Produkcia emisií pri spaľovaní dreva v závislosti na jeho vlhkosti
© Fotolia.com
Jednou z dôležitých vlastností paliva je vlhkosť v ňom obsiahnutá. Palivo s vysokým obsahom vlhkosti nie je použiteľné pre väčšinu kotlov. Pre správny proces spaľovania v domácich podmienkach musí byť použité drevo pomerne suché. Článok pojednáva o vplyve relatívnej vlhkosti bukového dreva, ktoré bolo uskladnené v rôznych podmienkach, na energetické a emisné parametre malého lokálneho zdroja tepla – krbovej vložky. Výsledky experimentov poukazujú na vplyv relatívnej vlhkosti dreva na tepelný výkon a účinnosť krbovej vložky a na produkciu plynných a tuhých znečisťujúcich látok. Rozdielna vlhkosť paliva má za následok iný priebeh spaľovania, čo sa prejavuje na časovom priebehu tepelného výkonu, účinnosti a produkcie emisií, najmä oxidu uhoľnatého. Výsledky taktiež poukázali na fakt, že pre ideálny priebeh spaľovania drevného paliva v lokálnom kúrenisku je príliš nízka vlhkosť paliva nevyhovujúca.
1. Úvod
Drevo, resp. dendromasa patrí medzi tuhé palivá. Tie pozostávajú z horľaviny a balastu (popola a vody). Horľavinu tvorí tá časť paliva, ktorej oxidáciou sa uvoľňuje teplo, t.j. chemicky viazaná energia v palive. Jedná časť horľaviny sa skladá z prvkov uhlíka (C), vodíka (H) a prípadne síry (S). Sú to tzv. aktívne látky horľaviny, pri oxidácií ktorých vzniká teplo [1]. Druhú časť horľaviny predstavujú tzv. pasívne látky, ktoré nedodávajú teplo, ale sú viazané na organickú hmotu. Pasívnymi látkami horľaviny sú kyslík (O2) a dusík (N2), ktoré pri chemickej reakcií neuvoľňujú teplo, resp. pre ich priebeh je nevyhnutné dodanie tepla. Horľavina sa ďalej delí na neprchavú a prchavú zložku [2]. Biomasa všeobecne obsahuje veľké množstvo prchavej horľaviny. Bežne sa pohybuje okolo 75 %. Najviac jej obsahuje drevo, a to spôsobuje, že drevo nehorí v kúrenisku, ale v priestore medzi kúreniskom a komínom. Často sa hovorí o tzv. dlhom plameni dreva a biopalív [3].
Balast paliva tvorí popol a voda. Balast je nežiaduci podiel paliva [4]. S rastom balastu v palive klesá spalné teplo paliva, resp. výhrevnosť, znižuje sa jeho cena a pri veľkom podiele balastu je palivo nevhodné na využívanie, lebo náklady na jeho dopravu môžu prevažovať jeho využiteľnú hodnotu.
Obr. 1 Príklad vplyvu vlhkosti paliva na jeho výhrevnosť
Dendromasa je charakterizovaná pomerne vysokým a meniacim sa obsahom vody, ktorý v palive do značnej miery ovplyvňuje energetické vlastnosti dreva. Pri stanovení obsahu vody v palive je potrebné rozlišovať či sa jedná o vyjadrenie obsahu vody na základe zvyklosti z drevospracujúceho priemyslu resp. na základe energetického vyjadrenia obsahu vody. V energetike sa vyjadruje obsah vody na základe relatívnej vlhkosti, ktorá dáva do pomeru úbytok hmotnosti vzorky vplyvom vysušenia a hmotnosť drevnej hmoty pred sušením.
Efektívne využívanie zdrojov tepla na tuhé palivá je podmienené používaním kvalitného paliva. Ideálne kvalitné palivo má vysokú výhrevnosť a počas jeho spaľovania sa produkuje minimálne množstvo emisií. Hodnotu výhrevnosti ovplyvňuje vlhkosť paliva (obr. 1). Obecne je možné tvrdiť, že čím je nižšia vlhkosť paliva, tým je vyššia výhrevnosť.
Článok pojednáva o vplyve vlhkosti bukového kusového dreva na tepelný výkon, účinnosť a produkciu emisií krbovej vložky.
