevyčistí, účinnost se mu
snižuje velmi rychlým tempem. U výkonů nad 25 kW bývá nutné čištění výměníku i 2 x týdně. Toto se týká
Energetika a životní prostředí 2014
7
zejména kotlů s litinovým výměníkem, ale rovněž některých kotlů s ocelovými výměníky, které mají čištění
situováno z čelní stěny. Při rozhodování o investici si tak může uživatel kotle vybrat mezi kotlem s vertikální
konstrukcí s pomalým zanášením teplosměnných ploch a kotlem s horizontální konstrukcí výměníku s rychlým
zanášením teplosměnných ploch a s tím souvisejícím rychlým snižováním provozní účinnosti.
Dalším důležitým faktorem pro dosažení vysoké provozní účinnosti je modulace výkonu kotle, kterou
zajišťuje řídící jednotka kotle, v našem případě Siemens Climatix. Kotle na tuhá paliva, které nemají modulaci,
fungují v režimu "brzda-plyn" a zejména při přechodových obdobích na jaře a na podzim výrazně zvyšují
spotřebu paliva. Kotle s modulací naopak umožňují automatickou úpravu doby podávání paliva a intenzity
přísunu vzduchu do spalovací komory a tím dokáží výrazně omezit množství použitého paliva.
Elektrický příkon kotle
Hodnotu elektrického příkonu celého zařízení musí výrobci povinně uvádět na výrobním štítku kotle. Je
to objektivně srovnatelný údaj. Elektrický příkon automatických kotlů na uhlí distribuovaných na českém trhu se
dnes pohybuje v rozmezí od 38 W do 300 W u kotlů do 25 kW tepelného výkonu. Rekordně nízkou hodnotu
příkonu má kotel BENEKOV C26, který při svém plném zatížení spotřebovává pouhých 38 W elektřiny. Rozdíl
je zejména v tom, že kotle firmy BENEKOV jsou osazeny motory s plochou převodovkou a většina modelů
využívá ventilátory německé firmy EBM s plynulým řízením pomocí signálu 0-10 VDC. Bonusem za využití
kvalitnějších elektrokomponentů na kotlích BENEKOV je až sedminásobně nižší cena za elektřinu
spotřebovanou k provozu kotle. Při předpokládané 15-ti leté životnosti kotle je tento rozdíl v nákladech za
spotřebu elektřiny velmi podstatný.
Čas na obsluhu a údržbu otopné soustavy
Kotle na tuhá paliva vyžadují zákonitě více obsluhy než plynové nebo elektrické kotle. Základním
objektivně srovnatelným údajem vypovídajícím o nárocích na obsluhu je velikost zásobníku paliva a objem
popelníku. Rozdíly u běžně prodávaných kotlů na českém trhu jsou až dvojnásobné. Jeden z nejúspěšnějších
modelů firmy BENEKOVterm, kotel C16, má ve své základní výbavě popelník s objemem 24 litrů a zásobník
paliva 330 litrů. Zkušenosti zákazníků s obsluhou jsou takové, že podle intenzity vytápění objektu a venkovní
teploty jim tento kotel umožňuje doplňovat palivo během zimy jednou za 3 až 5 dnů, na jaře a na podzim to
může být až jednou za 10 dnů.
Pro zvýšení komfortu obsluhy lze u kotlů BENEKOV vybavených řídící jednotkou Siemens Climatix
nainstalovat automatické čištění výměníku a odpopelnění. Tuto kombinaci pro automatické kotle na uhlí na
českém trhu kromě firmy BENEKOV zatím žádný jiný výrobce nenabízí.
Elektrický příkon otopné soustavy – ekvitermní řízení
Evropská legislativa neustále zpřísňuje požadavky na spotřebu elektřiny všech druhů spotřebičů. Využití
elektronicky řízených čerpadel a směšovacích ventilů s minimální spotřebou výrazně snižuje náklady na
spotřebu elektrické energie celé otopné soustavy.
Tomuto požadavku nejlépe vyhovuje ekvitermní regulace, která je nejúspornějším druhem regulace, která
využívá pro daný topný okruh stanovenou soustavu ekvitermních křivek, jež popisují vzájemnou závislost
teploty topné vody k teplotě v referenční místnosti s přihlédnutím k aktuální venkovní teplotě a tepelné
setrvačnosti vytápěného objektu.
Využití modulace výkonu kotle společně s ekvitermním řízením topného okruhu umožňuje snížit
spotřebu paliva až o 20% ročně.
Každá kotelna je individuální, avšak při správné volbě všech armatur s pohonem s ohledem k jejich
spotřebě lze ušetřit nemalé finanční částky.
Energetický úsporná kotelna BENEKOV je pojem označují komplexní řešení otopné soustavy
využívající automatický kotel na uhlí nebo pelety, která je naprojektována k minimalizaci všech 4 výše
uvedených nákladových položek. Pro zajištění minimálních provozních nákladů a minima obsluhy lze využít
prvky uvedené níže.
Energetika a životní prostředí 2014
8
1 - řídící jednotka Siemens Climatix
2 - lambda sonda
3 - automatické čištění výměníku
4 - vzdálený přístup přes Internet
5 - komínová klapka
6 - odpopelňovač
7 - pojišťovací sada
8 - expanzní nádoba
9 - třícestný směšovací ventil Siemens
10 - čerpadlo Grundfoss ALPHA2
11 - boiler
12 - hydraulická směšovací sada Siemens SUG
13 - podlahové vytápění
14 - radiátory
ZÁVĚR
Základem kvalitní regulace otopné soustavy osazené kotli BENEKOV PREMIUM je řídící jednotka
Siemens Climatix s ekvitermním ovládáním topných okruhů. Ta v kombinaci s modulovaným řízením
spalovacího procesu snižuje spotřebu paliva až o 20 % oproti systému s pevně nastaveními hodnotami podavače
a ventilátoru. Ventilátory německého výrobce EBM Papst řízené signálem 0-10 VDC a motory s plochou
převodovkou TOS Znojmo minimalizují elektrický příkon kotle na úroveň jedné úsporné žárovky. Pro zvýšení
účinnosti celého topného systému a pro dosažení maximální míry pohodlí obsluhy blížící se plynovým kotlům
lze kotelny BENEKOV vybavit mimo jiné automatickým odpopelněním a plně automatizovaným čištěním
výměníku.
Při výběru kotle je nutné zvažovat celkové náklady na provoz a údržbu kompletní otopné soustavy. Kotel
je pouze jedna část celého systému. Rozumný investor, který nechce 20 let zbytečně platit navíc své peníze ani
svůj čas, se zabývá srovnáním všech relevantních údajů a volí takové řešení, které přinese vůči vložené investici
nejnižší provozní náklady. Energeticky úsporná kotelna Benekov je komplexním řešením otopné soustavy, která
umožňuje dosáhnout minimální náklady na provoz i obsluhu. Poradenství zákazníkům a zázemí pro konzultace
před řešením investice do Energeticky úsporné kotelny nabízí široká síť autorizovaných montážně-servisních
center, která dokáží investorovi poradit s výběrem nejvhodnějšího řešení.
Energetika a životní prostředí 2014
9
VLIV EMISÍ A IMISÍ NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
Aleš DOBROZEMSKÝ, Jaroslav DOBROZEMSKÝ
Životní prostředí je třeba řešit a řídit komplexně, zejména zjištěním zdrojů a odstraněním příčin
současného neuspokojivého stavu, za účelem zlepšení ovzduší, vod, lesů, půdy, odpadů, potravin i spotřeby
energie.
Provedli jsme měření, seřízení spalování i měření škodlivých emisí – oxidu siřičitého, dusíku a
uhelnatého, uhlovodíků a tuhých aerosolů u hlavních zdrojů a také ústředního topení v mnoha domácnostech.
S ohledem na odumírající jehličnaté lesy, byly odebírány vzorky jehlic, reprezentující část koncových
větví stáří 2 až 5 let.
Největší nebezpečí pro rostliny a živočichy představují těžké kovy kadmium, rtuť, olovo, kobalt a nikl –
kovy antropogenní. Další těžké kovy biogenní mangan, železo, molybden, zinek jsu v určitém množství
nezbytné pro vývoj a stavbu buněk rostlin a živočichů.
U všech lokalit a odebraných vzorků byl proveden rozbor kovů neutronovou absorpční analýzou – NAA,
nevypraných jehlic a listů s původní usazenou vrstvou prachu a také čistých jehlic a listů. Roztok se analyzoval
metodou atomové absorpční spektrofotometrie – AAS. Rozdíl hodnot může určit, zda jednotlivé prvky v jehličí a
listech jsou antropogenního nebo biogenního původu.
Mezi druhy dřevin existují velké rozdíly v chování ke škodlivinám. Odolnost dřevin ke škodlivinám je
dána souhrnem anatomicko-morfologických vlastností, jako je tvar mikropovrchu jehlic a listů.
Listnaté dřeviny jsou méně citlivé na působení škodlivin, poněvadž mají rovnoměrnější rozdělení vosků i
průduchů po celé ploše listu, navíc mají tu výhodu, že mají vegetační klid v topném období, kdy škodlivin
v ovzduší je mnohonásobně více.
Mineralogickým a petrografickým rozborem částic prachů a kovů zjišťujeme místa vzniku zdrojů
škodlivin, které jsou rozptylovány do ovzduší.
Stav životního prostředí – voda, půda, vegetace, potraviny, ovzduší přímo koresponduje se zdravím
přírody, obyvatelstva a hlavně mladých lidí.
Energetika a životní prostředí 2014
10
FRAKCIONACE KOVŮ V CELKOVÝCH NEROZPUŠTĚNÝCH LÁTKÁCH
V MĚSTSKÝCH ODPADNÍCH VODÁCH STANOVENÁ SEKVENČNÍ EXTRAKCÍ
FRACTIONATION OF METALS IN TOTAL SUSPENDED SOLIDS IN URBAN
WASTEWATER DETERMINED BY SEQUENTIAL EXTRACTION
Jarmila DROZDOVÁ 1
1 Ing., Ph.D., Energy Units for Utilization of non Traditional Energy Sources (ENET), VŠB - Technical
University of Ostrava
17. listopadu 15, Ostrava - Poruba
Abstract
The binding of metals to total suspended solids (TSS) and their speciation in urban wastewater drastically
influences the efficiency of capturing metals in sewage sludge in the framework of wastewater treatment plant
technology. In this article, a modified sequential extraction procedure of the Bureau Communautaire de
reference (BCR) was applied to TSS from urban wastewater samples. Samples were collected from combined
sewer system in Ostrava, Czech Republic. The collection of wastewater samples was performed April to June
2013. Altogether, 42 samples of urban wastewater were obtained. The sequential extraction of TSS has proven
that the highest proportions of As, Cr, Cu, Ni and Fe are associated with the residual fraction (61-75%). Zn and
Mn are bound to the reducible fraction (64-65%). Finally, Pb and Cd are bound predominantly to the oxidizable
fraction (56%). The results show that general trend proportions of metals from TSS in the oxidizable fraction is
Cd ~ Pb > Cu > Zn > Fe > Ni > Cr > As > Mn.
Klíčová slova: metals, sequential extraction, total suspended solids, urban wastewater
Abstrakt
Vazba kovů na celkové nerozpuštěné látky (TSS) a jejich speciace v městských odpadních vodách má
rozhodující vliv na účinnost jejich záchytu v čistírenském kalu v rámci technologie ČOV. Za účelem stanovení
způsobu vazby kovů v TSS v městských odpadních vodách na jednotlivé frakce byla provedena modifikovaná
sekvenční extrakční procedura podle metodiky Bureau Communautaire de reference (BCR). Vzorky odpadních
vod byly odebírány z kombinované kanalizační sítě na území města Ostravy. Vzorky odpadních vod byly
odebírány od dubna do června roku 2013. Celkem bylo odebráno a analyzováno 42 vzorků. Provedenou
sekvenční extrakcí TSS bylo prokázáno, že nejvyšší podíl As, Cr, Cu, Ni a Fe je vázán v reziduální frakci (61-75
%). V redukovatelné frakci je dominantně vázán Zn a Mn (64-65 %). Pb a Cd je primárně vázáno v oxidovatelné
frakci (56 %). Z výsledků dále vyplývá obecný trend podílu kovů v TSS v oxidovatelné frakci: Cd ~ Pb > Cu >
Zn > Fe > Ni > Cr > As > Mn.
Klíčová slova: kovy, sekvenční extrakce, celkové nerozpuštěné látky, městské odpadní vody
1 INTRODUCTION
The manner in which metals are bound to the TSS in urban wastewater significantly influences the
efficiency of capturing metals in the framework of wastewater treatment plant technology. The binding of metals
in TSS in different fractions has been determined by sequential extraction procedure. Presently, the sequential
extraction procedure is considered to be the best available method for obtaining information on the origin,
manner of occurrence, mobility, eco-toxicity, and bioavailability of metals [1, 2, 3, 4]. The principle of
sequential extraction procedure is the application of progressively stronger extraction agents to the same sample,
with decreasing mobility of the metals from each following fraction. The result of sequential extraction is
concentration of metals: in the soluble and exchangeable form and bound to carbonates (exchangeable fraction),
bound to Fe-Mn oxides (reducible fraction), bound to organic matter and sulphides (oxidizable fraction), bound
in the crystal structure of minerals, primarily to silicates (residual fraction). Chen et al. [5] and Liu and Sun [6]
divided chemical fractions of metals based on their eco-toxicity and bioavailability into three classes: direct
effect fraction (exchangeable and reducible fraction), potential effect fraction (oxidizable fraction), and stable
fraction (residual fraction).
Currently, the Tessier procedure and BCR procedure (Community Bureau of Reference) are amongst the
most widely used [7, 8]. The main difference between them is in the first fraction of the procedure. Instead of
evaluating exchangeable and carbonate bound separately, the BCR procedure connects both only to the first
fraction [7, 9, 10]. The disadvantage of sequential extraction is that it is the very time consuming [11, 12].
Energetika a životní prostředí 2014
11
The aim of this article was to study the bindings of metals in total suspended solids from urban
wastewater.
2 MATERIALS AND METHODS
2.1 Study area and materials
As the third largest town in the Czech Republic, Ostrava has an area of 214.2 km2 (Figure 1). Currently,
Ostrava has approximately 294,300 inhabitants with an average population density of 1500 inhabitants/km2. It
differs from other towns in having a high concentration of chemical and heavy industries. In Ostrava, the
combined sewer system carries wastewater from both inhabitants and industry. Overall, 290,300 inhabitants are
connected to the sewer system. Approximately 32 million m3 of wastewater flows through the combined sewer
system to the Central Wastewater Treatment Plant (CWWTP) annually. The Central Wastewater Treatment Plant
treats 98.7% of urban wastewater from Ostrava. The treatment technology is based on the mechanical-biological
treatment of wastewater using principle of low-load activation with nitrification and pre-denitrification. Treated
wastewater is discharged to the Cerny potok stream that joints the Odra River.
In the town of Ostrava, 14 sampling points of wastewater were selected. The collection of samples was
performed from the combined sewer system from April to June 2013. The samples were taken once a month for
24 hours using a portable sampling device (SIGMA 900 autosampler). Figure 1 illustrates location of study area
and sampling points with corresponding drainage areas.
Figure 1. Location of study area and sampling points with drainage areas
2.2 Sequential extraction
The purpose of sequential extraction is to define the speciation of individual metals in TSS. Using
sequential extractions, Tessier et al. [13] categorized metals as exchangeable, bound to carbonates, bound to iron
and manganese oxides, bound to organic matter, or residual. In our case we used the modified sequential
extraction procedure of the Bureau Communautaire de reference (BCR), as described by Pueyo et al. [10] and
Mossop and Davidson [14]. The first step includes exchangeable and weak acid soluble fraction (leaching agent =
acetic acid); the second step includes reducible fraction (leaching agent = hydroxylammonium chloride); the third step
includes oxidizable fraction (leaching agent = hydrogen peroxide); and residue from the third step is residual
fraction (extraction with Aqua Regia). For the analysis, a 10-g sample of TSS was prepared. The resultant
solutions were subsequently used to determine the individual metals.
The concentration of metals in different fractions were determined according to “ISO 15587-2 Water
quality – Digestion for the determination of selected elements in water – Part 2: Nitric acid digestion” and “ISO
Energetika a životní prostředí 2014
12
8288 Water quality – Determination of cobalt, nickel, copper, zinc, cadmium and lead – Flame atomic
absorption”.
2.3 Statistical methods
The exploratory data analysis (EDA) and the statistical analysis for descriptive statistics were performed
using Statgraphics Plus 5.0 software. In the case of a non-normally (asymmetric) distributed data set, a Box-Cox
transformation of the data set was performed.
3 RESULTS AND DISCUSSION
The proportions of metals from TSS estimated by sequential extraction procedure are shown in Figure 2. The
results are represented as mean percentages of their total concentrations of all samples. As can be seen, the
distribution of metals between fractions from TSS varied widely (Fig. 2). The smallest amount of metals was
associated with the exchangeable fraction. Only less than 6% of all metals were found to be present in this
fraction. The predominant portions of Zn and Mn (64-65%) were in TSS bound to Fe-Mn oxides. This indicates
the high bioavailability and potential eco-toxicity of those metals.
Figure 2. Distribution of fractions for metals from TSS in urban wastewater
The bonds of metals to organic components are, from the point of view of WWTP technology, the most
significant. The possibility of releasing metals over the course of decomposing the organic component during the
process of anaerobic digestion or aerobic processes exists. When organic matter decomposes, some researchers
have claimed, the metals previously bound to organic matter will be remobilised into the environment; others
have predicted that such metals will be further immobilised due to the formation of less soluble complexes with
strong, humified material and incorporated into crystal structures of the residual phase [15].
In our study, the highest contents of Pb and Cd in TSS (approximately 56%) were principally associated
with the oxidizable fraction (organic matter/sulphides). In addition, approximately 23-29% of Cu and Zn and 16-
19% of Cr, Ni and Fe are bound to that fraction. The metals bound to the organic component should be largely
excreted during metabolic processes. The results show that general trend proportions of metals from TSS in the
oxidizable fraction is Cd ~ Pb > Cu > Zn > Fe > Ni > Cr > As > Mn. In TSS, Cr and As (73-75%) and Fe, Cu and
Ni (61-69%) were predominantly distributed in the residual fraction. Metals bound to residual fraction show low
mobility and potential eco-toxicity to the environment [3, 5].
4 CONCLUSIONS
The distribution of metals between fractions was highly variable in TSS in urban wastewater. The results
of the present study indicate that in total suspended solids from urban wastewater were predominantly bound:
As, Cr, Cu, Ni and Fe in residual fraction (61-75%), Cd and Pb in oxidizable fraction (56%). The results show
that general trend proportions of metals from TSS in the oxidizable fraction is Cd ~ Pb > Cu > Zn > Fe > Ni > Cr >
As > Mn. Zn and Mn were primarily bound to the reducible fraction (64-65%). This indicates their high mobility
and potential eco-toxicity and represents risk for environment.
ACKNOWLEDGMENTS
The article was written thanks to support provided by the Ministry of Education, Youth and Sport of the
Czech Republic OpVaVpi ENET CZ.1.05/2.1.00/03.0069 and project New creative teams in priorities of
Energetika a životní prostředí 2014
13
scientific research, reg. no. CZ.1.07/2.3.00/30.0055, supported by Operational Programme Education for
Competitiveness and co-financed by the European Social Fund and the state budget of the Czech Republic.
REFERENCES
[1] MA, Lena Q. a Gade N. RAO. Chemical Fractionation of Cadmium, Copper, Nickel, and Zinc in
Contaminated Soils. Journal of Environment Quality. 1997, vol. 26, no 1, p. 259-264. DOI:
10.2134/jeq1997.00472425002600010036x.
[2] NEMATI, Keivan, Nor Kartini Abu BAKAR, Mhd. Radzi ABAS a Elham SOBHANZADEH.
Speciation of heavy metals by modified BCR sequential extraction procedure in different depths of
sediments from Sungai Buloh, Selangor, Malaysia. Journal of Hazardous Materials. 2011, vol. 192,
issue 1, p. 402-410. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2011.05.039.
[3] LELEYTER, Lydia, Christelle ROUSSEAU, Laetitia BIREE a Fabienne BARAUD. Comparison of
EDTA, HCl and sequential extraction procedures, for selected metals (Cu, Mn, Pb, Zn), in soils,
riverine and marine sediments. Journal of Geochemical Exploration. 2012, vol. 116-117, p. 51-59. DOI:
10.1016/j.gexplo.2012.03.006.
[4] DONG, Bin, Xiaoguang LIU, Lingling DAI a Xiaohu DAI. Changes of heavy metal speciation during
high-solid anaerobic digestion of sewage sludge. Bioresource Technology. 2013, vol. 131, p. 152-158.
DOI: 10.1016/j.biortech.2012.12.112.
[5] CHEN, Ming, Xiao-ming LI, Qi YANG, Guang-ming ZENG, Ying ZHANG, De-xiang LIAO, Jing-jin
LIU, Jing-mei HU a Liang GUO. Total concentrations and speciation of heavy metals in municipal
sludge from Changsha, Zhuzhou and Xiangtan in middle-south region of China. Journal of Hazardous
Materials. 2008, vol. 160, issue 2-3, p. 324-329. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.03.036.
[6] LIU, Jing-yong a Shui-yu SUN. Total concentrations and different fractions of heavy metals in sewage
sludge from Guangzhou, China. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013, vol. 23,
issue 8, p. 2397-2407. DOI: 10.1016/S1003-6326(13)62747-8.
[7] URE, A. M., Ph. QUEVAUVILLER, H. MUNTAU a B. GRIEPINK. Speciation of Heavy Metals in
Soils and Sediments. An Account of the Improvement and Harmonization of Extraction Techniques
Undertaken Under the Auspices of the BCR of the Commission of the European Communities.
International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 1993, vol. 51, issue 1-4, p. 135-151.
DOI: 10.1080/03067319308027619.
[8] ABOLLINO, Ornella, Mery MALANDRINO, Agnese GIACOMINO a Edoardo MENTASTI. The role
of chemometrics in single and sequential extraction assays: A review: Part I. Extraction procedures, uni-
and bivariate techniques and multivariate variable reduction techniques for pattern recognition.
Analytica Chimica Acta. 2011, vol. 688, issue 2, p. 104-121. DOI: 10.1016/j.aca.2010.12.020.
[9] BACON, Jeffrey R. a Christine M. DAVIDSON. Is there a future for sequential chemical extraction?
The Analyst. 2008, vol. 133, issue 1, p. 25-46. DOI: 10.1039/B711896A.
[10] PUEYO, M., J. MATEU, A. RIGOL, M. VIDAL, J.F. LÓPEZ-SÁNCHEZ a G. RAURET. Use of the
modified BCR three-step sequential extraction procedure for the study of trace element dynamics in
contaminated soils. Environmental Pollution. 2008, vol. 152, issue 2, p. 330-341. DOI:
10.1016/j.envpol.2007.06.020.
[11] JAMALI, Mohammad K., Tasneem G. KAZI, Hassan I. AFRIDI, Mohammad B. ARAIN, Nusrat
JALBANI a Attique R. MEMON. Speciation of heavy metals in untreated domestic wastewater sludge
by time saving BCR sequential extraction method. Journal of Environmental Science and Health, Part
A. 2007, vol. 42, issue 5, p. 649-659. DOI: 10.1080/10934520701244433.
[12] SUTHERLAND, Ross A. BCR®-701: A review of 10-years of sequential extraction analyses. Analytica
Chimica Acta. 2010, vol. 680, issue 1-2, p. 10-20. DOI: 10.1016/j.aca.2010.09.016.
[13] TESSIER, A., P. G. C. CAMPBELL a M. BISSON. Sequential extraction procedure for the speciation
of particulate trace metals. Analytical Chemistry. 1979, vol. 51, issue 7, p. 844-851. DOI:
10.1021/ac50043a017.
[14] MOSSOP, Katherine F. a Christine M. DAVIDSON. Comparison of original and modified BCR
sequential extraction procedures for the fractionation of copper, iron, lead, manganese and zinc in soils
and sediments. Analytica Chimica Acta. 2003, vol. 478, issue 1, p. 111-118. DOI: 10.1016/S0003-
2670(02)01485-X.
[15] STAELENS, Nathalie, Preeda PARKPIAN a Chongrak POLPRASERT. Assessment of metal
speciation evolution in sewage sludge dewatered in vertical flow reed beds using a sequential extraction
scheme. Chemical Speciation and Bioavailability. 2000, vol. 12, issue 3, p. 97-107. DOI:
10.3184/095422900782775517.
Energetika a životní prostředí 2014
14
VLIV KOMPOSTOVÁNÍ NA PRODUKCI SYNTÉZNÍHO PLYNU
Z PYROLÝZY HYBRIDNÍCH TRAV
EFFECT OF COMPOSTING ON PRODUCTION OF SYNGAS FROM
PYROLYSIS OF HYBRID GRASSES
Adéla HLAVSOVÁ 1, Dagmar JUCHELKOVÁ
2, Agnieszka CORSARO
3, Helena RACLAVSKÁ
4
1 Ing. Ph.D. ENET – Energy Units for Utilization of non Traditional Energy Sources, VŠB – Technical
University of Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba, tel. (+420)597 325 496, email
2 Prof. Ing. Ph.D. Department of Energy, Faculty of Mechanical Engineering, VŠB – Technical
University of Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba, tel. (+420) 597 325 175, email
3 MSc. Ph.D. ENET – Energy Units for Utilization of non Traditional Energy Sources, VŠB – Technical
University of Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba,
email [email protected]
Prof. Ing. CSc. Institute of Geological Engineering, Faulty of Mining and Geology, VŠB – Technical
University of Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba, tel. (+420) 597 324 365, email
Abstract
The effect of composting on production of syngas from pyrolysis of hybrid grasses was evaluated in this
study. Three grasses resulting from crossing of Lolium and Festuca were investigated. The pyrolysis experiments
were conducted in a stainless steel rector under nitrogen atmosphere and to a final temperature of 700 ˚C. The
pyrolysis gas consisted in majority of H2, CO2, CO, and CH4. The effect of composting was pronounced
predominantly in: an increase of the total yield of gaseous products, an increase of H2 and CO yields and a
decrease of CO2. An enhancement of syngas production and a reduction of temperature required to obtain ratio
of H2/CO = 2 was accomplished.
Klíčová slova: pyrolysis, syngas, grasses, composting
Abstrakt
V této studii byl hodnocen vliv kompostování na produkci syntézního plynu z pyrolýzy hybridních trav.
Zkoumány byly tři druhy trav, které jsou výsledkem křížení Kostřavy a Jílku. Pyrolýzní experimenty byly
realizovány v nerezovém reaktoru v atmosféře dusíku do konečné teploty 700˚C. Pyrolýzní plyn se skládal
především z H2, CO2, CO, and CH4. Vliv kompostování se projevil zejména na zvýšení celkového objemu
pyrolýzního plynu, zvýšení výtěžnosti H2 a CO a snížení výtěžnosti CO2. Bylo dosaženo zvýšení produkce
syntézního plynu a redukce teploty, při které byl získán plyn o poměru H2/CO = 2.
Klíčová slova: pyrolýza, syntézní plyn, travní porosty, kompostování
1 ÚVOD
Až 70% zemědělské půdy ve světě zaujímají travní porosty, které pojímají přibližně 20% ze světové
zásoby půdního uhlíku. V Evropě travní ekosystémy pokrývají okolo 900 000 km2 a ve většině evropských
regionů již není použití rozlehlých travních porostů jako krmiva ekonomicky výhodné [1]. Tyto ekosystémy mají
však další důležité funkce: zlepšují kvalitu půdy a vody, zabraňují půdní erozi, zmírňují emise skleníkových
plynů sekvestrací uhlíku, zvyšují krajinnou a biologickou diverzitu a další [2,3]. Udržování travních porostů je
také legislativně podporováno Evropskou unií. Dle Nařízení Komise (ES) č. 796/2004 mají členské státy dbát o
to, aby zůstal zachován poměr půdy užívané jako stálé pastviny (travní porosty) k celkové zemědělské ploše [4].
Jednou z možností využití přebytečné biomasy představují technologie termochemické přeměny. Získávání
energie pomocí těchto technologií je zároveň vhodnou alternativou k užití fosilních paliv.
Pro termické využití biomasy je často aplikováno spalování, zplyňování nebo pyrolýza. Pyrolýza je
termický rozklad organického materiálu v inertní atmosféře. Produkty pyrolýzy jsou pyrolýzní koks (biokoks),
pyrolýzní olej (bio-olej) a pyrolýzní plyn (bio-plyn). Většina publikovaných výzkumů pyrolýzy energetických
trav je zaměřena na výnos a charakteristiku pyrolýzního oleje nebo koksu [5-9]. Informace o uvolňování plynů
Energetika a životní prostředí 2014
15
během pyrolýzy trav jsou zmiňovány spíše okrajově. Znalost průběhu uvolňování plynů v průběhu pyrolýzy trav
je ale velmi důležitá i pro jejich eventuální využití ke zplyňování nebo spalování. U moderních zplyňovačů,
které produkují plyn vysoké kvality, bývá proces rozdělen do dvou stupňů (reaktorů). V prvním stupni probíhá
pyrolýza biomasy, v druhé fázi dochází ke krakování dehtů a reakcím koksu s plyny vzniklými v prvním stupni
[10]. Plyn z pyrolýzy biomasy je složen z oxidů uhlíku, vodíku, metanu a plynných uhlovodíků, po úpravách
může být tedy dále energeticky využíván. Energetické využití vyžaduje vyšší výnos výhřevných složek a
odstranění nevýhřevného oxidu uhličitého z plynného produktu [11]. Při vysokém obsahu vodíku a oxidu
uhličitého může být pyrolýzní plyn upraven na syntézní plyn, který může být použit pro syntézu metanolu
(dimetyleteru), Fisher-Tropschovu syntézu nebo pro výrobu čpavku (Haber-Bosch proces) nebo syntetického
zemního plynu (metan) [12]. Uvedené aplikace vyžadují specifický poměr H2/CO v syntézním plynu.
Pro pyrolýzu se používají různé druhy biomasy zahrnující dřevo, energetické plodiny, řasy, zemědělská
residua, odpadní biomasu a kaly z čistíren odpadních vod [13]. Jednotlivé druhy biomasy obsahují různý podíl
biochemických komponent: celulózy, hemicelulózy a ligninu. Dřeviny jsou obvykle charakteristické pomalým
růstem a skládají se z těsně vázaných vláken celulózy, což způsobuje tvrdý povrch dřevin. Zatímco byliny mají
většinou volněji vázaná vlákna v důsledku menšího obsahu ligninu, který je spojuje dohromady [14]. V
minulosti byla provedena řada studií zabývajících se pyrolýzou jednotlivých komponent [15,16,17, 18, 19]. Dle
Wang et al výtěžnost pyrolýzního oleje roste v pořadí lignin < hemicelulóza < celulóza, plyn v pořadí celulóza <
hemicelulóza < lignin a koks v pořadí celulóza < hemicelulóza < lignin [15]. Biochemické složení biomasy
určuje také skladbu pyrolýzního plynu. Dle Yang et al produkuje hemicelulźa při pyrolýze větší množství CO2,
zatímco lignin je hlavním producentem H2 a CH4 a hlavním produktem pyrolýzy celulózy je CO [16]. V částečné
shodě jsou výsledky publikované Wang et al, které potvrzují výtěžnosti u celulózy a hemicelulózy, ale uvádějí
vysoký výnos CO2 a CO z pyrolýzy ligninu [15]. Je důležité zmínit, že jednotlivé komponenty interagují mezi
sebou a s anorganickým materiálem obsaženým v biomase. Zatímco hemicelulóza (220-315 ˚C) a celulóza (315-
400 ˚C) se při pyrolýze rozkládají rychle, lignin degraduje v širokém teplotním intervalu (160-900 ˚C) [20].
Interakce prchavin z pyrolýzy polysacharidů a ligninu jsou tedy pravděpodobné. Navíc prchaviny uvolněné
z jedné komponenty mohou reagovat s koksem vzniklým z jiné komponenty [19]. Způsob, jakým se komponenty
při pyrolýze ovlivňují, se liší podle jejich vzájemného poměru. Dorez et al uvádějí, že při poměru 2:1
(celulóza:lignin), lignin podporuje depolymerizaci celulózy a tím redukuje výnos koksu. Zatímco při výrazně
nižším obsahu ligninu (celulóza:lignin = 40:1) autoři pozorovali opačný efekt. Přítomnost ligninu v takto malém
množství vedla k dehydrataci na úkor depolymerizace a tím zvýšení výnosu koksu [20]. Z uvedených zjištění lze
předpokládat, že obohacením nebo snížením obsahu jednotlivých složek v biomase lze změnit její chování při
pyrolýze. Kompostováním dochází k nabohacení ligninu a k úbytku polysacharidů, které jsou snadněji
odbouratelné [21]. Kompostování tak může být považováno za metodu předúpravy biomasy, vhodnou k dosažení
vyššího výnosu plynu, vyššího obsahu vodíku a metanu a nižšího obsahu nevýhřevného oxidu uhličitého.
Cílem tohoto výzkumu je zjištění vlivu kompostování na produkci syntézního plynu z tří vzorků
hybridních trav. Sledována byla produkce syntézního plynu o poměru H2/CO = 2, který je požadována pro
Fischer-Tropschovu syntézu a syntézu metanolu.
2 MATERIÁL A METODY
2.1 Materiály
Pro experiment byly použity vzorky tří hybridních trvalých travních porostů: Perun, Bečva a Lofa, které
jsou výsledkem křížení Kostřavy (Festuca) a Jílku (Lolium). Vzorky trvalých travních porostů byly získány z
OSEVA vývoj a výzkum s.r.o. Zubří. Energetické byliny byly sklízeny během roku 2011 v měsíci květnu.
Polovina získaných vzorků byla podrobena kompostování a následně pyrolýze, zatímco druhá polovina byla
pouze pyrolyzována.
2.2 Kompostování
Kompostování bylo provedeno v laboratořích Institutu geologického inženýrství, VŠB – TU Ostrava
užitím minikomposteru NatureMill model NM125. Pro optimalizaci kompostovacího procesu (úprava poměru
C/N) byly k travám přidány piliny a pro biologickou aktivaci procesu kompostování organický substrát v hm.
poměru trávy:piliny:substrát = 1:1:0,1.
2.3 Chemické složení
Vzorky trav i kompostů byly analyzovány dle ČSN EN 15104: Tuhá biopaliva - Stanovení celkového
obsahu uhlíku, vodíku a dusíku - Instrumentální metody. Obsah prchavé hořlaviny byl stanoven dle ČSN EN
15402: Tuhá alternativní paliva - Metody pro stanovení obsahu prchavé hořlaviny. Obsah popela byl stanoven
podle ČSN EN 15403: Tuhá alternativní paliva - Stanovení obsahu popela. Po stanovení prchavé hořlaviny a
popela se fixní uhlík stanovuje dopočtem do 100 %. Obsah ligninu byl stanoven podle ČSN EN ISO 13906:
Energetika a životní prostředí 2014
16
Krmiva - Stanovení obsahu acidodetergentní vlákniny (ADF) a acidodetergentního ligninu (ADL). Majoritní
složky celulóza a hemicelulóza byly stanoveny podle metodiky dle Kačík et al. (2000).
2.4 Laboratorní pyrolýza
Pyrolýzní testy byly prováděny na laboratorním zařízení, jehož hlavní součástí je ocelový reaktor firmy
Parr. Ohřev do maximální teploty 900 °C je zajištěn keramickým elektrickým ohřívačem firmy Parr a řízen
regulátorem teploty, který používá PID (proportional, integral-derivative) regulaci, což je spojení
proporcionálního, integračního a derivačního řízení. Aktuální teplota je měřena termočlánkem typu K, signál je
veden do regulátoru teploty. Čidlo teploty je umístěno v prostřední části reaktoru, kam se také umisťuje vzorek
na vrstvě křemenné vaty. Pyrolýzní testy na tomto zařízení probíhají v dusíkové atmosféře. Režim nosného
plynu je sestupný. Dávkování dusíku z tlakové láhve je zajištěno pomocí redukční stanice. K nastavení
požadovaného průtoku plynu je použit regulátor značky SIERRA C100 Serie Smart-Trak®. Ke kondenzaci
kapalných produktů pyrolýzy je použita dewarova nádoba se suchým ledem. Schéma pyrolýzního zařízení je
zobrazeno na obrázku 1.
S použitím tohoto zařízení byly realizovány dvě série experimentů. V první sérii byla provedena pyrolýza
trav, ve druhé pyrolýza kompostů. Pro obě série byly zachovány stejné experimentální podmínky. Do reaktoru
byl umístěn materiál o hmotnosti 0,5 g. Průtok dusíku byl nastaven 20 ml/min. Konečná teplota pyrolýzního
procesu byla pro všechny experimenty 700 °C a experimenty trvaly 172 minut.
Obrázek 1: Schéma pyrolýzního zařízení
Pyrolytický plyn byl analyzován pomocí plynové chromatografie na analyzátoru Agilent 3000 Micro Gas
Chromatograph, který má teplotně vodivostní detektor a tyto dvě chromatografické kolony: kolona Mol-sieve o
průměru 0,32 mm a délce 10 m, s předkolonou Plot U o průměru 0,32 mm a délce 3 m, kolona Plot U o průměru
0,32 mm a délce 8 m s předkolonou Plot Q o průměru 0,32 mm a délce 1 m. Jako nosný plyn pro obě kolony se
používá helium. Analýza plynů probíhala kontinuálně a koncentrace vodíku, oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého,
metanu, etanu, etylenu, propanu a metylacetylenu byly stanovovány ihned po skončení předchozí analýzy, tedy
každé 4 minuty.
Energetika a životní prostředí 2014
17
3 VÝSLEDKY A DISKUZE
Výsledky elementární analýzy a základní energetické parametry trav a kompostů jsou uvedeny v tabulce
1 a biochemické složení v tabulce 2.
Tabulka 1 Energetické parametry trav a kompostů
N C H O Vlhkost Prchavá hořlavina Popeloviny Fixní uhlík
%
Trávy
Perun 1,29 43,37 7,65 41,42 71,82 80,69 6,27 13,04
Bečva 1,5 44,01 6,88 41,25 69,08 80,13 6,36 13,51
Lofa 1,68 46,4 6,69 38,69 70,44 81,23 6,54 12,23
Komposty
Perun 0,74 41,61 5,91 41,22 6,12 73,29 10,52 16,19
Bečva 0,59 41,09 5,91 44,46 5,5 75,73 7,95 16,32
Lofa 0,7 43,81 5,94 40,61 5,68 74,26 8,94 16,8
Tabulka 2 Biochemické složení trav a kompostů
Lignin Celulóza Hemicelulóza.
%
Trávy
Perun 8,13 40,54 39,33
Bečva 6,51 41,81 41,83
Lofa 7,07 39,22 36,66
Komposty
Perun 34,66 54,75 7,18
Bečva 36,54 53,47 7,78
Lofa 34,75 50,28 5,77
Kompostování vedlo ke změně řady parametrů, nejpatrnější je úbytek hemicelulózy a nabohacení
ligninem.
3.1 Výtěžnost plynu
Výtěžnost pyrolýzního plynu získaného pyrolýzou trav a kompostů vztažená na gram výchozího
materiálu je znázorněna v grafu na obrázku 2. Kompostování značně zvýšilo výtěžnost plynu a tento efekt byl
nejpatrnější pro hybrid Lofu (zvýšení o 37,4 %).
Energetika a životní prostředí 2014
18
Obrázek 2: Výtěžnost pyrolýzního plynu
Pyrolýzní plyn se skládal především z H2, CO2, CO, a CH4. Uhlovodíky C2-C3 byly přítomny v menších
koncentracích. Složení pyrolýzního plynu je uvedeno v grafu na obrázku 3. Kompostování vedlo ke zvýšení
výtěžnosti H2 a CO a snížení výtěžnosti CO2. Zvýšení výnosu H2 ze 41 na 56% a snížení výnosu CO2 z 32 na
21% kompostováním je největší u hybridu Lofa. Zatímco nárůst CO je nejvíce znatelný pro hybrid Bečva – z 15
na 22 %. Vliv kompostování na produkci metanu není jednoznačný. Přesněji pro hybrid Perun a Bečvu došlo
kompostováním ke zvýšení produkce metanu, zatímco pro hybrid Lofa došlo vlivem kompostování ke snížení.
Tyto výsledky odrážejí změnu v biochemickém složení způsobenou kompostováním.
0
10
20
30
40
50
60
H2 CO2 CO CH4
Výt
ěžn
ost
(vo
l.%)
Perun - tráva Perun - kompost Bečva - tráva
Bečva - kompost Lofa - tráva Lofa - kompost
Obrázek 3 Složení pyrolýzního plynu
3.2 Produkce syntézního plynu
V tomto výzkumu byl sledován objem vzniklého syntézního plynu a také vzájemný poměr H2/CO.
Posuzována byla produkce plynu o poměru H2/CO = 2, který je požadován pro Fischer-Tropschovu syntézu a
syntézu metanolu.
U všech zkoumaných vzorků bylo pyrolýzou dosaženo syntézního plynu o poměru H2/CO = 2. V tabulce
3 jsou uvedeny výtěžnosti syntézního plynu o poměru H2/CO = 2. Výtěžnost vyjadřuje procentuální poměr
syntézního plynu (H2 + CO) v pyrolýzním plynu. Kompostování vedlo ke zvýšení produkce syntézního plynu.
Změna je nejvíce patrná pro hybrid Bečvu, výtěžnost vzrostla z 49 obj.% na 67 obj.%.
0
50
100
150
200
250
300
350
Perun Bečva Lofa
Výt
ěžn
ost
ply
nu
(m
l/g)
Trávy Komposty
Energetika a životní prostředí 2014
19
Tabulka 3 Výtěžnost syntézního plynu
Perun Bečva Lofa
Trávy obj.%
50,67 49,16 49,48
Komposty 63,44 67,45 64,27
změna % 25,21 37,20 29,90
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
350 400 450 500 550 600 650 700
H2/
CO
Teplota (°C)
FB-G FB-C FL-G FL-C RC-G RC-C
Obrázek 4 Změna poměru H2/CO s teplotou
Na obrázku 4 je znázorněn poměr H2/CO jako funkce teploty. Pro vzorky trav je zřetelný prudký nárůst
poměru H2/CO při teplotě 650 ˚C. Zatímco u vzorků kompostů docházelo k pozvolnému nárůstu poměru H2/CO
s počátkem při 430 ˚C. Tato změna je způsobena pozdějším začátkem uvolňování vodíku během pyrolýzy trav
v porovnání s komposty. S výjimkou hybridu Bečva ostatní vzorky kompostů dosáhly syntézního plynu o
požadovaném poměru H2/CO při nižších teplotách než odpovídající vzorky trav. Pro hybrid Lofa byl tento rozdíl
25 ˚C.
4 ZÁVĚR
Kompostování má vliv na výtěžnost a složení pyrolýzního plynu, zvyšuje především celkový objem
produkovaného pyrolýzního plynu, zvyšuje koncentraci H2 a CO a snižuje koncentraci CO2 v pyrolýzním plynu.
Tyto změny vedou ke zvýšení produkce syntézního plynu. Uvedené rozdíly jsou výsledkem změněného
biochemického složení kompostů ve srovnání s původními travami.
Vlivem kompostování je také dosaženo požadovaného poměru H2/CO = 2 při nižších teplotách, díky
dřívějšímu uvolňování vodíku při pyrolýze kompostů.
LITERATURA
[1] Gützloe, A.; Thumm, U.; Lewandowski, I. Influence of climate parameters and management of
permanent grassland on biogas yield and GHG emission substitution potential. Biomass and bioenergy.
2014, vol. 64, p. 175-189. ISSN 0961-9534. http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.03.024
[2] Butkute, B.; Lemežiene, N.; Kanapeckas, J.; Navickas K.; Dabkevicius, Z.; Venslauskas, K. Cocksfoot,
tall fescue and reed canary grass: Dry matter yield, chemical composition and biomass convertibility to
methane. Biomass and bioenergy. 2014, vol. 66, p. 1-11. ISSN 0961-9534.
http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.03.014
[3] Last, L.; Lüscher, G.; Widmer, F.; Boller, B.; Kölliker, R. Indicators for genetic and phenotypic
diversity of Dactylis glomerata in Swiss permanent grassland. Ecological Indicators. 2014, vol. 38, p.
181– 191. ISSN 1470-160X. http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2013.11.004
[4] Nařízení Komise (ES) č. 796/2004 ze dne 21. dubna 2004, kterým se stanoví prováděcí pravidla pro
podmíněnost, odlišení a integrovaný administrativní a kontrolní systém podle nařízení Rady (ES) č.
1782/2003, kterým se stanoví společná pravidla pro režimy přímých podpor v rámci společné
Energetika a životní prostředí 2014
20
zemědělské politiky a kterým se zavádějí některé režimy podpor pro zemědělce. In: OJ L 141. Brusel,
2004, roč. 44, č. 3.
[5] Cai, J.; Wu, W.; Liu, R. An overview of distributed activation energy model and its application in the
pyrolysis of lignocellulosic biomass. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014, vol. 36, p.
236–246. ISSN 1364-0321. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2014.04.052
[6] Mesa-Pérez, J. M.; Cortez, L. A. B.; Marín-Mesa, H. R.; Rocha, J. D.; Peláez-Samaniego, M. R.;
Cascarosa, E. A statistical analysis of the auto thermal fast pyrolysis of elephant grass in fluidized bed
reactor based on produced charcoal. Applied Thermal Engineering. 2014, vol. 65, no. 1-2, p. 322–329.
ISSN: 1359-4311 http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.12.072
[7] Kelkar, S.; Li, Z.; Bovee, J.; Thelen, K. D.; Kriegel, R. M.; Saffron, Ch. M. Pyrolysis of North-
American grass species: Effect of feedstock composition and taxonomy on pyrolysis products. Biomass
and Bioenergy. 2014, vol. 64, p. 152–161. ISSN 0961-9534.
http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.03.032
[8] Fahmi, R.; Bridgwater, A. V.; Thain, S. C.; Donnison, I. S.; Morris, P. M.; Yates, N. Prediction of
Klason lignin and lignin thermal degradation products by Py–GC/MS in a collection of Lolium and
Festuca grasses. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2007, vol. 80, no. 1, p. 16–23. ISSN 0165-
2370. http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2006.12.018
[9] Murillo, J. D.; Ware, E. A.; Biernacki, J. J. Characterization of milling effects on the physical and
chemical nature of herbaceous biomass with comparison of fast pyrolysis product distributions using
Py-GC/MS. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2014, vol. 108, p. 234–247. ISSN 0165-2370.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2014.04.010
[10] McKendry, P. Energy production from biomass (part 3): gasification technologies. Bioresource
Technology. 2002, vol. 83, p. 55–63. ISSN 0960-8524. http://dx.doi.org/10.1016/S0960-
8524(01)00120-1
[11] Chen, Y.; Yang, H.; Wang, X.; Zhang, S.; Chen, H. Biomass-based pyrolytic polygeneration system on
cotton stalk pyrolysis: Influence of temperature. Bioresource Technology. 2012, vol. 107, p. 411–418.
ISSN 0960-8524. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2011.10.074
[12] Sarkar, S.; Kumar, A.; Sultana, A. Biofuels and biochemicals production from forest biomass in
Western Canada. Energy. 2011, vol. 36, no. 10, p. 6251–6262. ISSN 0360-5442.
http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2011.07.024
[13] Akalin, M. K.; Karagöz, S. Analytical pyrolysis of biomass using gas chromatography coupled to mass
spektrometry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2014, vol. 61, p. 11–16. ISSN 0165-9936.
http://dx.doi.org/10.1016/j.trac.2014.06.006
[14] McKendry, P. Energy production from biomass (part 1): gasification technologies. Bioresource
Technology. 2002, vol. 83, p. 37–46. ISSN 0960-8524. http://dx.doi.org/10.1016/S0960-
8524(01)00118-3
[15] Wang, S.; Guo, X.; Wang, K.; Luo, Z. Influence of the interaction of components on the pyrolysis
behavior of biomass. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2011, vol. 91, no. 1, p. 183–189.
ISSN 0165-2370. http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2011.02.006
[16] Yang, H.; Yan, R.; Chen, H.; Lee, D. H.; Zheng, Ch. Characteristics of hemicellulose, cellulose and
lignin pyrolysis. Fuel. 2007, vol. 86, p. 1781–1788. ISSN 0016-2361.
http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2006.12.013
[17] Hosoya, T.; Kawamoto, H.; Saka, S. Cellulose–hemicellulose and cellulose–lignin interactions in wood
pyrolysis at gasification temperature. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2007, vol. 80, p.
