ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - Fakulta životního...

František KEPÁK

ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ (část skript)

Obsah

1. Základní pojmy z technické termodynamiky 1

2. Spalování paliv 12

3. Způsoby výroby tepla a elektrické energie, energetické stroje, koroze 25

5. Pomocné a odpadní látky ze spalovacích procesů 66

7. Jaderná energetika 92

8. Ochrana životního prostředí v jaderné energetice 103

Seznam literatury 127

Příklady 130

1

1. Základní pojmy z technické termodynamiky

1. 1 Druhy energie, přeměny energie, energetické stroje

1. 1. 1 Druhy energie V technice posuzujeme energii podle změny pohybu hmoty a podle chemického a fyzikálního stavu hmoty.

Podle druhu lze energii rozdělit:

mechanická energie - pohyb hmoty (kinetická energie), poloha hmoty (potenciální energie)

tepelná energie - tepelný pohyb molekul

chemická energie - chemická změna molekul látek

elektrická energie - pohyb elektronů

energie pole - změna elektrického, elektromagnetického, gravitačního pole

jaderná energie – štěpení nebo slučování atomových jader

Přímé využití zdrojů energie je možné jen v málo případech (tepelné záření slunce).

Energii určitého zdroje měníme na vhodnější formu pro její využití. Přeměnu energie a vztah mezi jednotlivými druhy energie lze schematicky znázornit v diagramu rovnostranného trojúhelníka (obr. 1. 1).

Obr. 1.1 Přeměny energie

Přeměna středem přes tepelnou energii je podřízena 2. zákonu termodynamiky. Účinnost přeměny tepelné energie v mechanickou práci je nižší než účinnost Carnotova tepelného oběhu.

2

Přeměny podél stran mohou mít teoreticky účinnost rovnou 1. Přímou přeměnu chemické energie v mechanickou nelze uskutečnit.

1. 1. 2 Energetická zařízení: technická zařízení k těžbě zdrojů energie, k výrobě, přenosu, rozvodu a spotřeby všech druhů energie. Nejdůležitější jsou stroje a zařízení, které mění:

1. přírodní formy energie na technicky využitelné (parní generátor,vodní motory),

2. jeden druh energie na jiný (elektrické generátory, elektromotory),

3. parametry toho samého druhu energie (transformátory, tepelné výměníky).

Energetické stroje mění primární a sekundární zdroje energie, mluvíme tedy o primárních a sekundárních strojích, které dělíme na generátory, hnací stroje a měniče parametrů.

Sekundární zdroje energie vznikají zpracováním těžených paliv: koks, brikety, topné oleje, topné plyny, uhelný prášek.

1. 1. 3 Přehled základních veličin a vztahů v technické termodynamice Termodynamika: zabývá se zákony, jimiž se řídí přeměna tepla v jiné formy energie, přede-vším v mechanickou práci

Technická termodynamika: je nauka o energiích, rozlišuje jednotlivé druhy energií, poznává jejich vzájemné souvislosti a meze možnosti jejich přeměn. Pojednává o přeměnách tepla na práci, např. o tepelných strojích a o přeměnách opačných v chladicích strojích.

Přeměna tepla na práci se realizuje tak, že teplo uvolněné spalováním paliva nebo jadernou reakcí se předá pracovní látce, jejíž pomocí se přeměna zprostředkuje.

Energie soustavy: Pro každou hmotnou soustavu existuje veličina (E), která závisí jen na okamžitém stavu oné soustavy a má tu vlastnost, že její pokles (vzrůst) způsobený přechodem soustavy ze stavu A do stavu B je roven součtu mechanické práce a ekvivalentních forem energie, které soustava při tom okolí úhrnem odevzdala (od okolí úhrnem přijala). Veličina E je energií soustavy.

Vnitřní energie U: úhrnný obsah energie látky nebo soustavy látek za definovaných podmínek, velikost vnitřní energie, která se může skládat z různých druhů energie, nelze absolutně stanovit, ze zákona o zachování energie lze určit změny vnitřní energie ∆U mezi stavy 1 a 2:

∆U = U2 - U1

∆U vyjadřuje součet energií přijímaných soustavou ve formě práce W a tepla Q:

∆U = W + Q nebo ∆u = w + q

Malými písmeny (např. w, q) se označují veličiny vztažené na jednotkovou hmotnost.

Vykonává-li soustava práci a/nebo uvolňuje teplo jsou uvedené veličiny záporné.

Vztah pro U (∆U) je matematickým výrazem 1. věty termodynamiky, která vyjadřuje princip zachování energie: energie izolované soustavy zůstává konstantní při všech dějích v ní probíhajících.

3

Přeměny různých forem energie, hlavně tepla na práci se řídí zákonem o zachování energie. Vztahy mezi teplem a prací se opírají o první a druhou termodynamickou větu.

Entalpie H: místo vnitřní energie U pro děje probíhající při konstantním tlaku se zavádí entalpie:

∆H = H2 - H1

Entalpie H je definována vztahem:

H = U + pV

Změna entalpie spojená s přechodem soustavy z jednoho stavu do druhého představuje množství tepla, které soustava vydává nebo přijímá za konstantního tlaku:

∆H = Q

Entropie

Kromě vnitřní energie U je funkcí stavu entropie S. Změna entropie vzniklá převedením látky z počátečního stavu o entropii s1 do jiného stavu o entropii s2, je nezávislá na cestě, kterou změna proběhla.

Pro vratné změny je entropie definována vztahem:

ds = dq/T

z čehož dq = Tds, T – teplota lázně, při které bylo teplo dq látce přivedeno nebo z látky odvedeno

Změna entropie při změně stavu mezi stavy 1 a 2 je dána integrálem:

s2 - s1 = ∫

2

1

T/dq

Označíme- li stav 1 nulovou hodnotou entropie (s1 = 0), je možné na základě tohoto vztahu určit pro veškeré změny stavu přírůstek nebo úbytek entropie. Rozměr měrné entropie je

J.kg-1.K-1.

Soustava, systém: oddělená část hmotného světa, kterou se z termodynamického hlediska zabýváme, nebo kterou si pro studium dějů definujeme.

Stav systému: charakterizujeme pomocí extenzivních a intenzivních veličin.

Extenzivní veličiny jsou závislé na množství látky (objem, teplo, energie, entalpie, entropie).

Intenzivní veličiny nejsou na množství látky závislé (čas, tlak, rychlost, teplota).

Termodynamické veličiny popisují stav systému. Uzavřený systém: přes jeho hranici přechází teplo a mechanická práce ne však látka, která má v systému stálé množství. Hranice uzavřeného systému se může zvětšovat nebo zmenšovat (např. plyn v uzavřeném válci pístového stroje při expanzi nebo kompresi).

Otevřený systém: přes jeho hranici přechází teplo, mechanická práce i látka. Hranice otevřeného systému je neměnná (např. tepelná turbina, kompresor, výměník tepla).

Homogenní soustava: obsahuje jednu fázi (např. kapalinu).

4

Heterogenní soustava: alespoň 2 fáze (např. tuhá fáze a kapalná fáze).

Vnější absolutní (jednorázová) práce Absolutní elementární práce - vykonaná např. expanzí plynu je dána:

dw = -p dV

kde p je tlak a V je objem

Pro absolutní práci w mezi stavy plynu 1 a 2 platí:

w = - ∫2

1

V

V

pdV

Tato práce je jednorázová. Za adiabatických podmínek (q = 0) se práce koná na úkor vnitřní energie U:

w = - ∫2

1

V

V

pdV = U2 - U1

Trvalou práci můžeme získat pomocí tepelného stroje - to je trvale pracujícího systému.

Technická práce

První větu termodynamickou lze vyjádřit ve tvaru:

dq = dh - vdp

Integrací této rovnice mezi stavy 1 a 2:

q1,2 = h

2 - h1 + ∫2

1

p

p

vdp

Integrál v tomto vztahu definuje technickou práci wt ideálního plynu:

wt = ∫2

1

p

p

vdp

Integrál má pro zápornou hodnotu (systém koná práci) kladné znaménko.

Zjednodušená energetická rovnice tepelného stroje (při zanedbání hodnot rozdílů kinetické a potenciální energie):

q + wt = ∆h

∆h = h1 – h2

5

h1 – entalpie látky přivedené do stroje, h2 – entalpie látky odvedené ze stroje, q – množství tepla dodaného z vnějšku

Jestliže se do pracovního prostoru stroje teplo nepřivádí ani neodvádí (q = 0, děj blízký poměrům v parní turbině), tak platí:

wt = ∆h

Při jednorázové expanzi plynu bez přívodu a odvodu tepla (expanze adiabatická) se koná práce na úkor vnitřní energie, při technické práci na úkor entalpie pracovní látky. Tepelný stroj - zařízení přeměňující teplo na mechanickou práci kruhovým dějem

(obr. 1. 2). Tepelné stroje představují otevřené systémy, do nichž je pracovní látka přiváděna periodicky (pístové stroje) nebo kontinuálně (proudové stroje) a po vykonání práce je ze stroje odváděna. Otevřené systémy na rozdíl od uzavřených konají trvalou práci, která se nazývá technická.

Obr. 1. 2 Schéma činnosti tepelného stroje

Kruhový děj - probíhá tehdy, vrátí-li se systém po vykonání různých stavových změn do počátečního stavu a další změny jsou periodické (obr. 1. 3 ).

6

Obr. 1. 3 Schéma zařízení kruhového děje

Princip práce tepelných strojů: Teplo se přivádí z teplejší lázně, část tepla se přemění na práci a zbytek přechází do chladnější lázně.

Přeměna tepla na práci probíhá za následujících podmínek: 1. K trvalé přeměně tepla v mechanickou energii je nutný tepelný stroj, v němž se uskutečňuje

kruhový děj.

2. Aby přeměna tepelné energie končila ziskem mechanické energie, musí teplo

přecházet z teplejšího tělesa na těleso chladnější. Musí být tedy k dispozici alespoň dva

zásobníky tepla odlišných teplot.

3. Jen část tepla z teplejšího zdroje koná práci, zbytek odevzdá pracovní látka jímači.

Tepelná účinnost každého tepelného stroje je vždy menší než jedna.

Tyto závěry zobecňuje druhá věta termodynamická: Není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by nic jiného nekonal, než odebíral teplému zásobníku teplo a konal rovnomocnou práci.

Příklad kruhového děje: 1 kg plynu jako pracovní látka je uzavřen ve válci. Při pohybu pístu doprava se přivádí pláštěm válce plynu teplo q1, jeho stav se mění podle křivky abc, teplota od T1 do T2. Při zpětném chodu pístu odvádí plyn teplo q2, jeho stav se mění podle křivky cda a vrací se do počátečního stavu. Systém prodělal cyklus. Na obr. 1. 4 je uveden kruhový děj v p-v dia-gramu.

Chod pístu doprava (abc), expanze q1 = u

2 - u1 - w1, kde u

2, u

1 jsou vnitřní energie 1 kg pracovní látky v bodech 2 a 1, w

1 je vykonaná práce při změně 1 - 2. Komprese plynu (cda), -q2 = u

1 - u2 + w

2 , kde w2 je práce spotřebovaná. Během cyklu přivedené teplo q = q

1 - q2 = w2 - w1 = w ; w

2 -

7

w1 = w (plocha abcda) představuje práci vykonanou během jednoho cyklu.

Termická účinnost ηt = q/q1 = (q

1 - q2)/q

1 = 1 - q2/q

1, kde q

1 je přivedené teplo a q2 je odvedené

teplo.

Obr. 1. 4 Kruhový děj v p-v diagramu

U skutečných strojů se po každém oběhu část pracovní látky odstraní a odnáší nevyužité teplo. To se pro následující oběh přivádí čerstvou pracovní látkou nebo se získá spálením paliva uvnitř válce.

Předchozí diagram p - v platí pro kruhový děj v libovolném stroji, např. parním.

Carnotův cyklus

Libovolným kruhovým dějem lze převést jen část tepla na mechanickou práci. Nejvyšší účinnost tohoto cyklu představuje Carnotův cyklus, který sestává ze 4 vratných změn. Účinnost tohoto cyklu závisí jen na absolutních teplotách (T

1, T

2 ) a je menší než 1. Tepelná účinnost s vyššími teplotami T

1 stoupá, zvyšování teploty omezuje však odolnost materiálu. Obr. 1. 5 představuje Carnotův cyklus v p-v diagramu.

Obr. 1. 5 Carnotův cyklus v p-v diagramu

1- 2 izotermická expanze, teplo q1 se přivádí 1 kg pracovní látky při teplotě T1.

8

2 - 3 adiabatická expanze. 3 - 4 izotermická komprese, teplo q2 se odvádí při teplotě T2 . 4 - 1

adiabatická komprese, termická účinnost ηt = (q1 - q2

)/q1 = q/q

1 = (T1 - T2

)/T1 = 1 - T

2/T

1

Carnotův cyklus lze také zobrazit v tepelném T - s diagramu obdélníkem 1234 (obr. 1. 6).

Obr. 1. 6 : Carnotův cyklus v T-s diagramu.

V diagramu značí: 1 - 2 izotermní expanzi, při níž se přivádí teplo úměrné ploše 12 ‘1‘1 ,

2 - 3 adiabatickou expanzi, při níž klesne teplota z T1 na T

2, 3 - 4 izotermní kompresi, při níž

se odvede teplo 32‘1‘4, 4 - 1 adiabatickou kompresi, při níž stoupne teplota z T2 na T

1.

Obrácený Carnotův cyklus představuje chladicí stroj (obr. 1. 7)

Obr. 1. 7 Schéma činnosti chladícího stroje.

Na obr. 1. 8 je uveden obrácený Carnotův cyklus v T-v diagramu

9

Obr. 1. 8: Obrácený Carnotův cyklus v T-v diagramu.

1 - 4 adiabatická expanze, teplota klesne z T1 na T

2 . 4 - 3 izotermická expanze, plyn získá teplo q

2 z chladnějšího zásobníku, který má teplotu T2 . 3 - 2 adiabatická komprese, teplota vzroste

z T2 na T

1 . 2 - 1 izotermní komprese, plyn odevzdá teplo q

1 zásobníku o teplotě T1.

Vynaložením práce w (mechanická práce vynaložená z vnějšku na kompresi) se získalo teplo q1

o vyšší teplotě (q1 = q

2 + w).

Topný faktor ε této přeměny je dán poměrem:

ε = q1/w = q1/ (q1 - q2) = 1/ηt = T1/ (T1 - T2)

Termokomprese (přečerpávání tepla) Carnotův cyklus v opačném smyslu se používá také k vytápění, účinnost je tím vyšší, čím je menší rozdíl teplot. Teplo zdroje o nízké teplotě (brýdové páry, voda v řece) lze převést na systém s vyšší teplotou dodáním mechanické práce. Tento pochod se v technické literatuře nazývá termokomprese (přečerpávání tepla) a zařízení se nazývají termokompresory, tepelná čerpadla.

Tepelné diagramy - závislost teploty T a entropie s 1 kg látky pro sledování tepelných oběhů. Přivedené nebo odvedené teplo při určité změně je dáno plochou pod křivkou změny (obr. 1 9).

dq = Tds

q= ∫2

1

s

s

Tds

10

Obr. 1. 9 Změna stavu v T-s diagramu

Při každém vratném cyklu se celková hodnota entropie systému + entropie okolí nemění.

Porovnávací cykly

Carnotův cyklus představuje ideální vratný kruhový proces. Je kriteriem pro porovnávání účinnosti cyklů. Carnotovu cyklu se může přiblížit jen velmi pomalu probíhající děj, který pro technickou praxi nemá význam. Cykly, které se uskutečňují v technických tepelných strojích, jsou nevratné a nejsou uzavřené, protože látka s níž pracují (pára, spálená směs) je vypuzována ven.

Zařízení pro parní oběh - oběh Clausius-Rankinův

Pracovní stroj tvoří parní turbina, která pohání elektrický generátor. Realizuje se cyklus přeměny tepla na mechanickou práci a elektrickou energii. Nasycená pára, vzniklá v parním kotli adiabaticky expanduje v pracovním stroji a v kondenzátoru dochází k její kondenzaci. Voda se čerpá do kotle napáječkou. Vznikl tak nový oběh, snížila se termická účinnost. Tento oběh se nazývá oběhem Clausiovým-Rankinovým. Jeho pracovní látkou je voda, případně pára. Místo kompresoru se používá napáječky.

