energetika a životní prostředí 2014 sborník přednášek konference

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

http://www.strobo.cz/

http://www.strobo.cz/

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


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


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


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


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/

http://www.vsb.cz/energetika21stoleti/cs/konference/download/


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

mailto:[email protected]


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.


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.


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.


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

[email protected]

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].


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


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


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.


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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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


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:


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.


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 %).


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


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


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.


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



3 prof. Ing. CSc. Centrum ENET, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava



4 Ing. Centrum ENET, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava



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.

mailto:[email protected]


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.


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]




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]




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


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.


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





3 doc., Ing., Ph.D., Centrum ENET, Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB – Technická univerzita

Ostrava



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.


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.


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.


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.


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:


[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:


[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.


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


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].


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


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


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


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]


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


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!).



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.




39


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


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


42


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


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 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.


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

[email protected]

2 Dr. Ing., Institute of Geological Engineering, Faculty of Mining and Geology, VSB – TUO 17.listopadu

15, 708 33 Ostrava – Poruba, Czech Republic

[email protected]

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].


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


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


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


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

[°]


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.


49

ZKUŠENOSTI S UVÁDĚNÍM VÝSLEDKŮ VÝZKUMU A VÝVOJE DO PRAXE

Stanislav KRAML 1, Bohumír ČECH

2

1 Ing., TENZA, a.s.,


2 doc. Dr. Ing., Katedra energetiky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita Ostrava

17.listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 9332


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.


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.


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


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]


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.


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,


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).

https://www.ecn.nl/


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.


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


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


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,


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


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


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.


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)


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.


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.


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.


64

MALÉ ZPLYŇOVACÍ ZAŘÍZENÍ POWER PALLET, POZNATKY Z UGANDY

SMALL GASIFICATION UNIT POWER PALLET, NOTES FROM UGANDA

Jan MINÁŘ 1


17.listopadu 15/2172, 708 33Ostrava-Poruba, tel. (+420) 59 732 5722


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


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. 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.


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


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/


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

[email protected]

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


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


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,


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


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


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


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.


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.


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


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


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>.


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

[email protected]

2 Doc. Ing., VITKOVICE POWER ENGINNEERING a.s.


[email protected]

3 Ing., VITKOVICE POWER ENGINNEERING a.s.


[email protected]

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.


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.


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


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.


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


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


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


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


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.


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


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.


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.


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).


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


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):


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


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


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


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

http://agwobserver.wordpress.com/2009/09/25/papers-on-laboratory-measurements-of-co2-absorption-properties/

http://agwobserver.wordpress.com/2009/09/25/papers-on-laboratory-measurements-of-co2-absorption-properties/

http://www.eos.ubc.ca/~mjelline/website212/warm_wetmars.pdf


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








4 prof. Ing., CSc., ENET Center / Laboratory of bulk materials, VSB - Technical University of Ostrava



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


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


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.


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.


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.


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%.


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


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


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.


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


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


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,


[email protected]

2 Ing., VÍTKOVICE ÚAM a.s.,


jaroslav.konvič[email protected]

3 Ing. et Ing., VÍTKOVICE POWER ENGINEERING a.s,


[email protected]

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.


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


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.


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

http://www.espcinc.com/librery/150-300-400_MW_CAES_Brochure.pdf


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

[email protected]

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.


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


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.


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

[email protected]



[email protected]

3 prof. Ing., CSc., Faculty of Mechanical Engineering, Laboratory of Bulk Material, VŠB-TU Ostrava


[email protected]



[email protected]

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


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].


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].


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.


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


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



4 Ing., Ph.D., Centre ENET, Department of Energy, VŠB-Technical University of Ostrava



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


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


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


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.


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.)


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.


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.