118–125. ISSN 0165-2370. http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2007.01.006
[18] Patwardhan, P. R.; Satrio, J. A.; Brown, R. C.; Shanks, B. H. Influence of inorganic salts on the primary
pyrolysis products of cellulose. Bioresource Technology. 2010, vol. 101, no. 1, p. 4646–4655. ISSN
0960-8524. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2010.01.112
[19] Collard, F. X.; Blin, J. A review on pyrolysis of biomass constituents: Mechanisms and composition of
the products obtained from the conversion of cellulose, hemicelluloses and lignin. Renewable and
Sustainable Energy Reviews. 2014, vol. 38, p. 594–608. ISSN 1364-0321.
http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2014.06.013
[20] Dorez, G.; Ferry, L.; Sonnier, R,; Taguet, A.; Lopez-Cuesta, J. M. Effect of cellulose, hemicellulose and
lignin contents on pyrolysis andcombustion of natural fibers. Journal of Analytical and Applied
Pyrolysis. 2014, vol. 107, p. 323–331. ISSN 0165-2370. http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2014.03.017
[21] Barneto, A. G.; Carmona, J. A.; Conesa Ferrer, J. A.; Díaz Blanco, M. J. Kinetic study on the thermal
degradation of a biomass and its compost: Composting effect on hydrogen production. Fuel. 2010, vol.
89, no. 2, p. 462–473. ISSN 0016-2361. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2009.09.024
[22] Kačík F, Solár R. Analytická chémia dreva. Zvolen: Technical University in Zvolen; 2000.
Energetika a životní prostředí 2014
21
LABORATOŘ PRO VÝZKUM VYSOKOTEPLOTNÍCH VLASTNOSTÍ
SUROVIN A VÝZKUM REDUKČNÍCH PROCESŮ
LABORATORY FOR HIGH TEMPERATURE PROPERTIES TESTING AND
RESEARCH IN REDUCTIVE PROCESSES
Simona JURSOVÁ 1, Pavlína PUSTĚJOVSKÁ
2, Jiří BILÍK
3 , Jaroslav FRANTÍK
4
1 Ing. Ph.D., Centrum ENET, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
17. Listopadu 15, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 732 5421
e-mail: [email protected]
2 Ing. Ph.D., Centrum ENET, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Vysoká škola báňská –
Technická univerzita Ostrava
17. Listopadu 15, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 732 5421
e-mail: [email protected]
3 prof. Ing. CSc. Centrum ENET, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
17. Listopadu 15, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 732 3409
e-mail: [email protected]
4 Ing. Centrum ENET, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
17. Listopadu 15, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 732 5722
e-mail: [email protected]
Abstract
The paper deals with possibilities and nowadays trends of research at Laboratory for High Temperature
Properties Testing of Raw Materials included at Centre ENET at Vysoka skola banska – Technical University of
Ostrava. In its introduction, reductive processes used in metal production are described. Further, it specifies the
experimental laboratory equipment for research of reduction. It presents results of sinter reducibility tests. It
interprets the effect of FeO in the sample on the reduction rate. The tests confirmed that the reducibility relates to
FeO content in the sample and is affected by fayalit or similar eutectic in the sample.
Klíčová slova: reduction processes, reducibility, sinter, reduction rate
Abstrakt
Článek se zabývá možnostmi a směry výzkumu Laboratoře pro výzkum vysokoteplotních vlastností
surovin, která je součástí Centra ENET zřízeného při Vysoké škole báňské – technické univerzitě Ostrava.
V úvodu článku jsou charakterizovány redukční děje, které se využívají při výrobě kovů. Článek dále specifikuje
experimentální vybavení laboratoře pro výzkum redukčních procesů. Prezentuje výsledky testování
redukovatelnosti provozního aglomerátu. Sleduje závislost rychlosti redukce na obsahu FeO ve vzorku. Testy
potvrdily, že redukovatelnost suroviny souvisí s obsahem FeO ve vzorku a je omezována množstvím fayalitu či
jiných podobných eutektik.
Klíčová slova: redukční procesy, redukovatelnost, aglomerát, rychlost redukce
1 ÚVOD
Redukční děje jsou využívány při mnoha technologických procesech. Základní jsou především pro
metalurgickou výrobu. Na termochemické reakci (redukci), při níž se na oxidy železa obsažené v rudě působí
látkami schopnými v daných podmínkách odebrat jim kyslík, je založena výroba surového železa. Ve vysoké
peci je využíváno redukčního účinku uhlíku koksu. Protože oxidická fáze i samo redukční činidlo mění
v různých etapách vysokopecního pochodu své skupenství, získává redukční pochod ve vysoké peci na
mnohotvárnosti a složitosti, nehledě k tomu, že i produkty redukce reagují jak s látkami výchozími, tak i samy
mezi sebou. Genetická rozmanitost rud navíc způsobuje, že se průběh redukce rudy jako polykomponentní fáze
liší nejen od redukce čistého oxidu, ale bude rozdílný i pro různé druhy rud. Za účelem výzkumu těchto dějů
byla v Centru ENET zřízena Laboratoř pro výzkum vysokoteplotních vlastností surovin (LVVVS), ve které bylo
v roce 2012 instalováno zařízení pro testování redukovatelnosti a rozpadavosti surovin.
Energetika a životní prostředí 2014
22
Redukovatelnost charakterizuje vlastnosti rudné suroviny, které představují prvořadé kritérium pro
posouzení obtížnosti, nákladnosti a vhodnosti zpracování rudy. Existují 3 oxidy železa: Fe2O3, Fe3O4, FeO
obsahující 30,06, 27,64 a 22,28 % kyslíku. Jejich redukce probíhá podle následujícího schématů:
Schéma A pro t 570C Fe2O3 Fe3O4 FeOFe,
Schéma B pro t 570C Fe2O3 Fe3O4 Fe, protože pro t 570C platí 4 FeO Fe3O4 Fe.
Redukce železa v podmínkách vysoké pece probíhá z velké části podle vysokoteplotního schématu A.
Uvedená schémata jsou ovšem zjednodušena. Magnetit Fe3O4 není redukován na FeO, ale na wüstit FeO1-y,
přičemž y dosahuje hodnoty 0,05 – 0,12. Wüstit je tuhý roztok Fe3O4 v FeO. V určitém teplotním rozsahu
magnetit v rovnováze s hematitem tvoří sloučeniny s vyšším obsahem kyslíku, než odpovídá vzorci Fe3O4.
Redukce probíhá dvěma způsoby: reakcí rudy přímo s uhlíkem redukovadla, nebo interakcí s redukčním plynem.
Při redukci s využitím CO nebo vodíku, kdy jako konečný produkt vzniká CO2 resp. H2O hovoříme o redukci
nepřímé. Redukce uhlíkem za vzniku CO se nazývá redukcí přímou.
2 LABORATORNÍ VYBAVENÍ
Laboratoř je vybavena zařízením pro testování redukovatelnosti a změn pevnostních vlastností, tzv.
rozpadavosti (Obr. 1).
Obr. 1: Zařízení pro testování redukovatelnosti a změn pevnostních vlastností surovin
Zařízení je určeno ke stanovení základních technologických charakteristik kusové železné rudy (Obr. 2),
pelet (Obr. 3), a aglomerátu (Obr. 4), které vstupují do vysokopecní vsázky. K hodnocení experimentální
zařízení měří úbytek váhy vzorku železorudné suroviny v peci vyhřáté na teplotu izotermického pásma šachty
vysoké pece. Úbytek v podstatě vzniká odbouráváním kyslíku z oxidů železa redukčním plynem. Zařízení tímto
způsobem simuluje nepřímou redukci ve vysoké peci. Dle vybrané metodiky je pak úbytek váhy interpretován
jako index redukovatelnosti dR/dt nebo index RDI.
Energetika a životní prostředí 2014
23
3 METODIKA
Při charakteristice vstupní suroviny se postupuje dle mezinárodních metodik.
ISO 4695
ISO 4969-1,2
Redukovatelnost je určována dle ISO 4695. Dávka zkušebního vzorku se izotermicky redukuje v pevném
loži retorty, při 950°C, za použití redukčního plynu tvořeného ze 40% CO a z 60% N2, a je vážena v určených
časových intervalech, dokud její stupeň redukce nedosáhne 65%. Průtok redukčního plynu po celou dobu
stanovení obsahu oxidu železnatého (w1) podle normy ISO 9035 a ke stanovení celkového obsahu železa (w2)
podle normy ISO 2597-1 nebo ISO 9507.
Rychlost redukce je vypočítána při dosažení molárního poměru kyslík/železo o hodnotě 0,9
(kgatomO/kgatom Fe) Kontinuálně je vypočítáván stupeň redukce ze vzorce (1)
𝑅𝑡 = (0,111𝑤1
0,430𝑤2+
𝑚1−𝑚𝑡
𝑚0∙0,430𝑤2∙ 100) ∙ 100 (1)
kde
m0 je hmotnost dávky zkušebního vzorku [g];
m1 je hmotnost dávky zkušebního vzorku těsně
před zahájením redukce [g];
mt je hmotnost dávky zkušebního vzorku po
redukci provedené po dobu t [g];
w1 je obsah oxidu železnatého vyjádřený
hmotnostním procentem v dávce zkušebního
vzorku, stanovený podle normy ISO 9035; je
vypočten podle obsahu železa (II) jeho
vynásobením faktorem přeměny oxidu
FeO/Fe(II) = 1,286; [%]
w2 je celkový obsah železa vyjádřený
hmotnostním procentem v dávce zkušebního
vzorku před zkouškou, stanovený podle normy
ISO 2597-1 nebo ISO 9507 [%].
Po ukončení testu je z křivky redukce odečten stupeň redukce o 30% a 60%., který dále vstupuje do
výpočtu konečného indexu redukovatelnosti. Index redukovatelnosti, vyjádřený rychlostí redukce při atomovém
poměru O/Fe 0,92 v %/min, se vypočte podle rovnice (2): 𝑑𝑅
𝑑𝑡(
𝑂
𝐹𝑒= 0,9) =
33,6
𝑡60−𝑡30 (2)
kde
t30 je čas potřebný k dosažení stupně redukce 30
%; [min]
t60 je čas v minutách potřebný k dosažení stupně
redukce 60 %; [min]
33,6 je konstanta.
Zařízení LVVVS umožňuje vystavit surovinu takovému namáhání, kterému bude surovina podrobena
v horní části vysokopecního agregátu při teplotách 500 – 550 °C. Rozpadavost suroviny je určována dle
metodiky ISO 4696-1,2. Norma tuto vlastnost testuje ve dvou různých redukčních prostředí:
ISO 4696– 1: CO- 20,0 % , CO2- 20,0 % , H2- 2,0 % N2-58,0 % při průtok plynů 20 l/ min a
teplotě 500 °C
ISO 4969-2: CO 30,0 % , N2 70,0 % při průtoku plynů 15 l/min a teplotě 550 °C
Po redukci je vzorek ochlazen, zvážen a přemístěn do rotačního bubnu k testování rozpadavosti. Po
bubnové zkoušce je vzorek podroben sítové analýze a je vypočten index RDI.
Pro ISO 4696-1
RDI - 1+6,3 = 𝑚1
𝑚0· 100 (3)
RDI- 1-3,15 = 𝑚0−(𝑚1+𝑚2)·100
𝑚0 (4)
RDI – 1-0,5 = 𝑚0−(𝑚1+𝑚2+𝑚3)
𝑚0· 100 (5)
kde:
m0 hmotnost testovaného vzorku po redukci před
bubnováním [g]
m1 hmotnost vzorku zachyceného na sítu o
průměru 6,30 mm [g]
m2 hmotnost vzorku zachyceného na sítu o
průměru 3,15 mm [g]
m3 hmotnost vzorku zachyceného na sítu o
průměru 500 [g]
Pro ISO 4696-2
RDI – 2-2,8= 100 −𝑚1
𝑚0· 100 (6)
Kde:
m0 hmotnost testovaného vzorku po redukci před
bubnováním [g]
m1 hmotnost vzorku zachyceného na sítu o
průměru 2,8 mm [g]
Energetika a životní prostředí 2014
24
4 VÝSLEDKY TESTŮ
Podrobné sledování redukovatelnosti aglomerátu a souvisejících provozních parametrů bylo provedeno
v červenci a srpnu 2013. Byly získány provozní vzorky reprezentující průměrné složení aglomerátové složky
vysokopecní vsázky a k němu pak přiřazeny průměrné denní hodnoty souvisejících provozních parametrů.
Výsledky jsou prezentovány v tabulce 1.
Parametry
Index redukovatelnosti [dR/dt] Vlastnosti aglomerátu ω
1. měření 2. měření průměr FeO bazicita odchylka od
ideal. stavu
Vzorek 1 0,60 0,59 0,595 9,3 0,82 0,114
Vzorek 2 0,72 0,80 0,76 7,9 1,05 0,105
Vzorek 3 1,11 1,06 1,085 5,8 1,13 0,08
Vzorek 4 0,52 0,57 0,545 10,9 1,10 0,17
Vzorek 5 0,53 0,43 0,48 13,7 1,07 0,19
Tab. 1 Souhrnné výsledky testování redukovatelnosti provozního aglomerátu
I přes malý počet aktuálně testovaných vzorků bylo provedeno statistické zhodnocení souvislosti mezi
indexem redukovatelnosti a obsahem FeO v aglomerátu. Závislost je zachycena na Obr. 5
Obr. 5 Závislost redukovatelnosti suroviny na obsahu FeO
5 ZÁVĚR
Uvedené hodnoty indexu redukovatelnosti ukazují na průměrnou redukovatelnost u vzorku 2 a na nižší
hodnoty redukovatelnosti vzorků 1, 4, 5. Grafické zpracování výsledků přináší až překvapivě těsnou korelační
vazbu, která ukazuje na značné ovlivnění redukovatelnosti aglomerátu podílem dvojmocného železa, kdy nižší
obsah FeO v aglomerátu (vyšší stupeň oxidace aglomerátu) vede ke zlepšení ukazatele redukovatelnosti. Obsah
FeO bývá mírou obsahu fayalitu a jemu podobných eutekti v aglomerátu, který snižuje redukovatelnost suroviny.
Fayalit v málo zásaditém aglomerátu při běžné teplotě spékání způsobuje vznik tak velkého množství kapalné
fáze, že produkovaný aglomerát je příliš spečený a těžce redukovatelný. Tvorba fayalitu může být vedle obsahu
FeO omezována přísadou CaO (CaCO3), kdy místo fayalitu vznikají vápenaté křemičitany a olivíny, při vyšší
zásaditosti pak i ferit CaFe2O4.
Z hlediska interpretačního modelového systému se jevilo zajímavé, jak těsně souvisí modelem stanovená
hodnota odchylky od ideálního stavu (v tabulce 1 značená jako ω) se skalární prvotní informací stanovenou
normovaným testem (Indexem redukovatelnosti.) Závislost ukazuje na rychlý vzestup odchylky od ideálního
Energetika a životní prostředí 2014
25
stavu omega při poklesu redukovatelnosti aglomerátu. Jednoznačné přiřazení není zdaleka dosaženo a odchylka
je v menší míře formována i vlivy, které samotná hodnota indexu redukovatelnosti nezahrnuje.
PODĚKOVÁNÍ
Tento článek byl vypracován v rámci projektu Nové kreativní týmy v prioritách vědeckého bádání, reg.
č. CZ.1.07/2.3.00/30.0055 podpořeného Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a
spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
LITERATURA
[1] Bilík J., Jursová S., Pustějovská P., Frantík J. Zařízení a cíle vysokoteplotního testování hutnických
surovin v prostředí technologických plynů. Hutnické listy 5/2013, roč. LXVI, pp. 60-65. ISSN 0018-
8069.
[2] Jursová S., Bilík, J. Innovative Rsearch in the Field of Reductive Processes, 13th SGEM GeoConference
on Science and Technologies In Geology, ISSN 1314-2704, June 16-22, 2013, Vol. 2, 589 - 594 pp,
DOI:10.5593/SGEM2013/BA1.V2/S04.008.
[3] Jursová, S., Bilík, J. Economic benefits of raw materials reducibility testing. In 22nd International
Conference on Metallurgy and Materials, 15. - 17. 5. 2013, Brno, Czech Republic. ISBN 978-80-87294-
41-3.
[4] Jursová, S., Pustějovská, P., Brožová, S. Vliv technologických plynů na vysokoteplotní vlastnosti
metalurgických surovin. Wybrane zagadnienia inzynierii produkcji. Edyta Kardas. Wydawnictwo
wadzialu inzynierii procesowej, materialowej i fizyki stowowanej Politechniki Czestochowskiej. pp.44-
54, ISBN 978-83-63989-13-2.
[5] ISO 4695:2007
[6] ISO 4696 -1,2:2007
[7] Simona Jursová, Pavlína Pustějovská, Silvie Brožová, Jiří Bilík. Optimization of Blast Furnace Process
According to Metallurgical Materials Reducibility. Doskonalenie procesów produkcyjnych i
logistycznych. Ewa Staniewska i Monika Górska. Wydawnictwo Wydziału Inżynierii Procesowej,
Materiałowej i Fizyki Stosowanej Politechniki Częstochowskiej. pp. 89-99. ISBN 978-83-63989-14-9.
[8] Bilík J., Pustějovská, P., Jursová, S. Modelování, analýza a predikce pochodů výroby železa z hlediska
současných energetických a ekologických požadavků. J. Kledusová, Akademické nakladatelství Cerm,
s.r.o. Brno. Vyd. 1., 120 ks. 130 stran. Brno 2013. ISBN 978-80-7204-854-0.
Energetika a životní prostředí 2014
26
MĚŘENÍ TEPELNÉ ÚČINNOSTI VLNOVCŮ KALORIMETREM
MEASUREMENT OF THERMAL EFFICIENCY WAVE ELEMENTS ON
CALORIMETRIC STAND
Oldřich KOLÁŘÍK 1, Martin BOHÁČ
2, Zdeněk KADLEC
3
1 Ing., Centrum ENET, Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB – Technická univerzita Ostrava
17. Listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava – Poruba,, tel. (+420) 59 732 5145
e-mail: [email protected]
2 Ing., Centrum ENET, Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB – Technická univerzita Ostrava
17. Listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava – Poruba,, tel. (+420) 59 732 5145
e-mail: [email protected]
3 doc., Ing., Ph.D., Centrum ENET, Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB – Technická univerzita
Ostrava
17. Listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava – Poruba,, tel. (+420) 59 732 5176
e-mail: [email protected]
Abstract
As part of expanding its scientific and research activities, the Department of Energy has equipped
calorimetric stand the liquid-air. The track is used to design and verify design part of the exchanger. Using the
measured values can be set values of heat transfer and heat exchangers designed to optimize. First cooperation in
this direction was established from the company Visteon-Autopal, s.r.o. Nový Jičín, which develops and
manufactures components and air-conditioning cooling technology for the automotive industry.
Klíčová slova: Calorimetric stand, ethelyne glycol/water
Abstrakt
V rámci rozšiřování svých vědecko-výzkumných aktivit se katedra energetiky vybavila kalorimetrickou
měřící tratí kapalina-vzduch. Trať slouží k návrhu a případně ověřování navržených částí výměníků. Pomocí
naměřených veličin je možno stanovovat hodnoty přestupů tepla a optimalizovat navržené výměníky. První
spolupráce v tomto směru byla navázána ze společností Visteon-Autopal, s.r.o. Nový Jičín, která vyvíjí a vyrábí
komponenty klimatizační a chladící techniky pro automobilový průmysl.
Klíčová slova: Kalorimetrická trať, monoethylenglykol/voda
1 ÚVOD
Automobilový průmysl se neustále rozvíjí a oblast chladící techniky není výjimkou. Požadavky na
chladiče a jiné výměníky tepla v automobilech jsou dané – co nejmenší rozměr a co největší účinnost. Na
začátku roku 2013 byla na VŠB-TU Ostrava katedry energetiky prvně otestována kalorimetrická trať, která byla
navržena pro vědecko-výzkumné účely převážně v oblasti testování klimatizačních a chladících jednotek
automobilového průmyslu. První spolupráce v tomto směru byla navázána ze společností Visteon-Autopal, s.r.o.
Nový Jičín, která vyvíjí a vyrábí komponenty klimatizační a chladící techniky pro automobilový průmysl.
2 PRINCIP MĚŘENÍ
Zkušební vzorek
Zkušební vzorek (obr. 1), představuje část tepelného výměníku vzduch-kapalina, který slouží k převodu
tepla z kapalinové strany do vzduchové. Vzorek se skládá z žebrovaných trubek, kterými prochází kapalina. U
doposud testovaných vzorků pro automobilový průmysl jsou použity jako žebra – prvky pro zvýšení přestupu
tepla vlnovcový element, které jsou připájeny vždy mezi 2 trubkami. Tyto vzorky mají podobu malých
automobilových chladičů (obr. 2) pro ochlazení kapaliny v chladícím oběhu spalovacího motoru. Vzorky jsou
vyráběny pouze za účelem měření účinnosti vlnovce a jako takové se liší od komerčního výrobku (obr. 3)
absencí plastových komor s úchyty. Vývody kapaliny jsou uvažovány axiálně s trubkami výměníku.
Energetika a životní prostředí 2014
27
Tepelná nosná media:
Na chladící straně se jako nosné médium používá chladící nemrznoucí směs motorového okruhu.
Používá se dostupný chladící prostředek - typicky komerční směs monoethylenglykolu s inhibitory koroze a
chemicky stabilními přísadami (např. BASF Glysantin G48, Fridex apod.) s vodou o typické koncentraci 50/50
%. Tato směs má u většiny soudobých motorů hustotu 1050 kg.m-3 při řízené teplotě 90 – 120 °C. U většiny
motorů je chladící okruh rovněž koncipován jako přetlakový za účelem zvednutí bodu varu chladicí kapaliny.
Statický přetlak bývá typicky 1- 1,5 bar. Pro účely konstrukce kalorimetru se uvažuje o směsi
monoethylenglykol/voda a to v koncentraci 50/50 %.
Okolní vzduch – je uvažováno s běžným složením vzduchu.
3 PARAMETRY MĚŘÍCÍ TRATĚ
Vlnovcový výměník o dohodnutém připojovacím tvaru vložky a axiálními kapalinovými výstupy - max.
průměr 48,3 mm. Vnitřní rozměr vložky je 100 x 100 mm. Maximální odebraný/předaný tepelný výkon je 5 kW
– pro zvýšení univerzality se v konstrukci standu uvažuje s 8 kW.
Proudovod – vzduchová trať:
Vnitřní rozměr potrubí 150 x 150 mm (š x v)
Vnitřní rozměr základní kabiny 150 x 150 mm (š x v)
Rozměr montážní clony vzorku 100(150) x 100(150) mm (š x v)
Rozsah teplot 40 až 100 (alternativně 120) °C
Rozsah průtoku vzduchu 25 °C měření 6 – 960 kg.hod
-1
Rozsah průtoku vzduchu 25 °C regulace 40 – 960 kg.hod
-1
Rozsah relativní vlhkosti neřízené 15 – 80 % RH
Modul – kapalinový okruh:
Připojovací rozměr vstup/výstupu DN40
Rozsah teplot 40 až 120 °C
Rozsah průtoku kapaliny 25 °C měření 25 – 350 l.min
-1
Rozsah průtoku kapaliny 25 °C regulace 70 – 350 l.min
-1
Rozsah regulace přetlaku kapaliny 0 – 2,5 bar
Výkon topení regulace 10000 W
Rozsah přetlaku 0 – 2,5 bar
Objem zásobní nádrže 150 l
Rychlost změny teplot – nabíjení nádrže 1,8 K.min
-1
Max. rozměry modulu 2180 x 1860 x 1120 mm
(výška x šířka x hloubka)
Provedení potrubí a částí podléhajících styku s kapalinou – nerez třídy 1.4301.
Řízení otáček frekvenčním měničem ventilátor a hlavní čerpadlo kapalinového modulu – vektorové řízení
4 KAPALINOVÝ MODUL
Systém tvoří čerpadlo poháněné frekvenčním měničem, elektrické topidlo s PWM regulací, výměníkem,
pomocný okruh s čerpadlem na měniči a dvojitá nádrž s tlakovou regulací vzduchem.
Okruh je určen pro provoz s vodou nebo se směsí monoethylenglykol/voda.
Modul obsahuje zásobní nádrž a odvzdušňovací nádrž o objemu 25 l s optickým stavoznakem pro
indikaci dostatečného množství náplně napojenou na odvzdušňovací větev.
Energetika a životní prostředí 2014
28
Nádrž má objem 150 l, což je minimum vzhledem k velkému průtoku řízeného čerpadla. Uprostřed
nádrže je vmontován vyrovnávací děrovaný plech pro lepší homogenizaci/míchaní teploty při středních a malých
průtocích.
Základní větev ke vzorku prochází axiálně nádrží a pomocný okruh teplotní regulace je pak křižně z boku
– důvod je rovněž v dobrém promíchání proudů. Vývody ve spodku nádrže jsou vedeny na sání čerpadel pro
kvalitní zaplavení a zvýšení sacího tlaku.
5 VZDUCHOVÝ MODUL
Prostředí je normální – vnitřní prostředí v místnosti s teplotním rozsahem 0 – 30 °C a vlhkostí 40 – 60 %
RH bez nebezpečí výbuchu.
Koncepce proudovou je řešena jako konstrukce kombinující hranaté a kruhové nerezové potrubí s vnějším
izolačním materiálem – minerální vlna s Al polepem Paroc pro teploty do 120 °C.
Nosná konstrukce vzduchové trati je svařena z jeklů 40 x 40 se stavitelnými šrouby pro styk s podlahou.
Potrubí, ventilátory, chladič jsou kompletně zaizolovány pro minimalizaci teplotních ztrát. Konstrukce zajišťuje
tuhost a kompaktnost tratě a je komaxitována.
Základem vzduchového okruhu je radiální ventilátor s maximálním externím tlakem 5200 Pa při 800
m3.hod-1 řízený frekvenčním měničem. Měnič je vektorového typu s volitelnou zpětnou vazbou na
inkrementální snímač otáček Sfana. Tato konfigurace zlepšuje přesné řízení při malých otáčkách ventilátoru.
Ventilátor je v nerezovém provedení (odolnost proti požadovaným rozsahům vlhkosti) a pracovní rozsah teplot
je 20 – 150 °C. Motor ventilátoru je chráněn PTC čidly ve vinutí proti přehřátí a je vybaven cizím chlazením pro
případ nízkých otáček.
Za ventilátorem je přechodový díl na rozměr potrubí 100 x 100 mm, který vede přes pravoúhlé koleno k
prostoru vzorku. Přechod je zvolen proto, aby se vektorový obrazec proudu vzduchu již neměnil a pokračoval k
SUT ve shodném průřezu a tvaru – kde se kontrakcí a homogenizačními sítěmi dále vyhladí. Měření teploty je
umístěno na sání ventilátoru. V místě sání je osazen pružný přechodový díl pro eliminaci teplotní dilatace a
izolaci vibrací.
V levé polovině proudovou je prostor pro montáž dílu kabiny vzorku. Vyústění je na čtvercovou přírubu.
Díl je tvořen čtvercovým potrubím 100 x 100 mm s přírubami pro montáž homogenizačních sítí. Řazení je
následující:
1. je použit děrovaný plech pro vyhlazení hrubých turbulentních poruch s rozměrem děrování 7 mm
2. alternativně voštinový usměrňovač s průměrem buňky 5 mm
3. nerezové síto s rozměrem ok 1x1 mm
4. opět nerezové síto 1x1 mm
Tato nátoková část ústí do prostoru, kde je upevněn vzorek. Za vzorkem pokračuje výtoková část a jsou
zde umístěny síta č. 5 a 6. Před a za vzorkem je umístěno měření mřížky 3 x 3 teploměrů Pt100.
Možnost umístění mřížky je rovněž na začátku a konci homogenizačních úseků. Toto řešení je zvoleno
proto, aby bylo možno změřit teplotu i bez narušení homogenity proudu vzduchu na vzorek, které nutně nastane,
pokud se mřížka umístí těsně před a za vzorek. Možnost umístění před/za vzorek a před/za homogenizační úsek
se použije při stanovení poklesu teploty a eliminaci chyby tepelnou ztrátou průchodem homogenizérem.
Po průchodu vzduchu kabinou a vzorkem pokračuje okruh do kapalinového chladiče. Zde se vzduch
ochladí dle požadavků žádané teploty. Pro pokrytí celého regulačního rozsahu je nutné rozdělit nátok chladicí
kapaliny do výměníku na 2 stupně tak, aby bylo možno pokrýt regulační rozsah 2,5 – 100 % výkonu. Regulace
chladícího výkonu se provádí změnou otáček oběhového čerpadla s frekvenčním měničem. Způsob regulace je
PID s přiřazením žádané dle rovnice v konfiguraci „flow kontrol“. Regulační okruh čerpá do chladičů procesní
náplň (monoethylenglykol/voda) a proporcionálně dávkuje připouštěnou chladnou kapalinu z chladící větve
venkovního výměníku. Součástí těchto okruhů jsou kulové ruční ventily pro ruční nastavení obtoku a servisní
účely, měření tlaků a servisní ventily.
Venkovní výměník je osazen radiálním ventilátorem Ziehl-Abegg o průtoku 2,3 m3.s-1 a má za úkol
odvést získané teplo z vnitřního výměníku do atmosféry. V případě alternativního doplnění o chladící okruh se
tento výměník odstaví kulovým kohoutem.
Tento venkovní výměník slouží rovněž pro odvod tepla z kapalinového modulu při reverzní funkci, tzn.
pro případ, kdy ve vzduchové trati bude regulována vyšší teplota a modul bude dodávat nižší teplotu kapaliny.
Energetika a životní prostředí 2014
29
Obr. 1: Schéma kalorimetrické trati
Obr. 2: Vlnovcový výměník (měřený vzorek) Obr. 3: Motorový chladič s plastovými komorami s
úchyty
6 ZÁVĚR
Testování vlnovcových elementů na VŠB-TU Ostrava přispívá velkou měrou k rozvoji a výzkumu v
oblasti chladící techniky pro automobilový průmysl. Výzkum v této oblasti se nachází na počátku a neméně
důležitým krokem je také ověření parametrů kalorimetrické trati v oblasti přesnosti měření, která jsou
vyžadována. V nejbližší budoucnosti se uvažuje o využití tratě pro vědecko-výzkumné účely, ale také pro další
komerční využití a to pro testování hotových vzorků ze sériové výroby, případně pro měření a stanovování
přestupů tepla u výměníků pro další zájemce.
PODĚKOVÁNÍ
Práce byla podpořena projektem MŠMT Centrum ENET CZ.1.05/2.1.00/03.0069
Práce byla podpořena projektem MŠMT SGS SP2014/59 Modelování a měření termických a
energetických procesů.
LITERATURA
[1] Frank P. Incropera, david P. DeWitt. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 5. vyd. John
Wiley & Sons, 2002. 981 s. ISBN 0-471-38650-2.
[2] Ramesh K. Shah, Dušan P. Sekulić. Fundamentals of heat exchanger design. John
Wiley & Sons, 2003. 941 s. ISBN 0-471-32171-0.
Energetika a životní prostředí 2014
30
[3] S. M. Peyghambarzadeh, S. H. Hashemabadi, S. M. Hoseini, M. Seifi Jamnani. Experimental
study of heat transfer enhancement using water/ethylene glycol based nanofluids as a new cooland for
car radiators. Volume 38, Issue 9, November 2011, Pages 1283-1290. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S073519331100159X
[4] V. Delavari, S. H. Hashemabadi. CFD Simulation of Heat Transfer Enhancement of Al2O3/Water and
Al2O3/Ethylene Glycol Nanofluids in a Car Radiator. Available online 1 August 2014. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431114006371
[5] K. Y. Leong, R. Saidur, S. N. Kazi, A. H. Mamun. Performance investigation of an automotive car
radiator operated with nanofluid-based coolants (nanofluid as a coolant in a radiator). Volume 30,
Issues 17-18, December 2010, Pages 2685-2692. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431110003029
[6] Adnan M. Hussein, R. A. Bakar, K. Kadirgama. K. V. Sharma. Heat transfer enhancement using
nanofluids in an automotive cooling system. Volume 53, April 2014, Pages 195-202. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0735193314000049
[7] Sadic Kakac, Ramesh K. Shah, Win Aung. Handbook of Single-Phase Convective Head Transfer.
1.vyd. USA New York: John Wiley a Sons,Inc. 1987. 1246 s. ISBN 0-471-81 702-3.
[8] J. P. Holman. Heat Transfer. 5.vyd. New York: McGraw-Hill Book Company, 1981. 570 s. ISBN 0-07-
029618-9.
Energetika a životní prostředí 2014
31
GIBT ES RISIKOFREIE ENERGIEERZEUGUNGSTECHNOLOGIEN ?
KONFLIKTE UND RISIKEN DER ENERGIEVERSORGUNG.
EXISTUJÍ TECHNOLOGIE PRO VÝROBU ENERGIE BEZ RIZIKA?
KONFLIKTY A RIZIKA ZÁSOBOVÁNÍ ENERGIÍ.
Klaus KOPPE
1 Doc. Dr.-Ing., Centrum ENET, VŠB – Technical university of Ostrava
17. listopadu 15, 708 33, Ostrava - Poruba
Abstract (deutsch)
Die ständige und ungehinderte Verfügbarkeit von Energie ist ein wesentlicher Faktor für das Funk-
tionieren einer modernen, arbeitsteiligen und hochtechnisierten Wirtschaft. Wird die Energieversor-gung durch
„Eingriffe“ auch nur punktuell gefährdet, kann das den Bestand von Wirtschaftssyste-men nachhaltig
beeinträchtigen. Ein Nullrisiko kann es nicht geben. Technisches und menschliches Versagen, kriminelle oder
terroristische Aktionen, Extremwetterereignisse und Unterbrechungen weltweiter Lieferketten können die
Energieversorgung hochgradig und nachhaltig gefährden. Für den nicht auszuschließenden Fall einer massiven
Versorgungsstörung sind geeignete Präventions- und Reaktionsmaßnahmen aufzuzeigen, um das Ausmaß und
die Folgen eines solchen Ereignis-ses so gering wie möglich zu halten und die Verletzlichkeit der Gesellschaft
zu verringern.
Der systematische Aufbau eines Risikomanagementsystems, das einen Prozess repräsentiert, der
sämtliche Aktivitäten des ganzeinheitlichen und systematischen Umgangs mit Risiken und Chancen beinhaltet,
ist daher unerlässlich.
Kennwörter: Energie, Risiko, Risikomanagement, Verfügbarkeit
Abstrakt (česky)
Nepřetržitý a neomezený přístup k energiím je klíčovým faktorem pro fungování moderní dělby práce, a
high-tech ekonomiky. Je-li dodávka energie v ohrožení, třeba i jen občasnými "zásahy", může dojít k
nepříznivému ovlivnění udržitelných hospodářských systémů. Neexistuje nulové riziko. Technické a lidské
slehání, trestné nebo teroristické akce, extrémní výkyvy počasí nebo přerušení dodávekového řetězce může
ohrozit udržitelné zásobování energiemi. Vzhledem k tomu, že nelze vyloučit případy masivního narušení
dodávek, je vhodné zajistit preventivní a přiměřené zásahy tak, aby se minimalizoval rozsah a důsledky takové
události a snížila zranitelnost společnosti.
Je nezbytné zajistit systematický rozvoj systému řízení rizik, který představuje proces zahrnující všechny
aktivity jednotné a systematické nakládání s riziky a příležitostmi.
Klíčova slova: Energie, Riziko, Řízení rizik, Disponibilita
Abstract (english)
The continuous and unhindered access to energy is a key factor for the functioning of a modern division
of labor, and high-tech economy. If the energy supply at risk only occasionally by "interventions" that can
adversely affect the stock of economic systems sustainable. A zero risk can not exist. Technical and human error,
criminal or terrorist actions, extreme weather events and interruption s global supply can jeopardize highly and
sustainable energy supply. For not exclude the case of a massive supply disruption, suitable preventative tion and
response activities shall be identified in order to minimize the extent and the consequences of such an event as
low as possible and to reduce the vulnerability of society.
The systematic development of a risk management system, which represents a process that involves all
activities of all uniform and systematic handling of risks and opportunities, is therefore essential.
Key words: Energy, Risk, Risk Management, Availability
Energetika a životní prostředí 2014
32
1 EINLEITUNG (ÚVOD)
Energie – ohne sie bewegt sich nichts!
Energieanlagen sind so zu errichten und zu betreiben, dass die technische Sicherheit ge-währleistet ist.
Dabei sind vorbehaltlich sonsti-ger Rechtsvorschriften die allgemein aner-kannten Regeln der Technik zu
beachten [1]. Ein Großteil unserer täglich verfügbaren Ener-gie wird als elektrischer Strom in Kraftwerken
erzeugt. Dabei werden verschiedene Arten von Primärenergieträgern (Kohle, Gas, Sonne, Uran, Wind) in
Nutzenergie (Licht, Wärme, Kälte) umgewandelt. Die Debatte um eine sichere Energieversorgung ist praktisch
ein Risikodiskurs, bei dem die Vor- und Nachteile verschiedener Energieträger gegeneinander abgewogen
werden müssen. Strom lässt sich in großem Umfang nicht speichern und muss in dem Moment erzeugt werden,
in dem er gebraucht wird. Um den Strombedarf zeitge-nau zu decken, werden Kraftwerke nach Ver-fügbarkeits-,
Kosten- und Effizienzaspekten eingesetzt. Absolute Sicherheit gibt es nicht.
Ein Nullrisiko kann es nicht geben!
Die Risiken der Energieversorgung sind insbe-sondere auch gegen die Risiken der Nichtver-sorgung
abzuwägen. Ein Zusammenbruch der Stromnetze hat gravierende Auswirkungen.
2 RISIKEN DER ENERGIEVERSORGUNG (RIZIKA ZÁSOBOVÁNÍ ENERGIÍ)
Der Ausfall einer Energieerzeugungsanlage kann ganz schnell zum Kollaps der Versorgung führen. In [2]
wird beispielhaft ein 3-stufiges Indikatorensystem zur Messung des Verletz-barkeitsrisikos von
Energieerzeugungstechno-logien vorgeschlagen (Abbildung 1, Obrázek 1).
Risiko ist immer eine Kombination aus mögli-chem Schaden und seiner Eintrittswahrschein-lichkeit
R = E . S (1)
mit
R – Risiko
E – Eintrittswahrscheinlichkeit
S – Schadenshöhe
D. h., wie hoch ein Risiko ist, hängt sowohl von der Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung ab als auch
von der Höhe des Schadens, der dabei droht. Eine Risikobewertung muss daher beide Einflussgrößen
berücksichtigen.
Für eine erste Einschätzung genügt es, die Eintrittswahrscheinlichkeit und das Schadensausmaß
vereinfacht in einer Risikomatrix darzustellen (Abbildung 2, Obrázek 2). Risikodiagramme eignen sich
hervorragend zur Kommunikation/Visualisierung von Risikobewertungen.
Die Risiken können vielfältiger Natur sein:
- technisch,
- politisch,
- wirtschaftlich und
- umwelttechnisch.
In Deutschland, wie in vielen europäischen Ländern auch, ist die Versorgungssicherheit zusammen mit
der Wirtschaftlichkeit und der Umweltverträglichkeit der Energieversorgung eines der zentralen
energiepolitischen Ziele (Abbildung 3, Obrázek 3). Für die Gewähr-leistung der Versorgungssicherheit muss
je-derzeit ausreichend gesicherte Kraftwerkska-pazität zur Deckung der Stromnachfrage zu jedem Zeitpunkt
vorgehalten werden. Im Ener-giebereich gehört wirksame Umweltverträg-lichkeit (Klimaschutz) zu den weltweit
größten Herausforderungen. Die beste Voraussetzung für wirtschaftliche - das heißt, effiziente - Ener-
giebereitstellung und –nutzung ist ein funktio-nierender und fairer Wettbewerb.
Bislangdominieren die fossilen Rohstoffe (Erdöl, Erdgas, Kohle und Uran) den Energie-verbrauch. Nach
Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) tragen Erdöl und Kohle je zu etwa einem Drittel zur
Primärenergiever-sorgung bei, Erdgas zu einem Fünftel. Erneu-erbare Rohstoffe wie Brennholz, Dung oder
biogener Abfall tragen etwa zehn Prozent zur Energieversorgung bei. Der Anteil von Was-serkraft liegt bei rund
zwei Prozent, der von Technologien, wie Wind- und Solarenergie sowie Geothermie, bei etwa einem Prozent [3].
Energetika a životní prostředí 2014
33
3 RISIKOMANAGEMENT (ŘÍZENÍ RIZIK)
Das Risikomanagement ist für die Energiepoli-tik von entscheidender Bedeutung.
Die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen ist mit Risiken verbunden und kann zu sozialen Konflikten und
sogar zu militärischen Ausei-nandersetzungen führen. Die Verknappung der fossilen Rohstoffe einerseits und die
Preisent-wicklung andererseits stellen ein Risiko für die Energieversorgung dar. Aber auch die Konzentration
der Vorkommen auf wenige Regionen und die Kontrolle des Zugangs durch wenige Akteure bringen Risiken für
die Staaten mit sich, die auf Importe von fossilen Ressourcen angewiesen sind [3].
Die mit den unterschiedlichen Energieerzeugungstechnologien verbundenen sehr hohen Kapitaleinsätze
und langen Laufzeiten einhergehenden Risiken gilt es ständig zu bewerten.
Grundsätzlich ist die Nutzung von Erdwärme ungefährlich. Aber jede neue Technologie birgt gewisse
Risiken. Diese müssen bei der Planung und Ausführung von Projekten berücksichtigt werden. Neben der Gefahr,
nicht wie geplant die notwendigen Temperaturen oder Wassermengen vorzufinden (Fündigkeitsrisiko) und
möglichen hohen Erschließungskosten bestehen geologische und geotechnische Risiken. Denn es können
Probleme bei Bohrungen oder mit nicht geeigneten Gesteinsschichten auftreten, wie es bei den Projekten in
Basel (Schweiz) oder Wiesbaden (Deutschaland) der Fall war.
Beim Geothermieprojekt Deep Heat Mining Basel zum Beispiel gab es seit dem 8. Dezember 2006 im
Abstand von mehreren Wochen bis zu einem Monat fünf leichte Erschütterungen mit abnehmender Magnitude
(von 3,4 bis 2,9 auf der Richterskala). Dadurch soll ein Schaden zwischen 3 und 5 Mio. Franken (ca. 1,8 bis
3,1 Mio. Euro) entstanden sein, verletzt wurde niemand. Die Risikoanalyse zum Geothermieprojekt "Deep Heat
Mining Basel", die termingemäß Ende November 2009 fertig gestellt wurde, kommt zum Schluss, dass der
Standort Basel unter dem Aspekt des seismischen Risikos ungünstig ist, um ein geothermisches Reservoir im
Abbildung 1: Versorgungssicherheit und Verletzbarkeit [2]
Obrázek 1: Bezpečnost dodávek a zranitelnost [2]
Energieversorgungsrisiko auf Primärenergieebene Rizika dodávek energie na primární energetické úrovni
Steinkohle Černé uhlí
Braunkohle Hnědé uhlí
Mineralöl Minerální olej
Erdgas Zemní plyn
Uran Uran
Erneuerbare OZE
Infrastrukturelles Risiko Infrastrukturní riziko
Stromnetz Elektrická síť
Gasnetz und Speicher
Plynové sítě a skladování
Gesicherte Leistung Zabezpečené kapacita
Nachfragevolatilität Volatilita poptávky
Verbundgrad Úroveň propojení
Elektrischer Energiemix Elektrický mix
Verletzbarkeit auf Ebene der Energieverbraucher Chyba zabezpečení na úrovni spotřebitelů energie
Energieeffizienz Energetická účinnost Energiekosten Náklady na energii
Versorgungsrisiken der nachgefragten Energieträger Dodávka rizika poptávky po energii
Struktur der Energienachfrage Struktura poptávky po energii
Energetika a životní prostředí 2014
34
kristallinen Grundgebirge zu schaffen und zu nutzen. Beim weiteren Ausbau und dem Betrieb der
Geothermieanlage würden bei den gegebenen Standortbedingungen mit hoher Wahrscheinlichkeit Beben
auftreten, die in ihrer Stärke die bisher stattgefundenen Aktivitäten erreichen oder gar übersteigen können
(Abbildung 5, Obrázek 5) [4] [5]. Ausgewählte Beispiele sind in der Abbildung 6, Obrázek 6 und in der
Tabelle 2.1-2.3, Tabulka 2.1-2.3 zusammengefasst.
Das Risiko lässt sich mit Maßnahmen reduzie-ren, welche die Eintrittswahrscheinlichkeit einer Gefahr
verkleinern und die Verletzlichkeit vermindern.
Zahlreiche technische und ökonomische Pa-rameter (elektrische Nettoleistung in MW, elektrischer
Nettowirkungsgrad in %, techni-sche Nutzungsdauer in Jahren, spezifische Investitionskosten in €/kW und
Auslastung in %) bestimmen die Bandbreite.
Ein Prinzip zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ist die mehrfache Auslegung
(Redundanzen) sicherheitstechnisch relevanter Komponenten (Abbildung 7, Obrázek 7).
4 VERFÜGBARKEIT UND GRUNDLASTFÄHIGKEIT (DOSTUPNOST A ZÁKLADNÍ
ZATÍŽENÍ)
Die Effizienz der verschiedenen zur Verfügung stehenden Primärenergien zeigt sich in deren
Verfügbarkeit [7] (Tabelle 1, Tabulka 1). Die Sicherheit der Energieversorgung wird nicht nur durch eine
ausreichend zur Verfügung stehende Leistung und einem Energiemix sichergestellt, sondern auch durch einen
grundlastfähigen Kraftwerkspark, der effizient und kostengünstig den Sockelbedarf deckt.
Strom lässt sich in großem Umfang nicht speichern und muss in dem Moment erzeugt werden, in dem er
gebraucht wird. Um den Strombedarf zeitgenau zu decken, werden Kraftwerke nach Verfügbarkeits-, Kosten-
und Effizienzaspekten eingesetzt. Mit abnehmender Verfügbarkeit nimmt der Speicherbedarf zu.
Speichertechnologie ist praktisch der Schlüssel zu mehr Effizienz und Flexibilität in den Energiesystemen.
x1 x2 x3
x1 x2 x3
x1 x2 x3
1 2 3 niedrig mittel hoch nízký střední vysoký
hoch 3 vysoký
mittel 2 střední
niedrig 1 nízký
Potentielle Schadenshöhe Potenciální ztráty
Katastrophe Katastrofa
Hohes Risiko Vysoké riziko
Mittleres Risiko Střední riziko
Niedriges Risiko Nízké riziko
Abbildung 2: Risikomatrix
Obrázek 2: matice rizik
Energetika a životní prostředí 2014
35
Kalender
gbarkeitNichtverfüKalender
TT
TTK
In Anlehnung an eine Empfehlung des VGB - Arbeitskreises Verfügbarkeit wird die Zeitverfügbarkeit
über die Kennziffer ermittelt.
(2)
mit
KT – Zeitverfügbarkeit
TKalender – Nennzeit (8.760 Stunden)
TNichtverfügbarkeit – Nichtverfügbarkeitszeit
Tabelle 1: Jahresvolllaststunden deutscher
Kraftwerke 2012
Tabulka 1: Vytížení vybraných německých
elektráren 2012
Stunden
Kernenergie 7.800
Braunkohle 6.800
Biomasse 6.040
Steinkohle 4.020
Lauf- und Speicherwasser
3.750
Erdgas 2.640
Wind 1.530
Mineralöl 1.470
Pumpspeicher 1.070
Photovoltaik 980
Quelle: p://bdew.de/internet.nsf/id/energiemix-de
Versorgungssicherheit Zabezpečení dodávek
Wirtschaftlichkeit Hospodárnost
Umweltverträglichkeit Ekologičnost
Abbildung 3: Energiepolitisches Zieldreieck
Obrázek 3: Energetická politika
Energetika a životní prostředí 2014
36
Stromangebot permanent mit der Stromnachfrage der Verbraucher im Gleichgewicht halten zu können.