Termická účinnost ηt tohoto cyklu je

ηt = (q1 - q2 ) / q1

q1 - přivedené teplo, q2 - odvedené teplo

Termická účinnost bude tím vyšší, čím vyšší budou parametry vstupní páry (teplota, tlak) a čím nižší bude tlak a teplota páry vystupující z turbiny. V praxi se pohybuje v rozmezí 0,36 - 0,40. Termickou účinnost lze zvýšit regeneračním ohřevem vody před vstupem do kotle a přihříváním páry po částečné expanzi ve vysokotlaké části turbiny.

Zařízení pro parní oběh tvoří: 1. kotel, 2. pracovní stroj (parní stroj, turbina), 3. kondenzátor, 4. kompresní stroj, čerpadlo (obr. 1. 10).

Pracovní stroj může pracovat s výfukem, okolí přejímá funkci kondenzátoru.

V tepelných strojích se mění teplo v mechanickou práci pomocí pracovní látky (páry, plynu), která je nositelkou tepelné energie.

Pracovní látce je teplo dodáváno buď mimo tepelný stroj (výroba páry v parním kotli) nebo přímo uvnitř stroje spalováním vhodného paliva (spalovací motory).

11

V pístových strojích působí tlak pracovní látky na pohyblivý píst, přetlakem na jedné straně se uvede píst do pohybu, koná práci.

U rotačních tepelných strojů se mění tepelná energie v kinetickou energii plynu. Kinetická a objemová energie proudícího plynu se přivede do oběžných kol turbiny, způsobí jejich otáčení, tím se koná práce.

Obr. 1. 10 Schéma zařízení pro parní oběh

Exergie

Od množství energie, kterou máme v energetickém zdroji k disposici rozlišuje tu část, kterou lze přeměnit např. na mechanickou práci. Tato část energie se nazývá exergie neboli pracovně technická energie (e). Využitelná tepelná energie závisí na termodynamickém stavu látky a na dané teplotě okolí. Mění se tedy u téže látky s jejím termodynamickým stavem a se stavem okolí.

12

2. Spalování paliv Spalování paliv je chemický pochod, při kterém vyrábíme z paliva teplo. Chemicky vázaná energie v palivu se mění v tepelnou. Pracovními látkami spalovacího procesu jsou:

1. palivo

2. oxidovadlo - látka, obsahující kyslík, v technické praxi atmosférický vzduch

3. produkty spalovacího procesu - plynné spaliny a tuhá nebo kapalná struska

Aby došlo ke spalování, musí být zajištěna dostatečně vysoká teplota.

Spalování je dáno exotermickými reakcemi:

C + O2 → CO2 + 33 910 kJ kg-1

H2 + l/2 O2 → H2O + 150 580 kJ kg-1

S + O2 → SO2 + 10 470 kJ kg-1

Tepla na pravé straně jsou výhřevnosti.

Hoření – prudká oxidace, která po zavedení probíhá samovolně a je provázena vývojem tepla a světelným efektem.

Spalování - oxidace látek až na konečné zplodiny reakce s maximálním uvolněním tepla.

Celková doba hoření paliva je dána dobou míšení paliva a oxidovadla a dobou vlastní chemické reakce.

Spalovací zařízení V širším smyslu sestává z vlastního spalovacího zařízení, tj. ohniště s roštem nebo s hořáky a pomocného zařízení, tj. vzduchové a sací ventilátory, ohříváky vzduchu, zařízení pro přípravu paliva (např. mlýny), odškvárovaní, atd.

Ohniště dělíme podle druhu paliva:

a) pro tuhá paliva (uhlí,koks, tuhé odpady)

b) pro kapalná paliva (topná nafta, topný olej, kapalný odpad)

c) pro plynná paliva (svítiplyn, zemní plyn, vysokopecní plyn)

Hlavní úkoly spalovacího zařízení:

zajistit správné rozdělení přivedeného paliva, aby rychle a dokonale vyhořelo

přivést spalovací vzduch v optimálním přebytku

spalovat palivo proměnných vlastností bez podstatnějšího poklesu účinnosti spalování

zajistit stabilitu hoření v celém výkonovém rozsahu zařízení

umožnit jednoduchou ale účinnou regulaci výkonu v širokém rozmezí

docílit spalování bez rušivých vlivů ( nánosy, koroze)

zaujímat co nejmenší objem a půdorys při malé hmotnosti a malých pořizovacích nákladech

13

přizpůsobit se tvarem a rozměry požadavkům příslušné technologie.

2.1 Ohniště pro tuhá paliva Ohniště na tuhá paliva dělíme podle způsobu spalování na:

roštová (ve vrstvě)

prášková (v letu)

cyklonová

fluidní (v kypící vrstvě)

Prášková ohniště jsou podle způsobu odvodu popele granulační nebo výtavná.

Roštová ohniště

Rošty jsou vybaveny kotle od nejmenších výkonů až asi do 50 tun páry hodinově (výjimečně 100 t/h).

Rošty: pevné (rovinné a šikmé čili stupňové), mechanické (řetězové a pásové, přesuvné, strmosuvné). Obr. 2.1 a 2.2.

Obr. 2.1 Pevný rošt s ručním přikádáním

1 - roštnice, 2 - přední stěna s dvířky, 3 - jízek, 4 - ohniště, 5 - dvířka popelníku

14

Obr. 2.2 Rošt pásový

Na pevném roštu se palivo nepohybuje, na mechanickém roštu je unášeno na pásu.

Uhlí je na roštu ve vrstvě určité tloušťky, která je nehybná nebo je prohrabávána. Touto vrstvou proudí spalovací vzduch, rošt musí umožnit rovnoměrné rozdělení vzduchu, aby palivo dokonale vyhořelo.

Na roštu zůstávají tuhé zbytky spáleného paliva, u mechanických roštů se transportují do škvárové výsypky.

Hlavní součásti roštu: nosná konstrukce, roštnice, případně jízek, u mechanických roštů násypka, vrstevník, pohybové ústrojí.

Palivo prochází na roštu několika fázemi:

sušení, uhlí se ohřívá na teplotu do 120oC, odchází povrchová a hygroskopická voda

odplyňování, probíhá nad 250oC

hoření prchavé hořlaviny a zápal vrstvy tuhé hořlaviny

dohořívání tuhé fáze a postupné chladnutí tuhých zbytků

Fáze zápalu paliva:

zápal spodní - od vrstvy již hořícího paliva nebo přívodem horkého vzduchu pod rošt

zápal vrchní - přívodem tepla do vrstvy od sálajících plamenů, sáláním obezdívky

kombinovaný

Spalování na pásovém roštu

Vrstva paliva se postupně snižuje. V přední polovině roštu je vzduchu nedostatek, protože vysoká vrstva paliva (150-250 mm) klade odpor, který se s prohoříváním a snižováním vrstvy zmenšuje. Proudění vzduchu dosahuje maxima na konci roštu, kde je přebytek vzduchu (obr. 2.3).

Základní části roštového ohniště: spalovací prostor omezený stěnami, přední a zadní klenbou, rošt s palivovou násypkou a palivovým hradítkem, škvárový jízek, škvárová výsypka a zařízení pro přívod a regulaci vzduchu.

15

Obr. 2.3 Průběh spalování na pásovém roštu

Odstraňování strusky z roštových ohnišť

ruční, škvára přepadá s konce roštu do popelové jímky, odkud se vyváží vozíky

mechanické, mají velké kotlové jednotky, používá se odstruskovače řetězového, hydraulického odstruskování nebo ejektorového zařízení

Spalování na roštech se nazývá filtrační (obdoba filtrace kapalin zrnitou vrstvou)

Prášková ohniště

Vznikla po roce 1920 s rozmachem elektrárenství, rošty nedávaly dostatečný výkon pro velké parní kotle. Práškové ohniště není co do výkonu omezeno, spaluje paliva s obsahem popela vyšším než 55 % a s vyšší účinností než ohniště roštová. Na roštech lze spalovat uhlí s obsahem popela 30-40 %.V práškových ohništích probíhá spalování uhlí v letu, spaluje se jemně umletý prášek, který se přivádí tryskami hořáků spolu se vzduchem do prostoru ohniště. Uhelný prášek se dopravuje ze mlýnů pneumaticky.

Spalování uhelného prášku je heterogenní chemická reakce, závisí na velikosti měrného povrchu, který je u prášku více než 200 krát větší než u tříděného paliva.

Palivo se drtí a mele. Před mletím nebo během mletí se suší horkým vzduchem nebo spalinami. Používají se trubnaté (kulové) mlýny, tlukadlové mlýny, ventilátorové mlýny.

Hořáky - musí zaručit rychlé a dokonalé spálení prášku. Do hořáku se přivádí směs prášku s primárním vzduchem. Sekundární vzduch se přivádí rovněž hořákem, ale promíšení nastane až v ohništi.

Hořák: a) vířivý, turbulentní kruhový (čelní), b) hubicový hořák. Na obr. 2.4 je znázorněn kruhový hořák.

Jsou dvě konstrukční varianty práškových ohnišť: granulační a výtavná.

16

Obr 2.4 Kruhový hořák

1 - prášek s primárním vzduchem, 2 – sekundární vzduch

Granulační ohniště

U granulačních ohnišť vyhovuje nejnižší teplota plamene, která zajišťuje ještě stabilní vzněcování a dostatečně rychlý průběh hoření. Granulační ohniště jsou vhodná pro spalování méně hodnotných paliv, u nichž vysoký obsah vody snižuje spalovací teplotu. Podmínkou bezporuchového provozu je udržení teplot na nižší úrovni, v jádru plamene nebývají vyšší než 1000 - 1500

oC, zvýšení teploty může mít za následek nalepování změklé strusky na stěny

ohniště. Granulační ohniště mají ve spodní části vychlazené komory granulační rošt, tj. řídkou soustavu málo nakloněných varných trubek, o kterou se kapky roztavené strusky ochladí.

Výtavná ohniště

Ve výtavných ohništích se spaluje palivo při vyšších teplotách, popeloviny se roztaví a odstraňují se z ohniště v tekutém stavu.Výtavná ohniště jsou dvouprostorová se stropními hořáky (oddělený výtavný a ochlazovací prostor) nebo jednoprostorová s rohovými hořáky. Výtavná ohniště dvouprostorová jsou uvedena na obr. 2.5. Pro výtavná ohniště se používá hubicový hořák rohový, (obr. 2. 6). Hořák neprovádí mísení primární směsi (prášek s primárním vzduchem) se sekundárním vzduchem, to probíhá ve víru ve středu ohniště.

U práškových ohnišť je nevýhodou vysoký úlet paliva.

17

Obr. 2.5 Výtavná ohniště dvouprostorová

a – ohniště ve tvaru U (USA), b – ohniště ve tvaru U (ČR), c – ohniště ve tvaru U s nižším stropem (až 70% popela se zachytí)

Obr. 2.6 Rohový hořák

Cyklónová ohniště

Odlišnost cyklónového ohniště od práškového:

palivo spalované v cyklónovém ohništi se nemele tak jemně jako pro prášková ohniště,

výstupní rychlost sekundárního vzduchu z trysek je třikrát až pětkrát vyšší než u práškových hořáků. Velká kinetická energie sekundárního vzduchu vyvolá silné víření v celém prostoru ohniště

velké relativní rychlosti mezi částečkami paliva a vzduchem a velké rychlostní gradienty v celém prostoru cyklónového ohniště umožňují intenzivní spalování i při malém přebytku vzduchu

18

tvar cyklónového ohniště a jeho stěny pokryté roztavenou struskou umožňují zachytit velké množství popela. Ve výtavném prostoru cyklónového ohniště je možné zachytit až 95 % všeho popela ve formě roztavené strusky.

Schéma horizontálního cyklónového ohniště je na následujícím obrázku:

Obr. 2.7 Schema horizontálnío cyklonového ohniště

1 - vstup paliva s primárním spalovacím vzduchem, 2 - vstup sekundárního spalovacího vzduchu, 3 - směr pohybu spalin v ohništi, 4 - výstupní otvor s „límcem“ spalin,

5 - vstup terciárního spal. vzduchu, 6 - výtokový otvor pro strusku

Fluidní ohniště

Ve fluidním ohništi se spaluje drcené palivo v kypící vrstvě, částečky paliva a popílku jsou nadnášeny proudem vzduchu a spalin, které proudí svisle vzhůru. Aby mohla nastat rovnováha tíhy a aerodynamického odporu pro částice různé velikosti, snižuje se postupně rychlost spalin zvětšováním průtočného průřezu ohniště, ohniště má nálevkovitý tvar. Palivo se rozvrství podle velikosti do různých výšek, větší částice se spalují ve spodní zúžené části, menší zrna v rozšířené části ohniště. Spalování ve vznosu je charakterizováno velkým hmotovým a tepelným přenosem uvnitř vrstvy, dlouhou dobou pobytu větších částic ve vrstvě (obr. 2.8).

Na trubkách výhřevných ploch nevznikají nánosy, lze spalovat méně hodnotná paliva, dávkuje-li se do fluidní vrstvy vápenec, omezí se tvorba oxidů síry.

Srovnání účinnosti kotle s odlišnými ohništi a rošty je na obr. 2. 9.

Tah

Aby palivo mohlo dokonale shořet, musí být zajištěn přívod vzduchu a odvod spalin. Tuto činnost vykonává tah, který může být přirozený nebo umělý. Přirozený tah je dán vztlakem horkých spalin, umělý ventilátorem nebo ejektorem.

19

Obr. 2.8 Fluidní pec na spalování odpadů

1 - přívod odpadu, 2 – odvod spalin, 3 – přívod primárního vzduchu, 4 – přívod sekundárního vzduchu

Obr. 2.9 Porovnání účinnosti kotlů

1 - výtavná ohniště, 2 - granulační ohniště, 3 - mechanické rošty, 4 - posuvné rošty

2. 2 Ohniště na kapalná paliva Předností kapalných paliv je jejich vysoká výhřevnost, snadnost těžby, dopravy a skladování. Spalovací zařízení má vyšší účinnost. Odpadá ztráta tepla struskou, obsah popelovin je nepatrný, odpadají odlučovače popílku.

20

Kapalná paliva musí být před spálením rozptýlena na jemné částečky, případně převedena na páry, které se smísí se vzduchem a ve velmi krátké době shoří.

Kapalnými palivy jsou topné oleje ropné, dehtové, tj. oleje podřadné.

Kapalná paliva se připravují ke spálení v tzv. olejovém hospodářství, ve kterém se palivo skladuje, zbavuje mechanických nečistot filtrací a ohřívá.

Schéma zařízení na spalování kapalných paliv je na obr. 2. 10.

Obr. 2. 10: Schéma zařízení na spalování kapalných paliv

1 - zásobník, 2 - větrník, 3 - ohřívák, 4 - filtr, 5 - hořák, 6 - tvárnice (silimanit)

Hořáky na kapalná paliva

Kapalná paliva musí být před spálením rozptýlena na jemné částečky, případně převedena na páry, které se smísí se vzduchem a ve velmi krátké době shoří.

K rozptylování paliva se používá hořáků. Hořák je zařízení,v němž se palivo rozprašuje, vypařuje se v části ohřívané sáláním z ohniště, mísí se se vzduchem a vstupuje do ohniště, kde shoří.

K rozprašování paliva se používá sytá nebo mírně přehřátá pára, případně tlakový vzduch.

Hořáky jsou na nízký tlak vzduchu nebo vodní páry (0.002-0.01 MPa), na vyšší tlak vzduchu nebo vodní páry (0.2-0.8 MPa) nebo tlakové (0.8-2 MPa). Obr. 2. 11 - 2. 14 a, b. Nízkotlaký hořák je pro řídká paliva, vzduch se stlačuje ventilátorem, olej přitéká samospádem. Hořák pro vyšší tlak je pro viskosní paliva (asfalty, smoly). U tlakových hořáků odpadá zařízení a vedení pro páru nebo stlačený vzduch, rozprášení oleje se děje expanzí.

21

Obr 2.11 Nízkotlaký hořák

Obr. 2. 12: Hořák na vyšší tlak

Obr. 2. 13: Tlakový hořák

22

Obr. 2. 14 a, b Tlakové hořáky

2. 3 Ohniště pro plynná paliva Topné plyny jsou ideálním palivem pro parní kotle. Doprava plynů je jednoduchá, levná, plyn není nutné před spalováním upravovat. Úpravy se provádějí v místě těžby. Plynná paliva se snadno mísí se vzduchem, spalují se s velmi nízkým přebytkem vzduchu.