2. Materály a metodika experimentov
2.1 Vzorky dreva
Ako palivo bolo použité bukové drevo rôznych vlhkostí:
- vzorka 1 – vzduchosuché bukové drevo s relatívnou vlhkosťou 7,58 % uskladnené vo vykurovanom priestore v interiéri,
- vzorka 2 – vzduchosuché bukové drevo s relatívnou vlhkosťou 12,14 % uskladnené v dobre vetranom nevykurovanom priestore v interiéri,
- vzorka 3 – vzduchosuché bukové drevo s relatívnou vlhkosťou 20,93 % uskladnené v krytom prístrešku v exteriéri,
- vzorka 4 – bukové drevo s relatívnou vlhkosťou 46,95 % uskladnené voľne v exteriéri približne 2 týždne po ťažbe.
Dĺžka jednotlivých meraní bola závislá od dohorenia naloženej dávky paliva. Pre účely porovnania výsledkov bolo vybraných 50 minút od priloženia paliva. Veľkosť dávky paliva bola zvolená na 2500 ± 50 g, pričom bola rovnaká počas všetkých skúšok. Palivo bolo vložené do spaľovacej komory vo forme 2 naštiepaných približne rovnakých kusov dreva dĺžky približne 35 cm za rovnakých podmienok – rovnaká počiatočná základná vrstva, resp. pahreba, rovnaká počiatočná komínová teplota (180 °C) a rovnaké umiestnenie v spaľovacej komore.
2.2 Metodika stanovenia energetických a emisných parametrov zdroja tepla
Obr. 2 Krbová vložka ako zdroj tepla použitý na experimenty
Experimentálne merania na určenie vplyvu vlhkosti paliva boli uskutočnené na lokálnom zdroji tepla – krbovej vložke s menovitým tepelným výkonom 10 kW (obr. 2) v súlade s normou STN EN 13 229 „Spotrebiče na tuhé palivá na vykurovanie obytných priestorov. Požiadavky a skúšobné metódy.“
Každá vzorka bola spaľovaná trikrát za sebou a nižšie uvedené výsledky sú aritmetickým priemerom týchto meraní. Spaľovanie každej vzorky prebiehalo za rovnakých podmienok – rovnaké nastavenie prívodu a prerozdelenia spaľovacieho vzduchu, rovnaký komínový ťah (12 ± 2 Pa), približne rovnaká teplota (21 ± 2 °C) a relatívna vlhkosť (40 ± 2 %) okolitého vzduchu.
Tepelný výkon a účinnosť krbovej vložky bola určená výpočtom nepriamou metódou v súlade s normou STN EN 13 229. Meranie plynných emisií, konkrétne oxidu uhoľnatého (CO), oxidov dusíka (NOX), organických plynných uhľovodíkov (OGC), oxidu uhličitého (CO2) a kyslíka (O2) boli merané pomocou analyzátora emisií s NDIR fotometrickým senzorom. Hodnoty produkcie emisií boli prepočítané na normované podmienky (0 °C, 101325 Pa a 13% obsah kyslíka v spalinách). Produkcia tuhých znečisťujúcich látok bola stanovená gravimetrickou metódou v súlade s normou STN ISO 9096 za podmienky dodržania izokinetického odberu spalín. Komínová teplota a teplota okolia bola stanovená pomocou termočlánku typu K (NiCr-Ni). Konštantný komínový ťah bol zabezpečený ventilátorom pre odvod spalín, ktorého otáčky boli regulované frekvenčným meničom.
3. Výsledky experimentov
Obr. 3 Vplyv vlhkosti dreva na tepelný výkon a účinnosť
V Tab. 1 sú uvedené priemerné hodnoty meraných parametrov počas experimentov. Priemerný tepelný výkon krbových vložiek (obr. 3) bol podľa očakávaní najvyšší pri spaľovaní vzorky 1 s najnižším obsahom vlhkosti, ktorý dosiahol priemerne 10,7 kW. Podobný priemerný tepelný výkon sa dosiahol pri spaľovaní vzorky 2. Následne pri spaľovaní vzorky 3 bol priemerný tepelný výkon výrazne nižší, konkrétne 6,4 kW a pri spaľovaní vzorky 4 bol priemerný tepelný výkon približne sedemkrát nižší ako počas spaľovania vzoriek 1 a 2.