Mit dem zunehmenden Ausbau der Erneuerbaren Energien verschärft sich insbesondere mit der extrem
grundlastunfähigen Windenergie und Photovoltaik dieses Problem und erreicht neue Dimensionen [7].
Gesamtrisiko Celkové riziko
Naturereignisse Přírodní události Katastrophen Katastrofy
Höhere Gewalt Vyšší moc
Änderung der politischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Ordnung Změna v politickém, ekonomickém a společenském řádu
Vertragsspezifische Risiken
Rizika vyplývající ze smlouvy
Betriebswirtschaftliche Risiken
Obchodnírizika
Technische Risiken
Technická rizika
Planungsrisiken
Plánovací rizika
Gewährleistung Záruka
Projektabbruch Ukončení projektu
Investition Investice Währung
Měna
Komplexität Komplexnost
Neuigkeitsgrad Stupeň novosti
Lieferzeiten Dodací lhůty
Ressourcenengpässe Problémy se zdroji
Abbildung 4: Risikosystematik [6]
Obrázek 4: Klasifikace rizik [6]
Energetika a životní prostředí 2014
37
5 FAZIT / ZUSAMMENFASSUNG (ZÁVĚR / SHRNUTÍ)
Nur Objektivität und eine gesamteinheitliche Betrachtung unter Verzicht jeglicher Ideologien können
zielführend sein [7]. Es gibt keine totale Sicherheit. Jedes System kann aber sicherer gemacht werden.
Risikofrüherkennung und Risikoabwehr hilft, wirtschaftliche und globale Schäden abzuwehren. In der
Energiewirtschaft gilt es, neben dem unternehmerischen Risiko, auch die speziellen Risiken der Energiemärkte
genau im Blick zu haben, um auf Veränderungen zeitnah und konsequent reagieren zu können.
Risikomanagement und Effizienzsteigerung müssen sich nicht zwingend ausschließen (Abbildung 8, Obrázek
8).
Bei der Gefährdungsbeurteilung geht es darum, vorhandene Risiken zu minimieren bzw. geeignete
Maßnahmen zu deren Vermeidung, Minimierung oder Beseitigung festzulegen.
Das Stromnetz in Europa ist ein sensibles und komplexes System, welches miteinander vernetzt und aus
diesem Grund auch sehr störanfällig ist. Schon kleinere Störungen können weitreichende Dominoeffekte
auslösen. Ein flächendeckender Stromausfall (Blackout) kann verheerend sein. Alle lebenswichtigen Systeme
brechen zusammen. Stromausfälle werden als massive Störungen der Lebensqualität erlebt! Moderne
Leitstellensysteme und Kommunikationsinfrastrukturen müssen deshalb selbst im Falle eines totalen Blackouts
funktionsfähig bleiben!
Primärenergie
primární
energie
Risiko
Rizik
Steinkohle
Braunkohle
Durch die Zunahme des Kohlendioxids in der Atmosphäre kann es zu katastrophalen
Klimaänderungen kommen.
Mineralöl
Erdgas
Durch die Zunahme des Kohlendioxids in der Atmosphäre kann es zu katastrophalen
Klimaänderungen kommen.
Die Versorgungssicherheit kann gefährdet werden: Gas wie Erdöl wird in den
kommenden Jahren zunehmend aus politisch instabilen Regionen kommen, was die
Abhängigkeit noch weiter vergrößert.
Uran Austritt von radioaktiven Material.
Kernschmelze!
Entsorgungs-und Endlagerprobleme.
Radioaktives Material, welches beim Betrieb entsteht, kann für den Bau von
Atomwaffen eingesetzt werden.
Krankheitsfälle (latente) im Zusammenhang mit Kernkraftwerken
Sicherheit hört nicht an den Landesgrenzen auf.
Kernfusion Die hohe Energie der Neutronen und die hohe Neutronenflussdichte führen zu einer
verstärkten Alterung der Materialien des Reaktors.
Die Reaktorhülle muss in relativ kurzen Abständen ausgetauscht und als radioaktiver
Müll gelagert werden.
IGCC-CCS-
Technik
Gefahr eines explosionsartigen Entweichens großer CO2-Mengen, was zur
massenhaften Erstickung führen könnte
Tabelle 2.1: Risiken ausgewählter Energieerzeugungstechnologien
Tabulka 2.1: Rizika pro vybrané technologie výroby energie
Energetika a životní prostředí 2014
38
Die akademische Forschung sollte die systematischen Risiken der Energieversorgung identifizieren und
Vorschläge und Empfehlungen zu deren Reduzierung erarbeiten.
Die europäische Energiepolitik steht vor großen Herausforderungen. Der wachsende Ener giebedarf,
Klimaschutzziele, begrenzte fossile Ressourcen und politische Instabilitäten (aktuell: Ukraine, Syrien, Südsudan
u. a.) schaffen Unsicherheiten über die zukünftige Energieversorgung Europas. Zudem stehen unter dem
Eindruck von Fukushima und dem geplanten Atomausstieg von Deutschland und der Schweiz die Herkunft und
Erzeugung unserer
Energie mehr denn je auf dem Prüfstand. Der Ausbau der erneuerbaren Energien, die Notwendigkeit von
mehr Energieeffizienz, intelligente Netze und die Forcierung der Elektromobilität erfordern in den nächsten
Jahren einen riesigen Investitionsschub in Europa. Die EU-Kommission sieht alleine für den Ausbau der
Energieinfrastruktur einen Finanzierungsbedarf von 200 Milliarden Euro bis zum Jahr 2020. Je mehr Energie aus
dezentralen, erneuerbaren Anlagen mit schwankenden Mengen kommt, desto wichtiger werden auch die
Leitungen zum Transport. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungen stellt sich die Frage, wie die europäische
Energieversorgung zu einem zukunftsfähigen länderübergreifenden System umgestaltet werden kann [8].
Primärenergie primární energie
Risiko Rizik
Biomasse Konflikte mit Nahrungsanbauflächen.
Monokulturen und dadurch erhöhter Einsatz von Pestiziden und Düngern.
Biogas Da feste Gärrückstände als Dünger auf die Felder gebracht werden steht die Technik unter Verdacht, einen Beitrag zur Verbreitung multiresistenter Keime zu leisten.
Konkrete Gefahr geht vom unkontrolliert austretenden Biogas aus, welches sich explosionsartig entzünden kann.
Biogas ist je nach Konzentration lebensgefährlich.
Geothermie Bei nicht fachgerecht ausgeführten Bohrungen können hohe Schäden auftreten (leichte Erdbeben/seismische Ereignisse/ Verpressen von Wasser unter Hochdruck).
Durch Verunreinigungen und die Veränderung der Wassertemperatur können insbesondere das Grundwasser und die darin lebenden Tiere in Mitleidenschaft gezogen werden.
Windkraft Flügelabbrüche bzw. Flügelzersplitterungen, Blitzschlag, komplettesUmknicken eines Windrades bei Sturm.
Vogelschlag: Durch die Rotorblätter sowie Druckunterschiede nahe der Anlage kommt es zum Tod von Vögeln.
Brennstoffzelle Bei einer Explosion des Wasserstoffs enorme Ver-wüstung (Explosionsschutz!).
Tabelle 2.2: Risiken ausgewählter Energieerzeugungstechnologien
Tabulka 2.2: Rizika pro vybrané technologie výroby energie
Primärenergie primární energie
Risiko Rizik
Wasserkraft Es gibt ökologische Veränderungen, Beeinträchtigung von Natur und Landschaft (Landschaftsbild) sowie Zerstörung des natürlichen Fließgewässerregimes.
Der Meeresboden im Bereich eines Meeresströmungs-Kraftwerkes wird eventuell ausgehöhlt oder unterspült.
Gefahr eines Dammbruchs bei Speicherkraftwerken.
Druck der Wassermassen kann bei Speicherkraftwerken Erdbeben auslösen.
Massiver Eingriff in die Küstenlandschaft und Leben der Meeresbewohner (Ökosystem) bei Gezeitenkraftwerken.
Bei Pumpspeicherwerken verhindert der häufige Wasserwechsel mit einer völligen Durchmischung das Einstellen einer naturnahen Limnologie im Wasserkörper.
Auswirkungen auf Schifffahrt und Umwelt.
Gefährdung von Pflanzen und Tiere bei Unterschreitung des Mindestpegels.
Photovoltaik/ Solarthermie
Gefahr durch Sturm, Hagel, Blitzschlag.
Gefahr, die von brennenden Solardächern für die Feuerwehr ausgeht: Die an den Photovoltaikanlagen anstehende Spannung von bis zu 1.000 Volt kann durch den Löschstrahl überspringen.
Tabelle 2.3: Risiken ausgewählter Energieerzeugungstechnologien
Tabulka 2.3: Rizika pro vybrané technologie výroby energie
Energetika a životní prostředí 2014
39
Energetika a životní prostředí 2014
40
DANKSAGUNG (PODĚKOVÁNÍ)
Projekt CZ.1.07/2.3.00/20.0075 Intenzifikace mezioborového výzkumu a posílení lidských zdrojů v
oblasti nových technologií v energetice a ENET - Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie
CZ.1.05/2.1.00/03.0069
LITERATUR (LITERATURA)
[1] Gesetz über die Elektrizitäts- und Gasversorgung (Energiewirtschaftsgesetz - EnWG). vom 7. Juli
2005 (BGBl. I S. 1970, 3621), das zuletzt durch Artikel 3 Absatz 4 des Gesetzes vom 4. Oktober
2013 (BGBl. I S. 3746) geändert worden ist.
[2] Buttermann, H.G.; Freund, F.: Sicherheit unserer Energieversorgung – Indikatoren zur Messung von
Verletzbarkeit und Risiken. Energie und Umwelt. Analysen. EEFA – Energy Environment Forecast
Analysis GmbH & Co. KG. Münster/Berlin 2010. 85 S. http://www.eefa.de/images/veroeffentl/EEFA-
DNK-Verletzbarkeit-Endbericht-%C3%9Cberarbeitung_100510.pdf
[3] Konflikte und Risiken der Energieversorgung. Erneuerbare Energien als Beitrag zu
Ressourcenversorgung und Energiesicherheit. Herausgeber: Agentur für Erneuerbare Energien e. V.
In: Renews Spezial, Ausgabe 51 Berlin 2011. 44 S. ISSN 2190-3581
http://opus.kobv.de/zlb/volltexte/2013/20643/pdf/51_Renews_Spezial_Versorgungssicherheit_online_
02.pdf
[4] Baisch, S.; Carbon, D.; Dannwolf, U.; Delacou, B.; Devaux, M.; Dunand, F.; Jung, R.; Koller, M.;
Martin, C.; Sartori, M; Secanell, R.; Vörös, R.: Deep Heat Minig Basel. Seismic Risk Analysis.
Seismische Risikoanalyse. Analyse du risqué sismique.2009.25 S. http://www.wsu.bs.ch/serianex.pdf
[5] Koppe, K.: Stochastické výpadky (až po úplné odstavení) v konvekčních elektrárnách a jejich vliv na
jejich použitelnost ª Stochastische Ausfälle (bis zum Blackout) in konventionellen Kraftwerken und
ihr Einfluss auf die Verfügbarkeit. Vortrag ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ – 2010.
Ostravice 2010. In: Tagungsband. ISBN 978-80-248-2286-0, S. 50-63
K1 K2 K3 Kn E A
K1
K2
K3
Kn
E A
K1 A
K2
K3
E
Abbildung 7: Zuverlässigkeitsschaltbilder
Seriensystem (oben);
Parallelsystem (Mitte);
Parallelseriensystem (unten)
Obrázek 7: Spolehlivost diagramy
Sériový systém (nahoře);
Paralelní systém (střed);
Paralelní-sériový systém (dole)
Verhinderung von Störfällen Prevence závažných havárií
Herabsetzung des Gefahrenpotentials Snížení potenciálu nebezpečnosti
Begrenzung der Einwirkungen von Störfällen Omezení účinků mimořádných událostí
Verminderung des Risikos Snížení rizika
Abbildung 8: Sicherheitsmaßnahmen zur
Verminderung des Risikos
Obrázek 8: Bezpečnostní opatření ke snížení
rizika
Energetika a životní prostředí 2014
41
[6] Wolf, R.: Risikomanagement - Aufgabe für das Qualitätswesen in klein- und mittel ständischen
Unternehmen. Ergebnisse der DGQ-Arbeitsgruppe 124 “Risikomanagement“. Vortrag BTU Cottbus.
http://www.dgq.de/dateien/dgq-RK.pdf
[7] Unger, J., Hurtado, A.: Energie, Ökologie und Unvernunft. Springer Spektrum. Wiesbaden 2013. 245
S. ISBN 978-3-658-01502-2.
[8] Alpbach Talks: Blackout der Energieschub. Wiener Zeitung & Europäisches Forum Alpbach. Wien
2011. http://www.xing.com/net/efa/news-589349/alpbach-talks-blackout-oder-energieschub-14-12-
wien-38934855/38934855/#38934855
Energetika a životní prostředí 2014
42
TECHNOLOGICKÉ CENTRUM AV ČR A PROGRAM HORIZONT 2020
THE TECHNOLOGY CENTRE AS CR AND HORIZON 2020 PROGRAMME
Veronika KORITTOVÁ
Ing, National Information Centre for European Research, Technology Centre AS CR
Ve Struhách 27, Prague 6, 160 00, tel. (+420) 23 400 6115
e-mail [email protected]
Abstract
The Technology Centre AS CR aims at facilitating international research and at developing cooperation
with the whole European Research Area. The National Information Centre for European Research as one of the
departments of the Technology Centre helps through a wide range of information activities to an easier
involvement of Czech teams into the European research, especially into framework programmes of European
Union for research and development. As for the present programme Horizon 2020 (2014 – 2020), specialised
consultations are given by a team of National Contact Points.
Klíčová slova: Technology Centre AS CR, National Contact Points, Horizon 2020
Abstrakt
Technologické centrum AV ČR má za cíl usnadnit zapojení České republiky do Evropského výzkumného
prostoru a napomáhat rozvíjení spolupráce v jeho rámci. Národní informační centrum pro evropský výzkum,
které je jedním z pracovišť Technologického centra, přispívá prostřednictvím širokého spektra informačních
aktivit ke snazšímu zapojení českých týmů do evropského výzkumu, především do rámcových programů
Evropské unie pro výzkum a vývoj. Aktuálně se jedná především o program Horizont 2020 (2014 – 2020),
rámcový program pro výzkum a inovace. Specializované poradenství poskytují národní kontaktní pracovníci.
Klíčová slova: Technologické centrum AV ČR, národní kontaktní pracovníci, program Horizont 2020
TECHNOLOGICKÉ CENTRUM AV ČR A PROGRAM HORIZONT 2020
Technologické centrum AV ČR vzniklo v roce 1994 jako neziskové zájmové sdružení. Jeho strukturu vytváří
Národní informační centrum pro evropský výzkum (NICER), Oddělení rozvoje podnikání, Oddělení strategických
studií a Česká styčná kancelář pro výzkum, vývoj a inovace (CZELO), která vyvíjí své aktivity v Bruselu.
Pracovníci oddělení NICER – národní kontaktní pracovníci (NCPs) pro příslušné části programu
Horizont 2020 (H2020) - vyvíjejí široké spektrum aktivit na pomoc potenciálním účastníkům při zapojování do
projektů mezinárodní spolupráce ve vědě a inovacích. Rámcový program pro výzkum a inovace Horizont 2020
(2014 až 2020) je rozdělen do tří vzájemně se podporujících priorit – Vynikající věda, Vedoucí postavení
průmyslu a Společenské výzvy. Priorita Vynikající věda posiluje špičkový výzkum, napomáhá rozvoji lidských
zdrojů i průlomových technologií a usiluje o budování výzkumných infrastruktur světové úrovně. Priorita
Vedoucí postavení průmyslu se zaměřuje na posilování konkurenceschopnosti průmyslu a odstraňování bariér
mezi výzkumem a tržním uplatněním jeho výsledků. Priorita Společenské výzvy se zaměřuje na řešení
závažných otázek společnosti. Dalšími aktivitami podporovanými programem H2020 jsou Šíření excelence
a podpora účasti sloužící překonání rozdílů mezi členskými státy či regiony a Věda se společností a pro
společnost. Při zahájení programu byl schválen jeho rozpočet ve výši přes 77 miliard €.
Pravidla pro účast v H2020 stanoví, že financování programu bude probíhat zejména prostřednictvím
grantů, cen, zadávání zakázek a finančních nástrojů. Obvykle se pro předložení návrhu projektu požaduje
vytvoření konsorcia, které tvoří minimálně tři účastníci ze tří různých zemí EU nebo zemí asociovaných
k H2020.
K provádění rámcového programu slouží pracovní programy, jejichž prostřednictvím se vyhlašují výzvy
k podávání projektů. Cílem je prostřednictvím evropské přidané hodnoty vzniklé mezinárodní spoluprací
vytvářet vysoce kvalitní konkurenceschopná řešení. První pracovní program je dvouletý a je určen pro období
2014 a 2015. Ve většině výzev jsou stanoveny uzávěrky, do kterých je třeba návrh projektu podat, ale existují i
výzvy průběžně otevřené.
Obecně přispívá program Horizont 2020 k budování společnosti a ekonomiky založených na znalostech
a inovacích a hraje zásadní úlohu při naplňování strategie Evropa 2020 pro inteligentní a udržitelný růst
podporující začlenění.
Energetika a životní prostředí 2014
43
CONTACT ANGLE MEASUREMENTS OF PYRITES USING XANTHATES
Lukáš KOVAĽ1, Dalibor MATÝSEK
2
1 Ing.,Ph.D., ENET – Energy Units for Utilization of non Traditional Energy Sources, VSB – TUO
17.listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba, Czech Republic
2 Dr. Ing., Institute of Geological Engineering, Faculty of Mining and Geology, VSB – TUO 17.listopadu
15, 708 33 Ostrava – Poruba, Czech Republic
Abstract
In the present paper, the contact angle measurements using six different xanthate solutions and distilled
water were studied on twelve polished pyrite surfaces using sessile drop method. The 10% solutions of three
potassium and three sodium xanthates were used. The pyrite samples of different origin and paragenesis were
utilized. The chemical composition of pyrites was studied using EDX microanalysis. Potassium xanthates
showed the best results in pyrite surface wettability, thus they are the most suitable for separation using the froth
flotation.
Keywords: contact angle, pyrites, potassium and sodium xanthates, sessile drop method
1 INTRODUCTION
Pyrite originates under different conditions and is the most widely occurring sulphide mineral [1]. It is
also present in different ore deposit formations where it often represents a gangue mineral [2]. The
pyrite/aqueous interaction is very important in extractive metallurgy, e.g. gold leaching from complex sulfide
ores, sulfide mineral separation, coal preparation, geochemistry as well as in acid mine drainage Chyba!
Nenalezen zdroj odkazů.. In such procedures various agents are needed to improve the separation process of
minerals. Xanthates are commonly used as pyrite collectors in the froth flotation [4] [5] [6] and [7]. The
separation process is affected not only by the flotation agents but by the surface properties of pyrite as well [8].
Wettability of the mineral surface is one of the most important properties in the separation process [9].
The wettability of mineral surface is expressed by a physical parameter called contact angle, which is the
measure of hydrophobicity/hydrophilicity [10]. The contact angle is explained as a balance of forces on a three
phase contact line [11] and it is shown in Figure 1.
Figure 1: Key concept of contact angle [8]
This relationship was first recognised by Young [12] and, therefore is known as the Young’s equation
(Eq.1).
𝛾𝑠/𝑣 = 𝛾𝑠/𝑙 + 𝛾𝑙/𝑣 . cos 𝜃𝛾 (1)
The difference between hydrophobic and hydrophilic mineral surface characteristics can be expressed by
a contact angle value. The surfaces with the contact angle of 90°θ and higher are considered hydrophobic and the
surfaces with the contact angle lower than 90°θ are considered hydrophilic. In general the lower contact angle,
the better wetting [12]. The contact angle can be measured using different methods, nevertheless sessile drop
method and captive bubble method are the most frequently used ones for the mineral surfaces [14].
Energetika a životní prostředí 2014
44
2 MATERIALS AND METHODS
A list of used pyrites with the genesis of ore-deposits, the occurrence of accompanied elements and a
country of origin are given in Table 1.
Table 1: Genesis of ore-deposits
Genesis of deposit Formation Deposit Country of origin
Hydrothermal
Pb-Zn-Cu (+Ag) Kutna Hora Czech Republic
Ni-Co-As-Bi (+U) Jachymov Czech Republic
Fe-Cu±Hg±Ni,Co,Ag Kokava, Slovakia
Pb-Zn (+Ag) Sadon Russian Federation
Au Guizhou Peoples Republic of China
Sedimentary Marl of cretaceous age Navajun (1,2,3) Spain
Sediments of carboniferous age, coal Sokolov Czech Republic
Metasomatic Talc Hnusta Slovakia
Magnesite-talc Obersdorf Austria
Magmatic Ni-Cu-Pd ± Pt Norilsk Russian Federation
Mineral pyrite samples were acquired from the Geological Pavilion of Prof. F. Pošepný, VSB – TU
Ostrava, Czech Republic. All samples were of high purity. Large pieces were cut into smaller sizes. The
chemical analysis of pyrite samples is given in Table 2.
Table 2: Elemental composition of pyrite samples
Sample Fe S C O Na Al Si Ca Zn Mg Pb As
Wt [%]
Pyrite* 46,60 53,40
Kutna hora 40,10 45,89 2,56 8,95 0,28 0,20 0,30 0,37 1,35
Jachymov 41,13 41,21 2,58 7,79 0,51 3,28 1,39 0,72 1,37
Kokava 44,20 52,24 1,82 0,35 1,40
Sadon 42,62 45,99 6,26 3,81 0,27 0,29 0,76
Guizhou 44,81 53,84 1,35
Navajun 1 44,93 53,84 1,23
Navajun 2 45,03 54,97
Navajun 3 46,10 53,90
Sokolov 46,59 53,41
Hnusta 42,03 36,22 10,67 3,52 0,21 1,07 0,74 5,55
Oberdorf 43,34 52,74 2,73 0,42 0,16 0,61
Norilsk 44,88 45,75 9,37 * – stoichiometric pyrite Fe:S ratio ± 0,05%
Xanthates samples: Potassium Amyl (PAX), Potassium Ethyl (PEX), Sodium Isobutyl (SIBX) and
Sodium Isopropyl (SIPX) were provided by Cheminova, Denmark. Potassium Isobutyl (PIBX) and Sodium
Ethyl (SEX) xanthates were purchased from Hoechst, Germany. All potassium and sodium xanthates used were
of analytical grade. The 10% xanthates solutions and distilled water were applied during contact angle
measurements.
Contact angle measurements were carried out using the Attension Theta tensiometer Biolin Scientific Oy
(Finland). The sessile drop method was used in all experiments. The size of the liquid droplet was maintained
constant at 5 μL. The contact angles on both sides of the droplets were calculated and the average value of six
measurements was used. All measurements were carried out at a temperature of 25±2 °C.
Samples from Sokolov, Kutna Hora, Kokava, Oberdorf and Guizhou were at first casted into mounting
epoxy resin. The rest of the samples were used as received (bulk minerals) from the Geological Pavilion. Samples were polished on a rotating abrasive paper with the grit size of 600, 800, 1200 and 2500 (number of
Energetika a životní prostředí 2014
45
grains per inch) under running water using LaboPol-21 grinder Struers (USA). The final polishing was done on a
fine textile polishing cloth using aluminium paste and Phoenix 3000, Buehler (USA). Then the samples were
washed thoroughly with distilled water.
A microanalysis of all pyrite samples was performed using SEM/EDX (scanning electrone microscopy
and energy-dispersive X-ray microanalysis) on Fei Quanta 650 FEG (FEI, USA).
3 RESULTS AND DISCUSSION
Microanalysis
The microanalysis of pyrite samples was conducted prior to contact angle measurements in order to find
some differences in the chemical composition. It is well known, that the contact angle is affected by
heterogeneity of minerals [15]. To avoid that, a surface area on a pure mineral pyrite grain with an approximate
size of 5x5 mm was selected for the contact angle measurements on each sample. Nevertheless pyrite samples
were obtained from different deposits, with a different genesis and they were associated with different minerals.
Figure 2 shows the images of selected pyrite grains. Figure 2a shows an impregnation of galena and talc on
pyrite, Figure 2b displays the phosphate and rare earth grains on grooved surface of pyrite crystals, whereas
Figure 2c shows a lightly grooved surface of pyrite crystal with an inclusion of calcite. The grey areas in Figure
2d represent pyrite, the slightly lighter grey areas represent pyrhotine, the dark grains represent calcium siderite,
and finally the small white grains represent sphalerite.
Figure 2: Microanalysis of selected pyrite grains: Hnusta (a), Guizhou (b), Navajun (c), Jachymov (d)
Contact angle measurements
The standard deviation and average values of contact angle for all xanthates solutions and water for
each pyrite sample are shown in Table 3.
Table 3: Average values of contact angle
Sample SIBX SEX SIPX
PIBX PAX PEX H2O
Average contact angle [°]
Navajun 1 54,51 49,01 57,17 50,95 56,07 37,60 71,27
Navajun 2 56,88 37,93 54,68 52,63 53,19 43,01 68,77
Navajun 3 54,33 34,27 50,32 51,10 46,27 39,36 69,88
Sokolov 61,18 53,98 65,33 55,70 34,80 42,58 85,80
Hnusta 65,57 67,07 62,53 66,71 67,91 49,59 81,93
Oberdorf 62,35 71,85 67,84 57,61 58,04 59,12 84,77
Kokava 54,16 51,58 58,74 52,36 54,45 43,03 82,22
Jachymov 51,87 45,35 48,27 56,72 42,94 49,78 81,47
Sadon 61,70 54,87 41,75 66,56 54,18 68,44 74,92
Norilsk 64,30 66,49 57,94 70,15 74,77 72,21 86,94
Kutna Hora 55,93 62,97 51,02 56,48 31,01 39,09 85,47
Guizhou 59,27 62,17 54,87 57,34 59,93 46,04 80,21
AVERAGE 58,50 54,97 55,87 57,86 52,80 49,15 79,47
STD 4,49 11,83 7,42 6,50 12,59 11,53 6,55
Explanatory note: The lowest values of contact angle for each pyrite sample are bolded in grey rectangles
As it can be seen, a wide range of contact angle values was obtained using different agents. Sulphides
may show a different value of contact angle within the individual grains which is probably caused by
Energetika a životní prostředí 2014
46
heterogeneity of particles [16]. The pyrite samples that were used in this study were not heterogenic (on selected
spots where contact angle was measured) as it was confirmed by the microanalysis tests using EDX method.
However, the contact angle values that were measured using distilled water for different pyrite samples
varied from 68,77° to 86,94°. No relation or dependence between the contact angle and the genesis of the
deposit, or different chemical composition (i.e., Fe:S ratios) were found. The differences must be caused by the
other factors. To compare all measured values of contact angle, the standard methodology based on the anomaly
threshold determination (x ± 2STD) was used. All presented results met this criterion.
Results divided into two different groups (potassium and sodium xanthates) are shown in Figures 3 and
4. It seems that potassium and sodium xanthates react with different pyrite samples almost in the same way.
Fig. 3: Average value of contact angle - potassium
xanthates
Fig. 4: Average value of contact angle - sodium
xanthates
The dfferences in the average values of contact angle using potassium xanthates were observed for the
Sokolov, Jachymov and Kutna Hora samples. These samples showed the lowest average values of contact angle
of 34,80° and 42,94° using PAX, and the lowest measured value of 31,01° from all xanthates, respectively. Very
small differences in the average values of contact angle were measuered for the Oberdorf sample using
potassium xanthates; the values were in the range of 1,6°. However, they are still in very good agreement with
the lowest standard error range of 0,7 – 1,6° reported in literature [17]. Other authors have published the results
with even higher standard errors in the range from ±2° up to ±5° [9] [11] and [18]. The best result of the average
values of contact angle of 57,61° was obtained using PIBX for the Oberdorf sample. This result is the only one
which proved that isobutyl xanthate (either sodium or potassium) is suitable collector for the pyrite sample. In
general, the highest average values of contact angles using xanthates were measured for the Norilsk sample in
general. The contact angle that was measured using SIPX was 57,94° which is the highest average value of
contact angle still suitable for possible flotation. Best result that was obtained using SIPX was also observed for
the Sadon sample, the contact angle value of 41,75° was obtained.
The differences in contact angle values were even smaller when potassium/sodium ethyl and especially
isobutyl xanthates were compered. The results are shown in Figures 5 and 6.
Figure 5: Average value of contact angle - ethyl
xanthates
Figure 6: Average value of contact angle - isobutyl
xanthates
Potassium ethyl xanthate had lower average values of contact angle than sodium ethyl xanthate (in 7 out
of 12 measurements). Big differences in the average value of contact angle were measured using PEX and SEX
for the Hnusta, Oberdorf, Kutna Hora and Guizhou samples. The value of average contact angle varied by 17,48°
for these samples. The minimum average values of contact angle were measured using PEX for the Hnusta
(49,59°) and Guizhou (46,04°) samples. The differences in average values of contact angle were much smaller
for the remaining measurements.
0
20
40
60
80
Nav
aju
n 1
Nav
aju
n 2
Nav
aju
n 3
So
kolo
v
Hn
ust
a
Ob
erdo
rf
Ko
kav
a
Jach
ym
ov
Sad
on
No
rils
k
Ku
tna
Hora
Gu
izh
ou
Co
nta
ct a
ngle
[°]
PIBXPAXPEX
0
20
40
60
80
Nav
aju
n 1
Nav
aju
n 2
Nav
aju
n 3
So
kolo
v
Hn
ust
a
Ob
erdo
rf
Ko
kav
a
Jach
ym
ov
Sad
on
No
rils
k
Ku
tna
Hora
Gu
izh
ou
Co
nta
ct a
ngle
[°]
SIBXSEXSIPX
0
20
40
60
80
Nav
aju
n 1
Nav
aju
n 2
Nav
aju
n 3
So
kolo
v
Hn
ust
a
Ob
erdo
rf
Ko
kav
a
Jach
ym
ov
Sad
on
No
rils
k
Ku
tna…
Gu
izh
ou
Co
nta
ct a
ngle
[°]
SEX
PEX
0
20
40
60
80
Nav
aju
n 1
Nav
aju
n 2
Nav
aju
n 3
So
kolo
v
Hn
ust
a
Ob
erdo
rf
Ko
kav
a
Jach
ym
ov
Sad
on
No
rils
k
Ku
tna…
Gu
izh
ou
Co
nta
ct a
ngle
[°]
SIBX
PIBX
Energetika a životní prostředí 2014
47
The minimum average values of contact angle of 37,93° and 34,27° was measured using SEX for the
Navajun 2 and 3 samples, respectively. Ethyl xanthates seem to be the most suitable collectors for the pyrite
samples from hydrothermal deposits as well as for pyrites in general. The minimum average values of contact
angle for six out of twelve samples and for five out of eight samples in hydrothermal deposits were measured
using ethyl xanthates. A very small variation in the results was observed using isobutyl xanthates for contact
angle measurements. Both potassium and sodium xanthates showed the highest average values of contact angle
and based on these results it can be concluded that they are not suitable collectors for the pyrite samples that
were used in this study.
As previously mentioned, the lower the contact angle value, the greater the wettability of the mineral
surface [19]. The comparison of average values of contact angle indicates that the contact angles measured using
potassium and sodium xanthates are lower in all cases than the average values of contact angle measured using
water (Figure 8).
Figure 7: Average values of contact angle using xanthates and water
The results confirmed that the pyrite samples are favourably wetted by either pottasium or sodium
xanthates in water (flotation) environment. The comparison of potassium and sodium xanthates showed that, in
general, potassium xanthates exhibited better results and they are more suitable for possible pyrite flotation. A
lower contact angle was measured using potassium xanthates in eight measurements out of 12. The use of
sodium xanthates would be more appropriate for the Navajun 2 and 3, Jachymov Sadon, and Norilsk pyrite
samples. Based on the results of contact angle measurements SIBX is not suitable collector; even the average
value of contact angle measured using xanthate was 58,50°.
Therefore, the results obtained in this study can be used to predict the most suitable xanthate for various
pyrite samples in the flotation process. On the other hand the results do not explain the mechanism of adsorption
of xanthates on pyrite surfaces. That has been the subject of other studies [20] [21].
4 CONCLUSION
The contact angle of the pyrite samples obtained from various deposits and with a different genesis using
xanthates and water were studied. The sessile drop method was used. No dependence of contact angle on
chemical composition was found. Based on the contact angle measurements, pyrite samples were preferentially
wetted by the xanthates (either pottasium or sodium) in water (flotation) environment. In general, the potassium
xanthates were more suitable. When ethyl and isobutyl xanthates were compared, ethyl xanthates seemed to be
the most suitable collectors for pyrites, especially for pyrites from hydrothermal deposits. The highest average
values of contact angle with a very small variation were obtained using isobutyl xanthates, which were not
suitable for possible pyrite flotation except for the Oberdorf pyrite sample. However, the theory still cannot
explain a number of phenomena observed in the pyrite/xanthate flotation system. Only moderate numbers of
studies have been devoted to the evaluation of the pyrite-xanthate flotation system and even less to the utilization
of xanthates for the measurement of the contact angle of pyrite surface.
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors acknowledge that this paper was elaborated in the framework of the project New creative
teams in priorities of scientific research, reg. no. CZ.1.07/2.3.00/30.0055, supported by Operational Programme
Education for Competitiveness and co-financed by the European Social Fund and the state budget of the Czech
Republic. In addition, the paper was supported by the ENET project – Energy Units for Utilization of non-
Traditional Energy Sources CZ.1.05/2.1.00/03.0069 and SP2014/54 - Výzkum vlivu katalyzátoru a technických
parametrů na vlastnosti a výtěžnost procesních plynů vznikajících v zařízeních termochemické degradace.
57,86 52,80 49,15 58,50 54,97 55,87
79,47
0
50
100
PIBX PAX PEX SIBX SEX SIPX H2O
Co
nta
ct a
ngle
[°]
Energetika a životní prostředí 2014
48
REFERENCES
[1] KLEIN, C. et al.: The 23rd edition of the manual of mineral science: (after James D. Dana). 23rd ed.
Hoboken, N.J.: J. Wiley, c2008, xxi, 675 p. ISBN 04-717-2157-3.
[2] HE, Ming-fei, et al.: Pyrite depression in marmatite flotation by sodium glycerine-xanthate. Transactions
of Nonferrous Metals Society of China. 2011, vol. 21, issue 5, s. 1161-1165. DOI: 10.1016/S1003-
6326(11)60837-6
[3] RAICHUR, A.M. et al.: Quantifying pyrite surface oxidation kinetics by contact angle
measurements. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2000, vol. 167, issue
3, s. 245-251. DOI: 10.1016/S0927-7757(99)00512-9
[4] WANG, Xiang-Huai a FORSSBERG K.S. Eric. Mechanisms of pyrite flotation with
xanthates. International Journal of Mineral Processing. 1991, vol. 33, 1-4. DOI: 10.1016/0301-
7516(91)90058-Q.
[5] MILLER, J.D et al.: The low-potential hydrophobic state of pyrite in amyl xanthate flotation with
nitrogen. International Journal of Mineral Processing. 2002, vol. 67, 1-4, s. 1-15. DOI: 10.1016/S0301-
7516(02)00011-X.
[6] SUI, Caroline C. et al.: Xanthate adsorption on Pb contaminated pyrite. International Journal of Mineral
Processing. 1997, vol. 49, 3-4, s. 207-221. DOI: 10.1016/S0301-7516(96)00016-6.
[7] CHANDRA, Anand P. et al.: Copper and xanthate adsorption onto pyrite surfaces: Implications for
mineral separation through flotation. International Journal of Mineral Processing. 2012, 114-117, s. 16-
26. DOI: 10.1016/j.minpro.2012.08.003.
[8] CHAU, T.T. A review of techniques for measurement of contact angles and their applicability on mineral
surfaces. Minerals Engineering. 2009, roč. 22, č. 3, s. 213-219. ISSN 08926875. DOI:
10.1016/j.mineng.2008.07.009.
[9] DING, Li Ping. Investigation of Bituminous Coal Hydrophobicity and its Influence on Flotation. Energy.
2009-11-19, vol. 23, issue 11, s. 5536-5543. DOI: 10.1021/ef900589d
[10] CHAU, T.T. et al.: A review of factors that affect contact angle and implications for flotation practice.
Advances in Colloid and Interface Science. 2009, roč. 150, č. 2, s. 106-115. ISSN 00018686. DOI:
10.1016/j.cis.2009.07.003.
[11] OFORI, Philip et al.: Assessing the Hydrophobicity of Petrographically Heterogeneous Coal
Surfaces. Energy. 2010-11-18, vol. 24, issue 11, s. 5965-5971. DOI: 10.1021/ef100793t.
[12] YOUNG, T. An Essay on the Cohesion of Fluids. Philosophical Transactions of the Royal Society of
London. 1805-01-01, vol. 95, issue 0. DOI: 10.1098/rstl.1805.0005.
[13] DEY, Shobhana. Enhancement in hydrophobicity of low rank coal by surfactants — A critical
overview. Fuel Processing Technology. 2012, vol. 94, issue 1, s. 151-158. DOI:
10.1016/j.fuproc.2011.10.021.
[14] BAEK, Youngbin, et al.: Measuring hydrophilicity of RO membranes by contact angles via sessile drop
and captive bubble method. Desalination. 2012, vol. 303, s. 23-28. DOI: 10.1016/j.desal.2012.07.006.
[15] LIN, F.Y.H. a LI Dongqing. The effect of surface heterogeneity on the drop size dependence of contact
angles. Chemical Engineering Science. 1995, vol. 50, issue 16, s. 2633-2639. DOI: 10.1016/0009-
2509(95)00117-N.
[16] MUGANDA, S., M. ZANIN a S.R. GRANO. Benchmarking flotation performance: Single
minerals. International Journal of Mineral Processing. 2011, vol. 98, 3-4, s. 182-194. DOI:
10.1016/j.minpro.2010.12.001
[17] SHOJAI KAVEH, Narjes, E. et al.: Wettability determination by contact angle measurements: hvbB
coal–water system with injection of synthetic flue gas and CO2. Journal of Colloid and Interface Science.
2011, vol. 364, issue 1, s. 237-247. DOI: 10.1016/j.jcis.2011.07.091.
[18] CHIPFUNHU, Daniel et al.: The dependency of the critical contact angle for flotation on particle size –
Modelling the limits of fine particle flotation. Minerals Engineering. 2011, vol. 24, issue 1, s. 50-57.
DOI: 10.1016/j.mineng.2010.09.020.
[19] MUGANDA, S. et al.: Influence of particle size and contact angle on the flotation of chalcopyrite in a
laboratory batch flotation cell. International Journal of Mineral Processing. 2011, vol. 98, 3-4, s. 150-
162. DOI: 10.1016/j.minpro.2010.11.004.
[20] MONTALTI, Marianne, Daniel FORNASIERO a RALSTON. Ultraviolet-visible spectroscopic study of
the kinetics of adsorption of ethyl xanthate on pyrite. Journal of Colloid and Interface Science. 1991, vol.
143, issue 2, s. 440-450. DOI: 10.1016/0021-9797(91)90278-G.
[21] LEPPINEN, J.O. FTIR and flotation investigation of the adsorption of ethyl xanthate on activated and
non-activated sulfide minerals. International Journal of Mineral Processing. 1990, vol. 30, 3-4, s. 245-
263. DOI: 10.1016/0301-7516(90)90018-T.
Energetika a životní prostředí 2014
49
ZKUŠENOSTI S UVÁDĚNÍM VÝSLEDKŮ VÝZKUMU A VÝVOJE DO PRAXE
Stanislav KRAML 1, Bohumír ČECH
2
1 Ing., TENZA, a.s.,
e-mail [email protected]
2 doc. Dr. Ing., Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita Ostrava
17.listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 9332
e-mail [email protected]
Abstrakt
Komercializace výsledků výzkumu a vývoje je další fází životního cyklu produktu. Přináší nové poznatky
o daném produktu a potřebu jeho přizpůsobení nové situaci.
Klíčová slova: Výzkum, vývoj, komercializace.
1 ÚVOD
Co se děje po ukončení projektu výzkumu a vývoje? Odpověď na tuto otázku je potřeba vyhledat
v rozsahu projektu výzkumu a vývoje (VaV) a jeho projektovaných výsledcích. Zpravidla jsou požadovány
následující výsledky:
recenzovaný odborný článek, odborná kniha, kapitola v odborné knize, článek ve sborníku, patent,
poloprovoz, ověřená technologie, odrůda, plemeno, užitný vzor, průmyslový vzor, prototyp, funkční vzorek,
výsledky promítnuté do právních předpisů a norem, výsledky promítnuté do směrnic a předpisů nelegislativní
povahy závazných v rámci kompetence příslušného poskytovatele, výsledky promítnuté do schválených
strategických a koncepčních dokumentů VaVaI orgánů státní nebo veřejné správy, certifikovaná metodika,
léčebný postup, památkový postup, specializovaná mapa s odborným obsahem, software, výzkumná zpráva,
souhrnná výzkumná zpráva, audiovizuální tvorba, uspořádání výstavy, uspořádání konference, uspořádání
workshopu, ostatní výsledky.
Výsledky projektu jsou však pouhým článkem uvádění jejich využití v praxi. Nicméně jsou tyto výsledky
nedílnou a velmi důležitou částí podnikatelské praxe. Jejich správné začlenění do procesu podnikání rozhoduje o
návratu prostředků vložených do VaV, vytváření hodnot podnikatelskými subjekty a nárůstu společenského
bohatství. Výsledky nemusí nutně končit komercializací, nicméně výsledky aplikovaného výzkumu a vývoje by
měly být komercializovány a to co nejdříve.
Nejsnáze komercializovány jsou výsledky vytvářené ve spolupráci s podnikatelskými subjekty, které se
na oblast, v níž se výsledek vyskytuje, zaměřují. Optimální je, aby se daný podnikatelský subjekt přímo podílel
na výzkumu a vývoji. Tím jsou snížena rizika výzkumu a vývoje z důvodu nevhodného zaměření na tržní
segment.
Zavádění výsledků VaV do praxe se provádí prostřednictvím služeb a výrobků. Zkušenosti z praxe
potvrzují, že rychlost zavádění je dána mnohými faktory jako je legislativa, změna vstupních cen surovin, změna
chování zákazníků, demografické změny, změny podílu na trhu různých konkurentů, schopnost zákazníků
vnímat pozitivní vliv nového produktu atd.
Podstatné je také, do jaké míry ovlivňuje výsledek VaV stávající společenské (a i podnikatelské) systémy.
Rozsah ovlivnění výsledku VaV můžeme rozdělit do následujících skupin:
Vyvinutý produkt (např. výrobek) nahrazuje jiný výrobek se stejnou funkcí, ale s lepšími užitnými
vlastnostmi. Doba do prvních komerčních aplikací od ukončení projektu VaV je relativně krátká (např.
vývoj čerpadla s vyšší účinností, vyšší životností). Doba je dána prakticky procesním cyklem počínajícím
ve fázi projektu nebo nákupu.
Vyvinutý produkt mění významně charakteristiku systému, do kterého je začleněn. Pro jeho komercializaci
je nutno provádět rozsáhlou propagační a osvětovou kampaň mezi potenciálními uživateli, projektanty,
nákupčími a další veřejností. V daném případě se doba zavádění výsledků VaV i pro relativně jednoduché
inovace může prodloužit na několik let.
Energetika a životní prostředí 2014
50
Vyvinutý produkt je doplňkem stávajících systémů, ale stávající systémy v jejich funkci neovlivňuje a
zvyšuje pouze jejich užitnou hodnotu. Doba zavedení výsledků VaV podléhá procesnímu cyklu počínajícím
projektem.
Vyvinutý produkt mění zásadním způsobem vlastnosti stávající soustavy. V případě změny vlastností
stávajících systémů je nutno prověřovat vliv na stávající systémy ještě před vlastní projektovou činností.
V těchto případech proces nasazení počíná zpracováním studie proveditelnosti a je tedy relativně dlouhý.
Aplikace vyvinutého produktu je napříč obory. V daném případě nemusí být zřetelné, kdo je hlavním
uživatelem výsledků VaV. Uživatel výsledků může jenom těžit z problémů v jiném oboru a může je
využívat ke svému prospěchu. V těchto případech může být více cílových skupin. Je nutno hledat cílové
uživatele v rámci všech potenciálních skupin. Jednotliví potenciální uživatelé obtížněji nabývají
přesvědčení o vhodnosti daného řešení, přesouvají se z různých důvodů do názorově odlišných skupin.
V těchto případech je uvádění výsledků VaV do praxe časově nejnáročnější a nejobtížnější. Pro nositele
výsledku VaV vzrůstají nároky na znalosti různých oborů, nároky na široké profesní obsazení, nároky na
řízení a koordinaci všech procesů. V těchto případech se jedná o časově a finančně velmi nákladnou
činnost. Při vyšší komplikovanosti aplikace výsledků VaV vzrůstají rizika z nesprávného prvotního
stanovení cílů a záměrů VaV. Nesprávné určení cílové skupiny uživatelů výsledků může způsobit velké
časové zpoždění v zavádění výsledků. V případě nasazení výsledků do jiné cílové skupiny, než byla
původně uvažována, změní se způsob užívání se všemi možnými dopady. Jedná se např. o snížení
životnosti, spolehlivosti atd. Může také dojít ke zvýšení komplikovanosti nasazení se všemi dalšími dopady
(ekonomické, funkční atd.).
1.1 Některé způsoby eliminace nepříznivých vlivů.
Ve fázi vzniku záměru
spolupracovat s výzkumnými pracovišti a podrobit záměry teoretickým rozborům
prověřit důsledně tržní potenciál produktu
důsledně se držet dlouhodobé podnikové strategie
ověřit motivaci potenciálních uživatelů ke koupi výsledků VaV
zjistit skutečnou motivaci potenciálních uživatelů
zjistit konkurenční řešení
zjistit stabilitu trhu a předpokládaný vývoj trhu
navrhnout náhradní komerční uplatnění výsledků VaV
Ve fázi vzniku výsledků VaV
průběžně ověřovat a zpřesňovat výstupy z etapy vzniku záměru
tvořit výsledky v účinné a otevřené spolupráci s výzkumnými organizacemi
vést pečlivě činnost VaV se zřetelem k budoucímu uplatnění ve větší šíři, než se předpokládalo
zohledňovat ve vývoji výrobní fáze a výrobní možnosti
činnosti VaV provádět způsobem vhodným pro následné využívání výsledků ve výrobě a obchodě
zachovávat funkční vzorky, poloprovozní jednotky a prototypy pro další ověřování po dokončení VaV
Ve fázi komercializace výsledků VaV
pro ověřování a přesvědčování zákazníků využívat poloprovozní jednotky, funkční vzorky, prototypy a
další výsledky VaV
navazovat na provedený výzkum a získávat další poznatky o daných produktech ve spolupráci
s výzkumnými pracovišti
prověřovat aplikace výsledků VaV v dalších oborech
2 ZÁVĚR
Proces výzkumu a vývoje se v zásadě řídí stejnými pravidly jako každá jiná činnost. Je specifická tím, že
se od jiných činností odlišuje vyššími riziky neúspěchu, vyššími nároky na plánování, provádění změn, kvalitu
projektu, důslednost. Výzkumná a vývojová činnost s úspěšnou komercializací výsledků je však jediným
způsobem trvale udržitelného rozvoje.
Energetika a životní prostředí 2014
51
ČISTÍRENSKÉ KALY Z POHLEDU (ČESKÉ) ENERGETIKY
SEWAGE SLUDGE IN (CZECH) ENERGETICS
Jan KRŇÁVEK, Marek HRKAL
IVITAS, a.s., oddělení Speciální výpočty
Ruská 83/24, Ostrava - Vítkovice, tel. (+420) 59 731 7304
e-mail [email protected]
Abstract
IVITAS Company is one of the industrial partners of the project TE01020036, Competence Centers -
Advanced technologies for the production of heat and electricity. Partial objective of this project is to analyze the
possibility of co-combustion of coal and sludge from sewage treatment plants, using the technology of powder
boilers, including the implementation of pilot and field testing. Currently is the project in variability analysis
phase of sludge composition, depending on geographic sewage treatment plants location, or on the season. This
paper describes the basic features of the development of sludge management in the Czech Republic, shows
sewage sludge as one of the possible alternative fuels, including a brief summary of the advantages and
disadvantages for energy purposes and shows composition variations in comparison with foreign wastewater.