Používané plyny: svítiplyn, vysokopecní plyn, generátorový plyn, vodní plyn a zemní plyn.

Hořáky na plynná paliva

Zařízení pro spalování plynu jsou hořáky. Směšují plyn s potřebným množstvím vzduchu, aby plyn shořel plamenem požadovaných vlastností (délka, svítivost, teplota, oxidační, redukční).

Hořáky se dělí na 2 skupiny: a) s plamenem svítivým b) s plamenem nesvítivým.

Hořáky s plamenem svítivým se používají v pecích, plyn a vzduch se do nich přivádí téměř paralelními kanály, vyústěnými vedle sebe nebo nad sebou. Hořáky s plamenem svítivým představují obr. 2. 15. - 2. 17. Křížením vzduchu a plynu (obr. 2. 17) se plamen zkracuje a zvyšuje se jeho teplota.

Obr. 2. 15 Paralelní hořák

1 - přívod topného plynu, 2 - přívod předehřátého vzduchu

23

Obr. 2. 16 Kovový hořák

Obr. 2. 17 Křížení proudu plynu a vzduchu

Hořáky s plamenem nesvítivým jsou nízkotlaké (atmosférické), tlakové a pro povrchové spalování.

Nízkotlaké jsou znázorněny na obr. 2. 18 a 2. 19, hořáky se stlačeným plynem na obr. 2. 20 a, b, c, hořák se stlačeným vzduchem na obr. 2. 21.

Obr. 2. 18 Bunsenův hořák

24

Obr. 2. 19 Hořák typu Mecker

Obr. 2. 20 a, b, c Hořáky se stlačeným plynem

Obr. 2. 21 Hořáky se stlačeným vzduchem

25

3. Způsoby výroby tepla a elektrické energie, energetické stroje, koroze

3. 1 Pára v parních generátorech Ve varném systému kotle dochází k vypařování vody, v bubnových kotlích se vznikající pára odděluje od vody a vede se do přehříváků páry. V bubnových kotlích dochází k zahušťování solí ve vodě, je nutný odkal (přetržitý), odluh (nepřetržitý).

Rozpuštěné látky v kotelní vodě jsou hlavně v iontové formě, se stoupající koncentrací solí se zvyšuje náchylnost kotelní vody k pěnění, zvláště za přítomnosti OH

- a PO43-

. Pro každou konstrukci bubnového kotle a kvalitu napájecí vody existuje kritická solnost, při jejím překročení začíná voda pěnit.

Při nedostatečné úpravě napájecí vody dochází k tvorbě nánosů kotelního kamene, jsou to málo rozpustné soli Ca

2+, Mg

2+ jako jsou sírany, uhličitany, křemičitany. Usazují se na stěnách trubek, zhoršují přestup tepla stěnou, která se může přehřát, deformovat, roztrhnout.

Pro vysokotlaké kotle se voda upravuje demineralizací, nánosy nerozpustných solí se tvoří zřídka, dochází k tvorbě nánosů z korozních produktů.

3. 1. 1 Technicky čistá pára Pára má dosáhnout takové čistoty, aby nedocházelo k usazování solí v přehřívácích páry (poruchy z přehřátí stěn trubek) a v parní turbině ( snížení výkonu soustrojí). Pára, která nezpůsobuje nánosy je technicky čistá pára.

3. 1. 2 Dělení směsi páry a vody Směs vody a páry se v bubnu kotle dělí, vzniká vrstva se vzrůstajícím obsahem páry, která je v horní části ohraničena pásmem parních bublin. Obalové blány bublin praskají, rozpadají se na vodní tříšť, její částečky jsou vymršťovány do parního prostoru bubnu (obr. 3. 1 a, 3. 1 b).

Obr. 3. 1 a, b: Výška parního prostoru a) za studena, b) za provozu

Pro dělení směsi je důležitá dostatečná výška parního prostoru, má být vyšší než dolet vodní tříště.Za výšku parního prostoru se považuje výška nad normálním vodorysem, který je

26

za studena vyznačen na vodoznaku. Vodoznak však neukazuje skutečnou výšku parního prostoru za provozu, neboť je rozdíl měrné hmotnosti vody ve vodoznaku a směsi vody a páry v bubnu. Výška parního prostoru se může snížit natolik, že není unášena jen vlhkost ale i vodní tříšť. Dochází k přestřiku. Pára se může znečistit přestřikem kotelní vody, která obsahuje až o několik řádů vyšší koncentrace solí, než je limitní koncentrace solí v páře. Proto je nutné páru na výstupu z bubnu co nedokonaleji zbavit zbytků kotelní vody. Kotle se opatřují vestavbami, aby nedocházelo k přestřiku (vnitřní cyklony, kluzné plechy).

3. 1. 3 Příměsi ve vodní páře Rozpustnost příměsí v přehřáté páře

V přehřáté páře se rozpouštějí jak přírodní příměsi tak i korozní produkty. Rozpustnost v páře je menší než ve vodě, to souvisí s nižší měrnou hmotností páry.Při konstantní teplotě je rozpustnost látek (cp, mol/kg) v přehřáté páře závislá na měrné hmotnosti páry ρ:

cp = Kc. ρ m

m - koordinační číslo dané látky, tj. průměrné množství molekul vody obklopujících částici rozpuštěné látky,

Kc - konstanta, je funkcí teploty a chemických vlastností rozpuštěné látky, stanoví se experimentálně.

Iontově nedisociované látky ve vodě (oxidy kovů) mají v páře vyšší rozpustnost než látky disociované (soli).

Velký význam má chování příměsí v páře o nadkritických parametrech při průchodu turbinou. V turbinách nadkritických parametrů je pára od cca 24,0 MPa do několika kPa. Při vysokých tlacích je rozpustnost látek v páře vysoká, ale při poklesu tlaku klesá a soli vypadávají jako pevná fáze.

Oxid železitý a oxid křemičitý tvoří v turbině obtížně odstranitelné nánosy.

3. 1. 4 Rozdělení příměsí mezi vroucí vodu a sytou páru Při podkritických tlacích přecházejí příměsi do syté páry 2 způsoby:

únos kapek vlhkosti obsahujících příměsi se sytou parou, hydrodynamický proces

rozpouštění příměsí ve vznikající páře, fyzikálně-chemický proces .

Před počátkem tvorby páry jsou všechny látky rozpuštěny ve vodě, v parovodní směsi se látky rozdělí mezi vodu a páru, poměr rovnovážných koncentrací v páře a ve vodě se nazývá koeficient rozdělení Kr. Čím je větší měrná hmotnost prostředí, tím větší je v něm rozpustnost příměsí. Koeficient Kr je funkcí poměru měrných hmotností páry a vody: Kr = ( ρp/ρv)n

= cp/cv ,

kde n je koordinační číslo, které závisí na vlastnostech rozpuštěné látky ρp - měrná hmotnost páry, ρv - měrná hmotnost vody , cp – rovnovážná koncentrace příměsí v páře, cv – rovnovážná koncentrace příměsí ve vodě.

27

3. 2. Parní kotle

3. 2. 1 Typy parních kotlů a hlavní části parního kotle Parní kotel je zařízení pro výrobu tlakové páry.

Kotle elektrárenské, teplárenské, průmyslové, kotle pro vytápění, na odpadní teplo, pro dopravní účely.

Horkovodní kotel-analogický kotli pro dodávku syté páry, teplosměnná plocha slouží jako ohřívák vody.

Kotle pro energetické závody mají výkon v rozsahu od několika tun do několika tisíc tun páry za hodinu.

Elektrárenské kotle dodávají páru o tlaku až 35 MPa a teplotě do 600 oC.

2 hlavní části kotle: spalovací zařízení a parní generátor.

Spalovací zařízení sestává z ohniště, kde se spaluje palivo ve vrstvě nebo v prostoru (obr. 3. 2)

Obr. 3. 2: Schéma kotle s pásovým roštem

1 - ohniště kotle, 2 - pásový rošt, 3 - násypka, 4 - hradítko, 5 - škvárový jízek, 6 - přední klenba, 7 - zadní klenba

a z pomocného zařízení tj. zařízení pro přípravu paliva ke spalování, ohřívák vzduchu, ventilátory, zařízení k odstraňování tuhých produktů spalování. Obecné schéma palivového hospodářství je na obr. 3. 3.

28

Obr. 3. 3: Obecné schéma uhelného palivového hospodářství

1 - vlečka (přísun paliva), 2 - váha, 3 - přijímací (vykládací) zařízení, 4 - dopravní zařízení, 5 - překládací stanice, 6 - drtící stanice, 7 - skládka,

8 - automatická pásová váha, 9 - zásobníky paliva v kotelně

Parní generátor - část kotle, kde se z vody vyrábí pára, sestává z ohříváku vody, výparníku a přehříváku páry.

Ohřívák vzduchu - část spalovacího zařízení sloužící k ohřátí spalovacího vzduchu na potřebnou teplotu.

Z hlediska přenosu tepelné energie lze kotel definovat jako soustavu výměníků tepla, v nichž se předává tepelná energie plamene a spalin pracovní látce a vzduchu.

Výlučně používanou pracovní látkou je upravená voda.

Uspořádání hlavních částí parního kotle podle umístění v proudu spalin je na obr. 3. 4.

Obr. 3. 4: Uspořádání hlavních částí kotle podle umístění v proudu spalin

29

3. 2. 2 Rozdělení parních kotlů

1. Podle konstrukce:

kotle plamencové

kotle žárotrubné a kombinované

kotle vodotrubné

2. podle spalovacího zařízení:

kotle roštové

kotle práškové (s granulační nebo s tavnou komorou)

kotle fluidní

3. Podle paliva

tuhé

kapalné

plynné

4. Podle tlaku vyráběné páry

kotle s podkritickým tlakem: nízkotlaké do 1,6 MPa, středotlaké 1,6-5 MPa, vysokotlaké 5-13 MPa, velmi vysokotlaké 13-22,5 MPa

kotle s nadkritickým tlakem: nad 22,5 MPa.

5. Podle vodního obsahu

s velkým obsahem vody (plamencový, žárotrubný)

s malým obsahem vody (strmotrubný, průtočný)

6. Kotle speciální: kotle na odpadní teplo, kotle s nepřímou výrobou páry aj.

3. 2. 3 Charakteristické hodnoty parních kotlů přetlak, pohybuje se v rozmezí 0,15-17,8 MPa (u dnešních zařízení)

přehřátí páry, do cca 600 oC

výkon ( hmotnostní průtok páry na výstupu z kotle, t/h) až 1000 t páry/h

průměrné zatížení výhřevné plochy, kW m-2

, u moderních kotlů 100- 230 kW m-2

, v sálavé části ohniště 350-465 kW m

-2

poměr vodního obsahu k hodinovému výkonu (výroba páry za 1 h):

staré kotle 7 - 14,

vodotrubné kotle na střední výkony 1-2, kotle na velké výkony 0,5-0,2

30

měrné zatížení ohniště, roštová vyvinou 0,2-0,5 MW m-3

, prášková až 0,6 MW m-3

, vírová až 6 MW m

-3.

3. 2. 4 Základní typy parních kotlů

Kotle s velkým vodním obsahem

válcový kotel, nýtovaný buben velkého průměru (do 2,5 m), délky (až 10 m). Kotel výráběl sytou páru, odváděnou z parního dómu. Kotel byl opatřen manometrem, vodoznakem a pojišťovacím ventilem, na spodu v zadní části bubnu byl bahník, kterým se kotel odkaloval. Kotel měl průlez k čištění. Výhřevná plocha malá, cca 33 m

2. Napájen neupravenou vodou

(obr. 3. 5)

plamencový kotel, má větší výhřevnou plochu při stejném průměru bubnu než válcový kotel, plamenec je vlnitá trouba, uložená ve vodním prostoru kotle, roštové ohniště je uvnitř plamence, spaliny procházejí plamencem, zvětšení výhřevné plochy (až 150 m2) se dosáhne dvěma plamenci vedle sebe a příčnými trubkami v plamenci, plamencové kotle jsou ještě v provozu tam, kde je potřeba páry nárazová, napájecí voda se většinou neupravuje, kotle se čistí (obr. 3. 6, 3. 7 a, b ).

kotel žárotrubný je válcový kotel, do jeho vodního prostoru jsou umístěny bezešvé trubky, kterými proudí spaliny, výhřevná plocha 3 krát větší než u kotle plamencového (až 600 m

2),

napájecí voda je změkčená.

kotle kombinované, vznikly spojením kotle plamencového a žárotrubného, výhřevná plocha až 750 m2 (obr. 3. 8).

Obr. 3. 5 Válcový kotel

1 - buben, 2 - vodní prostor, 3 - parní prostor, 4 - parní sběrač, 5 - odkal, 6 - odběr páry, 7 - vodoznak, 8 - pojistný ventil, 9 - manometr, 10 - odkalovací ventil, 11 - sběrač kalu (bahník),

12 - napáječka, 13 - napájecí hlava, 14 - rošt, 15 - popelník, 16 - ohniště, 17 - jízek, 18 - spalinový kanál, 19 - spalinový průtah, 20 - regulace tahuh (klapka nebo šoupátko)

31

Obr. 3. 6: Kotel plamencový

Obr. 3. 7 a, b: Kotel plamencový a) příčné trubky, b) dva plamence

Obr. 3. 8: Plamencový kotel se žárovými trubkami - kombinovaný kotel

32

Charakteristika kotlů této skupiny

Vodní obsah je několikanásobek (7-14) hodinového parního výkonu, mohou být nárazově zatěžovány, vodní obsah působí jako parní akumulátor, při poklesu tlaku se uvolní velké množství páry, výkon je omezen průměrem a délkou bubnu, přehřátí páry pokud se provádí je nízké do 300 oC, topení ruční s mechanickými nahazovači i mechanické, napájecí voda pro válcové kotle většinou bez úpravy, pro plamencové, trubkové změkčená, odkalování přetržité, obsah solí v kotelní vodě může být vysoký až 10 g/l, na čistotu páry nejsou požadavky.

Kotle s malým vodním obsahem

Pro výkony vyšší než 6 t páry/h, jak rostly požadavky pro energetiku, vznikly kotle vodotrubné, výhřevná plocha je tvořena varnými trubkami (topené zevně spalinami), v nichž obíhá kotelní voda a vzniká pára, buben není vytápěn, slouží k dělení vody a páry. Spaliny předávají teplo sáláním, zčásti prouděním. Napájecí voda musí být upravována.

Jedná se o následující kotle:

kotle s přirozeným oběhem vody (kotle se šikmými trubkami, kotle se strmými trubkami)

kotle s nuceným oběhem vody (La Mont)

kotle průtočné (Benson, Sulzer)

Kotle strmotrubné

Tyto kotle se vyznačují tím, že se skládají z několika bubnů vzájemně propojených varnými trubkami. Původně to byly trubky rovné, nyní se používají trubky ohnuté , radiálně zaústěné do bubnů kotle. Počet bubnů se postupně snižoval, nyní se používají dva nebo jeden, ke spojování trubek na stěně se používá zavodňovacích a sběracích komor.

Strmé trubky zlepšily oběh vody v kotli, varné trubky pokrývají stěny ohniště, výsypku (granulační ohniště) nebo dno (výtavné ohniště) a někdy i strop.

Zlepšení cirkulace vody se dosáhlo užitím vnějších, netopených spádových (zavodňovacích) trubek, přivádějících vodu do spodních komor varných trubek chladícího registru, byl zaveden zdvihový oběh vody - varné trubky jsou zavedeny nad hladinu vody v bubnu. Za ohništěm a z části i v ohništi je přehřívák páry, dále je tam vodní ekonomizér.

Ohniště do výkonu 100 t/h roštové nebo práškové, pro větší výkony práškové, přehřátí páry až 550

oC, přetlak až 16 MPa, slouží energetickým účelům.

Schéma strmotrubného kotle je na obr. 3. 9.

Oběh vody v kotli

Dosud uvedené kotle mají přirozený oběh, voda vstupuje do kotle ohřátá na teplotu varu, oběh vody je podmíněn rozdílem měrných hmotností sloupce vody v zavodňovací trubce a sloupce vody a páry ve varné trubce. Oběh vody je tím rychlejší čím více se vyrobí páry a čím větší je rozdíl hustot medií ve varné a spádové trubce ( obr. 3. 10, 3. 11 ).

Cirkulační číslo C (násobnost oběhu vody) udává kolikrát oběhne voda v kotli než se odpaří. Pro tlaky do 6 MPa je cca 30, při tlacích 10 MPa je 5-10.