| Palivo | Dávka | P [ kW ] | Ƞ [%] | O2 [%] | CO2 [%] | CO13% [mg.m−3] | NOX,13% [mg.m−3] | OGC13% [mg.m−3] | TZL13% [mg.m−3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vzorka 1 | 1 | 10.7 | 77.0 | 12.5 | 8.9 | 1628 | 77.2 | 14.1 | 12.6 |
| 2 | 10.6 | 76.0 | 13.0 | 8.3 | 1637 | 103.3 | 14.4 | 15.4 | |
| 3 | 10.8 | 77.1 | 12.6 | 8.7 | 1671 | 77.8 | 14.6 | 10.1 | |
| Priemer | 10.7 | 76.7 | 12.7 | 8.6 | 1645 | 86.1 | 14.5 | 12.7 | |
| Vzorka 2 | 1 | 10.6 | 81.4 | 11.7 | 9.7 | 1068 | 71.9 | 9.3 | 10.6 |
| 2 | 10.5 | 80.9 | 12.4 | 9.0 | 1164 | 93.0 | 10.3 | 13.3 | |
| 3 | 10.6 | 81.3 | 12.0 | 9.5 | 1189 | 68.3 | 11.1 | 15.3 | |
| Priemer | 10.6 | 81.2 | 12.0 | 9.4 | 1140 | 77.7 | 10.2 | 13.1 | |
| Vzorka 3 | 1 | 6.4 | 56.7 | 15.4 | 5.4 | 2128 | 81.6 | 28.0 | 26.1 |
| 2 | 6.4 | 56.5 | 15.1 | 5.8 | 2374 | 65.7 | 31.2 | 35.7 | |
| 3 | 6.3 | 55.8 | 15.5 | 5.3 | 2919 | 66.7 | 38.1 | 29.3 | |
| Priemer | 6.4 | 56.3 | 15.4 | 5.5 | 2474 | 71.3 | 32.5 | 30.4 | |
| Vzorka 4 | 1 | 1.5 | 23.5 | 17.5 | 3.5 | 6419 | 26.7 | 84.3 | 51.7 |
| 2 | 1.4 | 20.8 | 17.6 | 3.4 | 7846 | 19.3 | 103.3 | 81.3 | |
| 3 | 1.6 | 24.7 | 17.5 | 3.5 | 5988 | 15.9 | 79.1 | 49.7 | |
| Priemer | 1.5 | 23.0 | 17.5 | 3.5 | 6751 | 20.6 | 88.7 | 60.9 | |
| P – tepelný výkon, Ƞ – účinnosť, O2 – podiel kyslíka v spalinách, CO2 – podiel oxidu uhličitého v spalinách, CO13% – koncentrácia oxidu uhoľnatého v spalinách, NOX,13% – koncentrácia oxidov dusíka v spalinách, OGC13% – koncentrácia organických plynných uhľovodíkov v spalinách, TZL13% – koncentrácia tuhých znečisťujúcich látok v spalinách | |||||||||
Obr. 4 Vplyv vlhkosti dreva na priebeh tepelného výkonu
Obr. 5 Vplyv vlhkosti dreva na produkciu plynných emisií
Obr. 6 Vplyv vlhkosti dreva na priebeh produkcie oxidu uhoľnatého
Priemerná účinnosť spaľovania vzoriek paliva v krbovej vložke sa taktiež výrazne menila s obsahom vlhkosti v dreve. Výsledky poukázali na zaujímavý fakt, kedy sa ukázalo, že v danom zariadení pri danom nastavení je spaľovanie príliš suchého dreva nie celkom vhodné. Prejavilo sa to najmä na nižšej priemernej účinnosti a vyššej produkcie oxidu uhoľnatého počas spaľovania vzorky 1 v porovnaní s výsledkami spaľovania vzorky 2. Bolo to spôsobené tým, že suché palivo horí príliš intenzívne, čo sa prejavuje vyšším tepelným výkonom krátko po vložení paliva do spaľovacej komory (obr. 4). Vďaka tomu rýchlejšie vyhorí, pričom v tomto čase sa zaznamenala najnižšia koncentrácia oxidu uhoľnatého (obr. 5, obr. 6) a nasleduje fáza dohárania paliva charakterizovaná vyššou koncentráciou oxidu uhoľnatého s rýchlejšie klesajúcou teplotou v spaľovacej komore v kombinácii s rastúcim obsahom kyslíka v spalinách. Najvyššia priemerná koncentrácia oxidu uhoľnatého a organických uhľovodíkov bola zaznamená počas spaľovania najvlhkejšej vzorky 4 (obr. 5). Tá horela minimálne a počas spaľovania bolo produkované vizuálne najviac dymu, ktorý zapríčinil očiernenie skla na krbovej vložke (obr. 6). So zvyšujúcou sa vlhkosťou paliva klesala komínová teplota, resp. teplota plameňa, čo spôsobilo, že sa znižovala produkcia oxidov dusíka (NOx). Produkcia organických plynných uhľovodíkov (OGC) približne kopírovala produkciu CO, pričom najnižšia zaznamenaná priemerná koncentrácia za 50 minút bola pri vzorke 2 a najvyššia pri vzorke 4.