Key words: Sewage Sludge, Co-Firing, Pulverised fuel.
Abstrakt
Firma IVITAS, a.s. je jedním z průmyslových partnerů projektu TE01020036, Centra kompetence –
Pokročilé technologie pro výrobu tepla a elektřiny. Dílčí náplní tohoto projektu je analýza možností spolu-
spalování uhlí a kalů z čistíren odpadních vod, s využitím technologie práškových kotlů, včetně provedení
poloprovozních i provozních zkoušek. V současné době je projekt ve fázi analýz složení kalů a jejich
proměnnosti, v závislostech například na geografické poloze čistírny odpadních vod, nebo na ročním období.
Tento příspěvek přibližuje základní rysy vývoje kalového hospodaření v ČR, ukazuje čistírenský kal jako jedno z
možných alternativních paliv, včetně stručného shrnutí jeho výhod a nevýhod pro energetické účely a také kaly
analyzuje z hlediska odchylek ve složení v porovnání se zahraničními čistírnami.
Klíčová slova: Čistírenský kal, spolu-spalování, práškové palivo.
1 ÚVOD
Spoluspalování biomasy a uhlí je obecně považováno za efektivní možnost, jak zvýšit podíl
obnovitelných zdrojů energie na úkor spotřeby fosilních paliv a současně snížit antropogenní emise CO2.
Přechod stávající technologie na spalování uhelného prášku a vhodného alternativního paliva ve směsi, vyžaduje
poměrně nízké investiční náklady, při zachování energetické účinnosti a zvýšení flexibility paliva. Svou roli hrají
také důvody legislativní, jako je omezování skládkování hořlavých odpadů.
Jedním z potenciálně vhodných paliv pro spolu-spalování v práškových kotlích v ČR je i kal z čistíren
odpadních vod. V ČR je tento odpad v současnosti termicky likvidován jen z cca 1-2% jeho celkové produkce a
většina je využívána na rekultivace, nebo skládkována. Důvody, proč tomu tak je, jsou technicko-ekonomické,
především však legislativní.
Obr. 1. Produkce (sušiny) a energetické využití čistírenských kalů v ČR, vývoj počtu ČOV. Data z [3]
Energetika a životní prostředí 2014
52
2 LEGISLATIVA VE VZTAHU KE SPOLUSPALOVÁNÍ KALŮ
Elektrárny a teplárny, které by mohly přejít na spoluspalování uhelného prášku a čistírenských kalů ve
velkém měřítku, jsou vyjmenovanými zdroji znečišťování ovzduší a vztahuji se na ně ustanovení zákona
č. 201/2012 Sb. a vyhlášky č. 415/2012 Sb. Významným omezením jsou emisní limity a technické podmínky
provozu, zejména však specifické emisní limity pro stacionární zdroje tepelně zpracovávající odpad společně s
palivem jiné než spalovny odpadu a cementářské pece. Nakládání s odpady (včetně kalů z čistíren) upravuje
Zákon č. 185 / 2001 Sb., o nakládání s odpady, vyhláška č. 453 /2008 Sb., kterou se mění vyhláška č. 482/2005
Sb. ve znění vyhlášky č.5/2007 Sb., o stanovení druhů, způsobu využití a parametrech biomasy při podpoře
výroby elektřiny z biomasy.
Ohledně zákona o odpadech je třeba poznamenat, že se připravuje rozsáhlá novela, jejíž vládní návrh je
ve stavu po meziresortním připomínkovém řízení v poslanecké sněmovně parlamentu ČR. Právní úprava v této
novele, pokud bude přijata, změní podmínky ve prospěch energetického využití odpadu včetně čistírenských
kalů, oproti skládkování.
Podle platné legislativy lze i v současnosti spoluspalovat čistírenské kaly ve stavu usušeném a
stabilizovaném v práškových kotlích, o tepelném výkonu větším než 50 MW, rozšířením jejich integrovaného
povolení. Lze snadno nahlédnout, že využitím stávajících zařízení se značně sníží potřeba dalších investičních
nákladů, zejména pokud se uvažuje o výstavbě velkých spaloven odpadu.
Spoluspalování čistírenských kalů ve velkých elektrárenských a teplárenských kotlích je běžné v mnoha
zemích EU a to souběžně s jinými způsoby jejich termické likvidace. Jako příklad lze uvést mimo jiné elektrárny
v Německu spalující více než 10 tis. tun čistírenských kalu (sušina) za rok. Obsah kalu ve směsi s uhelným
práškem u těchto zařízení se pohybuje do 10 % hm. Z dostupných emisních a tepelně-energetických údajů
z těchto elektráren lze odvodit, že spoluspalování uhlí s přídavkem kalu do uvedené hodnoty 10% nemá
významný vliv na provoz kotlů, v porovnání s provozem jen na uhelný prášek. Uvádí se nevýznamné zvýšení
emise některých plynných znečišťujících látek ve spalinách a též některých těžkých kovů v popílku
odcházejícím se spalinami do ovzduší, nebo v popelovinách. Úspěšné spalovací zkoušky se spoluspalováním
usušených stabilizovaných čistírenských kalu proběhly v minulých letech i u našich severních sousedů na
vybraném kotli elektrárny Wybřeže v Gdaňsku.
Je samozřejmé, že zavedení této metody ve stávajících výrobnách tepla a elektřiny v Česku vyžaduje
řešení množství často složitých technických problémů a doložení splnění požadavků legislativy na základě
výsledků spalovacích zkoušek, které však nejsou limitující, jak ukazují příklady ze zahraničí. Limitující může
být přístup úředníků, zpracovávajících žádosti o integrované povolení, resp. jeho rozšíření s poukazem na
potřebu doplnění, změny, či úpravy příslušné legislativy (zákon o integrované prevenci případně další), nebo tzv.
efekt NIMBY.
3 SLOŽENÍ ČISTÍRENSKÉHO KALU
Kal je odpad, vznikající při zpracování a čištění odpadních vod. Technologie čistíren odstraňuje
nežádoucí složky z vody a koncentruje je do vedlejšího proudu - kalu. Koncentrace prospěšných i znečišťujících
složek v kalu (a zdravotní rizika s nimi spojená) závisí na počáteční kvalitě odpadní vody, technologii čistírny a
jejím chemickém hospodářství. Svou roli hraje také například roční období, lokalita či velikost (počet
ekvivalentních obyvatel) čistírny.
Na Obr. 2 je vidět proměnlivost obsahu hořlaviny a výhřevnosti vybraných vzorků kalů, jejichž analýzy
byly prováděny v rámci plnění první etapy té části projektu PTTE, věnující se jejich složení kalů z ČOV. Do
grafu na Obr. 3 jsou vybrány čistírny dle velikosti ekvivalentních obyvatel (EO). Malá čistírna má 33000 EO,
střední 164500 EO a velká cca 500000 EO. Obrázek Obr. 3 zachycuje průměrný obsah hořlaviny a výhřevnosti
vzorků kalu, odebraných ve čtyřech sériích v průběhu celého roku na vybraných čistírnách všech uvedených
velikostí v ČR, v porovnání s dostupnými analýzami kalů ze zahraničí. Data ze zahraničních čistíren jsou získána
z celkem 92 analýz od r. 1995 do současnosti, přičemž nejvíc dostupných analýz pochází z Německa (18).
Směrodatná odchylka výhřevnosti českých kalů je 1,55 MJ/kg. Z těchto charakteristik je mimo jiné vidět, že
obsah hořlaviny a výhřevnosti kalů se v průběhu roku významně nemění, nejvyšší výhřevnosti je dosahováno v
chladných měsících roku, což pravděpodobně souvisí s nižším stupněm vyhnití kalu a menší výtěžností
bioplynu. Srovnání obsahu hořlaviny a výhřevnosti českých a zahraničních kalů ukazuje na jejich prakticky
zanedbatelné rozdíly.
Energetika a životní prostředí 2014
53
Obr. 2 Sezónní proměnlivost obsahu hořlaviny a
výhřevnosti kalů z čistíren odp. vod v ČR.
Obr.3. Průměrný obsah hořlaviny a výhřevnosti v
kalech z různých dostupných zdrojů v EU
Charakteristika na Obr. 4 ukazuje čistírenský kal z hlediska termoplasticity popele, Obr. 5 a Obr. 6 z
hlediska obsahu vybraných stopových prvků. Opět se jedná o srovnání námi analyzovaných vzorků z vybraných
čistíren odpadních vod v ČR, ve srovnání s daty dostupnými ze zahraničí. Z dat jsou vyneseny průměrné
hodnoty, kdy směrodatné odchylky jsou v grafech znázorněny svislými úsečkami. Z uvedených charakteristik
vyplývá, že změny uvedených ukazatelů u jednotlivých vzorků jsou ve většině případů poměrně málo významné.
Výjimku tvoří koncentrace chlóru, což je bohužel zároveň jeden z prvků, které jsou v úzké souvislosti s
vysokoteplotní korozí, a proto z hlediska spolu-spalování velmi důležitých.
Obr. 4. Termoplasticita popele Obr. 5. Zastoupení vybraných prvků Obr. 6. Koncentrace Zn a S
V rámci řešeného úkolu byly podrobně prozkoumány i další charakteristiky z hlediska složení kalů nebo
jejich popelovin, stejně tak jako technické otázky související například s dávkováním sekundárního paliva do
kotle, nebo vhodné konfigurace hořáků.
4 DŮSLEDKY SPOLUSPALOVÁNÍ VE STÁVAJÍCÍCH PRÁŠKOVÝCH KOTLÍCH
Spolu-spalování dvou typů paliv má vliv na celou řadu parametrů spalovacího procesu a zařízení. Jedním
z důležitých provozních faktorů je odlišná tepelná hustota paliv, tzn., že pokud je například kalem nahrazeno
10% tepelného příkonu kotle, objem samotného paliva vedeného do kotle se téměř zdvojnásobí. Vliv
sekundárního paliva je nutné uvést také na teploty tání popelovin, v případě spolu-spalování uhlí s kalem dochází
k posunu častěji směrem k nižším teplotám, to pak ve svém důsledku může vést k nárůstu úsad na vnitřních
plochách kotle či tepelných výměníků či vyšší míře úsad i bez změny charakteristických teplot tání. V případě
sekundárního paliva s vysokým obsahem popela může dojít také k nárůstu eroze povrchu tepelných výměníků.
Dalším parametrem nutným ke zvážení jsou i změny objemových toků spalin, což má vliv na účinnost kotle a
systému čistění spalin. Složení sekundárního paliva ovlivňuje celkové emise ze spalovacího procesu a kvalitu a
složení popelovin. V případě spalování sekundárního paliva s vysokým obsahem Cl může dojít i k nárůstu
vysokoteplotní koroze. Rozhodujícím faktorem pro případné výše uvedené potíže je zejména míra přídavku
sekundárního paliva.
5 CENTRUM KOMPETENCE – PTTE A PROBLEMATIKA SPOLUSPALOVÁNÍ KALŮ
Centra kompetence – Pokročilé technologie pro výrobu tepla a elektřiny, jsou zaměřena na uplatnění
nových poznatků v oblasti teplárenství, rozšíření poznatků o vlastnostech paliv, zvýšení účinnosti zařízení,
Energetika a životní prostředí 2014
54
snížení vlastní spotřeby i optimalizace distribučních sítí. Firma IVITAS, a.s. se podílí na řešení dvou
souvisejících pracovních balíčků: Paliva a Odvod a úprava spalin, kdy právě čistírenské kaly byly po důkladné
analýze vybrány jako jedno z potenciálně využitelných alternativních paliv.
V rámci spolupráce jednotlivých partnerů vznikají, nebo jsou již testovány, dva prototypy vysoušečů kalů
(vakuový princip – EnviPur a princip Peltierových článků – ČVUT). Ivitas připravuje společně s VŠB –
Výzkumným energetickým centrem, poloprovozní a provozní testy, přičemž poloprovozní zkoušky spalování
budou probíhat v roce 2015 na Zkušebním spalovacím zařízení IVITAS, a.s. Tyto testy budou prováděny za
účelem ověření spolu-spalovacích režimů a vznikajících matematických modelů (model hoření směsi s přímým
chemismem a model růstu úsad na teplosměnných plochách kotle). Pro verifikaci modelu růstu úsad a
struskování byla ve firmě IVITAS, a.s. vyvinuta chlazená sonda, která bude v průběhu zkoušek umisťována do
stanovených míst spalovací komory. Zkoušky jsou provázány i s pracovním balíčkem Odvod a úprava spalin,
v rámci kterého budou měřeny vznikající emise, ale především testovány moderní filtrační materiály na bázi
nano-katalytických vrstev, vyvíjené na TU v Liberci. Získaná data výrazně přispějí k minimalizaci negativních
dopadů na emise a technologii samotnou, při průmyslovém využití směsných paliv.
6 ZÁVĚR
Shrneme-li nejvýznamnější aspekty, na které se náš výzkum v oblasti spolu - spalování kalů zaměřuje, tak
je to například studium vlivu přídavku kalu na emise vybraných prachových částic, distribuci velikosti částic,
srovnání vlivu dávkování paliva (směsné palivo vs. oddělené dávkování) na koncentrační profil O2, NOx a CO,
vliv přídavku kalu a dávkování na emise NOx, predikce trajektorie částic pro jednotlivá paliva, vliv rychlosti
částice a přídavku kalu na emise NOx pro různé typy plamene, vliv stechiometrického přebytku vzduchu na
tvorbu NOx při sekundárním dávkování, melitelnost a granulometrie kalů, složení pevných zbytků, vliv teploty a
doby zdržení na vyhoření částic kalu a uhlí, teplota vznícení kalu, uhlí a jejich směsi v závislosti na teplotě,
rychlost a faktory ovlivňující struskování a v neposlední řadě také komínové emise.
Cílem prováděných prací souvisejících se spolu-spalováním čistírenského kalu je zvládnutí této
problematiky do té míry, že budeme schopni navrhnout a dodat technologii pro spolu-spalování kalů na
stávajících zařízeních, která spalující uhelný prášek a zároveň optimalizovat jejich provoz tak, aby byly
minimalizovány potenciálně negativní vlivy na technologii, či emise. Jedním z výstupů, ke kterým začnou naše
činnosti směřovat po provedení poloprovozních zkoušek a úspěšné verifikaci matematických modelů, bude
například vývoj vlastního nízko-emisního hořáku pro spalování uhelného prášku ve směsi.
PODĚKOVÁNÍ
Projekt Centrum kompetence TE01020036DV006 je řešen s finanční podporou TA ČR.
LITERATURA
[1] IVITAS, a.s., Analýza typů biomasy a alternativních paliv, technická zpráva projektu CK PTTE, 4-IVE-
11 068, 2012.
[2] IVITAS, a.s., Analýza složení a vlastnosti alternativních paliv – stanovení vlastností v budoucnu
využívaných paliv na bázi biomasy a kalů, TE01020036DV006, 2013.
[3] Český statistický úřad, dostupné online: <http://www.csu.cz>
[4] Abbas T., Costen P., Glaser K., Hassan S., Lockwood F., Ou J.J. Combined Combustion of Biomass,
Municipal Sewage Sludge and Coal in a Pulverised Fuel Plant. In: Combined Combustion of
Biomass/Sewage Sludge and Coals, Volume II: Final Reports, EC-Research Project APAS Concract
COAL-CT92-0002, ISBN 3-928123-16-5.
[6] Seames W.S., Fernandez A. Wendt J.O.L., A Study of Fine Particulate Emissions from Combustion of
Treated Pulverized Municipal Sewage Sludge, Environmental Science & Technology, 2002, 36, 2772–
2776.
[7] ECN laboratories, dostupné online: <https://www.ecn.nl>
[8] Pronobis M. The influence of biomass co-combustion on boiler fouling and efficiency, Fuel, 2006, 85,
474–480
[9] Kicherer A., Gerhardt T., Spliethoff H., Hein K.R.G. Co-combustion of Biomass/Sewage Sludge with
Hard Coal in a Pulverized Fuel Semi-Industrial Test Rig. In: Combined Combustion of
Biomass/Sewage Sludge and Coals, Volume II: Final Reports, EC-Research Project APAS Concract
COAL-CT92-0002, ISBN 3-928123-16-5.
[10] Kupka T., Zajac K., Weber R. Effect of Fuel Type and Deposition Surface Temperature on the Growth
and Structure of an Ash Deposit Collected during Co-firing of Coal with Sewage Sludge and Sawdust,
2009, 23, 3429–3436.
[11] Hein K. R. G.: Combined combustion of biomass/sewage sludge and coals. Clean Coal Technology
Programme 1992–1994, Stuttgart, ISBN 3–928123–16–5,(1994).
Energetika a životní prostředí 2014
55
[12] Font R., Fullana A., Conesa J. A., Llavador F.: Analysis of the pyrolysis and combustion of different
sewage sludges by TG. J. Anal. Appl. Pyrolysis 58–59, 927–941 (2001).
[13] Hartman M., Pohořelý M., Trnka O.: Chemická a palivová charakteristika anaerobně stabilizovaného
čistírenského kalu a jeho popela. Chem. Listy 100(9), 813–820 (2006).
[14] Wolski N., Maier J., Hein K.R.G. Fine particle formation from co-combustion of sewage sludge and
bituminous coal, Fuel Processing Technology, 2004, 85, 673–686.
Energetika a životní prostředí 2014
56
VÝSKYT „BLACK CARBON“ V OVZDUŠÍ MĚSTA OSTRAVY
OCCURENCE OF BLACK CARBON IN AIR OF OSTRAVA
Marek KUCBEL1, Barbora SÝKOROVÁ
2
1 Ing., Department of Power Engineering, The Faculty of Mechanical Engineering, VŠB – Technical
University of Ostrava,
17. Listopadu 15/2172, Ostrava, tel. (+420) 59 732 9330
e-mail [email protected]
2 Ing., Institute of Environmental Engineering, The Faculty of Mining and Geology VŠB – Technical
University of Ostrava,
17. Listopadu 15/2172, Ostrava, tel. (+420) 59 732 9330
e-mail [email protected]
Abstract
The paper deals with the black carbon (BC) particles. Black carbon belongs to a class of air pollutants
called particulate matter. Black carbon is created from the incomplete combustion of fossil fuels, wood and
biomass. BC play an important role in influencing the radiative properties of Earth’s atmosphere.This paper
discusses about variations in BC concentrations in Ostrava-Zábřeh, which were measured from 9.1.2012 to
21.3.2013. BC aerosols were measured using an aethalometer (AE-42). Total concentration of BC was
determined as value 2,22 µg/m3. Seasonal changes in 2012 showed that during the winter months the
concentration of BC was increased three times higher compared to the summer period. Furthermore, It was
observed influence of meteorological parameters on the BC concentrations. Concretely, the significant
correlation was observed between BC concentrations with temperature, wind direction, wind speed, pressure,
and last but not least, the relative humidity.
Key words: Black carbon, PM2,5, Aethalometer, meteorological parameters
Abstrakt
Následující práce se zabývá hodnocením koncentrací black carbon (BC). Black carbon vzniká při
nedokonalém spalování fosilních paliv, dřeva a biomasy a hraje roli při ovlivňování radiační vlastností zemské
atmosféry. Práce hodnotí koncentrace BC měřené na území města Ostravy. Denní měření bylo uskutečněno
v období od 9.1.2012 do 21.3.2013 pomocí přenosného aethalometru (AE-42). Přičemž medián koncentrace BC
pro toto období byl stanoven na hodnotu 2,22 µg/m3. Kdy hodnoty během zimní sezóny roku 2012 byly až
trojnásobně vyšší, oproti hodnotám měřeným během letních měsíců téhož roku. Současně byl studován i vliv
meteorologických parametrů na koncentraci BC. Kdy byla zjištěná významná závislost koncentrací BC na
teplotě, směru větru, rychlosti větru, tlaku a v neposlední řadě na relativní vlhkosti vzduchu.
Klíčová slova: Black carbon, PM2,5, Aethalometr, meteorologické parametry
1 ÚVOD
Částice black carbon (BC) jsou součástí atmosférických aerosolů, často jsou milně označovány jako
elementární uhlík. Dalo by se sice říci, že BC a EC jsou do jisté míry identické formy uhlíku, avšak podle
úmluvy, uhlík stanoven termickými a termo-optickými metodami se označuje jako EC, zatímco uhlík určen
optickými metodami, je BC [1, 2]. Navíc BC a EC mají i odlišné tepelné, optické vlastnosti a chemické chování
[3]. Zatímco se přesná definice světlo-absorbujících uhlíkatých aerosolů liší [4], panuje obecná shoda, že BC
silně absorbuje viditelnou oblast slunečního záření; přičemž Bond a Sun, 2005 uvádí, že BC absorbuje přibližně
1 milion krát více sluneční energie na jednotku hmotnosti než CO2 [5], proto se BC považuje za druhého
největšího přispívatele ke globálnímu oteplování po CO2 [6,7]. BC je odlišným typem uhlíkatého materiálu,
který silně absorbuje sluneční záření v oblasti viditelného a infračerveného spektra. Přitom jak je absorbovaná
solární energie BC ohřívá okolní vzduch [8, 9, 10]. Je nerozpustný ve vodě, v organických rozpouštědlech,
včetně metanolu, acetonu; i při velmi vysokých teplotách si zachovává svůj základní tvar, má vysokou teplotu
tání v blízkosti teploty cca 3726,85 °C [6]. Během transportních procesů mohou částice BC, které jsou porézní a
mají velký specifický povrch, zachytit sekundární znečišťující látky, což má vliv na změnu fyzikálních a
chemických vlastností aerosolu[9]. Velký specifický povrch částic BC emitovaných do ovzduší navíc umožňuje,
aby na něj byly absorbovány různé produkty nedokonalého spalování, jakými jsou např. PCDD, PCDF, PAH,
Energetika a životní prostředí 2014
57
PCB a tím je snížená jejich dostupnost ve volném ovzduší [11]. Vznik částic BC je spjatý s neefektivním
(nedokonalým) spalováním těkavých látek obsažených v uhlíkatých palivech zejména fosilních, v biopalivu a
biomasy [8, 9, 10]; přičemž jejich tvorba je ovlivněna řadou parametrů, mezi něž patří typ paliva, teplota
plamene, doba zdržení, poměr C/O [12], či tlak [13]. V případě, že není při spalování přítomné dostatečné
množství kyslíku nebo palivo není dobře smíseno s kyslíkem (vzniká hypoxická oblast) a čím více těkavých
látek je obsaženo v palivu, tím snadněji se tvoří částice BC [11]. Velikost těchto částic se pohybuje v rozmezí od
0,01 µm do 1 μm [8, 9]. Procesem spalování vznikají prvně malé nanometrové grafitové částice, které se
postupně koagulaci spojují ve větší agregáty, a vznikají tak částice submikronové velikosti [14]. Ukázalo se, že
velikost částic čerstvě emitovaného BC z fosilních paliv se pohybuje v rozmezí 120 až 160 nm, zatímco velikost
čerstvě emitovaného BC vzniklého ze spalování biomasy se pohybuje nad 200 nm [15]. Zřetelný rozdíl ve
velikosti mezi částicemi BC ze spalování fosilních paliv a spalování biomasy se, tak zdá být obecným rysem.
Lze také konstatovat, že spalování biomasy se jeví jako dominantní zdroj BC především v tropických oblastech a
nad většinou jižní polokoule, zatímco spalování fosilních paliv (z různých průmyslových zdrojů a dieselové
dopravy) je zpravidla více důležitým hlediskem v městských oblastech, zejména na severní polokouli [16, 17].
Četnými studiemi, zabývajícími se spalováním biomasy bylo zjištěno, že 50 % uhlíkaté hmoty představují
částice PM2,5, přičemž většina uhlíku je tvořená organickým uhlíkem a jen 10 % a méně představuje BC [18, 19].
Podle Ramanathan a Carmichael, 2008 je přibližně 20 % BC emitováno spalováním biopaliv v domácích
topeništích (dřevo a zemědělské odpady), 40 % spalováním fosilních paliv (uhlí a ropy spálené v průmyslových
a mobilních zdrojích) a 40 % z otevřeného spalování biomasy, zahrnující záměrné spalování v zemědělství a
lesnictví, jakož i ničivé požáry [7]. Částice BC produkované při nedokonalém spalování vegetace vykazují
zvýšený obsah OC a kondenzovaných benzenových jader [20]. Navíc BC vzniklý při spalování biomasy velmi
dobře koreluje s draslíkem [21]. Zatímco BC emitovaný spalováním fosilních paliv dobře koreluje s NOx [22].
Black carbon lze sice využít jako dobrý indikátor znečištění ovzduší, které pochází z nedokonalého
spalování, buď biomasy, či fosilních paliv. Nicméně, se lze střetnout i s řadou problému, které vyplývají z
nestálých chemických a fyzikálních vlastností těchto částic. Nejčastěji jsou částice BC tvořeny trojrozměrnou
strukturou s vysokým obsahem uhlíku a relativně málo funkčními skupinami, tím jsou tyto částice poměrně
inertní a to umožňuje jejich dlouhé setrvání v životním prostředí [13, 23]. Na druhou stranu je velikost částic BC
většinou menší než 1 μm a společně v závislosti na meteorologických podmínkách setrvávají v atmosféře
maximálně dny až týdny a jsou rovněž schopny dálkového transportu [24, 25]. Krátké setrvání v atmosféře
odkazuje na fakt, že jeho přínos v oteplování klimatu, účincích na albedo a lidské zdraví by rychle pominul,
pokud by došlo k snížení emisí BC [2]. Depozice BC na sněhové / ledové plochy snižuje povrchové albedo a
zvyšuje schopnost těchto povrchů absorbovat sluneční záření. Tím dochází ke zvýšení povrchové teploty těchto
exponovaných ploch a urychluje se tak tání ledovců a sněhové pokrývky na celém světě [26].
Black carbon je významnou složkou vzdušných suspendovaných aerosolových částic PM, zvláště pak
částic o aerodynamickém průměru menším než 2,5 µm, a proto je spojován s řadou respiračních
a kardiovaskulárních onemocnění [27]. Tyto kardiovaskulární onemocnění mají za následek akutní symptomy
astmatu, chronická onemocnění a předčasné úmrtí [28, 29]. Navíc velký specifický a porézní povrch částic BC
rovněž umožňuje sorpci řady toxických látek a mikroorganismů, které mohou nepříznivě působit na lidský
organismus [30]. Značnou mírou jsou kromě black carbonu na částice PM2,5 navázané rovněž PAHs, přičemž
některé z nich jsou prokázané karcinogeny [28]. Nanometrové velikosti částic BC se mohou vázat i na
ultrajemné PM o aerodynamickém průměru menším než 0,1 µm. Jejichž velikost umožňuje vstup do plicních
sklípků (alveolů) a mohou tak být spojené s potencionálním vznikem rakoviny plic [27, 28].
2 IDENTIFIKACE BC V IMISÍCH OSTRAVY-ZÁBŘEHU
2.1 Místo odběru
Pro zjištění obsahu BC v ovzduší Ostravské aglomerace byla vybrána městská část Zábřeh. Odběrné
místo bylo zvoleno na ulici Průkopnická (49°47'23"N, 18°13'48"E), viz obrázek 1, reprezentující sídelní
urbanizovanou oblast, bez přímého ovlivnění velkými průmyslovými zdroji znečišťování ovzduší. Místo odběru
se nachází mezi panelovou zástavbou a je vzdálené cca 250 m od silnice I. třídy ul. Výškovická a necelý 1 km
severním směrem od velmi frekventované silnice I. třídy č. 11 Rudná. Měření koncentrací BC bylo uskutečněno
pomocí přenosného Aethalometru model AE42 firmy Magee Scientific, denním měřením v období 9.1. 2012 až
21.3. 2013. Současně při měření koncentrací BC byly přístrojem DustTrakTM
aerosol monitor model 8535 firmy
TSI, měřeny koncentrace částic PM zrnitostních frakcí PM1, PM2,5.
2.2 Metodika měření
Stále ještě neexistuje žádná všeobecně používaná standardizovaná metoda pro měření koncentrací BC.
Nicméně se pro měření BC nejčastěji používají metody optické (na principu absorpce či rozptylu světla) [27,
31]. Pro měření koncentrací BC byl použit v praxi nejpoužívanější přístroj Aethalometr, který má hned několik
Energetika a životní prostředí 2014
58
modifikací a modelů a měří hmotnostní koncentrace BC v reálném čase [32]. Pro měření koncentrací BC byl
použit Aethalometr se zdrojem světla s vysokou intenzitou záření z diodové (LED) lampy se sedmi vlnovými
délkami (370, 470, 520, 590, 660, 880 a 950 nm). Větší rozpětí vlnových délek umožňuje detailnější pohled na
optickou absorpci aerosolu, radiační přenos a lepší identifikaci fyzikálních vlastnosti aerosolů [33]. Jedná se o
přístroj, který měří koncentrace BC na principu optického útlumu světelného paprsku, který prochází přes
křemenný filtr. Na tento filtr je kontinuálně zachycován vzorek aerosolu. Poté co dojde na určitém místě filtrační
pásky k překročení určité optické hustoty, je Aethalometerem automaticky posunuta na další místo [34]. Na
základě optického útlumu se následně vypočte koncentrace opticky absorbujícího materiálu ve vzorkovaném
proudu vzduchu [34, 35]. Měření se realizuje v pravidelných po sobě následujících intervalech určité časové
báze, která umožňuje měření optického zeslabení v oblasti vlnových délek od ultrafialové po blízkou
infračervenou. Z těchto jednotlivých časových intervalů je v poslední fázi vypočtena výsledná koncentrace BC
[35]. Hmotnostní koncentrace BC se vypočte jako rozdíl optické intenzity a posledního měření, pomocí
kalibračního faktoru pro snížení intenzity světla [36].
Geochemické pozadí bylo stanoveno metodou vypočtené distribuční funkce navrženou Matschullat et al., 2000 a
Nakić et al., 2007. Podstatou této metody je splnění podmínky minimálně 30 hodnot v souboru dat a následný
výpočet vycházející z hypotézy, že data v rozpětí od minima do mediánové hodnoty zastupují soubor tvořený
pozaďovými hodnotami sledovaného parametru. Nejdříve se provede výpočet a stanovení mediánové hodnoty
souboru a následně se odstraní veškeré hodnoty větší než medián. Dalším krokem je tzv. „zrcadlení“ zbylých
hodnot, které se realizuje přičtením vzdálenosti zbylé hodnoty od původního mediánu pro každou hodnotu v
redukovaném souboru (= vypočtená distribuční funkce). Z výsledného souboru dat pak lze stanovit geochemické
pozadí s jeho variabilitou, které se určí výpočtem aritmetického průměru a směrodatné odchylky. Správnost
výpočtů se ověří Lillieforsovým testem normality, na hladině významnosti α = 0,05 [37, 38].
Regresní analýza byla provedena v prostředí softwaru Origin 8.5. Z důvodu asymetrického rozložení dat, byl pro
korelační analýzu použit Spearmanův korelační koeficient rs na hladině významnosti α=0,05.
2.3 Výsledky měření
Hodnota geochemického pozadí a jeho variabilita v Ostravě-Zábřehu je 3,17±0,98 μg/m3.
Medián koncentrace BC v Ostravě- Zábřehu pro sledované období od 9.1. 2012 do 21.3.2013 činil 2,22 μg/m3.
Tato hodnota koncentrace BC se nikterak neliší od hodnoty stanovené pro Evropské městské prostředí 2 µg/m3
[37]. Nejvyšší koncentrace BC byly zjištěny během zimních a podzimních měsíců, zatímco během jarních a
letních měsíců byly koncentrace BC podstatně nižší. To je patrné i na Obr. 1.
Obr. 1 Mediány měsíčních koncentrací BC pro sledované období 9.1.2012 – 21.3. 2013.
Rozdíl koncentrací BC mezi zimními a letními měsíci v roce 2012 byl téměř trojnásobný (konkrétně se
jednalo o hodnotu 2,98 μg/m3). Podobný rozdíl koncentrací BC 2,7 μg/m
3 byl patrný
i mezi zimními a jarními
měsíci roku 2013. Nárůst koncentrací BC v zimním období lze s největší pravděpodobností přikládat častějšímu
inverznímu charakteru počasí a s tím související špatný rozptyl částic a velkou roli do jisté míry má i zvýšení
spalovacích procesů v lokálních topeništích. Přičemž je zjevné, že s poklesem teploty, je spjatý nárůst
koncentrací BC v ovzduší, což prokázala korelační závislost mezi koncentraci BC a teplotou s hodnotou
korelačního koeficientu rs= -0,65*. Rovněž byly sledovány i další meteorologické parametry, které by mohly mít
vliv na koncentraci BC v ovzduší. Korelační analýzou, byla zjištěna signifikantní závislost mezi koncentracemi
BC a meteorologickými parametry: relativní vlhkost, tlak, rychlost a směr větru. Jediným meteorologickým
ukazatelem, u kterého nebyla nalezena žádná závislost pro koncentraci BC, byl denní úhrn srážek. Přestože se
očekávalo, že při vyšších hodnotách úhrnu srážek bude koncentrace BC klesat. Konkrétně byla mezi koncentraci
BC a atmosférickým tlakem zjištěná korelační závislost rs= 0,44*. I když se na první pohled hodnoty korelačních
Energetika a životní prostředí 2014
59
koeficientů mezi koncentraci BC a rychlosti větru resp. směrem větru s rs= 0,11* resp. rs= 0,23* jeví jako nízké,
jsou tyto zjištěné závislosti významné. Obecně platí, že pokud je rychlost větru nízká, koncentrace částic narůstá,
to ostatně prokázal i inverzí koeficient mezi touto zkoumanou veličinou a koncentracemi BC. Detailněji byl
sledován také vztah mezi závislostí směru větru a koncentraci BC, který je důležitým faktorem ovlivňující
celkové koncentrace částic BC na dané lokalitě. Protože směr proudění vzduchu může na danou lokalitu přivádět
částice pocházející ze zdrojů znečišťování, situovaných v tomto směru větru. Bez ohledu na roční období byl
nejčastěji zaznamenán JJZ (N=96), JJV (N=37), SSZ (N=74) směr větru, proto by emisní zdroje ležící v těchto
směrech větrů mohly mít vliv na koncentrace BC.
2.4 Koncentrace BC při různých vlnových délkách
Platí, že hodnota koncentrace BC při vlnové délce 880 nm (infračervené záření) je kvantitativním
ukazatelem hmotnosti BC, při této vlnové délce totiž BC absorbuje nejvíce světla a zároveň je při této vlnové
délce společně s vlnovou délkou 950 nm nejvíce absorbován BC pocházející ze spalování tuhých fosilních paliv
[33]. Naproti tomu vlnová délka 370 nm (UV záření) je chápaná jako kvalitativní ukazatel aromatických
sloučenin, vznikajících při spalování dřeva nebo pochází z dieselových motorů. Proto lze vlnové délky 370 nm,
880 nm a 950 nm využít k prvotní identifikaci spalovacích procesů, se kterými je spjatý původ BC a de facto i
znečištění na dané lokalitě. Na Obr. 2 je znázorněn vývoj rozložení koncentrací BC pro vybrané vlnové délky
(370, 880, 950 nm) v roce 2012. Koncentrace BC při jednotlivých vlnových délkách vykazovaly obdobný
charakter a průběh. Kdy nejvyšších hodnot bylo dosaženo v únoru, poté až do července koncentrace BC u
jednotlivých kanálů vlnových délek aethalometru klesaly. Během června až srpna došlo k setření rozdílu pro UV
a blízkou infračervenou oblast. To bylo zřejmě způsobené skutečností, že během letních měsíců dochází k
efektivnějšímu mísení vzdušných hmot, a také je typická i výrazně vyšší rychlost proudění vzduchu a hojnější
výskyt dešťových srážek, což může snížit celkový obsah BC v ovzduší. Přestože v této práci nebyla nalezena
žádná významná závislost koncentrací BC na srážkovém úhrnu.
Obr. 2 Vývoj mediánů Koncentrací BC pro vlnové délky 370, 880 a 950 nm v období roku 2012
Zcela očividný, je výrazný rozdíl mezi hodnotami měřenými v UV a IR oblasti během letních a zimních
měsíců. Obr. 3 dokumentující poměr pro mediány koncentrací BC při vlnové délce 370/950 nm, poukazuje na
skutečnost, že u vlnové délky 370 nm bylo vždy dosaženo vyšší koncentrace BC oproti 950 nm. Pouze v
několika málo případech zejména v době vleklých inverzí, byla pro některé dny zaznamenaná vyšší hodnota
koncentrace BC pro IR oblast (950 nm). Lze tak předpokládat, že nejvýznamnější vliv na koncentraci BC v
Ostravě Zábřehu má po celý rok dieselová doprava. Poněvadž spalování biomasy, které je pro tuto vlnovou
délku rovněž charakteristické, se v této městské části Ostravy nejeví jako příliš pravděpodobný zdroj BC.
Nicméně nárůst v zimních měsících může být podpořen spalováním biomasy v lokálních topeništích z jiných
městských částí Ostravy.
Energetika a životní prostředí 2014
60
Obr. 3 Poměr hodnot BC naměřených pro UV/IR oblast
Při srovnání rozdílu koncentrací BC naměřených v UV a IR oblasti v Ostravě Zábřehu s vybranými
lokalitami Moravskoslezského kraje dne 4. 10. 2012 [39], lze zjistit, že pro Havířov (Prostřední Suchá),
Karvinou a Krnov byl indikován vyšší podíl BC při vlnové délce 950 nm, viz Obr. 4. To odkazuje na fakt, že v
těchto lokalitách má významnější vliv spalování fosilních paliv. Zatímco podobně jako v Ostravě-Zábřehu, tak i
v Bohumíně a Mostech u Jablunkova byla koncentrace BC při vlnové délce 370 nm vyšší než při 950 nm, a
proto se lze domnívat, že BC v těchto lokalitách vzniká ze spalování nafty v dieselových motorech a nelze
opomíjet ani spalování biomasy, především pak v Mostech u Jablunkova.
Obr. 4 Rozdíl mediánů koncentrací BC při vlnových délkách 370 nm a 950 nm v různých lokalitách MS
kraje (Raclavský et al., 2013).
2.5 Závislost koncentrace BC na prachových částicích
Korelačních analýza prokázala velmi významnou závislost mezi koncentraci BC a PM2,5 respektive PM1
(rs= 0,85* resp. r= 0,84*).BC se pak převážně kumuluje ve frakci PM1, kdy bylo u této zrnitostní třídy zjištěno,
že koncentrace BC se v závislosti na jednotlivých měsících pohybuje od 8,65 do 13,35 %.
2012 2013
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3
PM1 12 11,01 9,64 10,58 11,05 8,65 9,97 13,35 11,7 13,13 10,79 7,93 9,3 10,51 9,13
PM2,5 10,12 10,15 8,68 9,98 9,35 7,91 8,77 11,74 10,1 11,9 10,09 7,93 8,05 9,12 8,05
Tab. 1 Procentuální zastoupení BC v částicích zrnitostní frakce PM1 a PM2,5 (uvedeno v procentech)
Energetika a životní prostředí 2014
61
3 ZÁVĚR
Snížení produkce emisí BC má za následek téměř „okamžitý“ pokles částic BC v ovzduší. Pokles emisí
bude sice postupný (vlivem určitého času setrvání částic v atmosféře). Jedná se však o směr, kterým by se měla
lidská společnost vydat. Zaměřit se na využívání lepších spalovacích technologií, snížit hustou dopravy atd. A
zamezit tak produkci částic BC v ovzduší, budou-li produkované emise BC nízké pomine, jejich negativní
účinek na atmosféru, albedo a lidské zdraví.
Studiem koncentrací BC V Ostravě Zábřehu bylo zjištěno, že v této lokalitě má významný vliv dieselová
doprava. Během zimních měsíců dochází k téměř trojnásobnému nárůstu koncentrací BC, což je zřejmě
způsobené zvýšeným příspěvkem z lokálních topenišť a v důsledku inverzního charakteru počasí. Koncentrace
BC byly nejvýznamněji ovlivněny teplotou a dalším důležitým meteorologickým parametrem mající značný vliv
na jejich koncentrace byl směr a rychlost větru. Zároveň se ukázalo, že se tyto částice BC nejvíce kumulují
v prachových částicích frakce PM1.
PODĚKOVÁNÍ
Touto cestou bychom chtěli poděkovat vážené paní prof. Ing. Heleně Raclavské, CSc. a váženému panu
prof. Ing. Konstantinu Raclavskému, CSc. za provedení odběrů vzorků. Práce byla podpořena projektem CZ
1.05/2.1.00/03.0069 ENET - Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie a SP2014/54 Výzkum
vlivu katalyzátoru a technických parametrů na vlastnosti a výtěžnost procesních plynů vznikajících v zařízeních
termochemické degradace.
LITERATURA
[1] Cheng, Y., He, K.B., Duan, F.-K., Zheng, M., Du, Z.-Y., Ma, Y.-L., Tan, J. Ambient organic carbon to
elemental carbon ratios: Influences of the measurement methods and implications. Atmospheric
Environment. 2011, 45, 2060-2066.
[2] Cape, J.N., Coyle, M., Dumitrean, P.. The atmospheric lifetime of black carbon. Atmospheric
Environment. 2012, 59, 256-263.
[3] Kim, K. H., Sekiguchi, K., Furuuchi, M, Sakamoto, M. Seasonal variation of carbonaceous and ionic
components in ultrafine and fine particles in an urban area of Japan. Atmospheric Environment. 2011,
45, 1581-1590.
[4] Andreae, M.O., Gelencsér, A. Black carbon or brown carbon? The nature of light-absorbing
carbonaceous aerosols. Atmospheric Chemistry and Physics. 6 , 2006, pp. 3419–3463
[5] Bond, T. C., Sun, H. Can reducing black carbon emissions counteract global warming? Environmental
Science & Technology. 2005, 39(16), 5921–5926.
[6] Bond, T.C. et al. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment.
Journal of Geophysical Research. 2013, 118(11), 5380–5552.
[7] Ramanathan, V. a Carmichael, G. Global and regional climate changes due to black carbon. Nature
geoscience, 2008, 1, 221-227. Doi:10.1038/ngeo156
[8] Jacobson, M Z. Control of fossil-fuel particulate black carbon or organic matter, possibly the most
effective method of slowing global warming. Journal of Geophysical Research., 2002, 107:
10.1029/2001JD001376
[9] Menon, S, Hansen, J, Nazarenko, L, Luo, Y. Climate effects of black carbon aerosols in China and
India. Science. 2002, 297: 2250_2253
[10] Bond, T. C., Streets, D. G., Yarber, K. F., Nelson, S.M., Woo, J.H., Klimont, Z. A technology-based
global inventory of black and organic carbon emissions from combustion. Journal of Geophysical
Research. 2004, 109(14203), doi:10.1029/2003JD003697.
[11] NI, M., J. HUANG, S. LU, X. LI, J. Y. A K. CEN. A review on black carbon emissions, worldwide and
in ChinaReview Article. Chemosphere. 2014, 107, 83-93.
[12] Mansurov, Z. Soot formation in combustion processes (review). Combustion, Explosion, and Shock
Waves. 2005, 41, 727–744.
[13] Li, Y., Cao, X., Zhu, D., Chappell, M. A., Miller, L. F., Mao, J. Characterization of coals and their
laboratory-prepared black carbon using advanced. Fuel Processing Technology. 2012, 96, 56–64.
[14] Slowik, J. G., Stainken, K., Davidovits, P., Williams, L.R., Jayne, J. T., Kolb, C. E, Worsnop, D. R.,
Rudich, Y., DeCarlo, P. F., Jimenez, J. L. Particle morphology and density characterization by
combined mobility and aerodynamic diameter measurements. Part 2: Application to combustion-
generated soot aerosols as a function of fuel equivalence ratio. Aerosol Science and Technology. 2004,
38, 1206–1222.
Energetika a životní prostředí 2014
62
[15] Kondo, Y., Oshima, N., Kajino, M., Mikami, R., Moteki, N., Takegawa,N., Verma, R.L., Kajii, Y.,
Kato, S., Takami, A. Emissions of black carbon in East Asia estimated from observations at a remote
site in the East China Sea. Journal of Geophysical Research. 2011, 116, D16201.
[16] Kondo, Y., et al. Emissions of black carbon, organic, and inorganic aerosols from biomass burning in
North America and Asia in 2008, Journal of Geophysical Research. 2011b, 116, D08204.
[17] Schwarz, J. P., et al. Measurement of the mixing state, mass, and optical size of individual black carbon
particles in urban and biomass burning emissions. Geophysical Research Letters. 2008, 35(13), 810,
doi:10.1029/2008GL033968.
[18] Dhammapala, R., Claiborn, C., Jimenez, J., Corkill, J., Gullett, B., Simpson, C., Paulsen, M. Emission
factors of PAHs, methoxyphenols, levoglucosan, elemental carbon and organic carbon from simulated
wheat and Kentucky bluegrass stubble burns. Atmospheric Environmental. 2007, 41, pp. 2660–2669
[19] Favez, O., Alfaro, S.C., Sciare, J., Cachier, H., Abdelwahab, M.M.. Ambient measurements of light-
absorption by agricultural waste burning organic aerosols. Journal of Aerosol Science. 2009, 40, pp.
613–620
[20] NGUYEN, B. T., J. LEHMANN, W. C . HOCKADAY, S. JOSEPH a C. A. MASIELLO. Temperature
Sensitivity of Black Carbon Decomposition and Oxidation. Environmental Science Technology. 2010,
44, 3324–3331.
[21] MAO, Y. H., Q. B. LI, L. ZHANG, Y. CHEN, J. T. RANDERSON, D. CHEN a K. N. LIOU. Biomass
burning contribution to black carbon in the Western United States Mountain Ranges. Atmospheric
Chemistry and Physics. 2011, 11, 11253–11266.
[22] HERICH, H., C. HUEGLIN a B. BUCHMANN. A 2.5 year’s source apportionment study of black
carbon from wood burning and fossil fuel combustion at urban and rural sites in
Switzerland. Atmospheric Measurement Techniques. 2011, 4, 1409–1420. DOI: 10.5194/amt-4-1409-
2011
[23] Wang, P., Wang, H., Wu, L., Di, H., He, Y., a Xu, J. Influence of black carbon addition on
phenanthrene dissipation and microbial community structure in soil. Environmental Pollution. 2012,
161, s. 121-127.
[24] Dodson, R. E., Houseman, E. A., Morin, B. , Levy, J. I.. An analysis of continuous black carbon
concentrations in proximity to an airport and major roadways. Atmospheric Environment. 2009, 43.
3764–3773.
[25] Ye, H., Zhang, R., Shi, J., Huang, J., Warren, S. G, Fu, Q. Black carbon in seasonal snow across
northern Xinjiang in northwestern China. Environmental research letters. 2012, 7, 044002.
Doi:10.1088/1748-9326/7/4/044002.
[26] Koch, D., Menon,S., Genio,A.D., Ruedy.,R., Alienov, I., Schmidt, G.A. Distinguishing aerosol impacts
on climate over the past century. Journal Climate. 2009, 22, 2659-2677.
[27] U.S. Environmental Protection Agency: Report to Congress on Black Carbon, US. EPA, 2012
[28] Janssen, N. A. H., Hoek, G., Simic-Lawson, M., Fischer, P., Bree, L, Brink, H., Keuken, M., Aktinson,
R. W., Ross Anderson, H., Brunekreef, B., Cassee, F. R. Black Carbon as an Additional Indicator of the
Adverse Health Effects of Airborne Particles Compared with PM10 and PM2.5. Environmental Health
Perspectives. 2011, 119 (12), 1691- 1699.
[29] Power, M.C., Weisskopf, M.G., Alexeeff, S.E., Coull, B.A., Spiro, A., Schwartz, J. Traffic-related air
pollution and cognitive function in a cohort of older men. Environmental Health Perspectives. 2011,
119, pp. 682–687.
[30] Du, K., Wang, Y., Chen, B., Wang, K., Chen, J., Zhang, F. Digital photographic method to quantify
black carbon in ambient aerosols. Atmospheric Environment. 2011, 45, 7113-7120.
[31] Janssen, N.A.H. Gerlofs-Nijland, M., Lanki, T., Salonen, R., Cassee, F., Hoek, G., Fischer, P.,
Brunekreef, B., Krzyzanowski, M. Health effects of black carbon. Copenhagen: WHO.2012, 86 s. ISBN
978 92 890 0265 3
[32] Park, S.S., Hansen, A.D.A. a Cho, S.Y. Measurement of real time black carbon for investigating spot
loading effects of Aethalometer data. Atmospheric Environment. 2010, 44, 1449-1455.