33

Obr. 3. 9 Moderní parní generátor na vysoké výkony

Obr. 3. 10 Přirozený oběh

34

Obr. 3. 11 Zdvihový oběh

Kotle s nuceným oběhem vody

Oběh vody obstarává čerpadlo, tlačí vodu z bubnu do soustavy varných trubek, cirkulační číslo je 8-12.

Kotle průtočné

Kotle průtočné mají nucený průtok vody celým systémem výhřevných ploch. Kotelní voda neobíhá soustavou trubek, ale je protlačována paralelně řazenými trubkami, ve kterých se voda postupně ohřívá, odpařuje a přehřívá. Žádná část vody se nemůže akumulovat nebo cirkulovat. Cirkulační číslo je 1,0. Výhodou kotle je jednoduchá konstrukce. Nemá buben na dělení vody a páry, soli se mohou usazovat na teplosměnných plochách, případně přecházet do páry. Napájecí voda musí být zbavena solí.

Charakteristika kotlů s nuceným oběhem a průtokem

Zaručený oběh vody nebo páry, libovolný výkon, malý obestavený prostor. Napájecí voda musí být dobře upravena.

Příklady průtočných kotlů jsou na obr. 3. 12, 3. 13.

Kotle na odpadní teplo

Z chemických, metalurgických a jiných provozů odchází často plyny o teplotách až 1000 oC.

Jejich teplo lze využívat v kotlích na odpadní teplo, které jsou zařazeny do technologického celku. Teplo se využívá k ohřevu vody nebo k výrobě vodní páry ( syté, přehřáté), teplota přehřáté páry 350-400

oC, maximální výkony kotlů cca 50 t/h.

35

Obr. 3. 12 Kotel Benson

Obr. 3. 13: Kotel Sulzer

36

3. 2. 5 Dodatkové výhřevné plochy

Přehříváky páry

Jsou určeny k vysušení páry a její přehřátí na konstantní teplotu. Přehříváky jsou konvekční nebo sálavé. Konvekční jsou umístěny v proudu spalin (přestup tepla prouděním), sálavé přehříváky jsou umístěny v horní části ohniště. Přehříváky jsou svislé a vodorovné. Vodorovný přehřívák páry je na obr. 3. 14.

Obr. 3. 14: Vodorovný přehřívák páry

Vodní ekonomizéry (ohříváky vody).

Napájecí voda se ohřívá protiproudně spalinami, které se ochlazují.

Ohříváky vzduchu.

Jsou rekuperační (přestup tepla stěnou) , regenerační (akumulace tepla, obr. 3. 15). Tepla spalin se využije k ohřátí spalovacího vzduchu, dosáhne se lepšího vysušení a zapalování paliva, zvýší se teplotní spád v ohništi, zkrátí se doba hoření a docílí se vyššího měrného zatížení ohniště. Ohříváky rekuperační jsou trubkové, regenerační jsou otáčivá tělesa (rotor), vyplněná kovovými teplosměnnými plochami, střídavě ohřívanými spalinami a ochlazovány vzduchem. Střídání akumulace tepla a ochlazování se dosáhne otáčením tělesa, jeho jedna polovina je v proudu spalin, druhá v proudu vzduchu.

37

Obr. 3. 15 Regenerační ohřívák vzduchu (typ Ljungström)

3. 2. 6 Nánosy na vnější výhřevné straně kotlů Tuhá paliva obsahují v popelovině minerální látky. Při spalování se popelovina mění v popel, jeho obsah je nižší než obsah popeloviny, neboť některé látky se rozloží nebo ztratí vodu, některé vytěkají. Probíhají exotermické i endotermické reakce:

2 FeS2 + 5,5 O2 = Fe2O3 + 4 SO2 ∆H=-1669,30 kJmol-1

(exotermická reakce)

CaCO3 = CaO + CO2 ∆H=177,95 kJmol-1

(endotermická reakce)

Vysoký obsah popeloviny se projevuje rychlým tvořením nánosů na vnější výhřevné ploše kotlů. Při spalování ve vrstvě je tvorba nánosů rychlejší než při spalování v letu. Nánosy zhoršují přestup tepla a zmenšují volný průřez tahů kotle.Klesá účinnost a výkon kotle. Kotle je nutné odstavit a čistit.

3. 2. 7 Účinnost parních kotlů Vyjadřuje dokonalost přeměny chemické energie paliva v teplo přehřáté páry.

Závislost účinnosti kotlů na výkonu znázorňuje obr. 3. 16.

38

Obr. 3. 16: Závislost účinnosti kotlů na výkonu

1 - starší kotle středního výkonu, 2 - nové kotle na velké výkony

Ztráty tepla do okolí, u moderních kotlů 1-2 %, u starších 3-10 %

spalinami (komínová) je největší, u starších a malých kotlů 20-40 %, lze snížit na 10-12 %

nedopalem, u starších kotlů 3-5 i více procent, u moderních 1 %.

Účinnost kotle klesá při jeho odstavení.

3. 2. 8 Parní akumulátory Slouží k vyrovnání nepravidelností ve spotřebě páry.

Akumulátory s proměnlivým tlakem

Akumulátor je velká válcová nádoba izolovaná, naplněná z 90-95 % vodou. Pára se akumuluje do vody, tím vzroste tlak a při poklesu tlaku se odebere pára, která se uvolní z vroucí vody.

Akumulátory rovnotlaké

Tlaková nádoba o téže výši hladiny jaká je v kotli, je spojena s kotlem pomocí čerpadla. Čerpadlem se voda rychle vyměňuje, i při zvýšeném odběru její teplota nepoklesne, tlak páry je konstantní. Spojením akumulátoru s kotlem se dosáhne zvýšení akumulační schopnosti.

3. 3 Tepelné energetické výrobny Zahrnují kondenzační elektrárny, teplárny, jaderné elektrárny, výtopny.

39

Kondenzační elektrárna

Slouží výhradně k výrobě elektrického proudu. Tepelná účinnost elektrárny závisí na stavu páry zpracovávané parní turbinou. Zvyšuje se s rozdílem tlaků a teplot při vstupu a výstupu z turbiny, s velikostí kotlů a turbin. Pro tlaky do 2 MPa a přehřátí do 360

oC je cca 12 %, se zvyšováním

tlaku a přehřátí stoupá až do cca 30 %.

Technologické schéma kondenzační elektrárny je na obr. 3. 17. Závislost tepelné účinnosti elektrárny na tlaku páry je na obr. 3. 18.

Obr. 3. 17: Látky zúčastěné ve výrobním procesu a hlavní části technologického zařízení kondenzační elektrárny

1 - parní kotel, 2 - parní turbina, 3 - kondenzátor, 4 - chladicí věž, 5 - zařízení pro přípravu paliva ke spalování, 6 - zařízení pro dopravu spalovacího vzduchu, 7 - zařízení pro odprašování spalin, 8 - zařízení pro dopravu spalin, 9 - komín (zařízení pro dopravu a rozptylování spalin), 10 - odstruskovací zařízení, 11 - odpopílkovací zařízení, 12 – zařízení pro dopravu přídavné vody, 13 - zařízení pro úpravu kondenzátu, 14 - nádrž napájecí vody s odplyňovacím zařízením, 15 - napáječka, 16 - čerpadlo kondenzátu, 17 - čerpadlo chladicí vody

40

Obr. 3. 18: Závislost tepelné účinnosti elektrárny na tlaku páry

Teplárna

Teplána je výrobna elektrické energie, pára o vysokém tlaku a přehřátí se zpracuje v protitlakových nebo odběrových turbinách na výrobu elektrické energie, ale kondenzační teplo páry se použije pro dodávku tepla ( pára o nízkém tlaku nebo horká voda o teplotě do 180 oC). Kondenzace páry proběhne v ohřívácích vody nebo až ve spotřebičích páry.

Průmyslové teplárny dodávají kromě tepla pro vytápění technologickou páru pro technologické účely ( chemický průmysl, strojírenství, hutní průmysl aj.).

Schéma oběhu teplárny je na obr. 3. 19.

Obr. 3. 19: Schéma oběhu teplárny

1 - kotel, 2 - turbina, 3 - elektrický generátor, 4 - kondenzátor, 5 - regenerační ohřívák napájecí vody, 6 - nádrž napájecí vody s odplyňovákem, 7 - zařízení pro úpravu přídavné vody, 8 - čerpadlo kondenzátu, 9 - napáječka,

10 - odběr technologické páry, 11 - tepelný výměník, 12 - horká voda

41

Výtopny

Nevyrábějí elektrickou energii, rozvádějí páru nebo horkou vodu z parních kotlů nebo z kotlů na ohřívání vody.

Tepelné sítě

Teplo se rozvádí pomocí parních nebo horkovodních tepelných sítí.

Předávací stanice

Spojovacím článkem mezi tepelnou sítí a spotřebitelskou soustavou jsou předávací stanice.

Základním zařízením předávacích stanic jsou protiproudové výměníky tepla, umožňují tlakově nezávislé připojení spotřebitelské soustavy k tepelné síti, nezávisle na druhu teplonosné látky v primárním nebo sekundárním okruhu a na tlakových a teplotních podmínkách v místě připojení. Na obr. 3. 20 je sériově paralelní zapojení čtyř protiproudých výměníků tepla.

Obr. 3. 20: Sériově paralelní zapojení čtyř protiproudových výměníků tepla

1 - protiproudový výměník, 2 - otopná soustava

Předávací stanice jsou v samostatných objektech nebo v suterénních prostorách vytápěných budov.

Jsou 3 druhy tepelných výměníků:

rekuperátory

regenerátory

směšovací výměníky

Rekuperátory - teplonosné látky jsou na primární a sekundární straně odděleny od sebe teplosměnnou stěnou. Pomocí teplosměnné plochy se teplo předává z látky ohřívající na látku ohřívanou.

42

Regenerátory - teplosměnná plocha je střídavě obtékána látkou ohřívající a ohřívanou.

Směšovací výměníky - látka ohřívající a ohřívaná se spolu stýkají a směšují, nelze je po směšovacím pochodu od sebe oddělit.

Výroba páry nebo horké vody při spalování odpadů

Malé pyrolýzní systémy „Purotherm Pyrolyze“ mají výměník tepla na výrobu páry nebo horké vody pro topné účely (obr. 3. 21).

Obr. 3. 21: Dvoustupňové spalovací zařízení na tuhý průmyslový odpad s diskontinuálním přívodem odpadu

3. 4. Koroze energetických zařízení Korozí rozumíme znehodnocování materiálů chemickým nebo fyzikálně-chemickým působením prostředí. Nepatří sem rozrušování materiálů fyzikálními vlivy (eroze, abraze). Pro energetická zařízení je významná koroze kovů vodním, parovodním a parním prostředím. Korozi kovů můžeme definovat jako proces jejich samovolného rozrušování a rozrušování jejich slitin. První příčinou koroze kovů je jejich termodynamická nestabilita v různých prostředích. V procesu koroze přecházejí kovy na své oxidy, které jsou termodynamicky stabilnější. Přechod je charakterizován snížením volné entalpie soustavy:

-∆G = z.E.F

kde ∆G -změna volné entalpie, J, z -počet vyměněných elementárních nábojů, E -napětí (elektrodový potenciál), V, F -Faradayova konstanta = 96 496 Coulombů.

43

Velký význam má velikost elektrodového potenciálu. Jeho vznik lze vysvětlit rozpouštěním kovu ve vodě. Účinkem polárních molekul vody určité množství kationtu kovu přejde do vody :

Me ↔ Mez+ + ze

Elektrony zůstanou v kovu, kov se nabíjí záporně, roztok kladně. Záporný náboj kovu začne přitahovat kladné ionty z vody do ustavení rovnováhy, vytvoří se elektrická dvojvrstva složená z kladných a záporných iontů ( obr. 3. 22 ). Ponoříme-li kov do roztoku soli tohoto kovu, může proběhnout i opačný děj ( pokud je koncentrace iontů v roztoku dostatečně vysoká a tendence kovu vysílat ionty do roztoku malá), část iontů z roztoku přejde na kov, který se nabije kladně. Mezi roztokem a kovem vzniká potenciální rozdíl - elektrodový potenciál daného kovu. Závisí na charakteru kovu, koncentraci iontů a teplotě. Experimentálně nelze stanovit, lze změřit potenciální rozdíl mezi elektrodami různých kovů. Potenciály kovů se srovnávají s standardním potenciálem vodíkové elektrody, (leží přibližně uprostřed mezi krajními hodnotami elektrodových potenciálů), kterému byla dána nulová hodnota. Kovy s negativním standardním elektrodovým potenciálem jsou neušlechtilé (elektronegativní), s kladným potenciálem ušlechtilé (elektropozitivní) (Tab. 3.1, s. 65). Kovy s nejnegativnějším potenciálem mají nejsilnější tendenci uvolňovat elektrony a přecházet do iontového stavu. Kovy s negativnějším potenciálem mohou vylučovat z roztoku ionty kovů, jejichž potenciály jsou pozitivnější. Elektrodový potenciál, který je dán potenciálním rozdílem vznikajícím na rozhraní kovu a roztoku, lze určit z Nernstovy rovnice :

E = E0 + RT/zF ln aMe2+

Eo je elektrodový potenciál kovu v hypotetickém roztoku svých iontů o aktivitě (aMe

2+) rovné

jedné, R je plynová konstanta, F je Faradayův náboj, z - počet elementárních nábojů.

Elektrodové potenciály E vypočtené podle této rovnice se nazývají rovnovážné potenciály.

Koroze kovů a slitin ve vodném prostředí je elektrochemické povahy.

Obr. 3. 22: Vznik elektrické dvojvrstvy

44

Při přechodu kovu do roztoku se ustaví rovnováha a děj (koroze) se zpomalí. Říkáme, že děj je zpolarizován. Aby rozpouštění kovu nebylo zpomaleno, je nutné zrušit přitažlivé síly elektronů a iontů kovu vybitím nebo jiným odstraněním elektronů - depolarizací.

Každá korozní reakce zahrnuje 2 dílčí reakce: anodovou a katodovou. Anodová odpovídá oxidaci kovu, tedy korozi, katodová, depolarizační, odpovídá redukci oxidující součásti v roztoku přebytečnými elektrony, to je buď vybíjení iontů vodíku (koroze s vodíkovou depolarizací):

2 H+ + 2 e

- → H2

nebo redukci kyslíku (kyslíková depolarizace, v přítomnosti kyslíku)

O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-

Jako depolarizátory mohou působit i kovové ionty elektrochemicky ušlechtilejších kovů, které se při katodové reakci redukují až na kov ( vylučování rozpuštěné mědi z roztoku na železe).

Anodová a katodová reakce tvoří dohromady korozní děj.

Vznik korozních článků (lokálních článků, obr. 3. 23). může být následující:

spojení dvou kovů nakrátko ( např. Fe + Cu, Fe + Zn)

nehomogennost materiálu (nerovnoměrné rozdělení legujících přísad, nečistoty kovů, mechanické napětí)

rozdíly ve složení elektrolytu ( koncentrační články)

vliv tepelných toků, záření, elektromagnetického pole

Obr. 3. 23: Obyčejný a lokální galvanický článek

Anodická a katodická reakce jsou na sebe vázány, nemohou probíhat samostatně. Intenzita rozpouštění kovu (koroze) v pracujícím elektrochemickém článku je podle Faradayova zákona úměrná proudové hustotě na anodě jA (A.cm-2), molekulové hmotnosti kovu M (g.mol-1), mocenství kovu z a Faradayově náboji F:

45

q = jA.M/z.F

q - množství rozpuštěného kovu (g.cm-2

.s-1)

Intenzitu proudu lokálních článků nelze určit, dochází k polarizaci článku. Měřítkem polarizace je přepětí ηp na elektrodách, to je rozdíl mezi pracovním potenciálem elektrody Ep a rovnovážným potenciálem E.

ηp = Ep - E (V)

ηp - přepětí

Z hlediska protikorozní ochrany je přepětí žádoucí, neboť snižuje rychlost koroze.

Odstraňování elektronů katodovou reakcí je jednou z podmínek pokračování koroze. Je nutný přísun reagujících látek z roztoku ke kovu a odsun produktů anodové a katodové korozní reakce transportními ději, které probíhají v difúzní vrstvě (obr. 3. 24).