Obr. 7 Vplyv vlhkosti dreva na produkciu tuhých znečisťujúcich látok
Výsledky stanovenia koncentrácie tuhých znečisťujúcich látok (TZL) taktiež preukázali, že zvýšená vlhkosť paliva spôsobuje vyššiu produkciu emisií pri spaľovaní. Pri spaľovaní vzorky 1 a 2 sa zaznamenali podobné koncentrácia zhruba na úrovní 10 ÷ 15 mg.m−3 pri 13% koncentrácii kyslíka. Najvyššia koncentrácia bola zaznamenaná pri spaľovaní vzorky 4, ktorá bola približne 4 ÷ 5násobne vyššia ako pri spaľovaní suchších vzoriek 1 a 2.
4. Záver
Vlhkosť paliva výrazne ovplyvňuje spaľovací proces v malých zdrojoch tepla. Výsledky poukázali, že vlhkosť paliva významne ovplyvňuje tepelný výkon zdroja tepla, účinnosť spaľovania a koncentráciu plynných i tuhých emisií v spalinách. Počas experimentov sa taktiež zistilo, že príliš suché palivo nemusí byť príliš vhodné, pre jeho intenzívne horenie, kedy lokálne kúrenisko prekuruje vykurovaný priestor, dávka paliva rýchlejšie vyhorí a pri rovnakej periodicite prikladania paliva vyprodukuje vyššie množstvo oxidu uhoľnatého, oxidov dusíka a organických plynných uhľovodíkov. Na základe experimentov sa ako najvhodnejšie palivo pre krbovú vložku ukázalo vzduchosuché drevo uskladnené v dobre vetranom nevykurovanom priestore v interiéri s relatívnou vlhkosťou okolo 12 %.
Poďakovanie
Tento príspevok bol vytvorený v rámci projektu KEGA 046ŽU-4/2016 „Nekonvenčné systémy využitia obnoviteľných zdrojov energie“ a APVV 15-790 „Optimalizácia spaľovania biomasy s nízkou teplotou taviteľnosti popola“.
Literatúra
- JANDAČKA, J., HOLUBČÍK, M., PATSCH, M., VANTÚCH, M.: Moderné zdroje tepla na vykurovanie, 2016a, ISBN 978-80-554-1230-6
- KRIŽAN, P.: The densification process of wood waste, 2015, 170 s., IMSETQM
- URBAN, F., FODOR, P.: Optimalizácia zdrojov tepla v tepelných sústavách. VERT, 2015. 127 s.
- SOOS, L., KOLEJAK, M., URBAN, F.: Biomasa – obnoviteľný zdroj energie, Vert: Bratislava, 2012.
One of the important properties of fuel is its moisture content. Fuel with a high moisture content is not applicable to most boilers. For the correct combustion process at home, wood must be relatively dry. The article deals with the influence of the relative humidity of beech wood stored under different conditions on the energy and emission parameters of a small local heat source – a fireplace insert. The results of the experiments show the influence of the relative humidity of the wood on the heat output and efficiency of the fireplace insert and on the production of gaseous and solid pollutants. Different fuel humidity results in a different combustion process, which is reflected in the time course of heat output, efficiency and emission output, especially carbon monoxide. The results also highlighted the fact that for the ideal course of combustion of wood fuel in the local furnace too low fuel humidity is unsuitable.