[33] Raclavský, K., Raclavská, H., Juchelková, D., Kucbel, M.. Metodika pro stanovení „black carbon“ v
ovzduší optickou metodou. Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě. Ostrava, 2012
[34] Watson, J.G., Chow, J.C., Chen, L.W.A. Summary of Organic and Elemental Carbon/Black Carbon
Analysis Methods and Intercomparisons. Aerosol and Air Quality Research. 2005, 5, 65-102.
[35] Kumar, M., Lipi, K., Sureshbabu, S., Mahanti, N. C.. Aerosol Properties over Ranchi Measured from
Aethalometer. Atmospheric and Climate Sciences. 2011, 1, 91-94. Doi:10.4236/acs.2011.13010
[36] Wallace, L. Real-time measurements of black carbon indoors and outdoors: A comparison of the
photoelectric aerosol sensor and the aethalometer. Aerosol Science and Technology. 2005, 39, 1015-
1025.
Energetika a životní prostředí 2014
63
[37] Matschullat, J., Ottenstein R. & Reimann, C.. Geochemical background - can we calculate it?.
Environmental Geology, 39 (9), pp. 990-1000, 2000.
[38] Nakić, Z., Posavec, K., Bačani A. A Visual Basic Spreadsheet Macro for Geochemical Background
Analysis. Ground Water. 45(5), pp. 642-647, 2007.
[39] Raclavský, K., Raclavská, H., Hartmann, S., Kucbel, M. Stanovení black carbon ve vybraných
lokalitách Moravskoselzského kraje pro projekt AIR SILESIA. Ostrava, 2013. 12s.
Energetika a životní prostředí 2014
64
MALÉ ZPLYŇOVACÍ ZAŘÍZENÍ POWER PALLET, POZNATKY Z UGANDY
SMALL GASIFICATION UNIT POWER PALLET, NOTES FROM UGANDA
Jan MINÁŘ 1
1 Ing., Centrum ENET, Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB – Technická univerzita Ostrava
17.listopadu 15/2172, 708 33Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 5722
e-mail: [email protected]
Abstract
This article deals with small gasification unit Power Pallet when I have been working for 6 months in
non-profit company Centre for Research in Energy and Energy Conservation (CREEC) in Uganda. The article
presents the design company, basic parts and theirs descriptions. In the second part, it mentions the test
conditions, measuring and processing of measured values. The last part assesses the gasification unit in the
terms of operational, financial and lifetime.
Abstrakt
Tento článek pojednává o malém zplyňovacím zařízení, na kterém jsem pracoval po dobu 6 měsíců,
v neziskové organizace Centre for Research in Energy and Energy Conservation v Ugandě. Článek představuje
výrobce této jednotky, základní části jednotky a jejich popis. V druhé část se zmiňuje o testovacích podmínkách,
použitých paliv, měření a zpracováním naměřených hodnot. Poslední část hodnotí zplyňovací zařízení z několika
hledisek.
Klíčová slova: Zplyňovací zařízení, Uganda, Biomasa, Syntézní plyn, All Power Labs
1 ÚVOD
Biomasa je v Ugandě jednoduše dostupná. Mezi hlavní plodiny typické pro tuto oblast jsou banány,
tabák, kukuřice, cukrová třtina, rýže a burské oříšky. Celkový potenciál odpadní biomasy (pokud by došlo
k využití) se odhaduje na 2000 MWe, což představuje vysoké číslo a i částečné využití by zemi pomohlo. V této
chvíli Uganda získává elektrickou energii z vodní a sluneční energie.[1] Dodávka elektrické energie je však
nestabilní a někdy můžete prožít několik dní bez elektřiny, což jsem si vyzkoušel na vlastní kůži.
Cílem bylo otestovat všechna dostupná paliva (popřípadě směsi) dostupná v rámci zemi Uganda a jasně
říci, že zplyňovací zařízení je schopné provozu nebo za jakých podmínek či schopné není. Byla zde také možnost
porovnat vizuálně poškození na několika stejných zplyňovacích zařízeních umístěných po celé zemi. To mi
velmi pomohlo stanovat jasný závěr a dále nasměrovat vedení jakým směrem by se měli ubírat.
1.1 Představení zplyňovací jednotky
Zplyňovací zařízení Power Pallet je jedním z produktů americké firmy All Power Labs (APL). Jednotky
jsou aktuálně vyráběny ve dvou různých elektrických výkonech 20 a 100kW. Nejmenší 10kWe jednotka byla
ukončena z důvodu nízkého elektrického výkonu (dle zákazníků nedostačující) a jejích vývoj byl pozastaven
několik let zpět. I přesto, že výrobce už tuto verzi nepodporoval, dále ji nabízel. Všechny jednotky na území
Uganda jsou 10kWe verze zakoupené roku 2013. [2]
Komplet se skládá ze zásobníku na 200 litrů, kde ve spodní části je umístěn šnekový dopravník. Tento
dopravník dopravuje biomasu do reaktoru. V horní části reaktoru je senzor s plátkem plechu. Pokud je reaktor
naplnění, biomasa se začíná akumulovat v horní části a tlačí na tento plátek. Dojde k sepnutí a senzor předá tuto
informaci ovládací jednotce, ta zastaví šnek. Reaktor je vyroben jako souproudý „Imbertův“ reaktor, tedy jsou
zde čtyři zóny (sušení, pyrolýza, oxidační a redukční). Na povrchu reaktoru je možné vidět vstupní otvor pro
sání vzduchu potřebný pro reakci, který se rozděluje do 5 pružných ocelových hadic – je zde tedy 5 trysek
v horní části redukčního pásu. Vzduch je předehříván horkým syntézním plynem.
Plyn, po opuštění reaktoru má stále vysokou teplotu a je nečistý. K odprášení slouží cyklonový odlučovač
a odloučené částice padají do sklenice, která je hermeticky uzavřena. Odprášený plyn odchází do výměníku a
předává své teplo biomase k odpaření vlhkosti. Následuje filtr, který je zhotovený z několika vrstev biomasy. Na
děrovaný rošť se položí vrstva dřevěného uhlí, po ní následuje vrstva dřevní štěpky. Jako poslední „bio“ vrstva
jsou piliny. Na přichystanou biomasu se dále položí dva kruhové pěnové filtry.
Za filtrem se cesta plynu dělí. První trasa vede přes dvě vývěvy do fléry. Tato trasa se používá výhradně
při „nastartování“ a dosažení požadované teploty, jenž je udávána výrobcem na 800ºC. Druhá trasa vede do
spalovacího motoru Kubota (zemní plyn), jenž je připojen s generátorem Alte mecc. Všechna elektrická zařízení
Energetika a životní prostředí 2014
65
jsou poháněna pomocí autobaterie o napětí 12V. Pří výrobě elektrické energie dochází k znovu nabití
autobaterie.
Mozkem celého systému je základní deska s displejem, na kterém jsou zobrazovány teploty a tlaky
v horní a dolní části redukčního pásu. Všechny data je možné stáhnout prostřednictví programu Puttytel do
počítače. Jeden řádek představuje jednu sekundu záznamu. Celkové množství stažených dat je 39. Základní
deska nezaznamenává elektrické parametry na generátoru (napětí, proud, frekvenci).
1.2 Testování paliv
Již v úvodu jsem naznačil, že Uganda má obrovské zásoby odpadní biomasy, nutno je však říci, že
některá odpadní biomasa nejde ve zplyňovacím zařízení vůbec použít. Přehled paliv použitelných ve zplyňovači
je možné najít na internetových stránkách výrobce. Po výčtu co je dostupné a je možné to použit, jsem měl
krátký seznam a to – dřevní štěpku, kukuřičné klasy, kávové a burákové slupky.
Doporučené rozměry (granulometrie) biomasy jsou uvedeny na webových stránkách výrobce nebo
v manuálu a je důležité se jej držet. V případě nedodržení je s nejvyšší pravděpodobností jisté, že palivo se
zasekne v zásobníku nebo v reaktoru. Dřevní štěpka byla dodávána v plastových pytlích a separace byla
provedena na sítu. Všechny frakce dřevní štěpky jsou využitelné a to jak ke zplyňování, tak i jako filtrační
médium. Naopak největší práce byla s kukuřičnými klasy, které bylo nutné nasekat mačetou, později po opravě,
jsem použil štěpkovač. Tabákové a burákové slupky se nijak neupravovaly. Směsi byly namíchány v poměru 1:1
hmotnostně. Granulometrie surovin je uvedena na obrázcích níže:
Obr. 1 Kukuřičné klasy
Obr. 2 Dřevní štěpka 1
Obr. 3 Dřevní štěpka 2
Obr. 4 Dřevní štěpka 3
Obr. 5 Kávové slupky
Obr. 6 Burákové slupky
1.3 Naměřené hodnoty
Prioritou vedení CREEC byly naměřené elektrické hodnoty, tedy možnost připojení na jednofázové a
třífázové spotřebiče a také stabilita. Mě jako studenta Katedry energetiky zajímaly teplota, tlak, kvalita a
množství vyrobeného plynu. Některé hodnoty však nebylo možné naměřit, protože jednoduše nebylo na čem je
měřit. Proto se testování omezilo na měření hmotnosti, vlhkosti, vyhodnocení stažených hodnot a identifikování
a popsání nejčastějších problémů tohoto zařízení.
Vsázka každého paliva (tedy i směsi) byla 12kg. Tuto hodnotu jsem vybral proto, jelikož výrobce udává,
že 12kg biomasy je dostačující pro jednohodinový provoz, 10kWe. Zde níže je tabulky s palivy a naměřenými a
staženými hodnotami.
Energetika a životní prostředí 2014
66
Tabulka 4: Tabulka s naměřenými hodnotami
Palivo Váha
(kg)
Vlhkost
(%)
Ttred
(°C max)
Teplota za
filtrem
(°C max)
Tlakový
poměr (1)
Doba výroby
elekřiny (min)
Kuk. klasy 12 16 916 44 30-60 65
Kuk. klasy zbytky 12 16 916 42 40-60 63
Burákové slupky 12 11 1020 48 7-30 3x20
Kávové slupky 12 8 850 40 20-40 0
Dřevní štěpka 1 12 9 805 35 10-20 0
Dřevní štěpka 2 12 10 815 35 10-20 0
Dřevní štěpka 3 12 20 933 40 10-30 68
Kuk. klasy + bur. slupky 12 - 953 45 30-45 60
Kuk. klasy + kav. slupky 12 - 720 35 5-9 0
Dřev. štěpka + bur. slupky 12 - 936 40 30-45 63
Dřev. štěpka +káv. slupky 12 - 735 35 7-10 0
Při každém testu jsem stahoval data skrze základní desku do laptopu. Tyto obrázky ukazují průběh teplot
a tlaku v závislosti na čase při použití dřevní štěpky 3.
Obr. 7 Průběh teplot při zplyňování
Obr. 8 Průběh podtlaků v jednotlivých částech reaktoru
Pozn. Ttbred – teplota v oxidační zóně, Tbred – teplota v redukční zóně, Preact – tlak v redukční zóně,
Pcomb – tlak v oxidační zóně, Pfilter – tlak za filtrační vrstvou
Energetika a životní prostředí 2014
67
2 ZHODNOCENÍ
Zplyňovací zařízení od firmy APL je funkční zařízení, které však postrádá některé prvky. Tyto prvky jsou
důležité z hlediska účinnosti a životnosti zařízení. Ze zkušenosti s tímto zařízením mi chybí odvodňovací systém,
umístěný na zásobníku. Velmi mě znepokojovala životnost dmýchadel, kde docházelo ke zničení elektromotorů
(ložisek) každých 10 hodin provozu zplyňovacího zařízení. Některé části jsou vyrobeny z klasické oceli, kdy
docházelo k silné korozi převážně v zásobníku (výměník) a potrubí vedoucí ke fléře. Tyto změny by jistě ocenil
zákazník, který nemá čas stále reklamovat závadné díly a čekat na náhradní díly ze Spojených států. Závěrem
bych chtěl dodat, že APL posunula toto zařízení vpřed a všechny nedostatky, které se projevovaly na mnou
testované verzi, jsou již minulostí.
Z testů, které jsem provedl na těchto palivech, můžu konstatovat tyto závěry. Dřevní štěpka a kukuřičné
klasy jsou výborným palivem, které se vyznačuje krátkou rychlostí zapálení a stabilitou zplyňování. Burákové
slupky se často ucpávaly v zásobníku a reaktoru a bylo nutné jim pomoci ocelovou tyčí přes horní víka. Tento
problém je možné odstranit míšením paliva, ať už s kukuřičnými klasy nebo dřevní štěpkou. Kávové slupky jsou
problematickou surovinou a toto palivo není vůbec vhodné používat, jak samostatně tak i ve směsi s jinými
palivy. I přes nepříznivé vlastnosti, je možné využít kávové slupky místo dřevěných pilin ve filtru.
PODĚKOVÁNÍ
Tento článek vznikl za podpory projektů SP2014/59 Modelování a měření termických a energetických
procesů a SP2014/54 Výzkum vlivu katalyzátoru a technických parametrů na vlastnosti a výtěžnost procesních
plynů vznikajících v zařízeních termochemické degradace.
LITERATURA
[1] National biomass energy demand stratégy, The Government of the Republic of Uganda [online]. 2001.
[cit. 2014-08-11]. ISBN Není. Dostupné z: http://energyandminerals.go.ug/downloads/BEDS-
Contents.pdf
[2] All Power Labs. Gek gasifiers. [online]. 11.8.2014 [cit. 2014-08-11]. Dostupné z:
http://www.gekgasifier.com/
Energetika a životní prostředí 2014
68
VLIV INSTALACE MIKROTURBÍN CAPSTONE NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
EFFECT OF INSTALLATION CAPSTONE MICROTURBINES TO THE
ENVIRONMENT
Filip OVČAČÍK
Ing.,Ph.D., GGC Energy, Dělnická 46, Havířov
Abstract
The content of this paper is to assess the impact of the installed technology on the environment. The
complete technological system includes cogeneration units with an output of 200 kW and gas steam boiler 8 t / h.
This is a cogeneration unit based on microturbines from Capstone. Flue gases from the microturbine can be
introduced directly into a special burner of steam boiler, which was developed specifically for this application.
This concept acquires to the investor technology with minimal impact on the environment and significant
efficiency on the primary fuel.
Klíčová slova: microturbines, Capstone, environment, emissions, cogeneration
Abstrakt
Obsahem příspěvku je posouzení vlivu instalované technologie na životní prostředí. Kompletní
technologický systém zahrnuje kogenerační jednotky o výkonu 200kWe a plynový parní kotel 8 t/h. Jedná se o
kogenerační jednotku na bázi mikroturbíny od amerického výrobce Capstone. Spaliny z mikroturbíny je možno
zavést přímo do speciálního hořáku parního kotle, který byl vyvinut přímo pro tuto aplikaci. Díky této koncepci
získává investor technologii s minimálním dopadem na životní prostředí a výraznou účinností na primárním
palivu.
Klíčová slova: mikroturbína, Capstone, životní prostředí, emise, kogenerace
1 ÚVOD
Kogenerace neboli společná výroba tepla a elektřiny je již řadu let známým termínem u laické veřejnosti.
Nezpochybnitelné jsou úspory na straně primárního paliva a v širším důsledku jsou i nižší vypouštěné emise,
oproti oddělené výrobě tepla a elektřiny. V článku je také uvedena zkušenost s možností využití odpadního tepla,
i záměrně vyrobeného, pro výrobu průmyslové páry.
Označení kogenerace se ujalo v devadesátých letech počeštěním anglického slova cogeneration.
Její výhody jsou nezpochybnitelné a využívané již řadu let díky ekonomickým tlakům na zefektivnění
transformace energie a na lepší využití primárních surovin, jejichž cena neustále roste. Základní výhodou je
úspora primárního paliva oproti oddělené výrobě s nezpochybnitelným důsledkem na vypouštěné emise.
Při současném centralizovaném způsobu výroby elektřiny dochází k významným ztrátám už při její výrobě
(nevyužitím tepla), k dalším pak při přenosu a distribuci elektřiny. Z celkových 100 jednotek energie obsažené
v palivu tak nakonec ke spotřebiteli dorazí pouhých 22 jednotek, zbytek jsou ztráty. Naproti tomu se účinnost
kogeneračních jednotek běžně pohybuje kolem 90%, špičkové jednotky pak mají i více než 95% účinnost.
Dalším neméně významným aspektem je, že elektřina musí být vyráběna podle aktuální spotřeby. Stále není
možno ji významně skladovat. Přitom roční změny v odběru činí až 30%.
Výhodou decentralizovaného kogeneračního zdroje v průmyslovém podniku je, že se může řídit podle
okamžité spotřeby i v průběhu krátkých intervalů. Pokud je nalezeno optimální využití pro tepelnou energii
z kogenerace, pak dochází k výrazné úspoře investičních a provozních nákladů.
2 POPIS ŘEŠENÍ
Technologie kotelny a turbíny je určen k výrobě tepla ve formě páry a elektrické energie. Obě vyráběné
energie budou využity v areálu společnosti vyrábějící papírové obaly. V současnosti je tepelná energie dodávána
dvěma plynovými kotli o výkonu: K1 (LOOS) - 5,2 MW (8 t/h) a K2 (OPK 12) – 7,8 MW (12 t/h). Pracovním
médiem je sytá pára o tlaku 1,6 MPa. Vyráběná tepelná energie ve formě syté páry bude mít parametry
současného systému a bude napojena na stávající systém. Provozní soubor je určen k výrobě syté páry s
kapacitou 8 t/h o tlaku 1,6 MPa. Nový kotel K2 bude využíván prioritně, při vyšších potřebách tepla bude
navržený zdroj špičkově doplňovat stávající plynový kotel K1 LOOS o parním výkonu 8t/h. Takto navržená
skladba zdrojů je dostačující pro potřeby areálu s rezervou pro případ odstávky nebo poruchy i potřeby
Energetika a životní prostředí 2014
69
případného dalšího rozvoje 30%. Spalovací turbína na zemní plyn bude umístěna v exteriéru bezprostředně u
kotelny, viz Obr. 1. Vyráběná elektrická energie bude vedena novým kabelovou trasou do stávající rozvodny.
Energie spalin s velkým přebytkem vzduchu bude využita v parním kotli. Parní kotel bude vybaven speciálním
hořákem, který využije spaliny jako spalovací vzduch, viz Obr. 2. Tímto je využita extrémně vysoká účinnost
kogenerace. Technologické řešení nového zdroje páry vychází ze standardů renomovaných výrobců technologií
parních kotlů.
Hlavní energetickou surovinou bude zemní plyn. Spotřeba zemního plynu bude dána především rozsahem
výroby. Nárůst spotřeby zemního plynu vlivem instalace kogeneračního soustrojí a vlivem instalace nového
parního kotle vychází z energetického auditu. Vlivem nových technologií bude navýšena spotřeba zemního
plynu o 2653 GJ/rok (kalkulováno ve výhřevnosti. Instalací bude pokryta veškerá dosud vyráběná tepelná
energie a navíc bude vyrobeno 1087 MWh/rok elektrické energie, která bude spotřebována v závodu.
Kogenerační soustrojí založené na spalovací turbíně neobsahuje žádný systém chlazení a mazání pohyblivých
částí, proto nevznikají žádné tuhé ani kapalné odpady. Stavba nebude mít vliv na stávající systém vodního
hospodářství. Parní kotel bude napojen všemi médii na stávající systémy.
Obr. 1. Mikroturbína Capstone C200
Obr. 2. Hořák a parní kotel
Energetika a životní prostředí 2014
70
3 VÝSLEDKY PROVOZNÍHO MĚŘENÍ
Cílem provozního měření bylo prokázat, že instalovaná technologie dosahuje hodnot požadovaných
investorem. Měření byla provedena akreditovanou firmou. Všechny parametry byly splněny v souladu
s požadavky investora.
Mimo standartní provozní parametry byly ověřovány tyto parametry s dopadem na životní prostředí:
Úroveň plynných emisí,
Účinnost kotle,
Flexibilita,
Vibrace, hluk.
Tab. 1: Tabulka naměřených hodnot
4 ZÁVĚR
Příspěvek přináší výsledky měření parametrů soustrojí na výrobu průmyslové páry a elektrické energie
majících vliv na životní prostředí. Na konkrétním projektu je představena technologie mikroturbína – parní kotel,
přinášející zákazníkovi decentralizovaný zdroj elektrické i tepelné energie pro výrobní technologii. Díky použití
mikroturbíny Capstone, která má již z principu minimální emise ve spalinách a modernímu parnímu kotli došlo
k instalaci soustrojí s minimálním dopadem na životní prostředí. Technologie plynové turbíny Capstone používá
kontinuální spalování pro přesné nastavení spalovací směsi vzduch / palivo. Představené řešení umožňuje
výrazné zvýšení využití energie v technologických procesech s minimálním dopadem na životní prostředí.
Zároveň umožňuje náhradu stávajících systémů za nejmodernější komponenty na trhu a to s minimálním
zásahem do stávající technologie.
LITERATURA
[1] Dvorský, E., Hejtmánková, P.: Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie, 1.vyd. Praha: BEN,
2005. 286 s. ISBN 80-7300-118-7.
[2] Jeleček, J.: Decentrální vysoce účinná kombinovaná výroba elektřiny a tepla, Sborník příspěvků Kotle a
Energetická zařízení 2012, Brno,
Energetika a životní prostředí 2014
71
ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH MATERIÁLŮ POMOCÍ PYROLÝZY
PROCESSING OF WASTE MATERIALS BY PYROLYSIS
Petr PAVLÍK 1, Petr ZAPLETAL
2, Zdeněk SCHEE
3
1 Ing., Centre ENET, Department of Energy, Faculty of Mechanical Engineering , VŠB – Technical
University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava, tel.: 597325722
E-mail: [email protected]
2 Ing., Centre ENET, Department of Energy, Faculty of Mechanical Engineering , VŠB – Technical
University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava, tel.: 597325722
E-mail: [email protected]
3 Ing., Centre ENET, Department of Energy, Faculty of Mechanical Engineering , VŠB – Technical
University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava, tel.: 597325722
E-mail: [email protected]
Abstrakt:
Tento článek se zabývá využitím pyrolýzního plynu vytvořeného z odpadních materiálů. Pro zkvalitnění
plynu je zde použit katalyzátor metodou konverze vodního plynu. Možnosti využití jsou zde zkoumány v
experimentálním zařízení, které se skládá z pyrolýzního reaktoru, pračky plynu a katalitické aparatury.
Cílem výzkumu je ověřit možnost zvýšení energetické výtěžnosti pomocí tepelného zpracování s
využitím katalyzátoru.
Před experimentem s katalyzátory se provádí pyrolýza materiálu. Po tomto procesu následuje chlazení a
kondenzace pyrolýzních olejů obsažených v pyrolýzním plynu. Schlazený plyn je čištěn v laboratorních nádržích
a poté je analyzováno jeho složení, zejména obsah N2, O2, CO, CO2, CH4, H2 a sloučenin síry. Katalytický
proces je prováděn v laboratorních podmínkách a je zde použit stejný plyn, jako vyprodukován pyrolýzou. Plyn
prostupuje reaktorem s pevným katalyzátorem, kde je sledován vodíkový výnos v závislosti na různých druzích
odpadového materiálu a klíčových parametrech procesu – obvodová rychlost, teplota a relativní vlhkost. Získané
výsledky jsou ověřeny sérií opakovaných testů.
Pokud bude dosažen dostatečný výtěžek vodíku z vyprodukovaného plynu, bude možno pokračovat ve
výzkumu pro jeho oddělení a následnou separaci v palivových článcích.
Klíčová slova: Pyrolýza, odpad, katalyzátor
Abstract:
This paper deals about utilization of product gas generated by pyrolysis of waste materials. The catalyst,
which supports a conversion reaction of water gas shift was used for the utilization. Possibilities of utilization are
investigated in an experimental facility that consist of a pyrolysis reactor, washing equipment and catalytic
apparatus.
The aim of the research is to verify the possibility of increasing the energy yield of the thermal processing
of waste materials by catalysts utilization.
Before the experiments with catalysts the pyrolysis of material is carried out. This process is followed by
cooling and condensation of pyrolysis oils contained in pyrolysis gas. The cooled gas is further purified in
impinger bottles and then analysed its composition, especially the content of N2, O2, CO, CO2, CH4, H2 and
sulphur compounds content. The catalytic process is studied in lab-scale facility where the composition of the
cleaned by pyrolysis gas is the same composition like gas from cylinders. The gas permeates by the reactor with
fix bed catalyst and there is observed yield of hydrogen according to the different types of waste material and
keys parameters of the process – the space velocity, temperature and relative humidity. Obtained results are
verified by performing a series of repeats tests.
If the sufficient yield of hydrogen from the product gas will be achieved it will be able to continue in
research of its separation for subsequent utilization in fuel cells.
Keywords: Pyrolysis, waste, catalyst
Energetika a životní prostředí 2014
72
1 ÚVOD
Využít odpadní materiály, redukovat tím jejich množství a získat při tom využitelné formy energie je
jedním z klíčových témat odpadového hospodářství. Jednou z technologií, která umožňuje převést tyto myšlenky
do praxe je pyrolýza odpadů. Samotný princip pyrolytického zpracování materiálu je známý již řadu let, v dnešní
době je ovšem potřeba přizpůsobit se novým požadavků, zejména environmentálního a ekonomického
charakteru, a využít nově dostupné technologie. Pyrolýza umožňuje přeměnit odpadní látky na výstupní
produkty, které najdou využití při průmyslových aplikacích. Při termickém zpracování organických látek bez
přístupu dochází ke štěpení makromolekulárních struktur za vzniku jednodušších chemických látek nebo
sloučenin, tím vznikají tři výsledné charakteristické pyrolýzní frakce – plynná, kapalná a tuhý zbytek. Plynná
frakce se skládá především z metanu, oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, vodíku a široké škály uhlovodíků.
Tento plyn je možné po vyčištění spalovat v kogeneračních motorech vyrábějících elektřinu a teplo. Plyn je ale
také možno dále upravovat, pomocí katalyzátorů se zvýší obsah ušlechtilých složek, a to metanu nebo vodíku.
Metan je opět vhodný pro spalování a vodík je možné využít pro výrobu elektrické energie v palivových
článcích. Kapalná frakce se skládá z olejů a dehtů, které je možné také spalovat, nebo použít jako vstupní
suroviny pro chemický průmysl. Tuhý zbytek ve formě téměř čistého uhlíku je možné použít jako sorbent v
průmyslových aplikacích.
Pyrolýza tedy umožňuje přeměnu odpadů, pro které nejsou současně dostupné technologie vhodné nebo
dostupné, ať už z technického nebo ekologického hlediska.
Jedna z možností jak využít vyprodukovaný pyrolýzní plyn je úprava jeho specifických vlastností, tak aby
se rozšířilo pole jeho možného využití. Tento článek pojednává o možnostech úpravy pyrolýzního plynu pomocí
katalyzátorů. Zkoumanou reakcí je konverze vodního plynu, která umožňuje navýšení koncentrace vodíku v
pyrolýzním plynu.
CO + H2O H2 + CO2 ΔH = - 41,1 kJ/mol (1)
Reakce konverze vodního plynu probíhající za relativně vysokých teplot se využívá více než 80 let pro
maximalizování výtěžnosti vodíku ze syntézních plynů. Tlaky procesu se pohybovaly v rozmezí od
atmosférického, až do 80 barů a vstupující plyn obsahoval 3-75 oxidu uhelnatého. V tomto případě vybíráme
takové odpadní materiály, z nichž vzešlý plyn obsahuje vhodný poměr vodíku a oxidu uhelnatého, tak aby námi
docílená výtěžnost vodíku byla co nejvyšší. Samozřejmě je nutné brát zřetel také na obsah sirovodíku, který je v
přijatelném množství akceptovatelný, ale od určité míry by mohl snížit aktivitu katalyzátoru na nepřijatelnou
mez. Tyto parametry splňují především materiály odpadní dřevní biomasy. Takto vzniklý vodík by se pak
následně mohl z plynu odseparovat a využít jako pohon palivových článků. Vhodná separace části vodíku a
oxidu uhličitého zvýší efektivitu spalování zbylého plynu ve spalovacím motoru kogenerační jednotky.
2 METODIKA
2.1 Popis experimentální pyrolýzní jednotky
Experimentální pyrolýzní jednotka se skládá z několika funkčních celků – vsázkového reaktoru, chladiče
vzniklého pyrolýzního plynu, zařízení na čištění pyrolýzního plynu a měřící a vyhodnocovací aparatury.
Vsázkový reaktor je určený pro vsázku testovaného materiálu o hmotnosti v rozmezí 100 až 500 gramů.
Samotný reaktor se skládá ze dvou částí, reaktorové nádoby a víka. Reaktorová nádoba je vyhřívána z vnější
strany pomocí dvou elektrických topných elementů, jedná se o topný pásek navinutý na vnější válcové ploše
reaktoru a topného tělesa, umístěného z vnější strany dna reaktoru. Oba topné elementy lze výkonově regulovat a
tím řídit teplotu uvnitř reaktoru, resp. teplotu samotného procesu. Na víku reaktoru se nachází vnitřní vestavba,
která umožňuje vložení materiálu spolu s jímkou termočlánku určeného k sledování teploty pyrolýzního procesu.
Na víku jsou dále umístěny přípojky pro přívod inertizačního plynu a odvoz vzniklého pyrolýzního plynu.
Dalším celkem je chladič pyrolýzního plynu, který je s reaktorem propojený vyhřívaným potrubním systémem.
Jedná se o protiproudý trubkový chladič, kde vnější stranu trubek ochlazuje proudící voda, uvnitř trubek dochází
k chlazení plynu a následné kondenzaci kapalných složek. Ve spodní části chladiče je umístěná sběrná nádoba na
vzniklou pyrolýzní kapalinu. Za chladičem se nachází zařízení na čištění zchlazeného pyrolýzního plynu. Čištění
plynu je realizováno pomocí tří, do série zapojených promývacích nádob. První laboratorní nádoba je umístěna v
chladicím boxu, následující dvě pak v mrazicím boxu, který udržuje jejich konstantní teplotu. Instalované frity -
porézní vrstvy přispívající k ustálení rychlosti proudění jsou instalovány na vstupu do druhé a třetí nádoby. První
nádoba je naplněna vodou, slouží pro rozpuštění H2S, který má negativní vliv na používaný katalyzátor. Druhá
nádoba je naplněna minerálním olejem, ve kterém kondenzují dehty. Třetí nádoba je naplněna minerální vatou,
která slouží jako indikátor čistoty a vlhkosti plynu. Za chladičem je zařazen průtokoměr, doplněný o teploměr a
tlakoměr, tak aby bylo možné stanovit množství vzniklého plynu a jeho klíčové parametry (teplota, tlak). Po
měření průtoku následuje analýza plynných složek obsažených v pyrolýzním plynu pomocí chromatografu.
Experimentální pyrolýzní jednotka je také vybavena malým hořákem pyrolýzního plynu, který umožňuje v
Energetika a životní prostředí 2014
73
případě potřeby spalovat přebytečný plyn. Mezi měřící a vyhodnocovací aparaturu patří soustava termočlánků
měřící teplotu v několika místech celého řetězce. Termočlánky je osazena vnitřní vestavba i vnější plášť
reaktoru, tak aby bylo možné sledovat a regulovat teplotu procesu. Dále pak chladič plynu, aby bylo možné
stanovit jednotlivé teplotní pole chladiče, osazeny jsou i všechny vstupy a výstupy chladiče, jak na straně vody,
tak na straně plynu. Celý systém obsahuje také několik manometrů, jejichž úkolem je zaznamenávat jednotlivé
tlaky v několika důležitých částech systému. Všechny prvky měřící a řídící aparatury jsou pomocí PLC modulu
napojeny na centrální systém řízení a sběru naměřených dat. Základní schéma pyrolýzního systému je uvedeno
na Obr. 2.1.
Obr. 2.1 Schéma experimentální pyrolýzní jednotky
2.2 Popis katalytické aparatury
Pro výzkum možností navýšení koncentrace vodíku v pyrolýzním plynu je využito laboratorní jednotky
obr. 2.2, jejíž hlavní části je vertikální trubková reaktorová pec, kterou je možno vyhřívat až do teploty 800°C,
ve které je možno zkoumat katalytické materiály ve třech různých typech reaktorů. V peci je možné docílit
konstantní teploty v teplotní zóně o délce 600 mm s odchylkou +-1°C. Teplotní stabilita je průběžně indikována
dvěma termočlánky napojenými na indikátory teploty. V další částí jednotky je připravována směs plynu pro
experiment. Jednotlivé složky plynu jsou odebírány z tlakových lahví a hmotnostními regulátory průtoku je
zajištěno požadované složení testovaného plynu. Pro samotnou reakci konverze vodního plynu je do systému
dávkována vodní pára, která také zabraňuje karbonizaci uhlíku na katalyzátoru. Šesticestným ventilem je
umožněna analýza jak plynu vstupujícího do pece, tak plynu z pece vycházejícího. Plyn je analyzován na
plynovém chromatografu a před vstupem do reaktoru je také měřená relativní vlhkost plynu vlhkostní sondou.
Jako nejvhodnější pro tento experiment, byl vybrán HTS (High Temperature Shift) katalyzátor
ShiftMax®120, který v sobě snoubí vysokou účinnost a velmi dobrou fyzickou odolnost. Katalyzátor se skládá z
Fe2O3 a Cr2O3, kde chrom pomáhá ke stabilizaci oxidu železitého a zabraňuje spékání. Katalyzátor je dodáván ve
formě tablet o průměru 6 mm, z toho důvodu byl použit válcový reaktor o průměru 7,7 mm, kdy výška náplně
činní 600 mm.
Energetika a životní prostředí 2014
74
Obr. 2.2 – laboratorní katalytická aparatura
2.3 Popis experimentů pyrolýza
Průběh experimentů se skládá z několika samostatných částí – kroků. Jedná se o přípravné práce, dále pak
o samotný experiment – průběh pyrolýzního děje a následný sběr a vyhodnocení naměřených dat.
Příprava experimentu zahrnuje kontrolu funkčnosti všech mechanický a elektronických celků, kontrolu
funkčnosti měřícího a zaznamenávacího systému, výměnu filtračních kapalin, kontrolu průchodnosti zařízení na
čištění pyrolýzního plynu, provedení tlakové zkoušky a nahřátí reaktoru na provozní teplotu (cca 450°C). Do
této části také patří příprava vsázky – navážení potřebného množství a vstupní rozbor materiálu včetně určení
vlhkosti.
Samotný experiment začíná vložení materiálu v transportní nádobě do prostoru vyhřátého reaktoru. Poté
je mechanicky utaženo víko a začíná ohřev materiálu na požadovanou teplotu procesu, tak se v závislosti na
druhu zpracovávaného materiálu a realizovaného experimentu pohybuje v rozmezí od 500°C do 750°C. Během
procesu vkládání materiálu do reaktoru a utahování víka je vnitřní prostor reaktoru intenzivně proplachován
inertním plynem, tak aby bylo zabráněno kontaktu zpracovávaného materiálu se vzduchem, resp. kyslíkem. V
průběhu pyrolýzního procesu dochází k hmotnostnímu úbytku materiálu vázky vlivem uvolnění plynné a
kapalné frakce, které odchází vyhřívaným potrubím do chladiče, kde dochází ke kondenzaci kapalné frakce,
která je odváděná přes turniketový uzávěr do sběrné nádoby. Pyrolýzní plyn poté prochází systémem čištění,
který se skládá z několika stupňů. První stupeň čistění je realizován promývací nádobou obsahující vodu,
dochází zde k rozpuštění H2S a také k záchytu hrubých nečistot (zbytky pyrolýzního oleje). Ve druhém stupni
čištění profází plyn přes náplň z minerálního oleje, zde dochází ke kondenzaci dehtů obsažených v plynu. Třetí
stupeň čištění je již pouze dočišťovací a slouží ke kontrole kvality čištění v předřazených stupních. Po výstupu
ze systému čištění již plyn prochází pouze průtokoměrem a poté je dle zvolené trasy buď veden na analýzu
(procesní analýza plynu zaměřená na určení obsahu prvků H2, CH4, CO2, CO a doplněná o chromatografickou
analýzu zaměřenou na určení obsahu TOC), popř. na hořák zbytkového plynu, kde je vyprodukovaný plyn
spalován.
Třetí, závěrečná část experimentu obsahuje sběr naměřených dat a vyhodnocení výsledků experimentů dle
zpracované metodiky. Po proběhlém experimentu je provedeno vážení kapalné frakce, vážení hmotnostního
rozdílu (přírůstku) v promývacích nádržích a pro kontrolu je provedeno výsledné převážení tuhého zbytku. Na
závěr jsou odebrány vzorky kapalné a tuhé frakce, které jsou poté odeslány do specializované laboratoře na
rozbor.
Energetika a životní prostředí 2014
75
2.4 Popis experimentu katalýza
Nejprve je nutné stanovit optimální parametry procesu, kterými jsou teplota procesu, prostorová rychlost
a přidávané množství vodní páry. Dále je zkoumána otrava katalyzátoru vlivem sirovodíku obsaženého v plynu.
Cílem těchto testů je v co nejvyšší možné míře navýšit koncentraci vodíku v pyrolýzním plynu, který by pak
mohl být z plynu separován a použit pro pohon palivových článků.
Optimální parametry jsou zkoumány na směsi plynu namíchané z tlakových lahví (CO,
CO2,CH4,H2,N2,H2S) tak, aby namíchaná směs co nejvíce odpovídala reálnému pyrolýznímu plynu. Bylo by
velmi náročné do směsi přidávat také všechny uhlovodíky v pyrolýzním plynu obsažené, jelikož katalytická
aparatura má omezený počet vstupů, byly tyto uhlovodíky nahrazeny nejjednodušším uhlovodíkem a to
metanem.
Stanovení optimální teploty v závislosti na konverzi oxidu uhelnatého je docíleno sérií pěti testů, kdy pro
každý z testů je stanovena rozdílná teplota od 250 do 450°C . Výsledkem tohoto měření bude křivka, ze které
bude možno vyčíst maximální možnou konverzi oxidu uhelnatého v tomto rozmezí teplot. Konverze oxidu
uhelnatého je při této reakci nejdůležitější sledovaný faktor, jelikož udává, jak velké množství klíčového
reaktantu oxidu uhelnatého se zúčastnilo reakce konverze vodního plynu za vzniku vodíku.
Dalším, ze sledovaných parametrů je prostorová rychlost. Prostorová rychlost udává poměr objemového
průtoku nástřiku k objemu reaktoru naplněného katalyzátorem. Znamená to tedy, že se zvyšujícím se průtokem
se také bude zvyšovat prostorová rychlost. Ze samotné podstaty věci je zřejmé, že nejvyšší konverze oxidu
uhelnatého bude docíleno při nejnižší prostorové rychlosti. Tento fakt je však v praxi neuplatnitelný, jelikož pro
docílení co nejnižší prostorové rychlosti by bylo zapotřebí velké množství katalyzátoru. Účelem těchto testů tedy
je, do jaké míry má zvyšující se prostorová rychlost vliv na konverzi oxidu uhelnatého. Opět bude provedeno pět
testu s prostorovými rychlostmi od 300 h-1 do 1000 h-1.
Série testů bude zakončena zkouškou rezistence katalyzátoru vůči otravě sirovodíkem, který se běžně v
pyrolýzním plynu z biomasy vyskytuje. Do směsi plynu tedy bude postupně přidáván sirovodík a to v množství
od 100 ppm do 1000 ppm, což bude mít za následek pokles konverze oxidu uhelnatého. Výsledek tohoto testu
bude mít velký vliv na výběr vhodné odpadní biomasy, z níž vzešlý pyrolýzní plyn bude moct být zpracován
pomocí tohoto katalyzátoru.
Na počátku každého experimentu bude analyzováno složení plynu vstupujícího do reaktoru. V průběhu
experimentu pak již bude sledováno složení zareagovaného plynu a budou sledovány změny složení plynu, v
závislosti na nastavených parametrech.
Tyto testy v současné době probíhají, a tudíž jejich výsledky nemůžeme přiložit k tomuto referátu.
Vyjdou však při další nejbližší možné příležitosti.
3 VÝSLEDKY TESTŮ
Test probíhal na experimentálním zařízení na pracovišti TCO Vítkovice. Testovány byly dva materiály:
pelety a pneumatiky. Pro vyloučení chyb měření bylo provedeno pět testů, z jejichž hodnot byla vytvořena
průměrná. Každý test trval půl hodiny. Tabulka 1.1 shrnuje parametry testovaných materiálů.
Datum Vstupní materiál Teplota procesu Doba testu
5.-6.5.2014 Pelety 500°C 5 x 30 minut
12.-13.5.2014 Pneumatiky 600°C 5 x 30 minut
Tab. 1.1 – Parametry testu
Po zpracování vstupního materiálu za daných podmínek můžeme obecně předpokládat, že vznikne asi:
40 % plynné fáze, 35 % kapalné fáze a 25% představuje pevný uhlíkatý zbytek. Hmotnostní bilanci pro
testované vstupní materiály shrnuje tabulka 1.2.
Vstupní
materiál
Hmotnost
vstupního
materiálu
Hmotnost
plynné fáze
Hmotnost
kapalné fáze
Hmotnost
tuhého
zbytku
Odchylka
měření
Doba trvání
testu
[-] [g] [g] [g] [g] [g] [min]
Pelety 340 118,6 134,3 84,2 2,9 150
Pneumatiky 340 141,8 112 84,3 2,1 150
Tab. 1.2 Hmotnostní bilance procesu
Energetika a životní prostředí 2014
76
3.1 Výsledky analýzy pyrolýzního plynu
Průměrné složení pyrolýzního plynu je pak uvedeno v tabulce 1.3, kdy průměrná hodnota složení
pyrolýzního plynu je stanovována v intervalu, ve kterém byly koncentrace jednotlivých složek plynu v co
nejustálenějším stavu. TOC je zde vypočítáno jako zbytek po součtu H2, CH4, CO2, CO, do sta procent.
Vstupní
materiál
H2 CH4 CO2 CO TOC SUMA Jednotka
Pelety 12,7 19,6 20,9 38,7 8,5 99,9 %
Pneumatiky 11,1 45,4 8,2 4,5 29,3 98,54 %
Tab 1.3 Složení pyrolýzního plynu
3.2 Výsledky rozboru tuhé fáze
Pro jednotlivé materiály byly vypracovány prvkové rozbory (tab 1.4 a 1.5), které jsou pro přehlednost
seřazeny tak, abychom mohli porovnat vstupní materiál a výsledný produkt.
Vzorek:
Pelety C H N S O
Spalné
teplo Vlhkost
Fixní
uhlík
Prchavá
hořlavina Popel
teplota
procesu (oC) [%] [%] [%] [%] [%] [J/g] [ %] [% ] [ %] [% ]
Vstup 47,67 6,86 0,13 0,01 43,98 18617 7,86 13,94 84,7 1,21
500°C 88,69 1,67 0,18 0,01 4,09 28819 4,19 74,19 13,49 12,32
Tab 1.4 Rozbor tuhé fáze – Pelety
Vzorek:
Pneumatiky C H N S O
Spalné
teplo Vlhkost
Fixní
uhlík
Prchavá
hořlavina Popel
teplota
procesu (oC) [%] [%] [%] [%] [%] [J/g] [ %] [% ] [ %] [% ]
Vstup 85,40 7,57 0,48 0,44 00,01 38034 0,98 23,03 70,86 6,11
600°C 86,31 0,58 0,27 2,63 0 30319 1,22 81,22 8,24 10,54
Tab 1.5 Rozbor tuhé fáze – Pneumatiky
4 ZÁVĚR
Využití pyrolýzních technologií pro zpracování odpadních materiálů s ohledem na možnosti úpravy
vyprodukovaného plynu s pomocí katalyzátoru se jeví jako výhodné, je ovšem nutno specifikovat vhodný
materiál a stanovit provozní podmínky celého procesu. (teplota procesu, druh použitého katalyzátoru atd.)
Prvotní testy ukazují, že nejvhodnějším materiálem se zdá být odpadní biomasa, kde je při jejím výběru třeba
brát zřetel na obsah sirných sloučenin, které snižují účinnost katalyzátoru. Dalším kritériem, které je nutno
sledovat je obsah vodíku a oxidu uhelnatého ve vzniklém pyrolýzním plynu tak, aby následná výtěžnost vodíku
pomocí reakce konverze vodního plynu byla co nevyšší. Další možné zpracovávání odpadních materiálů touto
metodikou bude předmětem budoucího zkoumání. Jako další vhodné odpadní materiály se mohou jevit
průmyslové odpady a vytříděné složky komunálního odpadu. Z dosažených výsledků vyplývá, že pyrolýzou
pelet odpadních dřevin vzniká dostatečné množství plynu obsahujícího vhodné koncentrace vodíku a oxidu
uhelnatého a sirovodíku pro následné katalytické zpracování, za účelem maximalizovat výtěžnost vodíku.
Vzhledem k současné a budoucí legislativě ČR a EU v oblasti odpadového hospodářství budou růst
nároky na materiálové a energetické využití odpadů. Technologie zpracování materiálů pomocí pyrolýzy nabízí
možnost energeticky využívat jinak obtížně zpracovatelné odpady, vyprodukovat elektrickou a tepelnou energii a
čistý vodík, využitelný již stávajícími technologiemi.
LITERATURA
[1] BASU P.: Biomass Gasification and Pyrolysis, ELSEVIER 2010
[2] TWIGG, M.V., Catalyst handbook. WOLFE 1989
[3] GITTLEMAN, C.: Combined Water Gas Shift Reactor and CO2 Adsorption. US PATENT NO.: US
6,692,545 N2, 2004
Energetika a životní prostředí 2014
77
[4] QUIFENG, L., YONGQIANG, X.: Catalytic Synthesis of Thiophene from the Reaction of Furan and
Hydrogen Sulfide. SPRINGER 2008
[5] KOPYSCINSKI, J., SCHILDHAUER,: Production of synthetic natural gas (SNG) from coal and dry
biomass – A technology review from 1950 to 2009. ELSEVIER 2010
[6] LOTRIČ, A., SEKAVČNIK, M., KUNZE, C.: Simulation of Water-Gas Shift Membrane Reactor for
Integrated Gasification Combined Cycle Plant with CO2 Capture. STROJNIŠKI VESTNIK, 2011
[7] SPLIETHOFF, H.; UNTERBERGER, H.; HAIN, K.; Status of Co-combustion of Coal and Biomass in
Europe, Technologies and Combustion for a Clean Environment, July 2001
[9] HOLOUBEK, I.: Polycyklické aromatické uhlovodíky v prostředí, 1996
[10] ZHANG, X.; WANG, T.; MA, L.; CHÁNY, J.; Waste Management (2007)
[11] BARBOOTI, M. M.; MOHAMED, T. J.; HUSSAIN, A. A.; ABAS, F. O.; Anal. Appl. Pyrolysis
[12] BAXTER, L.; Biomass-coal co-combustion: oportunity for affordable renewable energy, 2005
[13] Energetická politika ČR, Ministerstvo životního prostředí. env.cz [online]. [cit. 2014-8-15]. Dostupné
na WWW: <http://env.cz>.
Energetika a životní prostředí 2014
78
OVĚŘENÍ DVOUVRSTVÝCH TRUBEK PRO PŘEHŘÍVÁK PÁRY KOTLŮ NA
SPALOVÁNÍ KOMUNÁLNÍCH ODPADŮ
VERIFICATION OF TWO-LAYER TUBES FOR STEAM SUPERHEATER
FOR MUNICIPAL WASTE COMBUSTION BOILERS
Tomáš PIETROSZ 1, Ladislav VILIMEC
2, Jiří VATRAL
3
1 Ing., VITKOVICE POWER ENGINNEERING a.s.
Ruská 1142/30, 703 00 Ostrava-Vítkovice, tel. (+420) 59 595 3317
2 Doc. Ing., VITKOVICE POWER ENGINNEERING a.s.
Ruská 1142/30, 703 00 Ostrava-Vítkovice, tel. (+420) 59 595 4299
3 Ing., VITKOVICE POWER ENGINNEERING a.s.
Ruská 1142/30, 703 00 Ostrava-Vítkovice, tel. (+420) 59 595 4098
Abstract
The paper gives information about contemporary activities of the VITKOVICE POWER
ENGINEERING a.s. company (VPE) in area of a facility for energy utilization of waste (ZEVO), in particular at
combustion of municipal waste with production of steam with increased parameters. From the point of view of
operational reliability of incineration plant boilers, the area of output high-temperature steam superheaters is the
most important, and that because of high risk of chloride corrosion. Utilization of two-layer pipes with an outer
protective ceramic layer forms one of alternatives of extension of the lifespan of these parts of pressure units of
municipal waste combustion boilers.