Obr. 3. 24: Průběh koroze

Pasivita

Stavy, při kterých ustává koroze, se nazývají pasivitou. Dojde k podstatnému omezení anodického rozpouštění kovů při dosažení určité hustoty proudu a minimálního potenciálu. Dvě teorie vysvětlující tento jev:

adsorpční teorie, pasivita spojena s adsorpcí některých látek na povrch kovu

existence tenké vrstvy sloučeniny (oxidu) na povrchu kovu

Vytvoří se bariéra oddělující kov od korozního prostředí a zpomalující jejich interakci.

46

Typy a formy koroze

Koroze se může projevovat zjevně úbytkem materiálu a tvorbou korozních produktů nebo změnami materiálu, které nejsou zjevné, ale projeví se později korozním praskáním.

Koroze plošná - rovnoměrná na celém povrchu, vzniká v kyselém prostředí a je provázena vznikem plynného vodíku, nebo v neutrálním prostředí obsahujícím oxid uhličitý rozpuštěný ve vodě ve formě H2CO3.

Důlková koroze - vzniká v neutrálním vodním prostředí, kde je přítomen plynný kyslík.

Selektivní koroze - vzniká tím, že některá ze složek slitiny podléhá korozi snáze, vznikne porézní struktura u korodované součásti, zhorší se mechanické vlastnosti.

Mezikrystalická koroze - způsobena rychlejším postupem koroze po hranicích krystalu proti korozi vlastních krystalů.

Transkrystalická koroze - vzniká za současného působení korozního prostředí a mechanického namáhání materiálu.

Koroze uhlíkatých ocelí v přehřáté páře

Koroze oceli v přehřáté páře v nepřítomnosti kyslíku probíhá následovně:

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

Fe + H2O → FeO + H2

4 FeO + 2 H2O → 2 Fe2O3 +2 H2

Vodní pára se rozkládá za vzniku molekulárního vodíku.

K látkám způsobujícím korozi kovů patří především:

oxid uhličitý, který je příčinou chemické koroze

kyslík, který podporuje elektrochemickou korozi, neboť působí jako depolarizátor.

Korozi lze snížit několika způsoby:

volbou odolnějšího materiálu

vytvářením ochranných povlaků na potrubí, dávkováním protikorozních látek do vody

katodovou ochranou

úpravou vody

47

3. 5 Průmyslové pece Teplo získané spalováním paliv se využívá přímo v průmyslových pecích, které slouží k výrobě a úpravě zboží. Hlavním účelem pecí je předávat určitému materiálu nebo zboží ve vymezeném prostoru a v určitém časovém průběhu teplo. Jedná se o pece plamenné, na rozdíl od pecí, které využívají jiných tepelných zdrojů jako např. elektřinu, solární energii.

3. 5. 1 Použití pecí: hutnictví, vysoké pece k výrobě surového železa, Martinovy pece k výrobě kujného železa a oceli

slévárenství, pece kupolní

strojírenství, pece žíhací, kalící

palivářský průmysl, pece karbonizační, trubkové, štěpící

silikátový průmysl, pece tavící, chladící a nahřívací, pece k výrobě páleného vápna,cementu, keramického a žáruvzdorného zboží

chemický průmysl, pece nístějové, půdní, rotační, šachtové (reakční)

3. 5. 2 Konstrukce pecí a používaná paliva Průmyslové pece dělíme na pece s vnitřním topením a pece s vnějším topením (mají oddělený prostor pro spalování (ohniště) a prostor určený pro zpracovávaný materiál(peciště)).

Pec s vnějším topením sestává z ohniště pro tuhé, kapalné nebo plynné palivo, peciště, tj. vlastního prostoru pece, kam se ukládá materiál, z tahů a z komína, který slouží pro dopravu spalin.

Tvar pece je dán technologickým pochodem a způsobem spalování.

Vyzdívka pece se volí podle teploty a podle atmosféry (oxidační, redukční) v pecišti.

Pro teploty do 1300 oC se používá šamot, pro vyšší teploty dinas. Kromě silikátových vyzdívek

se používá magnesit a bauxit (MgO, Al2O3), chromit (Cr2O3). Uvedené materiály mají tvar cihel, z nich se vytvoří vyzdívka. Pro silně redukční atmosféru ve vysokých a elektrických pecích se používá cihel uhlíkových (koks + dehet se žíhá za nepřístupu vzduchu).

3. 5. 3 Palivo a teplota v peci

Používá se hlavně paliv tuhých a plynných, kapalných málo. Teplota plamene je o 150 - 200 oC

vyšší než teplota vsázky.

Černým uhlím (na roštu) se dosáhne až 1450 oC, hnědým uhlím 1200-1300

oC.

Uhlí s vysokým obsahem popela a vody se spaluje jako prášek. Pro většinu pecí se uhlí zplyňuje. Teplotu hoření lze zvýšit ohřátím spalovacího vzduchu a plynu. S podřadným uhlím lze dosáhnout teplot 1700-1800

oC (bez ohřátí l260-l400

oC). Vzduch a plyn se ohřívá

v rekuperátorech a regenerátorech.

48

3. 5. 4 Tepelná účinnost pecí Teplo vzniklé spalováním se předává z části vsázce, z části vyzdívce a z části odchází tahy do komína. Teplo předané vsázce je teplo využité, ostatní jsou ztráty.

Účinnost (η) = Q využité/Q dodané

Ztráty: Z = (1 -η)

Ztráta spalinami

Teplota spalin za pecemi bez rekuperace nebo regenerace je vysoká, např. 1250-1350 oC.

Za rekuperátory a regenerátory se snižuje na 500 - 700 oC. Pro komín postačuje teplota

cca 200 oC, je tedy k dispozici ještě tepelný spád, který lze využít v kotlích na odpadní teplo.

Jednoduchá pec má účinnost v průměru 10%, ztráty ve spalinách 50-60%, zbytek 30-40% ztráty do okolí.

Analogická pec s rekuperací pro vzduch a plyn má účinnost 20-22%, ztráty ve spalinách cca 50%, ztráta sáláním a vedením tepla do okolí zůstává cca 30%.

Zařadí-li za pec kotel a potom rekuperace, vzroste účinnost na 50-60% a ztráty ve spalinách poklesnou na 15-20%.

Schéma pece bez využití tepla spalin je na obr. 3. 25, s využitím tepla spalin na obr. 3. 26.

Obr. 3. 25 Schéma jednoduché pece bez využití tepla spalin

49

Obr. 3. 26: Schéma pece s využitím tepla spalin parním kotlem a rekuperací

Snižování ztrát

Ztráty ve spalinách lze snížit spalováním s co nejmenším přebytkem vzduchu.

Ztráty do okolí lze snížit dokonalejší izolací pece.

Ztráty lze snížit převedením přetržitého provozu na nepřetržitý. Nedojde k vychladnutí vyzdívky a není nutná nová akumulace tepla ve zdivu při uvádění pece do chodu.

3. 5. 5 Druhy pecí

Rozdělení podle tvaru peciště a způsobu topení

Podle tvaru peciště, který odpovídá technologickému pochodu,jsou pece šachtové a etážové, komorové a kruhové, nístějové, vanové a půdní, rotační, tunelové (kanálové), kelímkové a muflové.

Podle způsobu topení: vnitřní a vnější.

Pece s vnitřním topením

Šachtové a etážové jsou vertikální, materiál s palivem (koks) se plní shora, klesá dolů, kde se odebírá produkt. Používají se k pálení vápna, cementu,jako kupolní pece slévárenské, jako vysoké pece k výrobě železa,dále v chemickém průmyslu.

50

Pece s vnějším topením

Komorové pece. Spaliny proudí mezi a kolem zboží, peciště je komora, do které se vkládá materiál, při větším počtu komor je možný nepřetržitý proces v kruhu (kruhová pec). K výrobě porcelánu, keramického a žáruvzdorného zboží, v koksárenství.

Nístějové, půdní a vanové pece. Používají se jako ocelářské Martinovy pece, nahřívací a sklářské pece.

Pánvové a kelímkové pece. Materiál se vkládá do pánví nebo kelímků, které se vloží do peciště. Jsou pro malé vsázky (tavení speciálních slitin, k žíhání drátů).

Tunelové (kanálové pece), zboží je na vozících nebo podložkách, postupuje pecí proti proudu spalin.

Rotační (otáčivé) pece, pecištěm je otáčivý, mírně skloněný buben. Otáčením bubnu se materiál promíchává, dopravuje se ve směru sklonu bubnu. Používá se k pálení cementu, magnezitu, ke kalcinaci v chemickém průmyslu.

Různé druhy pecí jsou uvedeny na obr. 3. 27-3. 35.

Obr. 3. 27 Pec nístějová Obr. 3. 28 Pec vanová

Obr. 3. 29 Pec pánvová a kelímková Obr. 3. 30 Pec tunelová (kanálová)

51

Obr. 3. 32 Pec šachtová Obr. 3. 31 Pec rotační

Obr. 3. 34 Pec komorová jednoduchá Obr. 3. 33 Pec etážová

Obr. 3. 35: Pec komorová sdružená

52

Příklady průmyslových pecí Ocelářské a slévárenské pece

pec Martinova k výrobě oceli je nístějová pec topená generátorovým nebo koksárenským plynem s keramickými hořáky, s ohříváním plynu a vzduchu regenerací, teplota v pecišti 1700-1800

oC.

pec narážecí (půdní), hlubinná k ohřívání ingotů, vytápěná generátorovým plynem s regenerací nebo rekuperací vzduchu, teplota peciště cca 1350-1380

oC.

Plynárenské a koksárenké pece

Pece nepřímo topené, retortové a komorové s rekuperací nebo regenerací.

Sklářské pece

Pece pánvové, vanové, chladící (komorové, tunelové na vyrovnání pnutí skla).

Pece pro maltoviny a keramiku

Pro pálení vápna se používá šachtových pecí s vnitřním topením koksem. Používají se též pece s plynovým topením a roštové na hnědé uhlí.

Pro pálení cementu se používají šachtové pece, rotační pece.

Pro pálení cihel se používají kruhové, tunelové pece.

Pro výrobu žáruvzdorného zboží (porcelán, užitková keramika) se používají pece kruhové, tunelové.

3. 5. 6 Prostředky k ohřívání vzduchu a plynu Spalovací vzduch a plynné palivo lze před vstupem do spalovacího prostoru předehřívat spalinami nepřetržitě (rekuperátory), přetržitě (regenerátory).

Rekuperátory

V rekuperátorech přechází nevyužité teplo spalin kovovou nebo keramickou stěnou na spalovací vzduch nebo plyn.

Rekuperátory jsou souproudé, protiproudé a s příčným obtékáním.

Schéma souproudého a protiproudého rekuperátoru na obr. 3. 36, 3. 37.

Regenerátory (žárojemy)

V regenerátorech se teplo spalin po odchodu z pece akumuluje v v keramické výplni žárojemu. Předání tepla se děje periodicky přímým stykem spalin s výplní žárojemu. Regenerátor se střídavě přepíná na ohřívání nebo ochlazování.Čím vyšší teploty je třeba dosáhnout, tím častější je přepínání.

53

Obr. 3. 36 Souproudý rekuperátor Obr. 3. 37 Protiproudý rekuperátor

3. 6 Tepelné motory Tepelné motory jsou stroje, které přeměňují tepelnou energii v mechanickou práci. Podle přívodu tepla rozeznáváme:

s vnějším spalováním (parní stroje a parní turbiny, pára se vyrábí odděleně v kotli),

s vnitřním spalováním ( spalovací motory, proudové motory, plynové turbiny, palivo se spaluje přímo v motoru).

Podle konstrukce jsou motory:

objemové (pístové), přeměňují tepelnou energii plynů, par v mechanickou energii přímo (parní stroje a pístové spalovací motory)

lopatkové, přeměňují tepelnou energii v kinetickou a tu v mechanickou (parní a plynové turbiny).

Schéma parního stroje je na obr. 3. 38, parní turbiny na obr. 3. 39, plynové turbiny s otevřeným oběhem na obr. 3. 40.

Obr. 3. 38 Schéma parního stroje pístového

54

Obr. 3. 39 Schéma parní turbiny s jedním oběžným kolem

stator: 1 - skříň, 2 - dýza, rotor: 3 - lopatka, 4 - kolo, 5 - hřídel

Obr. 3. 40 Schéma plynové turbiny s otevřeným oběhem

S - spalovací komora, K - kompresor, T - turbina, R - regenerátor, G - generátor, M - spouštěcí motor

55

Tepelné ztráty v motorech

nedokonalým přestupem tepla stěnou chladicích trubek ve výměnících (kondenzátory apod.), nánosy na vnější a vnitřní straně chladicích trubek, - ztrátami tepla do okolí nedokonalou izolací,

škrcením páry v rozvodech parních strojů

škodlivým prostorem u pístových (parních strojů)

nedokonalou expanzí par a plynů u všech strojů.

Tyto ztráty se nazývají ztráty termodynamické.

Součet ztrát dosahuje 15 - 55 % adiabatického spádu (rozdíl entalpií páry h1 - h2 při vstupu do stroje a při výstupu), takže stroj ve skutečnosti zpracuje spád nižší, hs

hs = (0,45 - 0,85)had

Poměr hs/had se nazývá vnitřní nebo termodynamická porovnávací účinnost η td .

Mechanické ztráty v motorech

Mechanické ztráty jsou větší u motorů pístových s kmitavým pohybem než u motorů lopatkových a proudových. Jedná se především o ztráty třením.

Mechanická účinnost je dána poměrem práce v kJ získané na hřídeli tepelného motoru k teplu zpracovaném ve stroji.

Pro pístové stroje je η m = 0,75- 0,90

Pro lopatkové stroje je η m = 0,90 - 0,99

Výsledkem ztrát je snížení účinnosti stroje na účinnost efektivní η ef :

ηef = η td . η m

Efektivní účinnost ηef pro parní stroj je 0,40 - 0,60, pro parní turbiny 0,40 - 0,85.

Abychom posoudili přeměnu tepelné energie obsažené v pracovní látce v mechanickou práci efektivně využitelnou na hřídeli motoru, zavádíme celkovou účinnost ηc, která zahrnuje i termickou účinnost ηt srovnávacího cyklu:

ηc = ηt .ηtd . ηm

U motorů s vnějším spalováním je třeba uvážit navíc účinnost při přeměně tepla paliva v tepelnou energii látky (páry),tj. účinnost kotle ηk, takže v tomto případě je celková účinnost přeměny:

ηc = η k .η t .η td . ηm

Dílčí účinnosti tepelných strojů shrnuje tab. 3. 2, s. 65.

56

3. 6. 1 Motory s vnějším spalováním

Parní stroje

Parní stroje jsou zařízení,která přeměňují část tepelné energie obsažené ve vodní páře v mechanickou energii, práci, která se odvádí na hřídeli parního stroje a dále se využívá k pohonu pracovních strojů. Získaná práce (wt) je úměrná rozdílu entalpií páry při vstupu do stroje (h1) a při výstupu (h2) ( adiabatický spád, had) .

wt = h1 - h2 = had

Tepelná účinnost ηt je poměr tepla zužitkovaného jako práce k teplu přivedenému do stroje. Závislost tepelné účinnosti parních strojů na tlaku páry představuje obr. 3. 41.

Obr. 3. 41: Termická účinnost parních strojů v závislosti na tlaku páry η t - termická účinnost

Parní stroj je stroj pístový. Pracovní částí je válec, v něm pára expanduje za změny tlaku, objemu, teploty a entalpie. Změny objemu sleduje píst, který koná přímočarý kmitavý pohyb. Ten se převádí v pohyb točivý klikovým mechanismem. Parní stroje pístové jsou pomaloběžné s počtem otáček 100-500/min.

Rozdělení parních strojů

Podle konstrukce vodorovné a svislé.

Podle protitlaku p2 (tlaku páry za válcem):

protitlakové p2 > 0.1 MPa

výfukové p2 ≈ 0,1 MPa

kondenzační p2 < 0,1MPa

57

Protitlakové stroje se používají pro malé závodní teplárny (topení, sušení, vaření). Předává se kondenzační teplo páry, kondenzát se může vracet zpět do parního generátoru.

U výfukových strojů se ztrácí všechna pára i kondenzát (např. parní lokomotiva).

Kondenzační stroje se používají pro výrobu mechanické a elektrické energie. Pára z pracovního válce se vede do kondenzátoru, kde zkondenzuje a odebere se jí výparné teplo. Získaný kondenzát se může vracet zpět do oběhu.