122

MLÝNICE NA HNĚDÉ UHLÍ A ZKUŠENOSTI Z JEJÍHO PROVOZU

Zdeněk BADAN, Petr MATOUŠŮ, Stanislav VEJVODA


123


124

SUROVINY A PROSPERITA STÁTU

Pavel BARTOŠ


125


126


127

TECHNOLOGICKÁ AGENTURA ČR – ORGANIZACE NA PODPORU

APLIKOVANÉHO VÝZKUMU A VÝVOJE

Rut Bízková


128


129


130


131

ROLE ENERGETIKY V REGIONU S VYSOKÝM PRŮMYSLOVÝM

POTENCIÁLEM A VYSOKOU NEZAMĚSTNANOSTÍ

Jiří CIENCALA


132


133

PREZENTACE ČINNOSTI AKREDITOVANÉHO PRACOVIŠTĚ PRO

DIAGNOSTIKU A PROVOZ TEPELNĚ-ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ

Bohumír ČECH


134


135


136


137


138

PŘEDSTAVENÍ PROJEKTU OP VaVpI CENTRUM ENET

Tomáš ČERMÁK


139


140


141


142


143

ICT – INSTITUT ČISTÝCH TECHNOLOGIÍ TĚŽBY A UŽITÍ

ENERGETICKÝCH SUROVIN

Václav DOMBEK


144


145


146


147

SMART SYSTÉMY NEJEN PRO OSTRAVU

Libor HRDINA, František PETERKA


148


149


150


151


152

ROLE UHLÍ V ČESKÉ ENERGETICE

Tomáš HÜNER


153


154


155

EXPERIMENTÁLNÍ STUDIE:

VLIV POJIVA NA TOKOVÉ VLASTNOSTI SMĚSÍ A PROCES PELETIZACE

Lucie JEZERSKÁ


156


157

VÝSTAVBA ELEKTRÁRNY YUNUS EMRE 2X145 MWe TURECKO

Kamil KUČERA


158


159


160

PODPORA TRANSFERU INOVACÍ V ZEMĚDĚLSTVÍ, ZEMĚDĚLSKÝ

VÝZKUM, SPOL. S.R.O., PŘEDSTAVENÍ PRACOVIŠTĚ

Jan NEDĚLNÍK


161


162

IET – INSTITUT ENVIRONMENTÁLNÍCH TECHNOLOGIÍ

Lucie OBALOVÁ


163


164


165

INOVACE PRO EFEKTIVITU A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ – VÝZKUMNÉ

ENERGETICKÉ CENTRUM

Tadeáš OCHODEK


166


167


168

NEW INFRASTRUCTURES IN THE CZECH REPUBLIC - IT4INNOVATIONS

NATIONAL SUPERCOMPUTING CENTER

Martin PALKOVIČ


169


170


171

MOŽNOSTI VYUŽITÍ PYROLÝZNÍHO PROCESU V OBLASTI

ZPRACOVÁNÍ VYBRANÝCH DRUHŮ MATERIÁLŮ NA PYROLÝZNÍ JEDNOTCE

PYROMATIC

Veronika SASSMANOVÁ


172


173

ANALÝZA PLYNU

Zbyněk SKOTNICA


174


175


176


177

VÝVOJ ÚROVNĚ ZNEČIŠŤOVÁNÍ OVZDUŠÍ U VYBRANÝCH

SPALOVACÍCH ZDROJŮ V MORAVSKOSLEZSKÉM KRAJI

Radomír ŠTĚRBA


178


179


180

KONCEPCIA ENERGETICKÉHO ZHODNOTENIA BIOLOGICKÝCH

KOMUNÁLNYCH ODPADOV

Ľubomír ŠOOŠ


181


182


183

POLNÍ INSTRUMENTACE A AUTOMATIZOVANÝ SYSTÉM ŘÍZENÍ

BIOKOTLE KUTNÁ HORA

Jiří VALÍČEK, František PETERKA


184


185

VÝVOJ A VÝROBA ARMATUR PRO ENERGETICKÝ PRŮMYSL

Vladimír VAŠÍČEK


186


187


188


189

IEA-FBC – AND OTHER WASTE TO ENERGY RELATED TOPICS

Franz WINTER, Amon PURGAR


190


191


192

ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH MATERIÁLŮ POMOCÍ PYROLÝZY – ČIŠTĚNÍ

PLYNU POMOCÍ METYLESTERU

Petr ZAPLETAL


193

Date post:	20-Jan-2017
Category:	Documents
Upload:	phungdiep
View:	239 times
Download:	7 times

energetika a životní prostředí 2014 sborník přednášek konference

Documents