The structural design of such a steam superheater is the subject of the grant project No. TA04021583,
called „Research and development aimed at operational verification of steam superheater with high parameters
for the ,ZEVO‘“. The proposed project is further aimed at applied research in the area of heat transfer. The
research as well as the operational verification of the new solution will be carried out under real conditions at
combustion of municipal waste in the boiler of the SAKO Brno, a.s. company, and this research follows the
finished research which was carried out within the grant project No. 2A-3TP1/087 with the financial support of
the Ministery of Industry and Trade.
Keywords: facility pro for energy utilization of waste, high-temperature steam superheater, chloride
corrosion, research in the area of heat transfer, two-layer tube with an outer ceramic protection.
Abstrakt
Článek informuje o současných aktivitách společnosti VITKOVICE POWER ENGINEERING a.s. (dále
jen VPE) v oblasti zařízení pro energetické využívání odpadů (ZEVO), konkrétně při spalování KO s produkcí
páry o zvýšených parametrech. Z hlediska spolehlivosti provozu spalovenských kotlů je stěžejní oblast
výstupních vysokoteplotních přehříváků páry a to z důvodu vysokého rizika chloridové koroze. Jednou
z možností k prodloužení životností těchto částí tlakových celků kotlů pro spalovaní KO je použití dvouvrstvých
trubek s vnější ochrannou keramickou vrstvou.
Provozní ověření takového přehříváku páry je předmětem grantového projektu č. TA04021583 o názvu
„Výzkum a vývoj zaměřený na provozní ověření přehříváku páry s vysokými parametry pro ZEVO“. Projekt je
dále zaměřen na aplikovaný výzkum v oblasti sdílení tepla. Výzkum i provozní ověření nového řešení bude
probíhat v reálných podmínkách při spalování komunálních odpadů na kotli ve společnosti SAKO Brno, a.s. a
navazuje na ukončený výzkum, který byl proveden v rámci grantového projektu č. 2A-3TP1/087 s finanční
podporou MPO.
Klíčová slova: zařízení pro energetické využívání odpadů, vysokoteplotní přehřívák páry, chloridová
koroze, výzkum v oblasti sdílení tepla, dvouvrstvá trubka s vnější keramickou ochranou.
Energetika a životní prostředí 2014
79
1 ÚVOD
V rámci grantového projektu MPO 2A-3TP1/087, jehož hlavním příjemcem byla VŠB-TU Ostrava a
spolupříjemce VPE, byla řešena celková koncepce kotle za spalovací komorou s optimalizovanými parametry
páry. A dále bylo navrženo materiálové řešení tlakové části kotle, podložené výsledky výzkumu odolnosti
různých materiálů vůči chloridové korozi. Tento výzkum byl prováděn v laboratorních i poloprovozních
podmínkách (reálné podmínky spalin, nechlazená trubka). Projekt byl ukončen v prosinci 2011.
Provozní ověření vysokoteplotního přehříváku z dvouvrstvých trubek v předkládaném projektu je
posledním krokem před dodávkami takových přehříváků společností VPE pro komerční nasazení, protože
podklady potřebné pro stanovení životnosti přehříváku z dvouvrstvých trubek nejsou známé a ověřit je lze jen
v provozních podmínkách na kotli. Zařízení pro energetické využívání odpadů s vyššími parametry páry dosahují
vyšší účinnost při výrobě elektřiny a tedy i vyšší produkci elektřiny z dodaného komunálního odpadu. Takové
zvýšení produkce elektřiny vede k úspoře fosilních paliv a sníží se tak i zatížení životního prostředí. Ověření
vysokoteplotního přehříváku v provozních podmínkách umožní společnosti VPE optimalizovat návrh
vysokoteplotního přehříváku z hlediska potřebné životnosti a spolehlivosti v podmínkách vysokoteplotní
chloridové koroze, zvýší se tak i spolehlivost a bezpečnost dodávky elektřiny a tepla. Provozním ověřením
vysokoteplotního přehříváku páry se rovněž udrží kontinuita vývoje v holdingu VÍTKOVICE v této oblasti,
zvýší se tak i konkurenceschopnost společnosti.
2 SOUČASNÉ POZNATKY, CÍL A PROGRAM PROJEKTU
V rámci řešení výše uvedeného projektu MPO byly získány poznatky ohledně korozní odolnosti nejen
ocelí a ocelí s navařenou ochrannou vrstvou ale i různých druhů keramik od dvou renomovaných výrobců.
V rámci korozních zkoušek keramik pak byly získány informace o korozní odolnosti samotného materiálu a také
o rychlosti koroze základního kovového materiálu po aplikaci keramické ochrany.
Je zajímavé, že zjištěná korozní odolnost u ocelových vzorků v laboratorních podmínkách je horší než u
stejných ocelí zjištěná u poloprovozních zkoušek, při nichž byl vzorek zavěšen ve spalovenském kotli v místech
s odpovídající teplotou. Tento jev byl způsoben jednak prostředím laboratorních zkoušek (bylo zvoleno plynné
prostředí se zvýšeným obsahem plynného chloru a vzorky byly zasypány nejagresivnějším nánosem odebraným
ze spalovenského kotle) a také způsobem provedení samotné zkoušky a metodou vyhodnocení (bylo prováděno
průběžně po předem stanovených časových intervalech přičemž se vždy odstraňovala korozní vrstva – to
způsobuje zvýšení korozní rychlosti). I přes tyto tvrdé podmínky zkoušek se potvrdilo, že existují materiály,
které jsou schopné odolat zvýšeným teplotám (pára 500°C) při požadované životnosti přehříváku kotle [1].
Zkoušky keramik v agresivním prostředím potvrdily jejich odolnost vůči zvýšené teplotě a je možné je
použít pro ochranu exponovaných teplosměnných ploch výstupních přehříváků s teplotou spalin do 800°C.
Zkoušky základních materiálů opatřených keramickou ochranou pak ukázaly její příznivý vliv na rychlost
koroze, která byla výrazně nižší než u čistě ocelového vzorku, jež byl v průběhu zkoušek zasypán popelovým
nánosem odebraným z teplosměnné plochy kotle s odpovídající teplotou stěny [1].
Komerční využití dvouvrstvých trubek je podmíněno i ověřením výpočtu prostupu tepla u takové trubky
v provozních podmínkách. Nebyla ověřena ani technologie výroby dvouvrstvých trubek s vnější keramickou
vrstvou pro vysokoteplotní přehřívák páry, nebyla ověřena spolehlivost konstrukce přehříváku z takových trubek
a nebyla dosud v provozních podmínkách ověřena ani zvýšená korozní odolnost dvouvrstvých trubek při
působení chloridové koroze, očekávaná na základě provedených laboratorních a poloprovozních zkoušek.
Protože výsledky výzkumu korozní odolnosti u dvouvrstvých trubek s vnější keramickou vrstvou byly
pozitivní je předmětem dalšího vývoje ověření funkčního vzorku přehříváku páry provedeného z takových
trubek. Provozní ověření proběhne s teplotou média na výstupu, která je předpokládána u kotlů se zvýšenými
parametry páry, tedy alespoň 500°C, respektive s odpovídající teplotou stěny.
Funkční vzorek bude proveden jako jeden had z trubky předpokládaného rozměru a materiálu, tyto
parametry, stejně jako teplota stěny trubky, budou stanoveny na základě výsledků dříve řešeného grantového
projektu, a tato trubka bude opatřena vnější keramickou ochranou, jejíž výrobu zajišťuje spolupříjemce podpory
společnost SEEIF Ceramic, a.s.
Zkušební had bude namontován v době odstávky kotle (každoročně se předpokládají dvě odstávky, na
jaře a na podzim) tak, aby nebyl ohrožen provoz kotle ani při havárii zkušebního hadu. Proto bude zkušební had
chlazený médiem ze samostatného zdroje, teplota na výstupu (resp. teplota stěny trubky) se bude na požadované
hodnotě udržovat ohřevem cizím zdrojem s vlastním systémem řízení.
Základní trubka bude provedena z materiálu běžně používaného pro přehříváky parních kotlů,
z austenitické případně legované oceli, které byly podrobeny zkouškám korozní odolnosti v rámci výše
uvedeného, ukončeného grantového projektu. Při montáži zkušebního hadu nebudou zapotřebí žádné (příp.
Energetika a životní prostředí 2014
80
minimální) zásahy do tlakového systému stávajícího kotle a ani provoz zkušebního hadu nebude mít žádný vliv
na provoz kotle.
Řešení úkolu bylo zahájeno potřebnými technickými výpočty pro stanovení parametrů jednotlivých
zařízení a zejména pak pro dimenzování výhřevné plochy zkušebního hadu. Následně se vypracuje projekt
instalace zkušební smyčky, jež bude obsahovat veškeré subdodávky, který bude sloužit jako základ pro
vypracování výrobní dokumentace smyčky včetně zabudovaného potřebného měření teplot obou médií i teplot
stěny, jakož i pro vypracování potřebné dokumentace pro výrobu vnější keramické ochrany.
On-line měřené parametry na zkušební smyčce budou archivovány a průběžně zpracovávány z hlediska
vyhodnocení prostupu tepla, v případě potřeby budou vstupní parametry, např. teplota média nebo stěny,
přizpůsobeny pro potřebu vyhodnocení prostupu tepla. Výzkum sdílení tepla u dvouvrstvé trubky bude ukončen
s ukončením úkolu. Parametry pro vyhodnocení intenzity chloridové koroze budou snímány při každé odstávce
kotle, tuto činnost bude zajišťovat druhý spolupříjemce podpory, společnost SVÚM, a.s..
Měřící smyčka zůstane v provozu i po ukončení úkolu, tak dlouho, dokud nedojde k jejímu zničení,
předpokládáme více než 5 let. Ověří se tak životnost přehříváku z dvouvrstvých trubek v provozních
podmínkách.
3 POSTUP ŘEŠENÍ
Přesnost matematického modelu sdílení tepla u dvouvrstvých trubek je značně omezena neznalostí
potřebných podmínek pro sdílení tepla ve styku obou vrstev (bod 3 na obr.1). Z dřívějších prací (ukončený
grantový projekt 2A-3TP1/087) jsou známé vodivosti obou vrstev materiálů, laboratorně byl zjištěn i stupeň
emisivity ochranné keramické vrstvy a také emisivita vybraných ocelí a niklových slitin.
Obr. 1. Schématický řez dvouvrstvou trubkou, s vyznačením bodů charakterizujících přenos tepla do chladicího
média proudícího uvnitř trubky
Metodika ověření prostupu tepla dále vychází ze známého součinitele přestupu tepla z vnitřní stěny
trubky do chladicího média a z měřeného teplotního profilu mezi teplotou vnitřního chladicího média a teplotou
spalin. Výhodou tohoto postupu je, že se stanoví součinitel prostupu tepla dvouvrstvou trubkou v provozních
podmínkách pro danou geometrii trubky a provedení ochranné vrstvy – pro toto konkrétní provedení jsou
výsledky okamžitě k dispozici pro komerční návrh přehříváku. Předpokládá se opakovaná realizace tohoto
měření tak, že každé jednotlivé měření bude odpovídat jinému stupni zanesení vnějšího povrchu keramické
ochrany popelovým nánosem.
Metodika pro ověření intenzity chloridové koroze jakož i způsob vyhodnocování, v dobách odstávky
kotle, je předmětem vývoje. Pro průběžné vyhodnocení koroze při odstávce kotle se odebere nános korozního
produktu a nedestruktivně se změří tloušťka stěny. Pro vyhodnocení intenzity koroze po ukončení měření bude
použita klasická metoda hodnocení korozní rychlosti u odebraného vzorku, včetně metalografické analýzy.
Nejedná se tedy o základní výzkum korozní odolnosti, ale o verifikaci výsledků dříve provedeného výzkumu
(2A-3TP1/087).
Umístění zkušebního zařízení na kotli je na obr.2. Zkušební smyčka bude namontována v prostoru 2.tahu
kotle mezi přehřívákem č.1 a přehřívákem č.2 a přes otvory, navrtané skrze praporek membránové stěny (MeS)
stropu bude vyvedena nad izolaci stropu kotle (viz obr.3). Vůči MeS stropu bude zkušební smyčka utěsněna
speciálně připraveným keramickým materiálem. Chladicím médiem bude vzduch, nasávaný z prostoru kotelny
samostatným ventilátorem, který bude před zavedením do zkušebního zařízení ohříván tak, aby byla zajištěna
požadovaná povrchová teplota stěny trubky. Na obr.4 je zjednodušené technologické schéma zkušební smyčky
Energetika a životní prostředí 2014
81
(schéma neobsahuje veškeré parametry potřebné pro vyhodnocení součinitele přestupu tepla ani pro
vyhodnocení korozní odolnosti).
Obr. 2 Předpokládaná pozice zkušební smyčky v kotli SAKO Brno, a.s.
Obr. 3 Prostup zkušební smyčky
MeS stropu kotle
Obr. 4 Zjednodušené technologické schéma zkušební smyčky
PODĚKOVÁNÍ:
Tento projekt je realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím TAČR.
LITERATURA
[1] Pietrosz, T., Vilimec, L., Skýba, J.: Výzkum technologie procesu a optimalizace konstrukce spalovacích
pecí na komunální odpad, zajišťující zvýšení účinnosti transformace energie. Závěrečná zpráva
k projektu 2A-3TP1/087. 261 s.
Energetika a životní prostředí 2014
82
FOTOVOLTAIKA A ZELENÁ METALURGIE
PHOTOVOLTAICS AND THE GREEN METALLURGY
Pavel RAŠKA1, Lukáš PROKOP
2, Stanislav MIŠÁK
3
1 Ing.,
Department of Chemistry, Faculty of Metallurgy and Material Engineering, VŠB TU Ostrava
17. listopadu 15, Ostrava Poruba, tel. (+420) 59 732 4361
e-mail: [email protected]
2 Ing., Ph.D.,
Department of Electrical Power Engineering, Faculty of Electrical Engineering and
Computer Science,
VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, tel. (+420) 59 732 9306
e-mail: [email protected]
3 doc. Ing., Ph.D., Department of Electrical Power Engineering, Faculty of Electrical Engineering and
Computer Science,
VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, tel. (+420) 59 732 9308
e-mail: [email protected]
Abstract:
The paper addresses direct electrochemical reduction of iron oxides in ionic melts and high concentrated
alkaline solutions. The first part of the paper deals brief the overview of the possibilities of reduction of Fe2O3(s)
in chloride, carbonate and hydroxide melts (in the temperature range 750 – 1600 oC) and of Fe3O4(s) in the
concentrated alkaline solutions (15 – 75% w/w by the temperature 110 oC). The second part presents obtained
results of electrochemical experiments (cyclic voltammetry, chronocoulometry) using Fe3O4 working electrode
in the concentrated solutions of NaOH - H2O systems for temperature 110 oC. Third part presents the possibility
of utilization of solar power station with monocrystaline technology of the solar panels for direct supply of the
electrolyzer for reduction of iron oxides.
Key words: cathodic reduction of oxides, molten salts, alkaline solutions, fotovoltaics supply of the
electrolyzer
Abstrakt:
Příspěvek se zabývá přímou elektrochemickou redukcí oxidů železa v iontových taveninách a v
koncentrovaných alkalických roztocích. V první části je stručně uveden přehled možností redukce Fe2O3(s) v
chloridových, uhličitanových a hydroxidových taveninách při teplotách 750 – 1600oC a Fe3O4(s) v
koncentrovaných hydroxidových roztocích (15 - 75%) při teplotách 110oC. Ve druhé části jsou prezentovány
výsledky elektrochemického měření (lineární voltametrie a chronocoulometrie) s Fe3O4 pracovní elektrodou v
koncentrovaných roztocích soustavy NaOH - H2O při teplotě 110oC. Ve třetí části je provedena analýza použití
fotovoltaické elektrárny s monokrystalickou technologií panelů pro přímé napájení elektrolyzéru pro redukci
oxidů železa.
Klíčová slova: katodická redukce oxidů; roztavené soli, alkalické roztoky, fotovoltaické napájení
elektrolyzéru
1 PŘÍMÁ ELEKTROCHEMICKÁ REDUKCE FE2O3 (S) V IONTOVÝCH TAVENINÁCH
Přeměna železné rudy na finální ocel je energeticky i finančně náročná. Úsilí o racionalizaci těchto
pochodů se doposud soustřeďovalo jen na snižování nákladů pomocí zvyšování účinnosti. Požadavků na
snižování emisí CO2 , prachových částic PM10 , resp.PM2,5 nemůže metalurgie v dnešní podobě pouze drobnými
úpravami, bez zásadní přestavby, nikdy dosáhnout. Metalurgický cyklus, který zahrnuje mimo jiné těžbu uhlí,
vápence, výrobu koksu, vysokopecní redukci a selektivní oxidaci C, Si, P v kyslíkovém konvertoru, má enormní
ekologické důsledky. Nový proces je založen na přímé elektrochemické redukci pevných oxidů železa v
iontových taveninách a v koncentrovaných alkalických roztocích. Vložené napětí je kolem 2V a je principiálně
možné přímo „in situ“ využít fotovoltaiku. Jde o širší technologickou aplikaci „nového“ katodického redukčního
činidla, elektronů[1].
Lehce sintrovaný porézní oxid železitý tvoří u procesu FFC Cambridge[2] (patentovaný v roce 1997)
katodu a při použití inertní anody se na ní vylučuje pouze kyslík. Výjimečnost procesu FFC spočívá v tom, že
redukce oxidů probíhá uvnitř katody v pevném stavu a nedochází přitom ke spotřebovávání elektrolytu. Schéma
Energetika a životní prostředí 2014
83
elektrolyzéru s Fe2O3 katodou a inertní anodou, na níž vzniká pouze kyslík, je uvedeno na obr. 1. Toto schéma
lze aplikovat na chloridové, uhličitanové a hydroxidové taveniny i alkalické roztoky.
Obr. 1: Schéma elektrolyzéru pro produkci železa na Fe2O3 katodě[1]
V chloridových taveninách je aplikované napětí dostatečně vysoké pro redukci pevného oxidu, ale ne
tak vysoké, aby se rozkládal elektrolyt. Za těchto podmínek se do taveniny uvolňují ionty O2-
, přičemž nedochází
k vylučování vápníku na katodě. Chlorid vápenatý rozpouští ionty O2-
a tyto jsou transportovány k anodě, kde se
oxidují. Celkové reakce konverze kovového oxidu na kov probíhá následovně: na inertní anodě se vyvíjí kyslík
podle reakce (1) a na katodě se vyredukuje kov podle reakce (2):
2O2-
= O2 +4e (1)
Fe2O3 + 6e- = 2Fe + 3O
2- (2)
Aktivity oxidu a kovu jsou jednotkové. Za předpokladu, že a(O2-
) =1, lze pomocí vztahu:
Eo = -ΔGo/nF (3)
vypočítat minimální potenciál pro ionizaci kyslíku. Mechanizmus elektrochemické redukce byl sledován
pomocí cyklické voltametrie, která indikovala dva redukční píky, čemuž odpovídá redukce Fe2O3 ve dvou
krocích:
Fe2O3 + 2e- = 2 FeO + O
2- (4)
FeO + 2e- = Fe + O
2- (5)
V uhličitanových taveninách je produktem FFC Cambridge procesu elektrolýzy oxidu binární slitina Fe-
C, kde obsah uhlíku závisí na vloženém svorkovém napětí. V uhličitanové tavenině může probíhat redukce
aniontu:
CO32-
+ 4e-= C + 3O
2- (6)
V práci [3] bylo zjištěno, že s rostoucím obsahem uhlíku v produktu Fe-C výrazně roste spotřeba energie.
Při 0,035% C byla spotřeba energie 2,87 kWh/1kg Fe a při 0,199% C vzrostla tato hodnota na 4,77 kWh/1kg Fe.
V hydroxidových taveninách se v průběhu elektrolýzy kyslík v oxidu ionizuje, rozpouští se v elektrolytu
a difunduje k anodě, kde se vylučuje. Protože ionty Fe2+
a Fe3+
nejsou přítomny v tavenině, je oxidační číslo
železa v oxidu irelevantní. V praxi se to projevuje jako výhoda, protože většina oxidů rozpuštěných v tavenině
obsahující různé oxidační stupně má vysokou elektronovou vodivost, což snižuje proudovou účinnost procesů.
Energetika a životní prostředí 2014
84
Redukce pevného oxidu železitého probíhá opět v několika krocích, které se dají sumárně napsat jako rovnice
(2). Spotřeba energie je v rozmezí 2,8 -15 kWh/1kg Fe v závislosti na obsahu přítomné vody v tavenině.
Katodická redukce pevného Fe3O4 v alkalických roztocích
Oxidy železa je možné redukovat i v alkalických roztocích při podstatně nižších teplotách, u nichž však
dochází k vývinu vodíku, který snižuje proudovou účinnost. Z tohoto důvodu se používají koncentrované
alkalické roztoky NaOH (30 - 75 %), u kterých je uvolňování H2 na katodě nižší. Sumární katodická redukce
hematitu:
Fe3O4 + 4H2O + 8e- = 3Fe + 8OH
- (7)
na anodě se uvolňuje kyslík podle reakce:
4 OH- = O2 + 2H2O + 4e
- (8)
Reakce (7) je ve skutečnosti komplikovanější a názorně to ilustrují naše výsledky měření voltametrických
křivek na Fe3O4 indikačních elektrodách, na kterých je možno pozorovat redukci magnetitu ve třech stupních.
2 ELEKTROCHEMICKÁ MĚŘENÍ S FE3O4 ELEKTRODOU V KONCENTROVANÝCH
ROZTOCÍCH SOUSTAVY NAOH - H2O
Na obr. 2 jsou uvedeny voltametrické křivky redukce Fe3O4 získané v 50% roztoku NaOH při teplotě
110oC. První křivka reprezentuje postupnou redukci přítomného magnetitu na Fe
0. Druhá křivka je opakovaný
záznam na stejné elektrodě, na níž je vidět, že předchozím krokem došlo k vyredukování veškerého povrchového
oxidu. Tento byl připraven anodickou oxidací Fe elektrody po dobu 60ti sekund v oblasti vývinu kyslíku při
potenciálu +1,7V vztahovanému k železné referenční elektrodě. Elektrochemické měření bylo provedeno na
přístroji Voltalab PZG 301 a výsledky byly vyhodnocovány pomocí softwaru Voltamaster 4.
Na obrázku č. 3 jsou uvedeny Q-t křivky (náboj-čas) získané při redukci vrstvy Fe3O4 při potenciálu
zvoleném z minima katodické redukční křivky č. 1 uvedené na obr. 2. Vrstvy byly vyloučené na Fe elektrodě při
různých časech (60 s. resp. 15s). Tloušťka vyloučené oxidické vrstvy je úměrná době anodické oxidace železa.
Uvedené metody je možno využít k charakteristice daného procesu. Z obr. 2 je možno usuzovat na
mechanizmus a z obr. č. 3 na kinetiku přímé katodické redukce daného oxidu ve zkoumaném elektrolytu.
Obr. 2: Lineární voltametrické křivky proud – potenciál redukce Fe3O4 při rychlosti polarizace 100 mV/s;
křivka 1: první záznam, křivka 2: následný záznam závislosti proudu na potenciálu
Energetika a životní prostředí 2014
85
Obr. 3: Závislost prošlého náboje na čase (chronoculometrické křivky Q-t)
při redukci vrstvy Fe3O4 vyloučené na Fe elektrodě za dobu: křivka 1: 60 s., křivka 2: 15s.
3 APLIKACE SOLÁRNÍ ENERGIE
Výše uvedené chemické reakce a procesy probíhají v zařízeních, které je nutné napájet elektrickou energií
v množství úměrném velikosti daného zařízení, ale také objemu zpracovávaného materiálu. Celosvětovým
trendem posledních let je snaha o redukci emisí skleníkových plynů, zejména CO2 a celková snaha o maximální
možné využití obnovitelných zdrojů elektrické energie jako zdrojů čisté „zelené“ elektrické energie. Využití
elektrické energie vyrobené obnovitelnými zdroji k napájení zařízení, která slouží k redukci oxidů železa, ale i
obecně zařízení pro zpracování kovů, mění pohled na metalurgii a staví ji do nového světla, jako soubor
technologií a postupů bez výrazných dopadů na životní prostředí.
Na území ČR jsou využívány různé typy obnovitelných zdrojů elektrické energie. Z hlediska objemu
instalovaného výkonu, ale i objemu celkové vyrobené elektrické energie, jsou dominantní fotovoltaické
elektrárny (instalovaný výkon 2132MW).
Stěžejním prvkem každé fotovoltaické elektrárny jsou fotovoltaické panely v sérioparalelním zapojení
tak, aby výstupní napětí celého stringu panelů bylo přizpůsobeno vstupnímu napětí střídače, který slouží ke
konverzi DC napětí fotovoltaických panelů na AC napětí elektrické sítě. V případě, že by bylo využito
fotovoltaické elektrárny k napájení zařízení pro redukci oxidů železa, lze poměrně jednoduše fotovoltaické
panely zapojit tak, aby výstupní napětí celého stringu mělo hodnotu vstupního napětí zařízení pro redukci oxidů
železa, které je napájeno DC napětím. Vzhledem ke snaze maximálního využití veškeré vyrobené elektrické
energie je vhodné celý systém doplnit o akumulační zařízení, aby bylo možné přebytky elektrické energie
akumulovat a prodloužit tak provoz zařízení i po snížení výkonu fotovoltaické elektrárny z důvodu snížení úhrnu
slunečního záření. V následujícím textu budou analyzovány dvě varianty využití fotovoltaických elektráren k
napájení zařízení pro redukci oxidů železa.
Virtuální blok fotovoltaických elektráren.
Virtuálním blokem fotovoltaických elektráren rozumíme umělé (fiktivní, virtuální) spojení několika
fotovoltaických elektráren tak, aby bylo dosaženo požadovaného dodávaného výkonu. Lze tedy do virtuálního
bloku započítat fotovoltaické elektrárny z různých částí soustavy a tím částečně eliminovat variabilitu dodávky
výkonu fotovoltaických elektráren způsobenou meteorologickou situací v různých lokalitách. Pro příklad
uvádíme situaci pro Moravskoslezský kraj, kdy celkový instalovaný výkon fotovoltaických elektráren činí 61,6
MW[4]. Pro redukci oxidů železa o hmotnosti 1 kg je nutné mít k dispozici elektrickou energii cca 2,6kW∙h,
přičemž v roce 2013 tyto fotovoltaické elektrárny vyrobily 58,7GW∙h elektrické energie[5]. Z těchto údajů je
možné vypočítat, že kdyby byla pro napájení zařízení pro redukci oxidů železa k dispozici veškerá elektrická
energie vyrobená těmito fotovoltaickými elektrárnami, bylo by možné vyrobit 22,577 tun železa a v případě
použití veškeré elektrické energie z fotovoltaických elektráren celé ČR je to 730 tis. tun železa.
Energetika a životní prostředí 2014
86
Fotovoltaická elektrárna pro přímé napájení
Pro analýzu možností využití fotovoltaické elektrárny pro napájení zařízení pro redukci oxidů železa byly
využity výsledky komplexního dlouhodobého měření elektrických a meteorologických veličin vybrané
fotovoltaické elektrárny. Jedná se o fotovoltaickou elektrárny o instalovaném výkonu 1100kWp s
monokrystalickou technologií fotovoltaických panelů. Bližší popis parametrů analyzované elektrárny je
publikován v [6]. Ve sledovaném roce tato fotovoltaická elektrárna vyprodukovala 1037,5MW∙h elektrické
energie. Pokud opět budeme předpokládat, že je potřeba pro redukci oxidu železa 2,6kW∙h elektrické energie pro
1kg materiálu, tato fotovoltaická elektrárna by byla schopna dodat elektrickou energii pro výrobu 400 tun Fe a
zpracování 570 tun hematitu ve sledovaném roce.
Nevýhodou je nestabilita dodávky elektrické energie, které je přímo závislá na dopadající energii
slunečního záření. V současné době lze k akumulaci, případně ke stabilizaci dodávky elektrické energie z
fotovoltaické elektrárny, využít řadu technologií. V tomto případě uvažujeme pouze o variantě akumulace
elektrické energie v akumulátorových bateriích. Obecně lze připojení akumulace k fotovoltaické elektrárně
realizovat několika způsoby. Prvním způsobem je varianta, kdy veškerá energie vyrobená fotovoltaickou
elektrárnou je akumulována v bateriích a z těch je následně napájeno zařízení spotřebovávající elektrickou
energii (obr. 4). Jelikož se v tomto případě jedná o stejnosměrnou zátěž o napětí cca 3V, je zde vřazen DC/DC
měnič, který transformuje systémové napětí (12 nebo 48V) na napětí zátěže. Z hlediska spolehlivosti a možnosti
udržení provozu připojených zařízení je mezi akumulační zařízení a DC/DC měnič připojen střídač, který
zajišťuje kontinuální napájení z distribuční soustavy AC 230V v případech, kdy není dostatečná výroba
fotovoltaické elektrárny a stejně tak je vyčerpána energie akumulovaná v bateriích.
Obr. 4: Přímé zapojení akumulace
Druhou variantou je potom zapojení, kdy fotovoltaická elektrárna přímo přes regulátor nabíjení (RN)
napájí spotřebič a akumulace (BAT) je využívaná v případě nadbytku elektrické energie nebo pro dorovnání
nedostatku elektrické energie z fotovoltaické elektrárny a v tomto případě akumulace slouží k vybalancování
nestabilní dodávky elektrické energie (obr. 5). Stejně jako v předchozí variantě je zde také DC/DC měnič, který
transformuje DC napětí na DC napětí zátěže. Pro udržení spolehlivého provozu je i zde schéma zapojení
doplněno o střídač, který umožňuje napájení z distribuční soustavy AC 230V.
Obr. 5: Akumulace k vybalancování nestabilní dodávky elektrické energie
Další variantou je, že fotovoltaická elektrárna je připojena přes střídač (FS) na AC přípojnici, ke které je
současně připojen hybridní střídač (HS), ke kterému je připojeno akumulační zařízení (BAT). Hybridní střídač v
tomto případě slouží současně jako nabíječ baterií, ale i jako střídač v případě dodávky energie z baterií (obr.6). I
u této varianty je zátěž připojena přes DC/DC měnič, který upraví velikost napětí dle potřeby zátěže.
Energetika a životní prostředí 2014
87
Obr. 6: Akumulace připojena přes hybridní střídač
Závěrem lze shrnout, že v laboratorních podmínkách lze sledovat redukci oxidů železa při teplotě 110°C
pomocí lineární voltametrie a kinetiku této redukce pomocí chronocoulometrie. Poznatky bude možné využít k
návrhu výrobní technologie. V provozních podmínkách je možné využít energii z obnovitelných zdrojů jak pro
redukci oxidu, tak i pro předehřev elektrolytu. Jelikož meteorologické a klimatické podmínky v ČR neumožňují
plné celoroční využití pouze jednoho obnovitelného zdroje, v práci uvažované fotovoltaické elektrárny, budou
použity střídače určené pro provoz v ostrovním režimu. Ty jsou vybaveny více vstupy, ať už DC nebo AC. Toto
poskytuje možnost připojení více odlišných zdrojů a tím je umožněno zajištění trvalého a spolehlivého napájení
technologie.
LITERATURA:
[1] Raška, P., Langová Š., Leško, J.: Chem. Listy 108, 572 (2014).
[2] Fray D. J., Farthing T. W., Chen Z.: PCT Int. Appl. WO 99 64638.
[3] Tang D., Yin H., Xiao W., Zhu H., Mao X., Wang D.: J. Electroanal. Chem. 689, 109 (2013).
[4] http://www.eru.cz/user_data/files/statistika_elektro/mesicni_zpravy/2013/prosinec/page63.htm, staženo
17. února 2014.
[5] http://www.eru.cz/user_data/files/statistika_elektro/mesicni_zpravy/2013/prosinec/page59.htm,staženo
17. února 2014.
[6] Prokop, L., Misak, S.: Proceeding of the International Conference on Electrical Power Quality and
Utilisation, EPQU, art. no. 6128965, p. 360 (2011).
Energetika a životní prostředí 2014
88
THE UTILIZATION OF THE PHENOMENON OF THE ABSORPTION OF
THE INFRARED RADIATION TO THE ADVANCEMENT OF THE WORK OF
MEMBRANES SEPARATING CO2
Leszek REMIORZ, Grzegorz WICIAK, Katarzyna JANUSZ-SZYMAŃSKA
The Silesian University of Technology, The Institute of Machines and Energy-Devices
Abstract
Molecular gases have the ability of the absorption of the electromagnetic radiation for characteristic
lengths of waves. The phenomenon then used is in the spectroscopy whether in different measuring- systems.
Also unfavorably bears on the environment, because contributes to the formation so-called the greenhouse effect.
The infrared radiation for the wavelength 2.8 µm, 4.3µm, 16 µm is absorbed by CO2. One from
symptoms of the absorption of the infrared radiation is the change of the temperature of gas. In the present work
one represented the idea of the using of this phenomenon to the change of parameters of the work of the
membranous separator. Selective warming of chosen components of the gas- mixture before the process of the
separation perhaps to bear on the change the work of the membrane to put into port profitably on the change of
the performance characteristics of membranous separator. On the job one concluded the initial conception of
such separator.
1 THE INTRODUCTION
Energy- technologies into the significant and unprofitable manner bear on the change of the climate. The
production of the electrical energy in Poland is leaning for coal- technologies however they must realize more
and cruder ecological criteria. To equal to these requirements behaves wide scientific research concerning of the
separation of the carbon dioxide for the purpose of restraints of unprofitable tendencies in climatical changes
called out in the large measure with the emission so-called greenhouse-gases [2, 8, 15, 21, 22, 28,] in this
particularly CO2. Explored did not forejudge about the choice of the prevailing technology of the capture,
because all the time one seeks new, more profitable methods [11, 13, 20, 24, 25, 26,].
The emission, CO2 can be limited use eg. installations the capture and the storage of the carbon dioxide .
Among methods of the capture CO2 mention one can many processes and the technology, instead on the job one
assembled on the method of the separation CO2 from combustion gases with the utilization of the membranous
technology.
2 THE IDEA OF THE MEMBRANOUS SEPARATION
Mostly a driving effort translocating of the molecule of gas by the membrane is the evocation of the
difference of pressures of partial each components of gas. This difference is the difference of concentrations and
the difference of pressures of element mixtures of gases after both pages of the membrane. With magnitudes
which additionally bear on the permeability of each gases by the membrane are: the size of molecules of gas, the
shape of the element and the operating temperature of the membrane [20].
At the investigation of the separation CO2 from combustion gases one ought to make allowance for first
of all the resolution of the mixture of the carbon dioxide and nitrogen. Theoretically the quantity of contracted
oxygen in combustion gases is on so much small (about 4%) that does not exist the necessity of the investigation
of him separately.
Transportive properties of membranes qualifies the penetrability (the permeability) P and the selectivity
±. The permeability which expressed is in Barrer, this is the flow of gas penetrating by the membrane in the
dependency from the concentration of gases after both pages of the membrane, the activity of particles and the
driving effort - cm3(STP)·cm/(cm
2·s·cmHg). Instead the selectivity is defined, as the relation of the penetrability
of each components of the mixture by the membrane. From the equalization Ficka of filled in for two gas-
components eg. CO2 and N2 one can receive the denominative dependence the proportion of elementary
penetrating flows through the membrane. The definite ideal coefficient of the selectivity is proportional to the
relation of the power of coefficients of the permeability of gases PCO2/PN2 and expressed is an equalization:
2
2*
N
CO
P
P (1)
The selectivity of membranes to the separation of gases depends first of all from the propriety of material
of the diaphragm. In this regard one differentiates membranes synthetic and natural, instead for the structure can
Energetika a životní prostředí 2014
89
be favoured membranes porous, not porous and liquid [13, 17, 26]. In the dependence from the kind of material
of the membrane is different the mechanism of the separation of each components of the mixture. In the
membranous separation used are differences among physical properties and chemical of each components of the
gas-mixture, and a separative membrane, what contributes to the diffusion of components of gas by material of
the membrane with different velocities. In the case of the separation of gases, in view of very compact design
particles, one uses first of all not porous homogeneous membranes in which the decisive meaning at the
transportation of gases (penetrabilities) through the membrane performs the dissolubility in material of the
membrane and the speed of the diffusion by the membrane. The desorption of gas after the side receiving
(permeate) is a process on so much quick that she does not bear on the general separation and the transportation.
Among applied membranes to the separation of gases (in this CO2) often one uses polymer membranes,
and one from materials used to their construction are polyimide. Polyimide assort groups of glassy polymers
with the good stability thermal and chemical [17, 18]. The permeability PCO2 of these diaphragms is not large,
but can attain the power 400 Barrer at the temperature 50°C [6, 9]. The instead ideal coefficient of the selectivity
of these membranes α* usually does not cross the power 70 at the temperature 25°C [6].
Laboratory tests executed for the purpose of delimitations of above- parameters usually one moves in
temperatures 20-35°C. In the reality polymer membranes can work in completely other temperatures. In specific
cases the temperature of gas brought to the membrane can attain temperatures in the range from - 40 to over
100°C. From this reason is essential the qualification of the influence of the temperature on parameters of the
work of membranes polyimide [1].
The dissolubility and the diffusion is different for different components of gas. The carbon dioxide, the
water vapour and the sulphuretted hydrogen easily penetrate, instead the methane, the ethane and other
hydrocarbons penetrate very slowly [5, 9]. It takes root that the influence of the temperature on the coefficient of
the permeability in not porous membranes describes the equalization Arrhenius (2). The equalization this
describes the influence of the temperature of the component of gas on his permeability during the process of the
separation [14, 17, 24]:
RT
E
o
p
ePP
cmHgscm
cmSTPcm2
3
(2)
where: Ep - the energy of the activation (about such herself for different gases in polyethylene - 35-45
kJ/the mole), R - the gas constant, T - the temperature.
For the essential influence of like this parameters how the dissolubility and the diffusion on the
permeability of the given component of gas, these parameters should become taken into account at the analysis
of the influence of the temperature on the property separative membranes. The dissolubility characterizes the
equalization (3) being based on the equalization Arrhenius:
RT
H
o
s
eSS
cmHgcm
STPcm2
3
(3)
where: Hs - heat dissolutions (the sorption)[kJ/the mole], So - the constant (independent from the
temperature).
The similar effect, the influence of the temperature on the diffusion of gases, characterizes the
equalization (4):
RT
E
o
d
eDD
s
cm2
(4)
where: Ed - the energy of the activation [kJ/the mole], To - the constant (independent from the
temperature).
The energy of the activation Ed for membranes polyimide grows larger together with the temperature rise
[23]. Formulas (1) to consolidate, (2), (3), (4) one gets the equalization (5):
Energetika a životní prostředí 2014
90
RT
E
oRT
EH
oo
pdr
ePeSDP (5)
For such gases as: nitrogen, helium, the methane and hydrogen, at the change of the temperature, the
bigger influence on the change of the permeability performs the diffusion than the dissolubility. Because it is
possible to conclude that in this instance the permeability and the diffusivity is almost such herself.
For gases about bigger molecules we have is more complicated the situation, because the diffusivity and
the dissolubility are opposed to themselves. Are additionally it dependent from the concentration of components
in the mixture of gases.
At the separation CO2 from N2 in membranes the decisive part performs the dissolubility of exchanged
gases in the membrane. The dissolubility CO2 is considerably bigger to a dissolubility N2 (the large value of the
selectivity of the dissolubility SCO2/SN2) instead the diffusivity CO2 in relation to N2 is comparable (the value of
the selectivity of the diffusion DCO2/DN2 is near oneness - for different powers of the temperature) the from hence
little influence on the permeability CO2 by the membrane [6, 15].
At oscillations of the temperature in the range 5-70°C, for analyzed in the literature of polymer
membranes, the temperature rise causes the similar increase for the power the permeability as and for the
coefficient of the diffusion for CO2 and N2. Instead one can observe the fall in value of the coefficient of the
dissolubility for the carbon dioxide SCO2 and the increase in value for nitrogen SN2 at enlarging of the
temperature [6].
The temperature rise of gases causes the distinct reduction of the ideal coefficient of the selectivity
PCO2/PN2, whereupon has the influence a diminution of the selectivity of the dissolubility SCO2/SN2.
Theoretical considerations of the influence of the temperature on separative proprieties of polymer
membranes at the distribution of different mixtures of gases one introduced in [1]. On the basis of the theoretical
equalization on the permeability of the given component of the mixture for the membrane one defined upper
ranges of separative described with the dependence between the ideal coefficient of the selectivity, and with the
coefficient of the permeability for different temperatures. For the mixture CO2/N2 one noticed the strong
dependence of the influence of the temperature on separative properties of diaphragms.
Furthermore, it is possible to ascertain that together with the change of the temperature changes the power
of the coefficient of the permeability PCO2. -- the Upper limit of the dependence among the permeability and the
selectivity of polymer membranes for mixtures two-component one can record with the dependence:
BA
A
BA
BAP
s
cm2
(6)
where: - BA the selectivity, PA - the permeability, , BA , BA - empirical dependent constants
from analysed gases [1, 15].
The above- dependence (6) is obligatory for many types of polymer membranes. In this formula only the
constant is dependent from the temperature, and grows smaller together with the temperature rise. There causes
this uprise of the upper limit of the dependence among the permeability and the selectivity of membranes at the
fall of temperature. Suggests that is the possibility of the improvement of the property of separative membranes
at work in ranges of lower temperatures.
Experimental research concerning for the membranes polyimide working in different temperatures [23]
evidence that the decreasing dissolubility at the temperature rise. At the same time one observes the considerably
greater change of the dissolubility in the function of the temperature for the carbon dioxide, comparatively with
the change of the dissolubility for nitrogen. This influences into the essential manner on the decrease of the
selectivity of the membrane at the temperature rise. In some cases is the perceptible a little other tendency as eg.
in [3], but in this instance research were executed on other mixtures of gases.
3 THE ABSORPTION OF THE ELECTROMAGNETIC RADIATION.
The absorption of the electromagnetic radiation is the process of the absorption of the electromagnetic
wave. The intensity of the crosser wave by the matter goes under to the decrease to cause the height of the
internal energy of this substance. To the process of the absorption associates also the process of emission of the
radiation. The absorption of the radiation has a selective character and appears in definite strands. For extant
Energetika a životní prostředí 2014
91
ranges the absorption does not happen [11]. From the macroscopic point of view the absorption of the radiation
consists in the absorption of chosen lengths of waves of the electromagnetic radiation by matters. Absorbed
lengths of waves are characteristic for each matter and get out of constructions of the molecule of the matter,
particularly of gas. This subject matter is introduced in many literature [2, 4, 8, 11, 12, 21, 28] positions.
Radiation the infra-red (IR) then electromagnetic radiation in length the wave from 780 nm to 1 mms, we divide
it on following ranges:
· the near infra-red radiation - 780 ÷ 1400 nm,
· the infra-red radiation the average - 1400 ÷ 3000 nm,
· the distant infra-red radiation - 3000 nm ÷ 1 mms.
The carbon dioxide possesses three main strands of the absorption of the electromagnetic radiation for the
length of waves: 2.8 µm, 4.3 µm and about 16µm. Limits of strands absorbable for CO2 one showed in the table
1 [11]. Works [29, 30] refer absorptive properties CO2.
The table 1. Limits of strands absorbable for CO2
Nubmer of strands Range of strands, µm
1 2.4 - 3
2 4.0 – 4.8
3 12.5 – 16.5
4 THE IDEA OF THE ELECTROMAGNETIC ADVANCEMENT OF THE WORK OF
THE MEMBRANE
The temperature bears on the characterization and parameters of the work of the membrane [24]. The
process of the absorption of the electromagnetic radiation takes place in characteristic strands for given gases to
keep without the influence on other gases. The idea of the electromagnetic advancement of the work of the
membrane that folds selectively influence with the electromagnetic radiation on the carbon dioxide in the process
of his membranous separation, to change his properties, and to get improved parameters of the separation. On
Fig.1 one represented the schema of the construction of the separator.
To the membranous modulus comes in the mixture of nitrogen and the carbon dioxide through nozzle 1.
In the chamber 5 the mixture of gases becomes lighted up from the broadband (2) source across the filter letting
pass the wavelength 4.3µm or other length strongly absorbed by CO2. The radiation is absorbed exclusively by
CO2, in the face nitrogen stays inactive. On the short while before a passage through the membrane (6) inside
mixtures become changed properties CO2 (the temperature), what bears on the membranous process and changes
parameters of the separation. The intensity of the enlightener are so well-matched, so that the process of the
Energetika a životní prostředí 2014
92
separation be possibly optimum. After the process of the separation the part of the mixture which did not
penetrate by the membrane (retentate) leaves the device through nozzle (4), instead the mixture which penetrated
by the membrane (permeate) across nozzle (8).
Represented idea is not of course readymade solution, and only a contribution to wide research toward of
hybrid devices using separative properties of membranes whose the work is powered with an using of absorptive
properties of the carbon dioxide in relation to electromagnetic waves from the infra-red range.
ACKNOWLEDGEMENTS
The results presented in this paper were obtained from research work co-financed by the National Centre
of Research and Development in the framework of Contract SP/E/1/67484/10 – Strategic Research Programme –
Advanced technologies for energy generation: Development of a technology for highly efficient zero-emission
coal-fired power units integrated with CO2 capture.
LITERATURE
[1] Brandon W. Rowe, Lloyd M. Robeson, Benny D. Freeman, Donald R. Paul, Influence of temperature
on the upper bound: Theoretical considerations and comparison with experimental results, Journal of
Membrane Science 360 (2010), 58–69
[2] Burakowski T. Giziński J., Sala A., Promienniki podczerwieni, WNT 1970
[3] Czaplicki A., Membranowy rozdział mieszaniny metan - dwutlenek węgla – dwutlenek siarki, Karbo -
Energochemia - Ekologia 1996.
[4] Enge H.A., Wehr M.R., Richards J.A., Wstęp do fizyki atomowej, PWN 1983r
[5] Hajime Suzukia, Kazuhiro Tanakaa, Hidetoshi Kitaa, Kenichi Okamotoa, Harutoshi Hoshinob,
Toshimune Yoshinagab, Yoshihiro Kusukib, Preparation of composite hollow fiber membranes of
poly(ethylene oxide)-containing polyimide and their CO2/N2 separation properties, Journal of
Membrane Science, 146, (1998), 31–37.
[6] Hirayamaa Y., Kaseb Y., Taniharaa N., Sumiyamaa Y., Kusukia Y., Harayac K., Permeation properties
to CO2 and N2 of poly(ethylene oxide)-containing and crosslinked polymer films, Journal of Membrane
Science 160 (1999), 87–99.
[7] Ismail I.S., David L.I.B., A Review on the Latest Development of Carbon Membranes for Gas
Separation, Journal of Membrane Science 2001, vol. 193
[8] Jeżewski M., Fizyka, PWN 1966
[9] Junyan Zhang, Jinjun Lu, Weimin Liu, Qunji Xue, Separation of CO2 and CH4 through two types of
polyimide membrane, Thin Solid Films 340 (1999), 106–109.
[10] Kołtuniewicz A, Importance of membranes in clean technologies. Chemical and Process Engineering 29
(2007), 29 – 41
[11] Kostowski E., Promieniowanie Cieplne, WPŚ, Gliwice 2009
[12] Kostowski E., Przepływ Ciepła, WPŚ, Gliwice 2000
[13] Kotowicz J., Janusz K., Sposoby redukcji emisji CO2 z procesów energetycznych, Rynek Energii 2007,
nr 1 (68), s. 10-18
[14] Kotowicz J., Janusz K., Podstawy membranowej separacji gazów, Rynek Energii nr 6 (2007), 29-35
[15] Okamoto K., Fujii M., Okamyo S., Suzuki H., Tanaka K., Kita H., Gas permeation properties of
poly(ether imide) segmented copolymers, Macromolecules 28 (1995) 6950
[16] Pandey P., Chauhan R.S., Membranes for Gas Separation, Progress in Polymer Science 26 (2001),
[17] Rautenbach R., Procesy membranowe, WNT 1996
[18] Rautenbach R., Albrecht R., Membrane Processes. John Wiley & Sons, New York 1989.