Parní turbiny

Parní turbiny jsou motory, které pracují na jiném principu než parní stroj. Tepelná energie přehřáté páry se nejprve mění v kinetickou energii proudu páry a potom následuje přeměna kinetické energie na mechanickou v lopatkách oběžného kola. Přeměna tepelné energie v kinetickou se děje v dýze, případně v kanálech vratných kol (statoru), kinetická energie proudu je předána oběžnému kolu turbiny. Získaná mechanická energie (w) je rozdíl entalpií páry před vstupem do turbiny a po výstupu z turbiny (pro 1 kg páry):

w = h1 - h2 = had

Využitelný adiabatický spád se převádí v kinetickou energii Lavalovou dýzou.

Pára proudí z dýzy na lopatky oběžného kola a dále kanály mezi lopatkami. Mění směr, tlačí na lopatky. Lopatky jsou upevněny radiálně na obvodu oběžného kola a obíhají obvodovou rychlostí. Oběžné kolo je na hřídeli a tvoří s ním rotor turbiny, který se otáčí.

Parní turbiny jsou stroje rychloběžné, pro elektrárenské provozy 3000 ot./min, případně 3600 ot./min.

Uspořádání parních turbin

Kondenzační turbiny - v elektrárnách, všechna pára kondenzuje v povrchovém kondenzátoru (obr. 3. 42 a).

Obr. 3. 42: Parní turbiny podle protitlaku a - kondenzační, b - protitlaká, c - odběrová

58

Protitlakové turbiny - pára expanduje na tlak p2 = 0,1 - 2 MPa, odvádí se pro výrobní účely v továrně, kondenzuje až ve spotřebičích, tyto turbiny se používají v teplárnách (obr. 3. 42 b).

Odběrové turbiny - kombinované stroje, mají kondenzaci a současně se i odebírá pára. Používají se v moderních elektrárnách i teplárnách (obr. 3. 42 c).

Parní turbina je umístěna na rovině podlahy strojovny, kondenzátor je umístěn pod turbinou (obr. 3. 43).

Obr. 3. 43 Uspořádání a příslušenství parní turbiny

1 - parní turbina, 2 - kondenzátor, 3 - chladička, 4 - kondenzátka, 5 - vývěva, 6 - olejová nádrž

Nánosy solí v turbině

Znečištěná pára ukládá soli v přehříváku páry, na vřetenech regulačních ventilů, v dýzách a lopatkách statoru a rotoru turbiny. Nánosy se odstraní promýváním sytou nebo nízkopřehřátou parou.

Porovnání parních motorů

Parní stroje měly význam v období průmyslové revoluce, dnes se prakticky nevyužívají. Jejich přímočarý vratný pohyb nedovolí zvyšovat výkon vzhledem k setrvačným silám, které je nutné překonat. Dnes se používají výjimečně k pohonu pístových kompresorů nebo vývěv. Turbiny dosahují mnohem větších výkonů v jednom soustrojí, běžně 300 MW, špičkové stroje 600 MW.

59

3. 6. 2 Motory s vnitřním spalováním Teplo se uvolňuje spalováním paliva přímo v pracovním válci motoru (pístové stroje), těsně před motorem (plynové turbiny), odpadá přestup tepla stěnou. Motory s vnitřním spalováním se dělí na pístové motory výbušné Ottovy, rovnotlaké Dieselovy a plynové turbiny (rovnotlaké, výbušné) .

Práce motoru s vnitřním spalováním: do spalovacího prostoru se vpraví palivo a vzduch, dojde k jejich zážehu a spálení při vyšším tlaku a zplodiny spálení expandují a konají práci. Plnění, zážeh, spálení a expanze probíhá buď pravidelně v opakovaných obdobích (pístové stroje) nebo kontinuálně (plynové turbiny).

Pístové motory

Výbušný Ottův motor, spalování probíhá při konstantním objemu.Měřítkem výkonu je p-v diagram (obr. 3. 44).

Obr. 3. 44 Teoretický p-v diagram výbušného motoru

Čtyřdobý (čtyřtaktní) motor pracuje na 4 doby (zdvihy), 1 otáčka = 2 doby.

1. doba (takt), 0-1 nasátí směsi paliva a vzduchu

2. doba (takt), 1-2 komprese, 2-3 mrtvá poloha, zapálení a spálení směsi,stoupá tlak p

3. doba (takt), 3-4 expanze spalin, 4-1(5) mrtvá poloha a výfuk spalin

4. doba (takt), 1(5)-0 vytlačení spalin z válců

v1/v2 = ε , kompresní poměr, pro kapalná paliva a bohaté plyny 6-10.

v1 - celkový objem válce, v2 - kompresní prostor, objem válce v okamžiku minimálního objemu pracovní látky

60

Dieselův motor rovnotlaký, spalování probíhá při konstantním tlaku. Oběh představují 2 adiabaty, 1 izobara, 1 izochora (obr. 3. 45).

Obr. 3. 45 Teoretický p-v diagram rovnotlakého motoru Dieselova

l. takt, 0-1 píst nasaje atmosférický vzduch,

2. takt, 1-2 píst stlačí adiabaticky vzduch na vysoký tlak, teplota stoupne (cca 600 oC),

vstřiknutí paliva, které shoří,

3. takt, píst se pohybuje při konstantním tlaku po dráze 2-3, načež dojde k expanzi, 3-4, ke konci 3. taktu (4) se otevře výpustný ventil a tlak ve válci klesne na atmosférický při konstantním objemu.

4. takt,1-0, výfuk, směs se vypudí z válce.

Vznícení pohonné směsi bez elektrické jiskry.

v1/v2 = ε , kompresní poměr (13-14)

v3/v2 = φ , zvětšení objemu při spalování za konstantním tlaku (2,5 - 3)

U čtyřdobého motoru je jediný zdvih (expanzní) pracovní, ostatní (sání, komprese, výfuk) pomocné.

Motory, u nichž zapálení pracovní směsi ve válci vzniká zážehem od elektrické jiskry, se nazývají zážehové.

Motory, u nichž se palivo přiváděné na konci komprese vznítí ve spalovacím vzduchu ohřátým vysokým stlačením, se nazývají vznětové.

61

Plynové turbiny

Lopatkové stroje: kapalné nebo plynné palivo se nadávkuje pod tlakem do spalovací komory, kam vtlačuje kompresor vzduch, předehřátý regenerací tepla spalin. Spalování probíhá při konstantním objemu nebo tlaku (výbušná nebo rovnotlaká turbina). Spaliny o teplotě 600-700 oC proudí do Lavalových dýz, kde získají rychlost, se kterou proudí na lopatky oběžného kola

a kanály mezi lopatkami, tlačí na lopatky upevněné na obvodu oběžného kola, které obíhají obvodovou rychlostí.Oběžné kolo je na hřídeli a tvoří s ním rotor turbiny, kerý se otáčí.

Schéma plynové turbiny s otevřeným oběhem je na obr. 3. 40.

3. 7 Kondenzátory Jsou barometrické, vstřikové a povrchové. U parních turbin se používají povrchové kondenzátory. Povrchový kondenzátor je trubkový chladič s trubkami protékanými chladící vodou. Pára vstupuje hrdlem v horní části tělesa, zkondenzuje v mezitrubkovém prostoru a shromažďuje se jako kondenzát ve spodní části, odkud je odčerpáván čerpadlem. Tlak v kondenzátoru je tlak syté páry, v kondenzátoru se udržuje vakuum pomocí vývěvy.

Schema povrchového kondenzátoru je na obr. 3. 46.

Obr. 3. 46 Povrchový kondenzátor: a - schématická značka, b - princip funkce

Nánosy v kondenzátoru - chladící trubky se zanášejí kamenem CaCO3. Zhoršují přestup tepla. Nánosy se odstraňují promýváním roztokem kyseliny chlorovodíkové s inhibitorem.

62

3. 8 Kompresory V kompresorech se mění mechanická nebo kinetická energie v energii tlakovou, při tom se vyvíjí teplo. Kompresory jsou stroje tepelné, poháněné elektromotorem, pro velké výkony parní turbinou. Slouží na stlačování a dopravu plynů, uplatňují se při dopravě zemního plynu a jeho zkapalňování, při zkapalňování vzduchu, významné je použití pneumatických strojů v hornictví, hutnictví, stavebnictví.

Tlakový poměr

ε = p2/p1

poměr tlaku výstupního (p2) ke vstupnímu (p1)

kompresory ε = 3-1000 i více, dmychadla ε = 1.1 – 3.0, ventilátory ε= 1.0 - 1.1

Výkonnost (nasávaný objem plynu), m3 s

-1

Podle konstrukce se tyto stroje rozdělují na pístové, odstředivé, rotační a proudové. Oběh pístového kompresoru

Při pohybu pístu z levé krajní polohy (úvratě, bod 4) se do válce nasaje plyn o tlaku p1, v druhé krajní poloze sání končí (bod 1). Při zpětném pohybu (1 - 2) se plyn stlačí na tlak p2. Při tomto tlaku se plyn z válce vytlačí (2-3). Po vytlačení plynu se uzavře výtlačný ventil a otevře se sací ventil. Tím dojde k bezpracné změně tlaku z hodnoty p2 na sací tlak p1 a oběh se opakuje. Teplota, keré dosáhne plyn při kompresi, se zvyšuje s tlakovým poměrem.

Teoretický p-v diagram pístového kompresoru je na obr. 3. 47.

Obr. 3. 47 Teoretický p-v diagram pístového kompresoru: wt - vynaložená technická práce

63

Kompresorová stanice

Pístové kompresory mají pulzující tlak, který se vyrovnává zásobníkem (větrníkem), kde se odloučí olej, vlhkost. Větrník má pojistný ventil, manometr, zpětnou klapku. Nasávaný plyn se čistí sítovým filtrem (obr. 3. 48).

Obr. 3. 48: Kompresorová stanice

1 - kompresor, 2 - filtr na vzduch, 3 - zpětná klapka, 4 - tlakový zásobník

Turbokompresory

Turbokompresory jsou stroje, ve kterých získáme pracovní látku o tlaku vyšším než byl původní. Pracují opačným způsobem než turbiny. Podle použitého uspořádání lopatek je dělíme jako turbiny na radiální a axiální. U turbokompresorů se nasátý plyn urychluje v oběžném kole odstředivým zrychlením a v difuzoru se mění kinetická energie v tlakovou. Mechanická práce dodávaná hnacím motorem se v těchto strojích mění nejdříve v lopatkovém oběžném kole na kinetickou energii stlačovaného plynu a potom v pevném difuzoru v energii tlakovou. Stlačeného vzduchu se používá k pohonu pneumatických nástrojů (kladiv, vrtaček), k čištění odlitků pískem, vhánění vzduchu do vysokých pecí a konvertorů, ke spouštění motorů.

Turbodmychadla pracují s nižším tlakovým poměrem než turbokompresory.

3. 9 Chladicí zařízení Teplo může samovolně přecházet z vyšší teploty na nižší, ne opačně (2. zákon termodynamiky). Chlazení látek se děje tak, že se z nich odvádí teplo. Chlazená látka ( např. potravina) se musí zapojit do takového termodynamického procesu, k jehož uskutečnění je nutno dodat teplo. Teplo se získá od látky, která se chladí.

Termodynamický děj, k jehož realizaci je nutné dodat teplo, je změna skupenství - tání tuhých látek, vypařování kapalných látek, sublimace tuhých látek.

64

Využití skupenského tepla tání ledu vody je nevýhodné - nízké skupenské teplo tání (333 kJ/kg), nejnižší teoreticky dosažitelná teplota 0

oC, prakticky o několik stupňů vyšší.

Pro chlazení na teploty pod 0oC se využívá výparného tepla látek, které mají bod varu

při požadovaných nízkých teplotách (čpavek, oxid uhličitý, methylchlorid, dichlordifluormetan-Freon 12).

Kompresorové chladicí zařízení

Pracuje s parami, sestává z výparníku, kompresoru, kondenzátoru a regulačního (škrtícího) ventilu, (obr. 3. 49).

Obr. 3. 49 Schéma kompresorového chladicího zařízení

Ve výparníku V se chladivo vypařuje při tlaku p1 a teplotě t1. Výparné teplo nutné k vypaření chladiva teoreticky odpovídá teplu odvedenému z chlazené látky. Páry chladiva se z výparníku nasávají kompresorem K , stlačí se na tlak p2 odpovídající srážecí teplotě chladiva (t2). Z kompresoru postoupí stlačené páry do kondenzátoru (srážníku) S, kde zkondenzují. Pro zvýšení chladícího efektu se kapalné chladivo podchlazuje na teplotu nižší než t2 (zvláštní chladič nebo zvětšená plocha kondenzátoru). Kapalné chladivo projde přes redukční (škrtící ventil) R, tlak p2 klesne na tlak ve výparníku p1 a oběh se opakuje.

Chladicí oběh je obrázený Carnotův cyklus. Jeho efekt je charakterizován měrnou chladicí výkonností:

ε´ = T1/(T2-T1)

Efekt chladicího cyklu je tím vyšší, čím menší je rozdíl teplot, mezi nimiž cyklus probíhá a čím vyšší je teplota, při které je cyklus prováděn. Druhý pořadavek je nevýhodný , neboť chlazení

65

má probíhat při nízkých teplotách. Vyšší teplota T2 je dána teplotou chladicí vody, teplota T1 je požadovaná teplota v chladírně.

Normální podmínky chlazení (pro porovnání jednotlivých cyklů): T1 = -10oC ve výparníku,

25oC ve srážníku, případně 15

oC (podchlazení chladiva).

Tabulka 3. 1: Standardní potenciály t - 25oC, p - 101, 3 kPa

Tabulka 3. 2: Dílčí účinnosti tepelných strojů:

η m - mechanická účinnost, ηtd - termodynamická porovnávací účinnost, ηt - tepelná účinnost, ηc - celková účinnost

66

5. Pomocné a odpadní látky ze spalovacích procesů

5. 1 Úprava vody pro energetické a teplárenské účely V tepelně energetických zařízeních je voda společně s palivem nejdůležitější pracovní látkou. Spotřeba vody v tepelně energetických zařízeních je značná.

V energetice je voda používána:

k pohonu turbin elektráren (voda nebo pára)

jako látka pro transport tepelné energie (jako teplá voda nebo pára)

5. 1. 1 Voda pro parní kotle Pro provoz parního kotle je nutná látka pro výrobu páry. Musí to být kapalina s vhodnými tepelnými vlastnostmi, zdravotně nezávadná, vyskytující se v biosféře Země v dostatečném množství, levná a netečná k materiálům kotle.

V současné době se používá voda, vhodně upravená splňuje téměř všechny vlastnosti, nedostatkem je, že za určitých podmínek může způsobit korozi a nánosy.

Ve vztahu k procesům v kotli se rozlišuje několik druhů vod:

napájecí voda k napájení kotle, k naplnění výparníku před výrobou páry, k jeho doplňování tak, jak se zmenšuje jeho vodní obsah odvodem vyrobené páry

kotelní voda, naplňuje varný systém kotle za provozu, vzniká z napájecí vody, soli se v ní zahušťují, její část se zahuštěnými solemi se odvádí z výparníku jako odkal, odluh

kondenzát, voda, která vznikla kondenzací páry vyrobené kotlem, např. po průchodu turbinou

přídavná voda, připravuje se v úpravně vody z vody surové, odebírané z řeky, umělých nádrží, méně ze studní, dolů. Přídavná voda nahrazuje ztráty kondenzátu

Přídavná voda se spojuje s kondenzátem a představuje napájecí vodu.

5. 1. 2 Fyzikální a chemické vlastnosti čisté vody Bezbarvá kapalina, bez zápachu, molekula vody je silně polární.Předpokládá se, že každá molekula vody je obklopena v průměru šesti jinými molekulami vody, které tvoří s touto molekulou čtyři lineární vazby vodíkovými můstky O-H-O. Jednotlivé molekuly jsou vzájemně vázány mezimolekulárními vazbami, vytvářejí řetězce, otevřené konce těchto řetězců jsou elektricky nabity a způsobují polární charakter vody. Model struktury kapalné vody je na obr. 5. 1.

Vodní pára má odlišnou strukturu, při nízkých tlacích jsou prakticky všechny molekuly vodní páry volné, až s růstem tlaku tvoří diméry, triméry, atd.