[19] Remiorz L., Koncepcja wykorzystania fali termoakustycznej w procesie separacji CO2, Rynek Energii,
nr 4, 2012, 121-125
[20] Remiorz L., Rulik S., Dykas S., Numerical modeling of the CO2 separation process, Archives of
Thermodynamics Vol. 34(2013) No. 1.
[21] Sala A., Radiacyjna wymiana ciepła, WNT 1982
Energetika a životní prostředí 2014
93
[22] Skorek-Osikowska A., Kotowicz J., Janusz-Szymańska K. Comparison of the Energy Intensity of the
Selected CO2-Capture Methods Applied in the Ultra-supercritical Coal Power Plants. Energy&Fuels,
2012
[23] Villaluengaa J.P.G., Seoanea B., Hradilb J., Syselc P., Gas permeation characteristics of heterogeneous
ODPA–BIS P polyimide membranes at different temperatures, Journal of Membrane Science 305
(2007), 160–168.
[24] Węcel D, Wiciak G., Wpływ temperatury gazu na właściwości separacyjne membran polimerowych
przy separacji CO2 ze spalin – wybrane zagadnienia. Rozdział w monografii Aktualne kierunki rozwoju
energetyki pod redakcją K. Wójsa, P. Szulca, T. Tietze, Wydaw. Politechniki Wrocławskiej 2012, 137-
146
[25] Wiciak G., Identyfikacja wybranych charakterystyk separacji CO2 membrany kapilarnej polimerowej,
Rynek Energii Nr 3 (100), 2012, s. 94-100
[26] Wiciak G., Kotowicz J., Experimental stand for CO2 membrane separation, Journal of Power
Technologies 91 (4) (2011), 171-178
[27] Wijmans J.G., Baker R.W., The Solution-Diffusion Model: a Review, Jouranl of Membrane Sci. 107
(1995) 1-21
[28] Wiśniewski S., Wymiana Ciepła, PWN 1979
[29] http://agwobserver.wordpress.com/2009/09/25/papers-on-laboratory-measurements-of-co2-absorption-
properties/
[30] http://www.eos.ubc.ca/~mjelline/website212/warm_wetmars.pdf
Energetika a životní prostředí 2014
94
MOŽNOSTI A ZPŮSOBY ZJIŠŤOVÁNÍ VSTUPNÍCH PARAMETRŮ PRO
KALIBRACE V APLIKACÍCH DEM
POSSIBILITIES AND METHODS FOR DETECTING INPUT PARAMETERS
FOR CALIBRATION IN APPLICATIONS DEM
Jiří ROZBROJ 1, Jan VYLETĚLEK
2, Lucie JEZERSKÁ
3, Jiří ZEGZULKA
4
1 Ing., Ph.D., ENET Center / Laboratory of bulk materials, VSB - Technical University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 699 9372
e-mail [email protected]
2 Ing., Ph.D., ENET Center / Laboratory of bulk materials, VSB - Technical University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 699 9371
e-mail [email protected]
3 Ing., Ph.D., ENET Center / Laboratory of bulk materials, VSB - Technical University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 699 9430
e-mail [email protected]
4 prof. Ing., CSc., ENET Center / Laboratory of bulk materials, VSB - Technical University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava - Poruba, tel. (+420) 59 732 4379
e-mail [email protected]
Abstract
This article describes the measurement of mechanical and physical properties of particulate matter, which
can be used to validate or calibrate the DEM and is also used to define the basic input parameters and their
ranges. The validation can be done using the real device model, which compares with the DEM model.
Furthermore, there are possible methods for the measurement of real materials, which lead to the identification
and authentication properties for the input parameters of the DEM. As validation material may be used plastic
spherical particles. This is the basic shape of the particles for DEM. Collecting measurement data is used to
identify a suitable choice of input parameters for friction DEM. All procedures listed in this article may lead to
the clarification of the issue of validation or calibration to facilitate the development and design of new devices
in the future using DEM.
Klíčová slova: Discrete element method, measurement of friction, angle of static friction, rolling friction.
Abstrakt
Tento článek popisuje možnosti měření mechanicko-fyzikálních vlastností partikulární hmoty, které
mohou sloužit k validaci nebo kalibraci DEM a slouží také k definování základních vstupních parametrů, nebo
jejich rozsahů. Validaci je možno provést s pomocí reálného modelu zařízení, který se s DEM modelem
porovnává. Dále jsou zde uvedeny možné postupy měření reálného materiálu vedoucí k určení a ověření
vlastností vstupních parametrů pro DEM. Jako validačního materiálu může být užito plastových kulových částic,
protože tento tvar představuje základní částici pro DEM. Sběr naměřených dat slouží k identifikaci a volbě
vhodných vstupních třecích parametrů pro DEM. Všechny postupy uvedené v tomto článku mohou vést k
ujasnění problematiky validace nebo kalibrace a usnadnit tak vývoj a návrhy nových zařízení v budoucnosti
s užitím DEM.
Klíčová slova: Metoda diskrétních prvků, měření tření, úhel statického tření, valivé tření.
1 ÚVOD
V laboratorním prostředí za pomocí moderní techniky jsou zjišťovány základní vstupní parametry pro
aplikaci DEM, jako je tření materiálů, odskok částic hmoty od ploch z materiálů užitého na dopravním či
skladovacím zařízení a další [1, 2]. Na tyto jednotlivé parametry se ovšem musí pohlížet jako na soubor
vlastností, které se mohou vzájemně ovlivňovat, a není tedy zcela směrodatná absolutní hodnota těchto
jednotlivých parametrů [3]. Složitost zjišťování a aplikace celého souboru naměřených hodnot do DEM se dále
zvyšuje s různorodou tvarovitostí částic [3]. Pro každý proces při dopravě i skladování hraje hlavní roli jiný
vstupní parametr mechanicko-fyzikálních vlastností dopravované hmoty. Pro užívání DEM je vyžadována
Energetika a životní prostředí 2014
95
znalost zařízení, na kterém se bude metoda realizovat a to z hlediska určení hlavního řídícího parametru, který
má nejpodstatnější vliv na dopravu u konkrétního zařízení [3]. Nabízí se úvaha optimalizace vstupních parametrů
v DEM, tak aby se výsledný obraz chování hmoty podobal reálnému materiálu [3]. Tohoto lze dosáhnout jedině
na základě vhodné kalibrace vstupních parametrů materiálu [4] a poté lze teprve uspokojivě simulovat děje na
systému dopravních zařízení v procesu dopravy [5]. Dále je možno s takto nastavenou simulací zjistit kritické
podmínky dopravy a využít tyto znalosti v návrhu konstrukce zařízení [5].
2 EXPERIMENTY
Při dopravě a skladování sypkých hmot v aplikacích DEM je nutné uvažovat s úhlem statického a
valivého tření. Hodnoty úhlu statického a valivého tření jsou pro různé kontaktní materiály odlišné. Vždy záleží
na konkrétním dopravním systému a je zapotřebí aplikovat úvahy o tření na tyto jednotlivé dopravní systémy
odlišně. V každé aplikaci může dominovat jiné tření. Například u zásobníků je důležitá znalost třecích sil mezi
stěnou zásobníku a skladovanou sypkou hmotou. Zde je znalost valivého a statického tření částic o stěnu
zásobníku pro DEM základní vstupní podmínkou.
2.1 Zjišťování koeficientu statického tření
Pro metodu diskrétních prvků je podmínkou znát hodnoty koeficientu statického tření [3], které lze získat
například základními pokusy na nakloněné rovině [2], jak je znázorněno v Obr. 1. Při měření byla rovina
nakloněna spolu s kontaktním materiálem až do hodnoty úhlu, kdy nastal pohyb tělesa po kontaktním
testovaném materiálu. Tangentou úhlu sklonu nakloněné roviny, kdy došlo k pohybu tělesa, byla získána
hodnota koeficientu statického tření mezi pohybujícím se tělesem a kontaktním materiálem. Aby došlo pouze ke
smýkání kulových částic po kontaktní podložce, bylo zapotřebí zabránit rotaci kulových částic. Z těchto důvodů
byly vytvořeny dva vzorky vzájemně slepených kulových částic o jejich odlišném celkovém počtu. Naměřené
hodnoty lze použít jako rozsahy, nebo střední hodnoty.
Měření probíhalo tak, že na desku z kontaktního materiálu se umístí jeden ze dvou vzorků slepených
kulových částic a náklonem kontaktní roviny o rychlosti 0,1° za sekundu byl naměřen úhel, při kterém došlo k
pohybu vzorku kulových částic. Pro každý vzorek slepených celků bylo provedeno pět měření, kde z celkového
počtu deseti hodnot pro jeden kontaktní materiál byla zjištěna průměrná hodnota. Vzorky slepených celků částic
byly zkoušeny jednotlivě, aby tím byly vyloučeny vzájemné odezvy od pohybu jednotlivých slepených celků
vzorku při zjišťování hodnoty úhlu jejich pohybu. Na výsledné hodnoty má vliv drsnost kontaktních ploch
materiálů.
Obr. 1. Schéma principu zjišťování úhlu statického tření
2.2 Zjištění koeficientu valivého tření
Dalším důležitým vstupním parametrem pro DEM je hodnota koeficientu valivého tření [3]. Metoda
měření byla realizována na principu zjišťování pohybu kontaktní desky po vzájemně oddělených kulových
částicích na nakloněné rovině. Byl měřen úhel náklonu, kdy se dala kontaktní deska do pohybu Obr. 2. Pro
experiment bylo zapotřebí mít dvě desky stejného kontaktního materiálu. Jedná se o sendvičové uspořádání dvou
kontaktních desek, kde jedna je pevně zafixována, druhá je pohyblivá a mezi tyto kontaktní vzorky materiálu
jsou umístěny tři kulové částice. Dráha pohyblivé kontaktní desky byla omezena ve směru jejího žádaného
pohybu, tedy ve směru náklonu roviny hradítky. Měření proběhlo v obou směrech rotace roviny se zafixovanou
deskou vzorku kontaktního materiálu. Deformace materiálu kulových částic v tomto uspořádání byla uvažovaná
Energetika a životní prostředí 2014
96
jako zanedbatelná a z tohoto důvodu byl zjištěn úhel roviny, kdy došlo k pohybu horní kontaktní desky a přes
tangentu úhlu sklonu roviny dopočítán koeficient valivého tření. Pokud by však výzkum pohybu dopravované
hmoty na zkoumaném zařízení vykazoval z principu funkčnosti tohoto zařízení převažující vliv tlakových sil při
pohybu materiálu, tak je nutné pro správnost měření hodnot valivého tření uvažovat s deformací použitých
kulových částic. V tomto případě by metodika měření byla zaměřena přímo na měření odporových, třecích sil.
Obr. 2. Schéma principu zjišťování úhlu valivého tření
3 VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ A DISKUSE
Experimenty zaměřené na zjištění hodnot úhlu statického tření a valivého tření byly provedeny s
plastickými sférickými částicemi o průměru 6mm, které se používají do airsoftových zbraní. Koeficienty byly
zjišťovány mezi sférickou plastovou částicí a deskami z oceli, skla, plastu a plexiskla.
3.1 Koeficient statického tření
Koeficient statického tření byl měřen mezi čtyřmi kontaktními materiály a plastovými kulovými
částicemi Tab. 1. Částice byly proti rotaci zajištěny mezi sebou slepením určitého počtu těchto částic v jedné
rovině Obr. 1. Počet částic v kontaktu s třecí plochou neovlivňoval výsledek koeficientu statického tření,
protože slepené desky o různém počtu částic vycházely podobně. Jelikož pro toto měření nebylo užito zařízení,
které by bylo přímo určené k těmto účelům, ale bylo na úrovni experimentálního užití, bylo vhodné z celkově
deseti naměřených hodnot určit průměrnou hodnotu spolu s odchylkou měření. Přehled výsledků je v Tab. 1.
Kontaktní materiál Průměrný třecí úhel [deg] Ochylka měření [deg] Koef. static. tření
Ocel 19,7 ±2,1 0,36 ± 0,0367
Plexisklo 22,1 ±1,5 0,41 ± 0,0262
Plast 16,5 ±1,1 0,3 ± 0,0192
Sklo 17,9 ±1,7 0,32 ± 0,0297
Tab. 1: Parametry zjištěné z měření úhlu statického tření plastových kulových částic
Největší směrodatná odchylka měření byla zjištěná pro ocel. Tedy pro případnou kalibraci v DEM by
bylo zapotřebí pracovat s největším rozsahem pro tento materiál.
3.2 Koeficient valivého tření
Z naměřených hodnot v Tab. 2 vychází nejhůře materiál plast, který by měl reprezentovat vlastnosti
plastových kulových částic. Hodnoty jsou vysoké, jelikož tento materiál má ze série zkoušených vzorků
nejmenší tvrdost. Velmi také záleží na drsnosti povrchu zkoušených materiálů. Drsnost by měla být shodná s
drsností materiálu použitých na reálných modelech, které se budou ověřovat a modelovat pomocí DEM.
Energetika a životní prostředí 2014
97
Kontaktní materiál Průměrný třecí úhel [deg] Ochylka měření [deg] Koef. val. tření
Ocel 0,73 ±0,062 0,013 ± 0,0011
Sklo 0,26 ±0,026 0,005 ± 0,0005
Plexisklo 0,32 ±0,02 0,006 ± 0,0003
Plast 1,26 ±0,17 0,022 ± 0,003
Tab. 2: Parametry zjištěné z měření úhlu valivého tření plastových kulových částic
4 ZÁVĚR
Na měření třecích parametrů má významný vliv drsnost zkoušených povrchů. Použitá technologie výroby
plastových kulových částic není zcela známa. Tyto kulové částice se používají jako náboje pro airsoftové zbraně
a firmy vyrábějící tyto kulové částice si svoji technologii výroby chrání. Je možné, že tyto částice jsou tvrzené
příměsemi, které ovlivňují jejich vlastnosti. Náhrada tohoto materiálu, jiným, který bude zastupovat jeho
vlastnosti, není zcela zaručena pro základní třecí zkoušky a vstupy do DEM. Avšak způsoby měření, které tento
článek uvádí, vedou k dostatečnému zjištění vlastností těchto kulových částic, které sice nejsou lehce zjistitelné,
ale pro aplikace DEM jsou tyto metody v tomto stádiu dostatečné.
PODĚKOVÁNÍ
Práce byla podpořena projektem MŠMT Centrum ENET CZ.1.05/2.1.00/03.0069 a CZ.1.07/2.3.00/30.0016
- Opportunity for young researchers.
LITERATURA
[1] Schwedes, J.: Review on testers for measuring flow properties of bulk solids. Granular Matter. 2003-5-
1, vol. 5, issue 1, s. 1-43. DOI 10.1007/s10035-002-0124-4
[2] Scieszka, S., Adamecki, D.: The importance of wall friction between particulate solids and elastomeric
belt. Powder Technology. 2013, vol. 245, issue 1, s. 199-207. DOI: 10.1016/j.powtec.2013.04.031
[3] Höhner, D., Wirtz, S., Scherer, V.: Experimental and numerical investigation on the influence of
particle shape and shape approximation on hopper discharge using the discrete element method. Powder
Technology. 2013, vol. 235, s. 614-627. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.11.004.
[4] Coetzee, C. J., Nel, R. G., Scherer, V., Herz, F., Specht, E.: Calibration of discrete element properties
and the modelling of packed rock beds: Comparison of experiments with DEM simulations. Powder
Technology. 2014, vol. 264, issue 1, s. 332-342. DOI: 10.1016/j.powtec.2014.05.063
[5] Jovanović, A., Pezo, M., Pezo, L., Lević, L., Specht, E.: DEM / CFD Analysis of Granular Flow in
Static Mixers: Comparison of experiments with DEM simulations. Powder Technology. 2014, vol. 212,
issue 1, s. -. DOI: 10.1016/j.powtec.2014.06.032
[6] Persson, B. N. J., Langston, P., Webb, C., York T.: Rolling friction for hard cylinder and sphere on
viscoelastic solid. The European Physical Journal E. 2010, vol. 33, issue 4, s. 327-333. DOI:
10.1140/epje/i2010-10678-y.
Energetika a životní prostředí 2014
98
KATALYZÁTOR PRE ENERGETIKU
Michal RUŽIČKA
Ing., ECM ECO MONITORING spol. s r.o.
Sídlo společnosti, Dobrá 240, 739 51 Dobrá , Tel. : +420 558 601 7271
Obchodní rejstřík KOS Ostrava, C 21770, IČ : 48588563, DIČ:CZ48588563,
Bankovní spojení : Raiffeisen BANK, Číslo účtu : 1015028975 / 5500, Internet : www.ecomonitoring.cz
1 KATALYZÁTOR PRE ENERGETIKU
Proces horenia je základom energetiky. Napriek jeho širokému využívaniu sa v kotloch vyskytujú mnohé
problémy, ktoré sa väčšinou prejavujú ich nežiaducim zanášaním.
Prvou príčinou je, že horenie v kotloch nie je rovnomerné a v závislosti od mnohých premenných je
možné pozorovať skoro až paranormálne javy, ako sú zásadne rôzne koncentrácie kyslíka na vzdialenosti 2 až 3
metre. Tieto rôzne koncentrácie kyslíka sa následne prejavujú vo škvárovaní kotlov alebo karbonizovaní
prívodov vzduchu a paliva. Oba prejavy po nie veľmi dlhom čase spôsobujú celý rad reakcií zhoršujúci proces až
do stavu, kedy je kotol potrebné odstaviť, vyčistiť a znovu nabehnúť Dôsledkom je nízkotepelná ale aj vysoko
tepelná korózia, ktorá vo svojich účinkoch strieda a spôsobuje technológii kotla aj obsluhe značné problémy.
Prečo tieto procesy vznikajú? Odpoveď dáva podrobná analýza hmotnostných tokov vzduchu, palív,
obsahu nedopalkov a emisii. Zjednodušený popis je nasledujúci. Keď palivo začne horieť, tak okrem reakcie
C + O2 = CO2 začnú prebiehať aj reakcie ostatných zložiek uhlia. Zameriame sa na síru, lebo tento sled reakcií
vysvetľuje mnohé javy, ktoré pozorujeme v kotloch.
Síra často, vstupuje do celého procesu ako FeS2 použijeme príklad, ktorý najlepšie demonštruje
prebiehajúce procesy aj s ostatnými zložkami. FeS2 reaguje s O2 a vytvára, 2 FeS2 + 5 O2 = 2 FeO + 4 SO2. A už
máme na scéne známu SO2, ktorá spôsobuje veľa nepríjemností, korózie, škváry a všetkého čo nám vadí, ale v
skutočnosti problém ide oveľa hlbšie a preto sa zamerajme na úplne inú časť reakcie
2 FeS2 + 5 O2 = 2 FeO + 4 SO2. Všimnime si chýbajúce O2, ktoré si celá táto reakcia „zobrala“. Hoci ide o
minimálne množstvá kyslíka, tak chýbajú tam kde ich proces horenia najviac treba a síce v bezprostrednom
okolí uhlia. Síra však vôbec nie je jediným „požieračom“ kyslíka.
Pred aplikáciou Po aplikácií
Pri nedostatočnej prítomnosti kyslíka v procese horenia vzniká nadmerné množstvo CO, ktoré následne v
sekundárnom spaľovaní vytvorí CO + CO = C + CO2 a teda zanechá na okolí voľne „pohodený“ uhlík, ktorý
zhorí až keď sa zmiešajú nedokysličené a prekysličené oblasti kotla. Ich zmiešanie nie je vôbec jednoduché, lebo
tam kde sa stretávajú vzniká nitka plameňa, ktorá bráni ich premiešaniu až do momentu, kým nestojí týmto
dvom oddeleným prúdom vzduchu v ceste prekážka, napr. vyhrievané plochy. Na tejto prekážke sa začne
ukladať uhlík zo sekundárneho horenia a následne horieť, čím zdvihne teplotu tohto bodu a vytvorí podmienky
na ukladanie rôznych nečistôt ako je napr. škvára.
Zabezpečenie vyhrievaných plôch, zhorší prestup tepla, čo si vyžiada zvýšenie prísunu palív, čo zasa
spôsobí vyššiu teplotu plameňa. Táto spôsobuje nové znečisťujúce reakcie, ktoré urýchlia zanášanie všetkých
plôch.
Energetika a životní prostředí 2014
99
Priemyselný katalyzátor zabraňuje zanášaniu stien kotla a tým aj sekundárnym negatívnym javom
vyplývajúcim zo zvyšovania teploty plameňa. Katalyzátor reaguje s SO2 a SO3 spôsobom, že vráti časť kyslíka
späť do procesu horenia a vytvorí K2SO4, ktoré má bod topenia až 1069°C, ktorý skončí ako jemný prášok v
popolčeku. Okrem toho, že redukujeme vzniknutú síru, dokysličujeme celý proces v optimálnom čase. Bez
voľnej SO2/SO3 sa nevytvárajú nánosy znečistenia na vyhrievaných plochách vďaka čomu nie je potrebné
zvyšovať teplotu. Benefitom procesu je aj stabilizácia spotreby paliva, čo v celom cykle od čistého kotla až po
vyčistenie znamená úsporu paliva 3-8%.
Energetika a životní prostředí 2014
100
MODERNÍ VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY VE
STŘEDOFREKVENČNÍCH MĚNIČÍCH
MODERN POWER SEMICONDUCTOR DEVICES IN MEDIUM FREQUENCY
CONVERTER
Petr VACULÍK 1
1 Ing., Ph.D., ENET - Energy Units for Utilization of non Traditional Energy Sources
VSB - Technical University of Ostrava University Name
17. listopadu 15, Ostrava, tel. (+420) 59 732 5722
e-mail [email protected]
Abstract
The newest semiconductor devices on the market are MOSFET transistors based on the silicon carbide –
SiC. The SiC semiconductor material is described in brief and its characteristics. The advantages and differences
of SiC MOSFETs in comparison with Si IGBT transistors have been described in first part of this article. Second
part describes comments, and mistakes in the design of medium-power converters with high switching
frequencies from a practical perspective. The described converters are equipped with semiconductor switch
based on the SiC. Further description of the drive circuit of SiC transistors is made. The following passage
describes two DC/DC converters. The first design proved to have failed and is presented to show the mistakes in
the design and implementation of unnecessary adjustments. The second converter of a reliable design is
described with respect to design changes and its functionality is demonstrated by experimental measurements in
function of buck DC/DC converter with the 560V input voltage.
Klíčová slova: Application notes; fast switching; SiC; DC/DC converter
Abstrakt
Mezi nejnovější polovodičové součástky na trhu patří MOSFET tranzistory na bázi karbidu křemíku -
SiC. V článku jsou v krátkosti popsány vlastnosti SiC polovodičového materiálu. Výhody a rozdíly SiC
MOSFET v porovnání s Si IGBT tranzistory jsou uvedeny v první části. Druhá část práce popisuje praktické
připomínky a chyby v návrhu středofrekvenčních měničů s vysokými spínacími frekvencemi. Popsané měniče
jsou vybaveny polovodičovým spínačem na bázi SiC a realizovaným budicím obvodem SiC tranzistorů.
Následující pasáž popisuje dva DC/DC měniče. První design ukazuje nevhodnost konstrukce a poukazuje na
hlavní chyby při návrhu obvodu a následné realizaci zbytečných korekčních úprav měniče. Design druhého
měniče ukazuje spolehlivé provedení, které je doloženo prokázáním jeho funkčnosti pomocí experimentálních
měření při vstupním napětím 560V.
Klíčová slova: Aplikační poznámky, rychlé spínání, SiC, DC/DC měnič.
1 INTRODUCTION
The design of converters with high switching frequencies (hundreds of kHz) brings many challenges. The
proposal must be performed precisely and with respect to certain principles. Failure to comply with the design
principles of the switching transistor causes considerable surges that are dangerous in terms of breakdown of the
transistor. Furthermore, producing undesirable resonant oscillations, which higher frequencies and the load
current will cause oscillations in the power circuit as a whole.
From these basic considerations it follows that it is impossible to create a functioning converter with high
switching frequency on the unsoldered field or wire to wire connection components. For the converter with
switching frequencies of hundreds of kHz, it was necessary to use ultra-fast switching switch with minimally
1000 V reverse voltage. Such very strict requirements are met by the MOSFET transistors with SiC
semiconductor material which are ultra-fast switching and have a blocking voltage of 1200 V.
1.1 Main Features of SiC Semiconductor
SiC material for semiconductor devices manufacturing has been known since the 1930s. The starting
disadvantage of this material was quality (initially limited to material stability and pollution), size and cost.
These disadvantageous properties were substantially improved over just the several years and a rival for silicon
semiconductors devices was created. [1]
SiC material has the following key features that make it a superior semiconductor material in comparison
Energetika a životní prostředí 2014
101
with previous Si materials:
The thermal conductivity in SiC is higher than in GaAs and more than three times higher than
the conductivity of Si. At room temperature 4H SiC has a higher thermal conductivity than
copper,
This semiconductor material operates in an extreme junction temperature up to 800°C
(theoretically) but experimental results were obtained at temperatures up to 600°C, verifying the
dependence between temperature and motion minority carrier. Results are better for SiC than for
its counterparts. Nowadays, the manufacturer faces a problem with case for these high
temperature devices,
The bandgap is defined as energy difference between valence and conduction band in a material.
The width of this band depends on the motion of minority carrier, respectively on thermal
generation of current flow. This current leakage is very low in comparison with silicon material.
The higher breakdown field of SiC is almost nine times thinner than the breakdown field of
silicon.
SiC diode technology has been in the market for more than one decade, and many switches have recently
become available to enable “all-SiC” circuit solutions. SiC diode and transistor production on voltage type
600 V, 1200 V and 1700 V and current rates up to 100 A. [2]
Fig. 1. SiC MOSFET transistor Cree CMF20120D in the general case TO-247 and schematic symbol
2 COMPARISON OF SiC AND Si IGBT TRANSISTORS
The static and dynamic properties of SiC MOSFET transistor and Si IGBT transistor were compared in
the sample with the same voltage and current levels. The comparison of SiC MOSFET (type CMF20120D -
figure 1) to Si IGBT was chosen due to large popularity and frequency of IGBT transistor usage in power
electronics solution and for new information on the properties of SiC semiconductor technology. [2]
By the experimental measurements on SiC MOSFET transistor CMF20120D and Si IGBT transistor
IRG4PH40UPbF the static and dynamic characteristics were obtained. Measurement was performed on the
experimental stand for the measuring characteristics of transistors. Power transistors were mounted on an active
air heat sink. Driver circuits of transistors have been placed in their immediate vicinity on the one PCB (Printed
Circuit Board). After detailed analysis of oscilloscope, waveforms were written down to dynamic parameters of
the transistors shown in Table I.
TABLE I. Dynamic features of SiC and Si transistors
Symbol
Times of the measured transistors
SiC MOSFET
CMF20120D
Si IGBT
IRG4PH40UPbF
td(off) 100 ns 300 ns
tr 270 ns 200 ns
toff 370 ns 500 ns
td(on) 22 ns 200 ns
tf 5 ns 45 ns
ton 27 ns 245 ns
The comparison reveals (see Table I) that SiC MOSFET transistor is almost 10 times faster in switching-
on and approximately by 30% faster in switching-off. These results confirm the producer Cree wording that this
is the fastest switching device in the market. Different semiconductor structure of the switching device requires a
driver with relevant properties.
Energetika a životní prostředí 2014
102
3 DRIVERS FOR SiC MOSFET TRANSISTORS
The SiC MOSFET transistor is in the same way as Si based on a unipolar structure. Gate electrode is
controlled by a voltage signal. The transistor driver has to provide an impulse powerful enough to invoke fast
current charging of these capacities. The SiC transistor driver in comparison with a classical Si driver is largely
different.
The gate voltage swing (peak-to-peak) is almost 30 V (+24 V to -5.5 V). The recommended on
state VGS is more than +20 V and the off state VGS is from -2 V to -5 V.
The gate voltage must have a fast dV/dt to achieve fast switching times which indicates that a
very low impedance driver is necessary.
The SiC MOSFET transistor needs to be driven with a higher gate voltage swing. [3]
Fig. 2. Block scheme and realized SiC MOSFET driver with test points
4 DC/DC BUCK CONVERTER – DESIGN #1
The semiconductor converter of design # 1 was the first experimental converter for initiation with of SiC
transistors. The converter is designed as a buck DC/DC converter (figure 3) on the one side PCB. Power
semiconductor components are placed on the common heat sink. Driver circuit of SiC MOSFET of transistor is
above the power board mounted into crimp strip as a separate module (figure 3).
The converter can be operated by connecting the control pulses. Input supply voltage was 96 V and load
current was approximately 10 A. The figure 3 shows considerable voltage overshoot (up to ten times) in
switching operations of transistor. This behaviour is caused just by poor design of converter with a large number
of stray inductance and capacitance. The inductance will ring with stray capacitances in the circuit, producing
very large amplitude (hundreds of volts) high-frequency (up to tens of MHz). [4]
Fig. 3. Scheme, realized converter and experimental measurement of buck DC/DC converter
4.1 The summary of DC/DC buck converter – desing #1
On the oscilloscope waveforms we can see high stress peaks in switching MOSFET transistor. Using this
circuit for high input voltage (e.g. 500 V) is quite unthinkable.
The list of errors in converter design #1:
Absence of the capacitor bank. If the capacitor was connect externally, it was an ordinary
electrolytic capacitor connected by wire (wire length approximately 5 cm, small diameter wire,
contact resistance at the terminals and sockets).
Inconsistent proposal of PCB – sharp corners of copper way.
Power loss at RC snubber circuit – reduces the efficiency of converter in vain.
Screw terminals and banana plug – high contact resistance.
T1
CMF20120D
Vd
D1
C4D15120A
R
SiC driver
L
Energetika a životní prostředí 2014
103
5 DC/DC BUCK CONVERTER – DESIGN #2
The second design of semiconductor converter is considerably different from the first design. Converter is
equipped with four SiC MOSFET transistors and SiC SBD diodes in a full bridge configuration (figure 4).
Converter is mounted on two-layers PCB. The power supply is connected to the different layers PCB when
significantly suppress parasitic inductance between the MOSFET, SBD and film capacitor bank.
Fig. 4. Scheme and realized of 4 quadrant (full bridge) DC/DC converter with SiC MOSFET
The experimental measurements have verified the functionality of the converter. The goal of the
measurement was not to load the converter but to investigate the voltage overshoot on the MOSFET transistor.
The switching frequency of the transistor was chosen in steps of 100, 200, 300, 400 and 500 kHz. From the
oscilloscope waveforms (figure 5) it is obvious that minimum voltage overshoots occur at transistor switching
(in comparison with converter design #1).
Fig. 5. Detailed of osciloscopic waveforms VDS for the switching frequency 300 kHz
5.1 The summary of DC/DC buck converter – design #2
From the oscilloscope waveforms (figure 5) the correct procedure of designing converters with high switching frequencies is obvious. My aim in these application notes has been to help engineers avoid errors in converter designing.
ACKNOWLEDGMENT
This paper has been elaborated in the framework of the project New creative teams in priorities of
scientific research, reg. no. CZ.1.07/2.3.00/30.0055, supported by Operational Programme Education for
Competitiveness and co-financed by the European Social Fund and the state budget of the Czech Republic and
ENET CZ.1.05/2.1.00/03.0069 – Energy Units for Utilization of non Traditional Energy.
REFERENCES
[1] Vaculik, Petr. The Properties of SiC in Comparison with Si Semiconductor Devices. APPEL. Pilsen, 2013.
[2] Richmond, Jim, Hodge, Stuart and Palmour, John. Silicon Carbide Power Applications and Device
Roadmap. Power Electronics Europe. 07 2004, Vol. 2004, 07, pp. 17-21.
[3] Callanan, Bob. SiC MOSFET Isolated Gate Driver: Cree, Inc. Document Library: Cree, Inc. [Online]
REV B, 01. 12 2012. [Citace: 20. 12 2012.] http://www.cree.com/search-results?&search=CPWR-
AN10.
[4] R. Rydley, "Flyback Converter Snubber Design", Switching Power Magazine, Vol. 2005, p. 1-7.
Vd
D1
R
SiC driver
D4
SiC driver
D5
D6
SiC driver
C
-
+
L
SiC driverpernamentlyswitch-off
pernamentlyswitch-off
pernamentlyswitch-off
switching
Energetika a životní prostředí 2014
104
DECENTRALIZOVANÝ KOGENERAČNÍ/TRIGENERAČNÍ ENERGETICKÝ
ZDROJ S MOŽNOSTÍ AKUMULACE ELEKTŘINY
THE DECENTRALIZED COGENERATION/TRIGENERATION ENERGY
SUPPLY WITH POSSIBILITY OF ELEKTRICITY ACCUMULATION
Ladislav VILIMEC 1, Jaroslav KONVIČKA
2, Radim JÍLEK
3
1 Doc. Ing., VÍTKOVICE POWER ENGINEERING a.s,
Ruská 1142/30, 703 00 Ostrava-Vítkovice, tel. (+420) 59 595 4299
2 Ing., VÍTKOVICE ÚAM a.s.,
Ruská 2887/101, 703 00 Ostrava-Vítkovice, tel. (+420) 59 595 2444
jaroslav.konvič[email protected]
3 Ing. et Ing., VÍTKOVICE POWER ENGINEERING a.s,
Ruská 1142/30, 703 00 Ostrava-Vítkovice, tel. (+420) 59 595 5563
Abstract:
The paper describes the possible use of flexible energy system (FES) - developed in VÍTKOVICE
POWER ENGINEERING - as cogeneration / trigeneration energy source with the possibility of accumulation of
electricity by burning fossil fuels.
Keywords: Distributed Energy System, Cogeneration, Accumulation of Electricity, Smart Grids
Abstrakt:
V příspěvku je popsáno možné využití Flexibilního energetického systému (FES) – vyvíjeného ve
společnosti VÍTKOVICE POWER ENGINEERING – jako/ kogeneračního/trigeneračnígho energetického zdroje
s možností akumulace elektřiny při spalování fosilních paliv.
Klíčová slova: Distribuovaný energetický systém, kogenerace, akumulace elektřiny, Smart Grids
1 ÚVOD
Dnes se do popředí zájmu – v souladu s Národními prioritami orientovaného výzkumu, experimentálního
vývoje a inovací – dostávají technologie zaměřené na zvýšení energetické nezávislosti průmyslových regionů, a
to zejména těch, které se vyznačují kolísavou (špičkovou) spotřebou elektřiny při současné dodávce tepla,
případně chladu. Vývoj v oblasti energetického strojírenství pak logicky směřuje k dodávkám alternativních
distribuovaných kogeneračních/trigeneračních energetických zdrojů pro využití v lokálních podmínkách
s možností spolupráce jak v rámci lokální Smart Grids, tak i s nadřazenou energetickou soustavou.
Pro popisovaný energetický zdroj se – na základě dosavadního výzkumu – nabízí využít technologii
Flexibilního energetického systému (FES) vyvíjeného ve společnosti VÍTKOVICE POWER ENGINEERING
(VPE). Vývoj FES byl zahájen v roce 2009 grantovým projektem FR-TI1/03, který byl ukončen v roce 2013.
Vývoj ve VPE průběžně pokračuje, dnes v rámci projektu v programu ALFA TA 04021687. Pro objasnění
souvislosti vyvíjeného FES a možnosti jeho využití pro akumulaci elektřiny je v dalším textu uveden stručný
popis FES a dosažených relevantních výsledků využitelných pro akumulaci elektřiny.
Princip FES je znázorněn na obr. 1. Tento systém využívá kombinovaný paroplynový cyklus při
spalování uhlí a alternativních paliv, které nelze spalovat ve spalovacích motorech. Palivo, v naznačeném
provedení uhlí, se spaluje v klasické spalovací komoře chlazené vodou, naznačena je spalovací komora
s roštovým ohništěm. Pára vzniklá chlazením spalovací komory se smíchá se vzduchem z kompresoru plynové
turbíny a vzniklá parovzduchová směs se spalinami vystupujícími ze spalovací komory ohřívá v OPVS na
pracovní teplotu cca 850°C a vede se do plynové turbíny.
Energetika a životní prostředí 2014
105
Obr. 1 Princip Flexibilního energetického systému (FES)
Po expanzi v turbíně se teplo odchozí parovzduchové směsi využívá v kotli HRSG k výrobě páry pro
Rankinův parní cyklus.
Pro uvažované využití FES jako decentralizovaného energetického zdroje počítáme s jednotkou
s příkonem v uhlí cca 120MW, schéma možného zapojení je vidět na obr. 2 a zjednodušené uspořádání jednotky
je znázorněno na obr. 3.
Obr. 2 Zjednodušené schéma teplárenského zdroje
Energetika a životní prostředí 2014
106
Obr. 3. Základní uspořádání teplárenské jednotky
Vyvíjí se celá řada systémů pro akumulaci elektřiny, z hlediska energetického strojírenství jsou zajímavé
systémy využívající k akumulaci tlakový vzduch a vodu. Zajímavé jsou malé špičkové zdroje pracující na
principu malých přečerpávacích elektráren, předmětem výzkumu byly i vodní přečerpávací elektrárny
v hlubinném dole.
Jsou známé i systémy využívající pro akumulaci elektřiny tlakový vzduch uskladněný (akumulovaný)
např. v podzemních zásobnících, u nichž se pro špičkovou dodávku elektřiny využije „jen“ tlaková energie
tohoto vzduchu v expanzní turbíně. Tyto systémy pracují s nízkou účinností a nevyužívají se.
Současný stav v používání tlakového vzduchu k akumulaci elektřiny dokládají vyvíjené systémy CAES
(Compressed Air Energy Storage), u nichž se tlakový vzduch skladuje (akumuluje) rovněž v podzemních
zásobnících, ale k výrobě elektřiny se využívá ve spojení s plynovou spalovací turbínou. Tyto systémy se
navrhují (USA) pro špičkové elektrárny o výkonech 150 MW až 400 MW [2]. Příklad zapojení takového
systému je vidět na obr. 4.
Obr. 4: Příklad zapojení systému CAES
Při využití FES k akumulaci elektřiny, princip je vidět na obr. 5, se rovněž využívá tlakový vzduch
uskladněný (akumulovaný) v tlakovém zásobníku, ale pro výrobu elektřiny se akumulovaná energie využívá
v kogeneračním/trigeneračním energetickém zdroji se spalováním např. uhlí, přičemž se tento energetický zdroj
používá jako běžný energetický zdroj s provozním výkonem v regulačním rozsahu, ale s tím, že může dodávaný
elektrický výkon kdykoliv (pokud je akumulace využita) takřka okamžitě zvýšit o projektovaný špičkový výkon.
Tento systém akumulace není použitelný jako špičková elektrárna, ale slouží pro distribuovanou kombinovanou
výrobu elektřiny a tepla (chladu) s akumulací elektřiny, např. pro průmyslovou oblast spolupracující se Smart
Grids.
Energetika a životní prostředí 2014
107
Obr. 5: FES s akumulací elektřiny
Popsaná technologie je v souladu i s požadavkem na přednostní využívání tuzemských energetických
zdrojů a s požadavkem na zvýšení energetické soběstačnosti a zajištění energetické bezpečnosti. Kombinovaná
výroba elektřiny a tepla/chladu umožňuje zajistit celoroční provoz energetického zdroje s vysokou účinností,
tedy i s nižší spotřebou paliva – rozumným způsobem se tak sníží i produkce škodlivin i CO2. Popsanou
technologii lze aplikovat nejen u nově budovaných teplárenských zdrojů, ale i při obnově dožitých zdrojů nebo
při retrofitu zdrojů stávajících.
PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek vznikl v souvislosti s řešením grantu TA04021687.
LITERATURA:
[1] Vilimec, L., Pietrosz, T., Vatral, J., Kučera, K.: Závěrečná zpráva projektu MPO FR-TI1/073 „Výzkum
a vývoj Flexibilního energetického systému transformujícího primární energii biomasy i alternativních
paliv při jejich spalování, popřípadě odpadní teplo z různých tepelných agregátů, na elektrickou energii
s možností kogenerace s vyšší účinností.
[2] http://www.espcinc.com/librery/150-300-400_MW_CAES_Brochure.pdf
Energetika a životní prostředí 2014
108
ABSORPČNÍ CHLAZENÍ V OSTRAVSKÉ ZOO
ABSORPTION COOLING AT THE OSTRAVA ZOO
Mojmír VRTEK 1, Petr KRAMOLIŠ
2
1 doc. Ing., Ph.D., Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB – TU Ostrava 17. listopadu 15, Ostrava, tel.
(+420) 59 732 4425 e-mail [email protected]
Projektant solárních zařízení, Projekce OZE Oty Synka 1854/37, Ostrava e-mail
Abstract
The paper deals with an absorption cooling, which was designed for the Zoo Ostrava. This cooling is to
provide sufficient cold water for pools in the new Exhibition of seals and penguins in the summer. Heat for the
drive of cooling unit is obtained from either a system of solar collectors or the combustion of natural gas.
Keywords: absorption cooling, solar collectors
Abstrakt
Příspěvek se věnuje absorpčnímu chlazení, které bylo navrženo pro Zoo Ostrava. Toto chlazení má
zabezpečit dostatečně chladnou vodu pro bazény v nové Expozici tuleňů a tučňáků v letním období. Teplo pro
pohon chladicí jednotky se získává buď ze soustavy solárních kolektorů, nebo spalováním zemního plynu.
Klíčová slova: absorpční chlazení, solární kolektory
1 ÚVOD
Při budování nové Expozice tuleňů a tučňáků vyvstal požadavek, aby bylo zabezpečeno, že voda v
projektovaných dvou bazénech nepřekročí ani v extrémně teplých dnech dlouhodobě teplotu 18 °C, přičemž
krátkodobě, na dobu několika hodin, je možno akceptovat teplotu 19,5 °C.
Vzhledem k proměnlivosti klimatických veličin nebylo možno při bilanci a analýze vycházet ze
statických sumárních měsíčních, týdenních ani denních hodnot, ale bylo nutno namodelovat celý systém
dynamicky.
Při výpočtech byla použita meteorologická databáze z roku 2003, který je z hlediska dlouhodobého
normálu pro letní období považován za nejteplejší. Databáze sestávala z dat s hodinovým krokem. Sledované
období bylo zvoleno od 1. 5. do 1. 9. 2003. Hlavními veličinami byly teplota vzduchu, relativní vlhkost, intenzita
globálního slunečního záření a rychlost větru.
2 POPIS MODELOVÁNÍ
Parametry obou bazénů jsou uvedeny v Tab. 1, průměrná hloubka v obou bazénech je cca 2 m [1].
Bazén Vodní plocha [m2] Objem [m
3]
tuleni 450 920
tučňáci 220 430
Tab. 1: Parametry bazénů
Pro modelování teploty vody v bazénu bylo nutno vycházet z bilance tepelných zisků a ztrát a akumulační
schopnosti bazénů. Jako hlavní mechanismy ovlivňující teplotu vody byly určeny:
sdílení tepla se vzduchem,
radiace - sluneční záření (zastínění, ani částečné, nebylo dovoleno),
radiace - vliv noční oblohy,
odpar z vodní hladiny,
doplnění odpařené vody čerstvou studenou vodou,
tepelné zisky při čerpání bazénové vody,
doplňkové - sdílení tepla přes stěny bazénů, teplo zvířat ap.
Energetika a životní prostředí 2014
109
Jelikož modelovaná teplota bazénové vody vstupovala zároveň ve většině mechanismů jako vstupní
parametr, bylo nutno použít iterační způsob výpočtu.
Jako první krok bylo nutno stanovit, jaká by byla teplota bazénové vody bez chlazení. V grafu na obr. 1 je
naznačen průběh venkovní teploty a namodelované teploty vody bez chlazení. Výrazně je vyznačena hraniční
teplota 18 °C. Z průběhu teploty vody bez chlazení je patrné, že požadovaná limitní dlouhodobá teplotní hranice
by byla po značnou část sledovaného období výrazně překračována (až 24 °C).
Obr. 1. Průběh venkovní teploty a teploty vody bez chlazení
Pro posouzení a optimální návrh chladicího výkonu bylo zvoleno několik variant. Tyto byly označeny
např. jako 18/17 °C, kde první hodnota znamená maximální dlouhodobě dovolenou teplotu vody a druhá teplotu,
při jejímž překročení se spouští chlazení. Dále byly zpracovány varianty 19/17, 18/16 °C. Následující výsledky
jsou zpracovány pro variantu 18/17 °C.
3 NÁVRH CHLADICÍHO VÝKONU A CHLADICÍ SOUSTAVY
Byla navržena chladicí jednotka s výkonem 200 kW. Ačkoliv je jednotka plynule regulovatelná, bylo pro
zjednodušení v modelu počítáno s regulací start – stop. Výsledky teplotního chování bazénové vody a provozní
stav chladicí jednotky jsou naznačeny na obr. 2. Výrazně je vyznačena teplota 18 °C.
Obr. 2. Průběh venkovní teploty a teploty vody bez chlazení a s chlazením a provozní stav chladicí jednotky
Energetika a životní prostředí 2014
110
Z výsledků simulace je vidět, že navržený chladicí výkon s malou rezervou dostačuje. Je to zřejmé z
maximálně dosahovaných teplot chlazené vody, které jsou zpravidla v požadovaném dlouhodobém limitu do
18 °C, nebo jej krátkodobě mírně překračují, ale vždy jsou pod mezním limitem 19 °C (v simulaci je maximální
dosažená hodnota 18,6 °C.
Byla zvolena absorpční chladicí jednotka LiBr - H2O, která pro svůj provoz potřebuje převážně teplo.
Jednotka má možnost kombinovaného dodávání tepla, a to buď spalinami ze zemního plynu, nebo horkou
teplonosnou kapalinou. Posledně jmenovaného způsobu bylo využito pro dodávku tepla solární soustavou.
Energie ze zemního plynu je schopna zajistit 100% chladicí výkon. Tím je zajištěn maximální chladicí
výkon za všech okolností. Pro snížení provozních nákladů se přednostně bude využívat solární energie, jejíž
provozní náklady na elektřinu představují 2 až 4 % ze získaného solárního tepla, což naplňuje požadavek
investora na maximální snížení spotřeby elektřiny.
Pokrytí chladicího výkonu a efektivita chlazení s přihlédnutím na prvotní využití solárního tepla jsou
uvedeny v tab. 2. Hodnoty jsou uvedeny pro teplotní spády na výparníku 6/12 °C, kondenzátoru a absorbéru
27/37 °C. Pro teplo ze solární soustavy je dodáváno se spádem 95/80 °C.
Zdroj tepla Chladicí výkon [kW] Chladicí faktor [-]
ze solární soustavy 52 0,72
ze spalování plynu 148 (200) 1,40
Tab. 2: Pokrytí chladicího výkonu a efektivita chlazení
4 SOLÁRNÍ SOUSTAVA
Velikost kolektorového pole byla omezena prostorovými možnostmi umístění kolektorů v daném místě.
Kolektorové pole sestává z 87 vakuových trubicových kolektorů s parabolickým reflektorem. Velikost apertury
soustavy je 160 m2. Celkový maximální tepelný výkon je uvažován 72 kW a odpovídá solárnímu maximu pro
pohon absorpční chladicí jednotky.
Nerovnoměrnost nabídky solární energie během dne bude vyrovnávána krátkodobou akumulací.
Akumulační objem stratifikačního solárního zásobníku bude 7,3 m3. V letním období slouží jako zásobník tepla
pro absorpční chlazení při rozběhu chladicí jednotky.
V období, kdy nebude potřeba chlazení vody v obou bazénech, bude solární teplo využito pro ohřev teplé
vody eventuálně i pro přitápění zázemí expozice a sousedního pavilonu velkých šelem.
5 ZÁVĚR
Z analýz vyplývá, že při očekávání nebo delším trvání extrémně slunečného a teplého počasí není
výhodné jen udržovat teploty vody mírně pod povolenou hranicí, ale je nutné „předchladit“ vodu na nižší
hodnotu např. v průběhu noci. Jedná se tedy o kombinaci variant 18/17 °C a 18/16 °C.
Naopak, při pravidelném provozu chladicí jednotky mimo extrémy je výhodné nesnižovat spodní teplotu
na 16 °C, ale udržovat ji na 17 °C, neboť nižší teplota zvyšuje potřebu chladu. To však musí vedle správně
seřízené regulace nastavovat dobře zaškolená a osvícená obsluha.
Detailnější údaje o této akci jsou publikovány v [2] a [3].
PODĚKOVÁNÍ
Článek byl zpracován s laskavou podporou projektu ENET – Energetické jednotky pro využití
netradičních zdrojů energie (CZ.1.05/2.1.00/03.0069).
LITERATURA
[1] Projektová dokumentace ke stavbě „Expozice tučňáků a tuleňů v Zoo Ostrava“
[2] KRAMOLIŠ, P., VRTEK, M. Solární chlazení pro pavilon tuleňů a tučňáků. Vytápění větrání instalace,
2014, roč. 23, č. 3. s. 112-114. ISSN 1210-1389.
[3] KRAMOLIŠ, P., VRTEK, M. Solární soustava pro absorpční chlazení. Topenářství instalace, 2013, roč.
47, č. 8. s. 22- 26. ISSN 1211-0906.
Energetika a životní prostředí 2014
111
VLIV TVARU KONSTRUKCE SKLADOVACÍ NÁDOBY NA CHOVÁNÍ
PARTIKULÁRNÍ HMOTY S VYUŽITÍM SIMULAČNÍ METODY
INFLUENCE OF SHAPE DESIGN STORAGE CONTAINERS ON THE
BEHAVIOR OF PARTICULAR MATTER USING SIMULATION METHODS
Jan VYLETĚLEK 1, Jiří ROZBROJ
2, Jiří ZEGZULKA
3, Lucie JEZERSKÁ
4
1 Ing., Ph.D., ENET Center, Laboratory of Bulk Material, VŠB-TU Ostrava
17.listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 9371
2 Ing., Ph.D., ENET Center, Laboratory of Bulk Material, VŠB-TU Ostrava
17.listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 9372
3 prof. Ing., CSc., Faculty of Mechanical Engineering, Laboratory of Bulk Material, VŠB-TU Ostrava
17.listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 4379
4 Ing., Ph.D., ENET Center, Laboratory of Bulk Material, VŠB-TU Ostrava
17.listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 9371
Abstract
This article is focused on the area of storage and processing systems of particulate materials. Solving the
issue was the design of the storage containers with regard to the particular properties of material. Properties of
bulk material are characterized by a summary of the parameters specifically called mechanical and physical
properties. Proper measurement and evaluation of mechanical and physical properties of bulk materials,
including their interaction with contact materials can be properly defined boundary conditions entering to the
system. To investigate the behavior bulk material depending on the input boundary conditions experimental
model was created to allow current sensing happening inside the container. To obtain reliable results were gained
by the high-speed scanning PIV (particle image velocimetry). Shooting experiment was validated using
numerical methods discrete elements DEM (discrete element method). Correct inserting input parameters bulk
materials and contact materials can create identical simulation process flow. The final comparison of the results
obtained experimentally and numerical simulation was a high level of accuracy.
Klíčová slova: The method of discrete elements, silo discharge, particulate matter, flow dynamics
Abstrakt
Článek je zaměřen na oblast skladovacích a procesních systémů partikulárních hmot. Řešenou
problematikou byl konstrukční návrh skladovací nádoby s ohledem na vlastnosti partikulární hmoty. Vlastnosti
partikulární hmoty jsou charakterizovány souhrnem dílčích parametrů specificky nazývaných mechanicko-
fyzikální vlastnosti. Správným měřením a vyhodnocením mechanicko-fyzikálních vlastností partikulárních
hmot, včetně jejich interakcí s kontaktními materiály, lze adekvátně definovat okrajové podmínky vstupující do
systému. Ke zkoumání chování partikulární hmoty v závislosti na vstupních okrajových podmínkách byl
vytvořen experimentální model tak, aby umožňoval snímání děje probíhajícího uvnitř uzavřené nádoby. Pro
získání věrohodných výsledků bylo využito metody vysokorychlostního snímání PIV(particle image
velocimetry). Snímaný experiment byl validován pomocí numerické metody využívající diskrétních prvků DEM
(discrete element method). Správným nadefinováním naměřených vstupních parametrů partikulární hmoty a
kontaktních materiálů lze vytvořit identické simulace procesu toku. Závěrečné porovnání výsledků získaných
experimentálně a numerickou simulací bylo na vysoké úrovni přesnosti.
Klíčová slova: Metoda diskrétních prvků, vyprazdňování sila, partikulární hmota, dynamika toku
Energetika a životní prostředí 2014
112
1 ÚVOD
Člověk se naučil využívat procesu skladování již dlouho před naším letopočtem. Skladování je proces,
při kterém se skladovaná hmota uchovává k pozdějšímu využití. Některé hmoty jsou skupenství, které jim
neumožňuje skladování volně na otevřeném prostranství, proto jsou k jejímu uskladnění vytvořená inženýrská
díla, která chrání skladovanou hmotu před okolními vlivy prostředí. Skladované hmoty mohou být různého
skupenství a k uskladňování každého skupenství se konstruují specifické nádoby. Tyto nádoby jsou navrhovány
s ohledem na fyzikální vlastnosti a chování dané hmoty. Pro plynné látky to bývají tlakové nádoby, pro kapalné
látky nádrže a pevné látky mohou být volně ložené, nebo pokud podléhají degradaci v důsledku okolních vlivů,
tak bývají uskladňovány v uzavřených skladech. Partikulární hmota bývá skladována obdobně, jako pevná látka
na volném prostranství nebo v nádržích zvaných zásobníky. Způsob uskladňování už naznačuje chování
partikulární hmoty, avšak zatím se nepodařilo přesně definovat a předvídat chování partikulární hmoty. Řada
vědeckých výstupů se opírá o teorii vnitřního tření partikulární hmoty, která bývá často interpretována, jako
charakteristická veličina chování konkrétní hmoty. Správnost této teorie je podložena skutečností, kdy látka
s vnitřním třením částic odpovídajících 0° koresponduje s látkou kapalného skupenství a látka s úhlem 90°
odpovídá látce pevného skupenství. Tyto okrajové hodnoty nám vytyčují prostor nepoznaný a vyvolávají otázky,
na které je nutné hledat odpovědi, protože s každou odpovědí se nám otevírá nový prostor chápání.
2 PARTIKULÁRNÍ HMOTA
Pro lepší vysvětlení pojmu partikulární hmota je snazší si vytvořit obraz díky vaší představivosti. Jak řekl
Albert Einstein „představivost je důležitější než vědomosti“. Proto když si dokážete představit partikulární
hmotu, tak si tuto představu vybavíte dříve a častěji, než když se budete učit definice. Pro představu si vybavte
základní stavební jednotku např. cihlu nebo tvárnici, obecně pak jakýkoli kvádr. Pokud si představíme větší
množství stejných kvádrů, lze je sestavit do uspořádané sestavy nebo je volně uložit v prostoru představ. Zde
nechci narážet na subjektivní postoje, ale každý si většinou přestaví to, co je mu nejbližší. Abychom sjednotili
představu, a nebo se jednotné představě přiblížili, představme si v prostoru pět kvádrů dotýkající se svými
vrcholy. Ať už máte v představě jakýkoli obrazec složený z kvádrů dotýkajících se vzájemně svými vrcholy ve
volném prostředí, teď si tento obrazec vložte do gravitačního pole. V každé představě se začínají kvádry
pohybovat ke středu gravitačního pole, avšak sestavený obrazec se nezačíná měnit, jak by se někdo mohl
domnívat, protože na každý kvádr působí stejné gravitační zrychlení. Když se nám v představě začínají kvádry
pohybovat rovnoměrným zrychleným pohybem, lze si spočítat jakou mají kvádry okamžitou rychlost, když si
vzpomeneme, kolik času uplynulo od chvíle, kdy jsme si v představě vytvořili gravitační pole. Pro shrnutí máme
pět kvádrů, které mají směr pohybu, svou rychlost a ještě nám pořád zrychlují. Nyní jim dáme do cesty překážku
v podobě jednoduché roviny. Jakmile začnou kvádry přicházet do kontaktu s rovinou, začne se představený útvar
měnit. Kvádry se díky kontaktu s rovinou začnou vzájemně srážet a hledat stabilní polohu, ze které se samovolně
bez přidání vnější energie nemohou přemístit.
V této práci nebyl stavební částicí partikulární hmoty kvádr, ale válec. Rozměry válce byly průměru D 6
mm a délky L 16 mm. Válec byl vytvořen lisováním drceného listí pod tlakem na pelety Obr .1.
Obr. 1: Zvolený vzorek partikulární hmoty (pelety z listí)
K popisu chování partikulární hmoty jsou odvozeny vzorce respektující dílčí veličiny [1]. Jednotlivé
veličiny popisují vlastnosti a parametry materiálu. Mezi základní parametry partikulární hmoty sloužící
konstruktérům k navrhování inženýrských děl patří zrnitost, vlhkost, objemová a sypná hmotnost, sypný úhel,
úhel vnitřního a vnějšího tření, soudržné napětí a napěťový stav sypkého tělesa [2, 3, 5].
Energetika a životní prostředí 2014
113
3 OKRAJOVÉ PODMÍNKY
Mezi okrajové podmínky v této práci zahrnujeme tvar nádoby, tvar výsypky, způsob umístění partikulární
hmoty v nádobě a způsob otevírání uzávěru. Tvar samotné nádoby vycházel z konstrukčních návrhů s ohledem
na podklady script [2], kde se uvádí geometrické tvary zásobníků, které se dělí podle funkce a provedení. V této
práci bylo využito válcovitého tvaru nádoby o průměru D 300 mm. Válcová nádoba byla rozpůlena a v rovině
řezu opatřena skleněnou deskou umožňující snímání Obr 2. Dovnitř půl nádoby byla umístěna výsypka
konvexního tvaru s výpustným otvorem o průměru d 40mm.
Obr. 2: Tvar skladovací nádoby
Způsob umístění partikulární hmoty do nádoby probíhal v ose symetrie půl nádoby. Při experimentu byla
partikulární hmota (pelety ze slámy) volně nasypávána z odměrného válce. Při validaci numerickou metodou
byla vytvořena generační plocha tvaru půlkruhu o průměru kruhu D 200 mm. Z této generační plochy byly
generovány částice partikulární hmoty a urychlovány nastaveným gravitačním zrychlením 9,81 m.s-2
ve směru
k výpustnému otvoru.
Množství partikulární hmoty využité v tomto experimentu bylo voleno s ohledem na možnosti doby
snímání metodou PIV. V našem případě šlo o maximální kapacitu snímků v počtu 3000 a frekvencí pořizování
50 snímků za sekundu. Toto maximální nastavení umožňovalo pořízení video záznamu v délce trvání 60 s.
S ohledem na snímací možnosti bylo do experimentální nádoby nasypáno 0,0053 m3 pelet a stejné množství
vygenerováno ve virtuálním prostředí matematického modelování Obr 3.
Obr. 3: Skladovací nádoba zaplněna modelem partikulární hmoty
Model partikulární hmoty byl vytvořen na základě získaných informací z měření. Měřením byly získány
parametry, které se zadávají jako vstupní veličiny pro matematickou simulaci. Mezi jednotlivé veličiny jsou
zařazeny koeficient restituce, koeficient klidového tření a valivého odporu. Koeficient restituce byl naměřen
K=0,53, což odpovídá koeficientu restituce dřeva, které se pohybuje v rozmezí 0,4 až 0,6. Koeficient statického
tření byl naměřen µ=0,35 a koeficient valivého odporu ξ=0,01. Tvar částice měl rozměry autentický
s experimentálním materiálem, průměr částice dč=6mm a délka lč=18mm.
Veličina, která sloužila k validaci experimentu s numerickou metodou DEM, byla zvolena průměrná
rychlost částic nacházejících se v rovině snímání [4].
Energetika a životní prostředí 2014
114
4 VÝSLEDKY
Provedený experiment rozkryl skutečnost pohybu jednotlivých částic, kterou nebylo možné pozorovat
jinak než s využitím vysokorychlostního snímání. Program PIV pak na základě odečtení vzdálenosti sledovaného
bodu a podělením této hodnoty časovým krokem mezi jednotlivými snímky vyhodnotil rychlost pohybu
sledovaného bodu. Tímto způsobem se vyhodnotili všechny sledované body neboli částice a naměřené hodnoty
zprůměrovány v celé sledované oblasti. Zaznamenanou rychlost lze pozorovat v grafu Obr. 4.
Obr. 4: Graf rychlosti částic v celé skladovací nádobě při vyprazdňování
Z tohoto grafu je patrný průběh pohybu partikulární hmoty v nádobě opatřenou ve spodní části nádoby
konvexní výsypkou. Tento konvexní tvar výsypky má za následek zbrzdění pohybu jednotlivých částic. Z grafu
lze vyčíst průměrnou rychlost částic v nádobě a její změnu v průběhu času. Tyto naměřené hodnoty rychlosti se
pohybují v rozmezí 0,01 až 0,04 m.s-1
.
5 ZÁVĚR
Z výsledků práce je zřejmé, že využití nových tvarů v oblasti skladování partikulárních hmot je otázkou
budoucnosti. Tyto prvotní experimenty poukazují na skutečnost, že tvarem skladovací nádoby se dá regulovat
pohyb jednotlivých částic a tok hmoty komplexně. Konvexní tvar výsypky umožňuje částicím nacházejících se
mimo výpustný otvor sklouzávat po stěně nádoby a vlastní vahou brzdit částice nacházející se nad výpustným
otvorem, což je patrné také z výsledného grafu pořízeného simulační metodou diskrétních prvků.
Využití nových tvarů v oblasti skladování může pomoct v řešení problematiky u různých inženýrských
děl nebo komplexních procesů toku partikulární hmoty.
PODĚKOVÁNÍ
Práce byla podpořena projektem MŠMT Centrum ENET CZ.1.05/2.1.00/03.0069 a
CZ.1.07/2.3.00/30.0016 – Opportunity for young researchers.
LITERATURA
[1] Zegzulka, J. Mechanika sypkých hmot. 1. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita, 2004, 186 s. ISBN
80-248-0699-1.
[2] Polák, J., Slíva, A. Dopravní a manipulační zařízení III. 1. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita
Ostrava, 2005, 133 s. ISBN 978-80-248-0963-2
[3] Polák, J., Slíva, A., Pavliska, J. Dopravní a manipulační zařízení I. 1. vyd. Ostrava: VŠB - Technická
univerzita Ostrava, 2001, 99 s. ISBN 80-248-0043-8.
[4] Coetzee, C.J. a D.N.J. Els. Calibration of discrete element parameters and the modelling of silo
discharge and bucket filling. Computers and Electronics in Agriculture. 2009, vol. 65, issue 2, s. 198-
212. DOI: 10.1016/j.compag.2008.10.002 [5] Engineers, The Institution of Chemical. Standard shear testing technique for particulate solids using the
Jenike shear cell: a report of the EFCE Working Party on the Mechanics of Particulate Solids. Rugby,
England: Institution of Chemical Engineers, 1989. ISBN 08-529-5232-5.
Energetika a životní prostředí 2014
115
ENERGETICKÉ VYUŽITÍ TRAVIN VE FORMĚ PELET
ENERGY UTILIZATION OF PELLETIZED GRASSES
Ondřej ZAJONC1, Alfredo IGLESIAS
2, Stanislav HONUS
3, Ondřej NĚMČEK
4
1 Ing., Ph.D., Centre ENET, VŠB-Technical University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba, tel. (+420) 597 329 431
e-mail [email protected]
2 The Energetic Technology Group (GTE), Universida de Vigo
Escuela de Ingeniería Industrial (campus)
c/Maxwell s/n Campus Universitario Lagoas-Marcosende
36310 Vigo (Pontevedra) – Spain
3 Ing.,Ph.D., Centre ENET, Department of Energy, VŠB-Technical University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba, tel. (+420) 597 323 270
e-mail [email protected]
4 Ing., Ph.D., Centre ENET, Department of Energy, VŠB-Technical University of Ostrava
17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba, tel. (+420) 597 323 270
e-mail [email protected]
Abstract
Energy utilization of grasses in pellets form is one of the variants, which eliminate problems associated
with low volume density of this material. Optimum moisture content of the pelletized material was 10 % when
the value of the pellets durability was 97.6 %. Grasses can be pelletized with moisture content values of the
pelletized material up to 14 %, then there is a significant reduction in the quality of pellets. The highest values of
hardness had pellets pelletized with a material moisture of 14%, when the average value of the hardness,
expressed as the weight load, was 27.8 kg. Grass pellets should be combusted in combustion device designed for
these fuels. Using the not designed boilers for this type of fuels leads to incomplete fuel combustion and increase
emissions. Combustion of grass pellets occurs to ash slagging, therefore it is suitable to co-combust grass pellets
with fuels with higher melting point of ash and use burners designed for these types of fuels. Another problem
which should be addressed is the chlorine content in grasses, which may cause the formation of chemical
compounds, leading to corrosion of boilers (HCl, KCl) and the formation of dioxins.
Key words: grasses, energy utilization, pellets, optimization of combustion device
Abstrakt
Energetické využití travin ve formě pelet je jednou z variant, vedoucích k eliminaci problémů
souvisejících s nízkou objemovou hmotností tohoto materiálu. Optimální vlhkost peletovaného materiálu byla
10 %, kdy hodnota mechanické odolnosti pelet byla 97,6 %. Traviny lze peletovat do hodnot vlhkosti peletované
směsi 14 %, poté dochází k výraznému snižování kvality pelet. Nejvyšších hodnot tvrdosti dosahovaly pelety
peletované při vlhkosti materiálu 14 %, kdy průměrná hodnota tvrdosti, vyjádřená jako hmotnostní zatížení, byla
27,8 kg. Pelety vyrobené z travin je vhodné spalovat ve spalovacích zařízeních určených pro tyto paliva. Při
použití kotlů neupravených pro tento typ paliv dochází k nedokonalému spalování a tím k zvýšení produkce
emisí. Při spalování pelet z travin dochází ke struskování popela, proto je vhodné spoluspalovat pelety z travin s
palivy s vyšší teplotou tání popelovin a využít hořáky určené pro tato paliva. Dalším problémem, kterým je
nutno se zabývat, je obsah chlóru v travinách, který může způsobovat vznik látek, vedoucích ke korozi kotlů
(HCl, KCl) a vzniku dioxinů.
Klíčová slova: traviny, energetické využití, pelety, optimalizace spalovacích zařízení
Energetika a životní prostředí 2014
116
1 ÚVOD
Traviny jsou potenciálním zdrojem energie. V současné době je ještě nutné vyřešit řadu problémů s
využitím travin jako paliva. Řada ploch je vhodná pro produkci travní fytomasy pro energetické účely [1]. Mezi
hlavní problémy patří nízká objemová hmotnost materiálu, vysoká vlhkost a chemické složení travin (obsah
chlóru a alkálií) [2]. Peletizace představuje jednu z cest, jak zvýšit objemovou hustotu materiálu a tím snížit cenu
za přepravu (od určité vzdálenosti) a skladování. Peletizace travin je velmi rozšířená k výrobě krmiv pro
hospodářská zvířata. Cílem práce bylo zjištění optimálních podmínek pro peletizaci travin a zjištění potenciálu
jejich energetického využití. Mezi hlavní problémy spojené s energetickým využitím travin se řadí spékání
popelovin [3,4], způsobené obsahem alkálií [5,6,7], možná zvýšená produkce dioxinů, způsobených obsahem
chlóru [8,9,10]. Dalším problémem je vznik plynných HCl a KCl, způsobujících korozi kotlů [11,12]. Oproti
dřevu dochází také ke zvýšení emisí dusíku [13]. Obsah látek v travinách se v průběhu roku mění [3,14]. Obsah
látek v travinách se může lišit i v závislosti na obsahu dostupných živin v půdě na různých stanovištích [2].
Stanovením optimální doby sklizně travin lze docílit k snížení obsahu dusíku, chlóru i alkálií [15].
Pro energetické využití pelet vyrobených ze sena je také důležitá úprava spalovacího zařízení. V běžných
kotlích na pelety nedochází k spalování s dostatečnou účinností spalovacího procesu a dochází ke vzniku
zvýšených koncentrací CO. Při spalovacím procesu s nízkou účinností také dochází k zvýšené tvorbě dioxinů
než u spalovacích procesů s vyšší účinností [8].
2 VLASTNOSTI MATERIÁLU A METODY MĚŘENÍ
2.1 Zpracování vzorců
Pro peletizaci bylo použito luční seno. Vlhkost materiálu byla 10 %. Materiál se již nemusel dosoušet.
Seno bylo podrceno na kladívkovém drtiči Green Energy 9FQ 50. Výsledné zrnitostní složení peletovaného
materiálu je uvedeno v tabulce č. 1. Prvková analýza surovin a energetické parametry a majoritní složky surovin
jsou uvedeny v tabulkách 3, 4.
Zrnitostní třída [mm] > 3,15 2,8 - 3,15 2,0 - 2,8 1,4 - 2,0 1,0 - 1,4 0,5 - 1,0 0,25 - 0,5 < 0,25
Hmotnost [g] 0,325 0,718 2,693 17,041 14,279 11,384 26,987 26,883
Tab. 1: Zrnitostní složení peletovaného sena
Seno bylo peletováno na laboratorním peletovacím lisu KAHL 14-175 s plochou matricí.
2.2 Testování mechanických vlastností pelet
Mechanická odolnost pelet
Mechanická odolnost vyjadřuje míru vznikajícího odrolu pelet při přepravě a manipulaci [16, 17].
Mechanická odolnost pelet byla testována na přístroji Holmen NHP 1000. Při testu vzorek 100 g pelet
pneumaticky cirkuluje v komoře o tvaru převrácené pyramidy s děrovanými stěnami. Při testu narážejí pelety na
stěny komory a na sebe, čímž vzniká odrol. Po testu se vzorek přesítuje přes síto s velikostí ok 3,15 mm.
Mechanická odolnost je vyjádřena jako tzv. pellet durability index (PDI). PDI se vypočte jako procentuálně
vyjádřený podíl hmotnosti vzorku po testu ku hmotnosti vzorku před testem [16].
𝑃𝐷𝐼 = 𝑚2
𝑚1 × 100 (1)
PDI – Pellet Durability Index [%]
m1 – hmotnost pelety před testem [g]
m2 – hmotnost pelety po testu [g]
Postup se opakuje pětkrát. Z výsledků se vypočte průměrná hodnota.
Tvrdost
Tvrdost je dalším důležitým parametrem popisujícím pevnost jednotlivých pelet při manipulaci a
transportu [18]. Tvrdost byla měřena na přístroji KAHL ak-14. Tvrdost byla vyjádřena jako hmotnostní zatížení
v kg. Přístroj funguje na principu postupného stlačování plochy pružinou na pevnou stacionární plochu, mezi
Energetika a životní prostředí 2014
117
kterými je umístěna peleta. Stlačování probíhá až do doby, dokud peleta nepraskne nebo se nerozdrtí. Postup je
opakován desetkrát. Z výsledků se vypočte průměrná hodnota.
Měrná hmotnost
Měrná hmotnost určuje míru densifikace oproti surovému materiálu. Měrná hmotnost byla stanovena na
přístroji Density tester Mettler Toledo JEW-DNY-43. Přístroj funguje na principu Archimédova zákona. Hustota
se stanoví z rozdílu hmotností pelet na vzduchu a pelet ponořených v destilované vodě s malou dávkou
detergentu. Postup se opakuje desetkrát. Z výsledků se vypočte průměrná hodnota.
Odolnost vůči vlhkosti
Odolnost vůči vlhkosti byla vyjádřena jako tzv. wettability index (WI) [19]. WI se stanoví jako
procentuálně vyjádřené množství vody, které absorbovala peleta po ponoření do destilované vody po dobu 30
sekund [20].
𝑊𝐼 = 𝑚2−𝑚1
𝑚1 × 100 (2)
WI – Wettability Index [%]
m1 – hmotnost pelety před testem [g]
m2 – hmotnost pelety po testu [g]
Postup se opakoval desetkrát. Z výsledků se vypočetla průměrná hodnota.
2.3 Spalovací testy, spalovací zařízení a měření jednotlivých složek koncentrací spalin
Pro energetické využití byly použity komerčně vyráběné pelety z travin. Jednalo se o pelety z travin o
průměru 6 mm, jako přídavné palivo byly použity dřevní pelety o průměru 6 mm. Prvková analýza a energetické
parametry pelet jsou uvedeny v tabulce č. 3. Majoritní složky materiálů a teplota tání popelovin jsou uvedeny v
tabulce č. 4.
Energetické využití bylo testováno ve spalovacím zařízení Viadrus Hercules. Jedná se o automatický
teplovodní kotel pro spalování tuhých paliv (černé a hnědé uhlí, dřevní pelety). Jmenovitý výkon 20 kW. Při
spalovacích zkouškách byly kontinuálně sledovány koncentrace spalin. Byly sledovány koncentrace oxidu
uhličitého, kyslíku, oxidu uhelnatého, oxidu siřičitého, oxidu dusíku a uhlovodíků.
Měření koncentrací složek ve spalinách
Měření jednotlivých složek spalin bylo prováděno na stacionárním kontinuálním analyzátoru
ABB A02020. Analyzátor obsahoval moduly pro měření koncentrací O2, NOX, SO2, CO, CO2, N2 a CXHY.
Z každé spalovací zkoušky byl odebrán popel a stanoveno množství nedopalu. U popelů byly provedeny analýzy
vodného výluhu popela podle vyhlášky č. 294/2005 Sb.
Analýzy paliv a popela byly provedeny v laboratořích Geologického inženýrství (VŠB-TU Ostrava).
3 PELETIZACE MATERIÁLU
Traviny představují snadno peletovatelný materiál. Pro stanovení optimální hodnoty vlhkosti materiálu
byla odzkoušena peletizace sena s různou hodnotou vlhkosti. Hodnota vlhkosti byla zvyšována po dvou
procentech v rozmezí 10 – 20 %. Následovně byla sledována mechanická odolnost, tvrdost, měrná hmotnost,
odolnost vůči vlhkosti. Naměřené hodnoty mechanických vlastností pelet jsou uvedeny v tabulce č. 2.
Mechanická odolnost
Hodnoty mechanické odolnosti se pohybovaly v rozmezí 92,6 – 97,6 %. Jako nejvhodnější vlhkost pro
peletizaci sena, se jeví hodnota 10 %, kdy hodnota mechanické odolnosti pelet byla 97,6 %. Tato hodnota
splňuje požadavky minimální hodnoty mechanické odolnosti pelet 97,5 % podle ČSN EN 14961-6 Tuhá
biopaliva - Specifikace a třídy paliv - Část 6: Nedřevní pelety pro maloodběratele.
Nejnižších hodnot mechanické odolnosti dosahovaly pelety vyrobené ze směsi o hodnotě vlhkosti 18 %.
Tvrdost
Energetika a životní prostředí 2014
118
Hodnoty tvrdosti se pohybovaly v rozmezí 13,0 – 27,8 kg. Nejvyšších hodnot tvrdosti pelety dosahovaly
při vlhkosti peletovaného materiálu 14 %. Nejnižší hodnoty tvrdosti bylo dosaženo při vlhkosti 18 %.
Měrná hmotnost
Hodnoty měrné hmotnosti se pohybovaly v rozmezí 1 199 – 1 303 kg/m3. Nejvyšších hodnot měrné
hmotnosti pelety dosahovaly při peletované směsi o hodnotě vlhkosti 10 %. Nejnižší hodnoty dosahovaly pelety
vyrobené ze směsi s hodnotou vlhkosti 20 %.
Odolnost vůči vlhkosti
Hodnoty odolnosti vůči vlhkosti se pohybovaly v rozmezí 21,9 – 108,1 %. Nejnižších hodnot wettability
indexu (tzn. nejvyšší odolnosti vůči vlhkosti) dosahovaly pelety vyrobené ze směsi o hodnotě vlhkosti 10 %.
Nejvyšších hodnot wettability indexu dosahovaly pelety vyrobené ze směsi o vlhkosti 20 %.
Vlhkost peletované směsi [%] PDI [%] Tvrdost [kg] Měrná hmotnost [kg/m3] WI [%]
10 97,6 21,8 1 303 21,9
12 96,1 19,6 1 268 33,8
14 96,3 27,8 1 276 30,9
16 94,8 25,8 1 246 38,9
18 92,2 13,0 1 229 63,7
20 92,6 14,0 1 199 108,1
Tab. 2: Mechanické vlastnosti pelet
Kvalita pelet byla na nejvyšší úrovni při hodnotě mechanické odolnosti 10 %. Se zvyšujícími se
hodnotami vlhkosti do hodnoty 14 % se mechanická odolnost pelet snížila přibližně o 1 %, tvrdost však dosáhla
nejvyšších hodnot. Pro peletizaci sena lze proto doporučit hodnoty vlhkosti do 14 %, kdy dojde k tvorbě
dostatečně pevných vazeb mezi částicemi. Normou (ČSN EN 14961-6) stanovenou hodnotu pro mechanickou
odolnost 97,5 % splnily pouze pelety peletované při hodnotě vlhkosti směsi 10 %. Po překročení hodnoty
vlhkosti peletované směsi 14 % se začne projevovat vliv nestlačitelnosti vody a dochází k postupnému snižování
kvality pelet.
4 SPALOVACÍ ZKOUŠKY
Pelety z travin mají výhřevnost okolo 14 MJ/kg. Při spalovacích zkouškách byly spalovány pelety ze
dřeva a travin samostatně, poté ve směsích 50 % pelety seno : 50 % dřevní pelety a 25 % pelety seno : 75 %
pelety dřevo. Při spalování se koncentrace kyslíku pohybovala v průměru mezi 9,3 – 12,3 %. V průběhu
spalovacích zkoušek se projevily problémy se spalováním a to vysoké hodnoty CO ve spalinách, hodnoty CO se
držely v rozmezí 514 až 5 405 ppm, což představuje nedokonalé spalování. Při spalování pelet z travin,
překračovaly hodnoty koncentrací CO limitní hodnotu koncentrace 3 000 ppm pro spalovací stacionární zdroj na
pevná paliva, uvedenou zákonem č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší. Proto je nutné, aby byl kotel určen pro
spalování daného druhu paliva. Hodnoty koncentrací NOX ve spalinách se pohybovaly v rozmezí 69 – 148 ppm.
Koncentrace SOX ve spalinách byly nulové. Koncentrace uhlovodíků se pohybovaly v rozmezí 20 – 440 ppm.
Průměrné hodnoty koncentrací při spalovacích zkouškách jsou uvedeny v tabulce č. 6. Z uvedených výsledků
vyplývá, že pro spalování pelet vyrobených ze sena je nutno použít pro tento účel vyrobené spalovací zařízení.
Ve starších kotlích neupravených pro tento typ paliva bude mít spalování pelet ze sena negativní vliv na životní
prostředí. Při nedokonalém spalování a přítomnosti chlóru v palivu dochází k tvorbě dioxinů. Tyto koncentrace
nebyly měřeny. Množství vznikajících dioxinů lze snížit optimalizací spalovacího procesu spolu s přidáním
aditiv. Množství dioxinů vznikajících při spalování pelet ze sena je vhodné stanovit v dalších výzkumech.
Dalším problémem bylo struskování popelovin, kdy docházelo k vytváření krust popelovin. Pelety z
travin je proto nutné spoluspalovat s palivy s vyšším bodem tání popelovin nebo aditivy zvyšujícími bod tání
popelovin. Další variantou je spalování pelet z travin na speciálních hořácích určených pro tato paliva. Analýzy
popelovin jsou uvedeny v tabulkách č. 4, 5.
Energetika a životní prostředí 2014
119
Vstup C
[%]
H
[%]
N
[%]
Popeloviny
[%]
Prchavá
hořlavina
[%]
Fixní
uhlík
[%]
QS
[MJ/kg]
Na
[g/kg]
K
[g/kg]
Cl-
[g/kg]
(NO2)-
[mg/kg]
(NO3)-
[mg/kg]
(PO4)3-
[mg/kg]
(SO4)2-
[mg/kg]
Pelety traviny 6
mm 44,37 9,28 1,29 5,32 80,92 13,76 17,068 0,345 9,51 1,77 1,2 87,8 2 514,7 3 433,3
Dřevní pelety 6
mm 47,86 9,61 0,14 0,66 85,07 14,27 18,199 0,025 1,44 0,09 0,1 72,6 159,4 154,3
Tab. 3: Prvková analýza surovin a energetické parametry
Vstup
Majoritní složky Teplota tání popelovin
Lignin
[%]
Celulóza
[%]
Hemicelulóza
[%]
DT
[°C]
ST
[°C]
HT
[°C]
FT
[°C]
Pelety traviny 6 mm 20,283 38,603 35,691 926 1 068 1 103 1 145
Dřevní pelety 6 mm 38,150 57,561 3,619 971 1 549 1 549 1 549
Tab. 4: Majoritní složky surovin a teplota tání popelovin
Vzorek Nedopal
[%]
pH Vodivost
[mS/cm]
R.L.
[g/l]
(Cl) -
[g/l]
(NO2) -
[mg/l]
(NO3) -
[mg/l]
(PO4)3-
[mg/l]
(SO4)2-
[g/l]
Pelety seno 6 mm 3,05 12,29 14,45 16,47 0,204 2,96 12,65 8,24 2,56
Dřevní pelety 6 mm 17,84 12,30 8,05 8,44 0,043 0,79 10,18 8,10 0,52
Směs 50 % pelety seno 6mm + 50 % dřevní pelety 6 mm 2,07 12,18 11,38 12,67 0,106 2,13 10,28 8,18 2,12
Směs 25 % pelety seno 6 mm + 75 % dřevní pelety 6 mm 3,31 12,41 15,24 16,87 0,188 3,05 11,13 8,11 2,26
Tab. 5: Množství nedopalu v odebraných vzorcích popela a analýza vodného výluhu popela (vyhláška č. 294/2005 Sb.)
Energetika a životní prostředí 2014
120
Palivo O2
[%]
CO2
[%]
CO
[ppm]
CXHY
[ppm]
SO2
[ppm]
NOX
[ppm]
Dřevní pelety 9,3 12,0 514 20 0 69
Pelety seno 10,6 10,4 5 252 144 0 121
50 % pelety seno + 50 % dřevní pelety 11,2 9,6 5 405 307 4 148
25 % pelety seno + 75 % dřevní pelety 10,9 9,9 5 393 404 3 94
Tab. 6: Průměrné zastoupení vybraných složek ve spalinách
Obr. č. 1: Spékání popela pelety seno 6 mm Obr. č. 2: Spečený popel pelety seno 6mm
5 ZÁVĚR
Seno představuje velmi snadno peletovatelný materiál. Nejvyšších hodnot mechanické odolnosti
dosahovalo při vlhkosti peletované směsi 10 %. Vhodná vlhkost peletovaného materiálu je do 14 %, poté
dochází k snižování mechanické odolnosti. Pro spalování pelet z travin je nutné mít pro tyto účely určené
spalovací zařízení. Pro energetické využití travin je vhodné jej spoluspalovat s palivy s vyšším bodem tání
popelovin. Jednou z možností je seno peletovat s těmito aditivy. Aditiva mohou mít funkci potlačení spékání
popelovin a snižovat množství vzniklých sloučenin s chlórem, způsobujících korozi spalovacích zařízení. Mohou
také potlačovat vznik dioxinů. Otázkou množství vznikajících dioxinů je nutné se ještě zabývat.
PODĚKOVÁNÍ
Práce byla podpořena projektem MŠMT Centrum ENET CZ.1.05/2.1.00/03.0069 a
CZ.1.07/2.3.00/30.0016 - Opportunity for young researchers.
Tato práce byla vypracována v rámci projektu Nové kreativní týmy v prioritách vědeckého bádání, reg. č.
CZ.1.07/2.3.00/30.0055 podpořeného Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a
spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Páce byla podpořena dále projektem MŠMT SGS SP2014/54 Výzkum vlivu katalyzátoru a technických
parametrů na vlastnosti a výtěžnost procesních plynů vznikajících v zařízeních termochemické degradace.
LITERATURA
[1] FRYDRYCH, J., D. ANDERT, I. GERNDTOVÁ, D. JUCHELKOVÁ, H. RACLAVSKÁ a O.
ZAJONC. Výzkum využití trávy pro energetické účely. Energie 21: časopis obnovitelných zdrojů
energie /. Praha: Profi Press, 2012, č. 4, 14 - 17.
Energetika a životní prostředí 2014
121
[2] CHERNEY, Jerome H. a Vijay Kumar VERMA. Grass pellet Quality Index: A tool to evaluate
suitability of grass pellets for small scale combustion systems. Applied Energy. 2013, vol. 103, s. 679-
684.
[3] TONN, Bettina, Ulrich THUMM, Iris LEWANDOWSKI a Wilhelm CLAUPEIN. Leaching of biomass
from semi-natural grasslands – Effects on chemical composition and ash high-temperature behaviour.
Biomass and Bioenergy. 2012, vol. 36, s. 390-403.
[4] Technical Assessment of Grass Pellets as Boiler Fuel in Vermont. BERC 2011, s. 52
[5] FERNÁNDEZ LLORENTE, M.J., R. ESCALADA CUADRADO, J.M. MURILLO LAPLAZA a J.E.
CARRASCO GARCÍA. Combustion in bubbling fluidised bed with bed material of limestone to reduce
the biomass ash agglomeration and sintering. Fuel. 2006, vol. 85, 14-15, s. 2081-2092.
[6] LLORENTE, M.J. Fernández, P. Díaz AROCAS, L. Gutiérrez NEBOT a J.E. Carrasco GARCÍA. The
effect of the addition of chemical materials on the sintering of biomass ash. Fuel. 2008, vol. 87, issue
12, s. 2651-2658.
[7] SCHMITT, Verena E.M. a Martin KALTSCHMITT. Effect of straw proportion and Ca- and Al-
containing additives on ash composition and sintering of wood–straw pellets. Fuel. 2013, vol. 109, s.
551-558.
[8] LAUNHARDT, T a H THOMA. Investigation on organic pollutants from a domestic heating system
using various solid biofuels. Chemosphere. 2000, vol. 40, 9-11, s. 1149-1157.
[9] OBERNBERGER, Ingwald a Gerold THEK. Physical characterisation and chemical composition of
densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour. Biomass and Bioenergy. 2004, vol.
27, issue 6, s. 653-669.
[10] THOMAS, Valerie M. a Colin M. MCCREIGHT. Relation of chlorine, copper and sulphur to dioxin
emission factors. Journal of Hazardous Materials. 2008, vol. 151, issue 1, s. 164-170.
[11] MROCZEK, Kazimierz, Sylwester KALISZ, Marek PRONOBIS a Józef SOŁTYS. The effect of
halloysite additive on operation of boilers firing agricultural biomass. Fuel Processing Technology.
2011, vol. 92, issue 5, s. 845-855.
[12] KASSMAN, Håkan, Jesper PETTERSSON, Britt-Marie STEENARI a Lars-Erik ÅMAND. Two
strategies to reduce gaseous KCl and chlorine in deposits during biomass combustion — injection of
ammonium sulphate and co-combustion with peat. Fuel Processing Technology. 2013, vol. 105, s. 170-
180.
[13] OBERNBERGER, I, T BRUNNER a G BARNTHALER. Chemical properties of solid biofuels—
significance and impact. Biomass and Bioenergy. 2006, vol. 30, issue 11, s. 973-982.
[14] RACLAVSKÁ, H., J. FRYDRYCH, D. JUCHELKOVÁ, O. ZAJONC, D. ANDERT a I.
GERNDTOVÁ. Význam popelovin v travní biomase pro energetické účely. Energie 21: časopis
obnovitelných zdrojů energie /. Praha: Profi Press, 2013, č. 3, 12 - 15.
[15] RACLAVSKÁ, Helena, Dagmar JUCHELKOVÁ, Jana KUCHAŘOVÁ, Hana ŠKROBÁNKOVÁ a
Ondřej ZAJONC. Využití fytomasy z trvalých travních porostů a z údržby krajiny. Ostrava: VŠB -
TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, Centrum ENET, 2011, 68 s.
[16] MOREY, Nalladurai Kaliyan and R. Vance. Densification of biomass: mechanisms, models, and
experiments on briquetting and pelleting of biomass. Saarbrücken, Germany: VDM Verlag Dr. Müller,
2008. ISBN 978-363-9051-858.
[17] PFOST, H.B. Testing the durability of pelleted feed. Feedstuffs. 1963, roč. 23, s. 66-68. in THOMAS,
M. a A.F.B. VAN DER POEL. Physical quality of pelleted animal feed 1. Criteria for pellet quality.
Animal Feed Science and Technology. 1996, roč. 61, 1-4, s. 89-112. ISSN 03778401.
[18] JIANG, Longbo, Jie LIANG, Xingzhong YUAN, Hui LI, Changzhu LI, Zhihua XIAO, Huajun
HUANG, Hou WANG a Guangming ZENG. Co-pelletization of sewage sludge and biomass: The
density and hardness of pellet. Bioresource Technology. 2014, vol. 166, s. 435-443.
[19] ZAJONC, O., RACLAVSKÁ, H., JUCHELKOVÁ, D. Metodika stanovení nestandardizovaných
mechanických vlastností pelet vyrobených na bázi směsných paliv, 2011, Státní energetická inspekce -
Územní inspektorát pro Moravskoslezský kraj
[20] LINDLEY, J.A. a M. VOSSOUGHI. Physical properties of biomass briquets. Transactions of the
ASAE, American Society of Agricultural Engineers. 1989, roč. 32, č. 2, s. 361-366. In KALIYAN,
Nalladurai a R. VANCE MOREY. Factors affecting strength and durability of densified biomass
products. Biomass and Bioenergy. 2009, roč. 33, č. 3, s. 337-359. ISSN 09619534.
Energetika a životní prostředí 2014
122
MLÝNICE NA HNĚDÉ UHLÍ A ZKUŠENOSTI Z JEJÍHO PROVOZU
Zdeněk BADAN, Petr MATOUŠŮ, Stanislav VEJVODA
Energetika a životní prostředí 2014
123
Energetika a životní prostředí 2014
124
SUROVINY A PROSPERITA STÁTU
Pavel BARTOŠ
Energetika a životní prostředí 2014
125
Energetika a životní prostředí 2014
126
Energetika a životní prostředí 2014
127
TECHNOLOGICKÁ AGENTURA ČR – ORGANIZACE NA PODPORU
APLIKOVANÉHO VÝZKUMU A VÝVOJE
Rut Bízková
Energetika a životní prostředí 2014
128
Energetika a životní prostředí 2014
129
Energetika a životní prostředí 2014
130
Energetika a životní prostředí 2014
131
ROLE ENERGETIKY V REGIONU S VYSOKÝM PRŮMYSLOVÝM
POTENCIÁLEM A VYSOKOU NEZAMĚSTNANOSTÍ
Jiří CIENCALA
Energetika a životní prostředí 2014
132
Energetika a životní prostředí 2014
133
PREZENTACE ČINNOSTI AKREDITOVANÉHO PRACOVIŠTĚ PRO
DIAGNOSTIKU A PROVOZ TEPELNĚ-ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ
Bohumír ČECH
Energetika a životní prostředí 2014
134
Energetika a životní prostředí 2014
135
Energetika a životní prostředí 2014
136
Energetika a životní prostředí 2014
137
Energetika a životní prostředí 2014
138
PŘEDSTAVENÍ PROJEKTU OP VaVpI CENTRUM ENET
Tomáš ČERMÁK
Energetika a životní prostředí 2014
139
Energetika a životní prostředí 2014
140
Energetika a životní prostředí 2014
141
Energetika a životní prostředí 2014
142
Energetika a životní prostředí 2014
143
ICT – INSTITUT ČISTÝCH TECHNOLOGIÍ TĚŽBY A UŽITÍ
ENERGETICKÝCH SUROVIN
Václav DOMBEK
Energetika a životní prostředí 2014
144
Energetika a životní prostředí 2014
145
Energetika a životní prostředí 2014
146
Energetika a životní prostředí 2014
147
SMART SYSTÉMY NEJEN PRO OSTRAVU
Libor HRDINA, František PETERKA
Energetika a životní prostředí 2014
148
Energetika a životní prostředí 2014
149
Energetika a životní prostředí 2014
150
Energetika a životní prostředí 2014
151
Energetika a životní prostředí 2014
152
ROLE UHLÍ V ČESKÉ ENERGETICE
Tomáš HÜNER
Energetika a životní prostředí 2014
153
Energetika a životní prostředí 2014
154
Energetika a životní prostředí 2014
155
EXPERIMENTÁLNÍ STUDIE:
VLIV POJIVA NA TOKOVÉ VLASTNOSTI SMĚSÍ A PROCES PELETIZACE
Lucie JEZERSKÁ
Energetika a životní prostředí 2014
156
Energetika a životní prostředí 2014
157
VÝSTAVBA ELEKTRÁRNY YUNUS EMRE 2X145 MWe TURECKO
Kamil KUČERA
Energetika a životní prostředí 2014
158
Energetika a životní prostředí 2014
159
Energetika a životní prostředí 2014
160
PODPORA TRANSFERU INOVACÍ V ZEMĚDĚLSTVÍ, ZEMĚDĚLSKÝ
VÝZKUM, SPOL. S.R.O., PŘEDSTAVENÍ PRACOVIŠTĚ
Jan NEDĚLNÍK
Energetika a životní prostředí 2014
161
Energetika a životní prostředí 2014
162
IET – INSTITUT ENVIRONMENTÁLNÍCH TECHNOLOGIÍ
Lucie OBALOVÁ
Energetika a životní prostředí 2014
163
Energetika a životní prostředí 2014
164
Energetika a životní prostředí 2014
165
INOVACE PRO EFEKTIVITU A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ – VÝZKUMNÉ
ENERGETICKÉ CENTRUM
Tadeáš OCHODEK
Energetika a životní prostředí 2014
166
Energetika a životní prostředí 2014
167
Energetika a životní prostředí 2014
168
NEW INFRASTRUCTURES IN THE CZECH REPUBLIC - IT4INNOVATIONS
NATIONAL SUPERCOMPUTING CENTER
Martin PALKOVIČ
Energetika a životní prostředí 2014
169
Energetika a životní prostředí 2014
170
Energetika a životní prostředí 2014
171
MOŽNOSTI VYUŽITÍ PYROLÝZNÍHO PROCESU V OBLASTI
ZPRACOVÁNÍ VYBRANÝCH DRUHŮ MATERIÁLŮ NA PYROLÝZNÍ JEDNOTCE
PYROMATIC
Veronika SASSMANOVÁ
Energetika a životní prostředí 2014
172
Energetika a životní prostředí 2014
173
ANALÝZA PLYNU
Zbyněk SKOTNICA
Energetika a životní prostředí 2014
174
Energetika a životní prostředí 2014
175
Energetika a životní prostředí 2014
176
Energetika a životní prostředí 2014
177
VÝVOJ ÚROVNĚ ZNEČIŠŤOVÁNÍ OVZDUŠÍ U VYBRANÝCH
SPALOVACÍCH ZDROJŮ V MORAVSKOSLEZSKÉM KRAJI
Radomír ŠTĚRBA
Energetika a životní prostředí 2014
178
Energetika a životní prostředí 2014
179
Energetika a životní prostředí 2014
180
KONCEPCIA ENERGETICKÉHO ZHODNOTENIA BIOLOGICKÝCH
KOMUNÁLNYCH ODPADOV
Ľubomír ŠOOŠ
Energetika a životní prostředí 2014
181
Energetika a životní prostředí 2014
182
Energetika a životní prostředí 2014
183
POLNÍ INSTRUMENTACE A AUTOMATIZOVANÝ SYSTÉM ŘÍZENÍ
BIOKOTLE KUTNÁ HORA
Jiří VALÍČEK, František PETERKA
Energetika a životní prostředí 2014
184
Energetika a životní prostředí 2014
185
VÝVOJ A VÝROBA ARMATUR PRO ENERGETICKÝ PRŮMYSL
Vladimír VAŠÍČEK
Energetika a životní prostředí 2014
186
Energetika a životní prostředí 2014
187
Energetika a životní prostředí 2014
188
Energetika a životní prostředí 2014
189
IEA-FBC – AND OTHER WASTE TO ENERGY RELATED TOPICS
Franz WINTER, Amon PURGAR
Energetika a životní prostředí 2014
190
Energetika a životní prostředí 2014
191
Energetika a životní prostředí 2014
192
ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH MATERIÁLŮ POMOCÍ PYROLÝZY – ČIŠTĚNÍ
PLYNU POMOCÍ METYLESTERU
Petr ZAPLETAL
Energetika a životní prostředí 2014
193