67

Obr. 5. 1: Schéma oktaedrického modelu struktury kapalné vody

Polarita vody se chemicky projevuje jako schopnost rozpouštět iontové sloučeniny a elektrolyticky je disociovat. Např.:

HNO3 → H+ + NO3

-

KOH → K+ + OH

-

I v zcela čisté vodě je určité množství molekul disociováno:

H2O ↔ H+ + OH

-

V absolutně čisté vodě se musí molární koncentrace vodíkových kationtů a hydroxylových aniontů sobě rovnat.

Při iontové rovnováze platí při dané teplotě mezi molárními koncentracemi mH+ a mOH-

iontový součin vody:

mH+ . mOH

- = Kv

Při 25 oC Kv = 10

-14.

68

Koncentrace disociovaných vodíkových iontů je nízká a vyjadřuje se řádem záporného exponentu čísla 10, hodnotou pH.

pH = -log mH+

V neutrální vodě je pH = 7 (25 oC)

5. 1. 3 Příměsi ve vodě

Tvrdost vody

Tvrdost vody je způsobena rozpuštěnými solemi kationtů Ca2+ a Mg

2+. Celková tvrdost

odpovídá součtu molárních koncentrací Ca2+ + Mg

2+, přechodná tvrdost (odstranitelná varem) je

ta část z celkové tvrdosti, která odpovídá obsahu hydrognuhličitanů. Stálá tvrdost je celková tvrdost - přechodná tvrdost. Vápenaté a hořečnaté soli tvoří nánosy v kotlech a výměnících tepla, které brání přestupu tepla. Soli CaCO3, CaSO4 mají záporný koeficient rozpustnosti, jsou méně rozpustné při vyšších teplotách. Z hydrogenuhličitanové tvrdosti vzniká vodní kámen při teplotách nižších než je bod varu, z uhličitanové kotelní karbonátový kámen za varu. Hydrogenuhličitany a uhličitany se mohou teplem částečně rozložit za vzniku CO2, který napadá potrubí a výhřevné plochy:

CaCO3 + CO2 + H2O ↔ 2 HCO3- + Ca2+

Zdroje látek obsažených v přírodních vodách shrnuje tab. 5. 1.

Tab. 5. 1 Zdroje látek obsažených v přírodních vodách

Chloridy

Chloridové ionty netvoří nánosy, chloridy jsou ve vodě rozpustné do vysokých koncetrací

Sloučeniny křemíku

Oxid křemičitý se vyskytuje v koloidní formě.

Obsah plynů

Přítomny CO2, O2, N2.

69

Rozpustnost plynů ve vodě lze charakterizovat Henryho zákonem:

pi = Hi.mi

pi - parciální tlak plynu nad roztokem, Pa

Hi - Henryho konstanta

mi - molalita rozpuštěného plynu,mol. kg-1

Rozpustnost CO2 je doprovázena disociací H2CO3:

CO2 + H2O ↔ H2CO3

H2CO3 ↔ H+ + HCO3

-

HCO3- ↔ H

+ + CO32-

5. 1. 4 Technologie úpravy vody pro energetické účely

Hrubé předčištění

Nutno odstranit nejdříve nejhrubší nečistoty, aby nedošlo k poškození čerpadel a zanesení potrubních tras. Používají se postupně hrubé, střední a jemné česle. Jsou to ocelové tyče, pruty upevněné do rámu. Hrubé česle mají rozteč cca 100 mm, střední 25-50 mm, jemné 2-5 mm.

Za jemné česle se zařazuje sítový filtr, světlost ok 2 nebo 5 mm.

Filtrace

Po odstranění mechanických příměsí větších rozměrů se menší suspendované částice odstraňují filtrací ve filtrech, hlavně tlakových.Záchyt suspedovaných částic se děje adhesními silami. Filtrační látkou je pórovité prostředí, např. křemelina nebo celuloza naplavená na pletivo (náplavové filtry) nebo vrstva zrnitého materiálu (křemičitý písek, méně často černé uhlí, antracit, dolomit) se zrny 0,5 – 2 mm (podložní vrstva 10 mm).

Filtrační materiál musí být chemicky i mechanicky odolný.

Filtry jsou stojaté tlakové nádoby. Surová voda prochází filtrační vrstvou shora dolů (lze i obráceně), proud vody je rozdělen na celý průřez filtru pomocí trysek (obr. 5. 2). Během provozu se filtr postupně zanáší, vzrůstá odpor filtrační vrstvy.

70

Obr. 5. 2: Princip činnosti tlakového filtru

Odstranění koloidních látek

V surové vodě se vyskytují koloidní částice, které lze rozdělit na 2 skupiny: hydrofobní a hydrofilní koloidy. Koloidní disperze jsou tvořeny částicemi o velikosti od cca 5 nm do 1 µm.

Hydrofobní koloidy tvoří např. nerozpustné hydratované oxidy (Fe, Al, Si), hydrofilní vysokomolekulární organické sloučeniny. Částice hydrofobního koloidu např. hydroxidu železitého má na povrchu Fe3+ ionty, které udělují částici kladný elektrický náboj, ten zabrání jejich agregaci. Tato vrstva iontů vzniklá adsorpcí se nazývá vnitřní, přitahuje z roztoku částice opačně nabité, které vytvoří vnější vrstvu.Tyto dvě opačně nabité vrstvy se nazývají elektrická dvojvrstva. Ionty z vnější vrstvy, které nejsou pevně vázány k částici se pohybují s kapalinou a tvoří difusní vrstvu. Mezi povrchem částice a roztokem vzniká elektrický potenciál. Potenciál mezi adsorpční vrstvou a difúzní vrstvou se nazývá zeta (elektrokinetický) potenciál (obr. 5. 3 a, b). Stabilita koloidních částic je podmíněna jejich elektrickým nábojem, ζ potenciálem. Hydrofobní koloidní částice nemají afinitu k vodnému prostředí.

71

Obr. 5. 3 a, b: Elektrická dvojvrstva

Hydrofilní koloidy jsou tvořeny:

makromolekulami (např. bílkoviny, huminové látky)

micelami, které jsou složeny z malých molekul.Tyto koloidy se nazývají micelární, asociativní. Příkladem jsou alkalická mýdla, ve velkých zředěních tvoří molekulární dispersi, ve vyšších koncentracích vytvoří asociáty koloidních rozměrů. Micelárními koloidy jsou také tenzidy.

Pro stabilitu hydrofilních koloidů je rozhodující jejich solvátový obal (hydratační vrstva). Tyto koloidy mají afinitu k molekulám vody.

Stabilitu koloidů podmiňuje elektrický náboj dispergovaných částic a hydratační vrstva, případně ochranný koloid adsorbovaný na povrchu částice. Jejich stabilitu lze narušit snížením náboje (potenciálu zeta) nebo odstraněním hydratační vrstvy. V technologii vody se to děje pro hydrofilní koloidy přidáním hydrofobního koloidu, případně elektrolytu, u hydrofobních koloidů přidáním hydrofobního koloidu s opačným elektrickým nábojem, přidáním hydrofilního koloidu a pomocí elektrolytu. Tak dojde ke koagulaci koloidních částic, vzniknou agregáty, koloid se změní v hrubou dispersi, vyvločkuje a sedimentuje.

Čiření

Je to proces odstraňování koloidních částic. Spočívá v převedení malých částic na větší, které lze oddělit sedimentací, filtrací. Toho se dosáhne destabilizací koloidních částic a vytvořením podmínek pro jejich spojování(aglomeraci). Děje se tak přidáním látek, které se nazývají koagulanty. Koagulanty, případně jejich produkty vzniklé jejich reakcí s vodou mají koloidní charakter a za vhodných podmínek se shlukují (koagulují) s koloidními a suspendovanými částicemi přítomnými ve vodě za vzniku hrubé disperze odstranitelné z vody mechanickými postupy. Jako koagulační činidlo se např. používá síran hlinitý a chlorid železitý. Aglomerace koloidních částic do mikrovloček a potom do velkých vloček se nazývá flokulace. Celý proces se nazývá čiření nebo koagulace.

Po nadávkování solí železa nebo hliníku do vody dojde k hydrolýze, ke vzniku hydroxidů, které agregují (shlukují).

72

Fe3+ + 3 H2O → Fe(OH)3 + 3 H

+

Al3+ + 3 H2O → Al(OH)3 + 3 H

+

Uvolněné H+ ionty se neutralizují reakcí s hydrogenuhličitany:

H+ + HCO3

- = CO2 + H2O

Sumárně:

Fe3+ + 3 HCO3

- = Fe(OH)3 + 3 CO2

Obsahuje-li voda malé množství hydrogenuhličitanů je nutné před koagulací přidat hydroxid vápenatý.

Hliník je amfoterní prvek. Optimální pH pro vyloučení Al(OH)3 je 5,5. Sníží-li se pH, dojde k reakci

Al(OH)3 → Al(OH)2+ + OH-

Zvýší-li se pH nad 5,5:

Al(OH)3 → Al(OH)2O- + H

+

Koloidní částice hydroxidů mají v kyselé oblasti kladný náboj, v alkalické záporný, v kyselé oblasti odstraňují koloidní nečistoty se záporným nábojem, v alkalické s kladným nábojem. Síran hlinitý se používá pro čiření v kyselé oblasti, pH 4,5 - 6, chlorid železitý pro oblast kyselou i alkalickou ( pH 8 - 10.5 ). Proces čiření ukončuje filtrace tlakovými pískovými rychlofiltry.

Kromě anorganických koagulantů se používají organické syntetické koagulanty a přírodní koagulanty.

Méně používaným postupem k dosažení flokulace je dávkování do čištěné vody velké množství soli.

Zařízení pro čiření vody

Podle strojního zařízení můžeme způsoby čiření rozdělit:

čiření s usazováním ( ve vodárenství)

čiření kontaktní, koagulant se dávkuje do potrubí před pískovým filtrem, používá se v energetice

čiření v kalovém (vločkovém mraku) mraku ( stacionární), používá se v energetice

vločkový mrak je udržován v dynamické rovnováze vzestupným proudem vody.

Schémata čiřících zařízení jsou na obr. 5. 4, čiřič DUKLA, který se používá pro kontinuální oddělování suspendovaných látek od kapalného prostředí, je uveden na obr. 5. 5.

73

Obr. 5. 4: Schémata čiřících zařízení,

a - kontaktní, b- v kalovém mraku, stacionární, c - v kalovém mraku s mechanickým mícháním

Obr. 5. 5: Čiřič DUKLA

Dekarbonizace

Při tomto pochodu se odstraňuje hydrogenuhličitanový ion a volný oxid uhličitý hydroxilovým iontem:

CO2 + OH- ↔ HCO3

-

74

HCO3- + OH

- ↔ CO32- + H2O

Současně dochází k odstranění vápenatých a hořečnatých iontů. Zdrojem iontů OH- je hydroxid vápenatý. Z iontů CO3

2- a Ca2+ vzniká málo rozpustný CaCO3 (pH 10), z Mg

2+ vzniká Mg(OH)2 (pH 11).

Zařízení pro klasickou dekarbonizaci sestává z rozdělovače vody, sytiče vody vápnem, reaktoru a filtru (obr. 5. 6).

Kontaktní dekarbonizace vody vápnem. Používá se spiraktor - ocelová, kuželovitá nádrž s ostrým vrcholovým úhlem, voda s vápenným mlékem vtéká tangenciálně (obr. 5. 7).

Termická dekarbonizace Dochází k rozkladu hydrogenuhličitanu vápenatého na uhličitan a CO2.

Obr. 5. 6: Schéma klasické dekarbonizace

75

Obr. 5. 7: Schéma kontaktní dekarbonizace vody vápnem

1 - surová voda, 2 - vápno, 3 - spiraktor, 4 - rychlofiltr, 5 - změkčená voda

Změkčování

Odstranění iontů Ca2+ a Mg

2+ se provádělo vápnem a sodou, případně samotným hydroxidem sodným, sodou, fosforečnanem sodným:

Mg2+ + 2 OH

- → Mg(OH)2

Ca2+ + CO3

2- → CaCO3

3 Ca2+ + 3 Mg

2+ + 4 PO43- → Ca3(PO4)2 + Mg3(PO4)2

Schéma změkčovací stanice postupem vápno-soda je na obr. 5. 8.

76

Obr. 5. 8: Schéma stanice "vápno-soda"

1 - sytič, 2 - reaktor, 3 - rozdělovač, 4 - dávkování sody, 5 - nádrž hydroxidu vápenatého, 6 - parní ohřívák vody, 7 - filtr

Uvedené postupy dekarbonizace a změkčování se v energetice používají vyjímečně, nyní se uskutečňují pomocí měničů iontů.

Odstraňování železa a manganu

Oxidací - provětráváním vody tlakovým vzduchem ve sprchovém nebo kaskádovém zařízení.

2 Fe2+ + 1/2 O2 + 5 H2O → 2 Fe(OH)3 + 4 H

+

Mn2+ + 1/2 O2 + 2 H2O → MnO(OH)2 + 2 H

+

Sraženiny se odstraňují filtrací.

Úprava vody měniči iontů

Schopnost vyměňovat ionty má mnoho látek přírodních i uměle připravených jak anorganických tak i organických. K úpravě vody se používají měniče iontů na bázi polymerů, na uhlíkových řetězcích prostorově uspořádaného skeletu těchto látek jsou zabudovány funkční skupiny, které disociací uvolňují jednoduché ionty, zvané protiionty, funkční skupiny jsou pak nabity opačným nábojem. Prtotiionty jsou ke zbytku ionexu s funkčními skupinami vázány nepříliš pevnými vazbami opačných elektrických nábojů a jsou za vhodných podmínek vyměnitelné za jiné ionty v roztoku.

77

Dělení ionexů:

a) Katexy silně kyselé. Mají funkční skupiny -SO3- a pracují v H

+- cyklu nebo v Na

+-cyklu.

Jsou účinné jak v kyselé tak i alkalické oblasti.

b) Katexy slabě kyselé. Mají funkční skupiny -COOH a pracují v H+- cyklu. Jsou účinné jen

v alkalicky reagujících roztocích, neboť v kyselém prostředí je potlačena disociace funkční skupiny: -COO

- + H+ ----> -COOH.

c) Anexy silně zásadité jsou dvojího typu a pracují v OH- cyklu nebo v Cl

- cyklu. Jsou účinné jak v kyselé tak i alkalické oblasti pH.

Funkční skupiny:

CH3 CH3

| |

typ I: − CH2-N − CH3 + OH- typ II: − CH2−N −CH2.CH2OH + OH-

| |

CH3 CH3

d) Anexy slabě zásadité mají funkční skupiny tvořené primárními, sekundárními nebo terciárními aminy:

-NH3+, = NH2

+, ≡NH+

Slabě zásadité anexy pracují v OH--cyklu a jsou účinné jen v kysele reagujícím roztoku. V zásaditém prostředí je potlačena disociace funkční skupiny, např.:

-NH3+ + OH

- → -NH3OH.

Výměnu iontů lze znázornit reakcí:

nMA + Bn+(-) ↔ MnB + nA

+(-)

Měniče iontů se charakterizují kapacitou (celkovou, užitečnou). Celková kapacita (mol/l) představuje veškeré množství iontů, které je ionex schopen zachytit do úplného vyčerpání . Užitečná kapacita (mol/l) představuje množství zachycených iontů do přípustného průniku (obr. 5. 9).

78

Konstrukce a provoz ionexových filtrů

Ionexový filtr je válcová nádoba s příslušnými armaturami.

Pracovní cyklus ionexového filtru je dán 4 fázemi:

regenerace, ionex se převede např. do sodíkového nebo vodíkového cyklu

vymývání, odstraní se přebytek regeneračního činidla

pracovní období,dochází k výměně iontů, končí průnikem odstraňovaných iontů

praní, ionex se nakypří

Obr. 5. 9: Kapacita ionexu

a - užitečná, b - teoretická, c - závislost na velikosti zrna,

d - závislost na spotřebě regeneračního roztoku

Aplikace ionexů v energetice Změkčování vody

Odstraňování iontů Ca2+

, Mg2+ se provádí silně kyselým katexem v sodíkovém cyklu.

Silně kyselé katexy obsahují sulfonové skupiny. Výměna probíhá následovně:

4 MNa + Ca2+ + Mg

2+ ↔ M2Ca + M2Mg + 4 Na+

Katex se regeneruje roztokem NaCl, vytěsněné chloridy vápníku a hořčíku odcházejí do odpadních vod.

Schéma zařízení na změkčování Na+ - katexem je na obr. 5. 10.

79

Obr. 5. 10: Schéma zařízení na změkčování Na+ - katexem

Dekarbonizace vody

Odstraňují se iontové a neiontové formy CO2. Používá se slabě kyselý karboxylový katex ve vodíkové formě nebo silně bazický anex v chloridové formě. Slabě kyselé katexy vyměňují jen kationty ekvivalentní aniontu HCO3

- tedy ionty Ca2+

, Mg2+, Na

+, vyvážené iontem HCO3

-

případně CO32-

a nahrazují je ionty H+. Ionty HCO3

- se v kyselém prostředí štěpí na vodu a CO2.

2 MCOOH + Ca2+ + 2 HCO3

- ↔ ( MCOO)2Ca + CO2 + 2 H2O

Dekarbonizace se též spojuje s doměkčováním vody v jediném dvojvrstvém filtru (obr. 5. 11).

Neutrální dekarbonizace

Použije se silně bazický anex v chloridové formě. Anex vyměňuje všechny anionty za Cl- :

M+Cl- + HCO3

- ↔ M+HCO3 + Cl

-

M+Cl

- + SO42- ↔ M

2+SO4 + 2Cl

-

M+Cl

- + NO3- ↔ M

+NO3 + Cl

-

80

Obr. 5. 11: Schéma dekarbonizace vody slabě kyselým karboxylovým katexem s odvětráváním CO

2 a doměkčování silně kyselým katexem v Na+ formě

Deionizace

Deionizační stanici tvoří silně kyselý katex v H+ formě a slabě bazický anex v OH

- formě. Zachytí se kationty a anionty silných kyselin. Nezachytí se CO3

2- a SiO2. Na konci je větrací věž, kde se odvětrává CO2 vzniklý rozkladem H2CO3. Probíhají reakce:

2nH+M + (Ca

2+, Mg

2+, 2Na

+, 2K

+,...) ↔ (CaM + MgM + Na2M + K2M + ...) +

2nH+

MNH3+OH

- + H+ + A

- ↔ MNH3+A- + H2O

Schéma deionizační stanice je na obr. 5. 12.

Obr. 5. 12: Schéma deionizační stanice

Demineralizace

Odstraní se všechny kationty a anionty i SiO2. Linka sestává ze silně kyselého katexu, větrací věže, silně bazického anexu, případně ještě směsného lože (mixed - bed).

81

M+(OH

-) + SiO2 → MHSiO3

Schéma demineralizační stanice je na obr. 5. 13, schéma směsného lože a jeho regenerace je na obr. 5. 14

Obr. 5. 13 Schéma demineralizační stanice

Obr. 5. 14: Směsné lože a jeho regenerace

82

Odparky

Deionizovanou vodu s relativně nízkým obsahem SiO2 lze získat ze surové předupravené vody destilací v odparkách. Odparky jsou stojaté, ležaté, jednostupňové, vícestupňové (obr. 5. 15, 5. 16, 5. 17.

Obr. 5. 15: Schéma odparky

Obr. 5. 16: Systémy jednotělesových odparek:

a - ležatá, b - stojatá

83

Obr. 5. 17: Schéma zapojení třístupňoví odparky

Odplyňování napájecí vody

Odplyňování je jedno z nejúčinnějších protikorozních opatření. CO2 a H2O vytvoří kyselinu uhličitou, která snižuje pH a rozpouští železo. Nastává primární koroze, která má plošný charakter. Koroze kyslíkem je také primární, ale důlková. Proniká do hloubky stěny trubky.

Vakuové odplynění

Provádí se v odplyňováku při teplotě 40-70 oC pomocí vývěvy, která vytvoří podtlak a odsává

plyny.

Termické odplynění

Probíhá při teplotě 130-180 oC, k ohřevu vody se používá páry.

Intenzita odplyňování roste s velikostí povrchu odplyňované vody (i u vakuového způsobu), proto se voda rozstřikuje na jemné kapky.

Systémy odplyňování vody jsou schématicky znázorněny na obr. 5. 18.

Chemické odplynění

Jde hlavně o odstranění kyslíku po termickém odplynění. Využívá se schopnosti některých látek snadno se oxidovat kyslíkem z vody.

Na2SO3 + 1/2 O2 → Na2SO4

N2H4 + O2 → N2 + 2 H2O

84

Obr. 5. 18: Systémy odplyňování vody:

a - vakuové, b - termické s tlakovým rozstřikováním vody a kaskádové, c - termické třístupňové

Alkalizace

Rychlost korozních pochodů ve vodě je minimální v alkalickém prostředí. Používá se NaOH a Na3PO4, natriumpolyfosfáty.

Jako plynný alkalizační prostředek se používá amoniak.

5. 2 Kapalné a tuhé odpady z energetických zařízení na uhlí - vlastnosti a možnosti použití

5. 2. 1 Odpadní vody odluh cirkulačního chladícího okruhu nebo vracená voda z průtočného systému

odpadní vody z úpravny vody

odpadní vody z chemické úpravy a čištění energetických zařízení

odpadní vody ze strojovny

odpadní vody z hydraulické dopravy popílku

splaškové vody.

U starších typů energetických zařízení byly odluhy z nízkotlakých a středotlakých kotlů.

85

Odluh z chladícího okruhu obsahuje: rozpuštěné látky přítomné v přídavné vodě, jejich koncentrace je zvýšena zahuštěním

nerozpuštěné látky z přídavné vody, korozní produkty, biomasu organismů žijících v chladícím okruhu, nerozpuštěné látky, vyprané ze vzduchu v chladicích věžích

přísady, dávkované do chladící vody, např. inhibitory koroze.

Velká část vody v elektrárně je filtrována. Z filtrace odpadají prací vody obsahující zahuštěné nerozpuštěné látky.

Čiření, nejčastěji v alkalické oblasti, produkuje odpadní vody s kalem tvořeným vločkami koagulantu, CaCO3 a zachycenými organickými látkami.

Z praní a regenerace ionexů vznikají vody s velkým obsahem solí, je to koncentrát zachycených kationtů a aniontů s přebytkem regeneračních roztoků. Tyto vody jsou střídavě kyselé nebo alkalické.

Odpadní vody z chemického čištění zařízení (např. chemická vyvářka kondenzátorů) vznikají nárazově, jsou silně kyselé, obsahují velká množství rozpuštěných úsad i korozních produktů, komplexotvorná činidla, musí být neutralizovány.

Odpadní vody ze strojní části elektrárny - mají malý objem, jsou to úniky ropných látek použitých k mazání strojů, čerpadel, turbíny a jiných zařízení.

Splaškové vody - jejich BSK5 je asi 150 mg. l-1

.

Odpadní vody z hydraulické dopravy popílku a strusky na odkaliště. Vyluhováním popílku dochází ke zvyšování obsahu rozpuštěných látek ve vodě z hydraulické dopravy. Průsaková voda z odkaliště by měla sloužit k doplňování okruhu dopravy popílku.

Vodní hospodářství tepelné elektrárny je znázorněno na obr. 5. 19.

86

Obr. 5. 19: Vodní hospodářství tepelné elektrárny

A - kotel, B - turbina a generátor, C - kondenzátor, D - úprava kondenzátu a zásobní nádrž, E - chladicí věž, F - odlučování popílku, G – komín, H - bagrovací jímka, I složiště popílku, J - úprava vody, K - zdroj vody, 1 - palivo, 2 - pára, 3 - kondenzát, 4 - napájecí voda, 5 - chladicí voda napájecí vody, 6 - popílek, 7 – hydrodoprava, 8 - průsaková voda

Zdroje odpadních vod: 9 - odluh chladícího okruhu, 10 - odpadní voda z úpravny vody, 11 - odpadní voda ze strojovny, splašková a srážková voda, 12 - přebytky z hydrodopravy

5. 2. 2 Tuhé odpady Tuhé odpady, které přímo souvisejí s procesem spalování nebo čištění kouřových plynů se nazývají vedlejší energetické produkty. Mezi ně patří:

popílek z elektrostatických odlučovačů

škvára a struska ze spalování uhlí

energosádrovec - produkt mokré vápencové vypírky kouřových plynů

produkt polosuché metody odsíření kouřových plynů

produkt spalování uhlí ve fluidních kotlích s odsířením

produkt suché aditivní metody odsíření.

87

Charakteristika jednotlivých produktů

Popel

Je to zbytek po spalování uhlí, jeho část je odloučena v elektrostatických odlučovačích (popílek) a část je odstraňována z ohniště kotle (škvára a struska). Přibližné složení bývá následující: 45-55 % SiO2, 17-30 % Al2O3, 15-18% Fe2O3, 1-4 % CaO, 1-3 % MgO, cca 1,5 % TiO2, 0,5 % Na2O, 1 % K2O, 0,5-2 % SO3. Obsah nedopalu (tj. nespáleného uhlíku) může činit 1-8 % podle způsobu spalování. Hustota je od 1900 do 2300 kg.m-3. Velikost částic popílku se pohybuje od 10

-7m do 10

-3 m, velikost částic škváry je do několika desítek mm.

Energosádrovec (produkt mokré metody odsíření)

Energosádrovec vzniká jako produkt reakce mezi vápencem a kyselými složkami kouřových plynů, hlavně SO2 s následnou oxidací. Má následující složení: 80-95 % CaSO4. 2H2O, 1-10 % SiO2, 0,5-5 % Al2O3, 0,5-3 % CaCO3 + MgCO3, pod 1 % Fe2O3, MgO, Na2O, K2O, SO2, F, Cl.

Hustota energosádrovce je 2320 kgm-3

, střední velikost částic se pohybuje Od 70 do 90 µm. Energosádrovec vzniká jako suspenze nebo vlhká hmota s vlhkostí cca 10 %, vzniká v absorbéru, usazování jeho pevných částic se zamezuje mícháním. Vzniklá suspenze energosádrovce se z absorbéru odčerpává do odstředivek, v nich se proplachuje a odvodňuje na požadovanou hodnotu vlhkosti.

Vypraný a odstředěný energosádrovec se dopravuje do sil vlhkého energosádrovce, odkud se odebírá k dalšímu zpracování. V elektrárně Počerady se tento odpadní produkt dále zpracovává sušením při teplotě cca 140

oC a následnou kalcinací při teplotě 180

oC se

energosádrovec přeměňuje na sádru. Energosádrovec se po sušení též briketuje pro použití v cementářském průmyslu. V cementárnách slouží energosádrovec jako náhrada přírodního vápence a využívá se jako regulátor tuhnutí cementu.

Produkt polosuché metody odsíření

Tento produkt také vzniká reakcí mezi vápnem a kyselými složkami kouřových plynů. Na rozdíl od energosádrovce obsahuje větší část síry ve formě hemihydrátu siřičitanu vápentého a větší množtví volného vápna. Jeho složení je např. následující: 40,2 % CaSO3, 20,4 % CaSO4, 13,9 % Ca(OH)2, 4,2 % CaCO3, 8,9 % popílku, 1,5 % inertů, 1 % MgSO3, 0,5 % CaCl2, 0,5 % CaF2, 8,9 % vázané vody.

Uvedené složení je orientační, obsahy složek se mění podle provozních podmínek, kvality uhlí a vápna. Vlhkost se pohybuje od 1 do 7 %.

Produkt fluidního spalování s odsířením

Je směsí popele, síranu, chloridu a fluoridu vápentého a nezreagovaného vápna. Složení závisí na kvalitě uhlí, vápence, technologických podmínkách spalování a je např. následující: 38 % SiO2, 19 % Al2O3, 5 % Fe2O3, 2 % TiO2, 26 % CaO, 1 % MgO, 6 % SO3, 0,01 Cl, 0,1 % F, část CaO je ve formě síranu vápenatého, část ve formě volného vápna a menší část jako nerozložený CaCO3. Množství nedopalu v produktu při fluidním spalováním může být i více než 10 %.

88

5. 2. 3 Přepracované vedlejší energetické produkty Produkty, které vznikly během procesu čištění spalin se upravují, aby se zlepšily jejich vlastnosti a omezil se tak nebo eliminoval jejich vliv na životní prostředí. Po úpravě se odpady využívají nebo ukládají v jedné ze tří nejrozšířenějších forem:

aglomerát, vzniká ve speciálních mísičích zvlhčením popílku a popela bez použití vápna. K jeho výrobě nelze použít odpadních vod. Aglomerát se bude ukládat společně s vytěženou hlušinou do výsypek uhelných lomů. Aglomerát je sypký až granulovaný, při transportu nepráší a jeho výluh obsahuje velmi nízké koncentrace škodlivých látek následkem změn na povrchu zrn,

deponát, směs popele a energosádrovce zvlhčená cca 25 % vody.Takto zpracovaná hmota má pouze sníženou vyluhovatelnost oproti původním složkám. V důsledku různé granulometrie popele a sádrovce je cca o řád snížena propustnost vrstvy ve srovnání s vrstvami samostatných složek deponátu,

stabilizát, je to směs popele a produktů odsíření, která je zpracovaná zamícháním s vodou za případného přídavku aditiva (vápna, cementu) s cílem využít tzv. pucolánových vlastností, tj. schopnosti popílku hydraulicky tuhnou a tvrdnout. Stabilizát po zatuhnutí a zatvrdnutí dosahuje pevnost až 10 MPa ( vyjímečně až 20 MPa). Kvalita vodného výluhu stabilizátu je výrazně lepší než jeho jednotlivých složek, těžké a toxické kovy jsou fixovány v krystalické mřížce materiálu. Pro výrobu stabilizátu se používá odpadní voda z odsiřovacího procesu.

Popílek a škvára tvoří největší množství odpadů v uhelných elektrárnách. Toto ohromné množství hmoty je nutné někam uložit. Z důvodů snižování zátěže životního prostředí přecházejí postupně všechny uhelné elektrárny z hydraulického splavování popílku na tzv. suchý odběr popílku. Suchý popílek se bude dodávat z menší části odběratelům, jeho větší část se bude ukládat do vytěžených dolů. Podmínkou pro ukládání suchého popílku do vytěženého dolu je vytvoření nepropustného podloží. Maximálně 10 % produkce suchého popílku se bude upravovat na tzv. hubené betony nebo umělé kamenivo. Z největší části produkce suchého popílku se bude vyrábět tzv. stabilizát a aglomerát.

5. 2. 4 Možnosti využití vedlejších energetických produktů Suché odběry popílku a strusky jsou ve většině případů základní podmínkou pro další využívání této suroviny. Pro využití jsou následující možnosti:

Popílek a škvára

a) využití ve stavebnictví - materiály se používají při výrobě betonu, popílek může působit jako aktivní i neaktivní složka,

b) využití při výrobě stavebních hmot, popílek a strusku lze aplikovat při výrobě cementu:

přidáváním do suroviny (využitelný obsah SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO),

přidáváním do mlýna se slínkem (využití pucolánových vlastností popílku a strusky). Popílek a strusku je možno využívat při výrobě cihel, přidává se do asfaltu,

výroba umělého kameniva. Např. v Nizozemsku se téměř 20 % produkce popílku využívá pro tyto účely. Existují dvě základní technologie výroby kameniva: za studena a za horka,

89

výroba náplní filtrů pro čistírny odpadních vod. Přibližně 5 % z produkovaného popílku má vlastnosti využitelné pro tyto účely. Filtry jsou účinné pro čištění tenzidů, patogenních bakterií, nepolárních látek, těžkých kovů, PCB,

zneškodňování nebezpečných odpadů solidifikací. Směs popílku, cementu a vody (případně dalších přísad) po přidání ke kalu z ČOV vytvoří pevnou hmotu s nízkou vyluhovatelností, která může být bez rizika ukládána.

Energosádrovec

Využití v cementárnách jako přísada pro regulaci tuhnutí cementu. Energosádrovec představuje plnohodnotnou náhradu přírodního sádrovce.

Využití pro výrobu sádry a sádrokartonových desek. Energosádrovec je po odvodnění kalcinován za vzniku sádry, kterou lze využít při výrobě sádrokartonových desek. Při této výrobě se sádra rozmíchá s vodou a přísadami regulujícími tuhnutí se dávkuje na pás papíru. Druhou vrstvou papíru se sádra překryje a deska se nechá vytvrdnout. Potom se ořeže a povrchově upraví.

Výroba alfa sádry, která se vyrábí kalcinací sádrovce za zvýšeného tlaku 0,4-0,5 MPa a teploty 120-130

oC. Tento produkt má lepší vlastnoasti než běžná sádra hlavně pokud se

týká pevnosti a mrazuvzdornosti. Ve směsi se struskou může být využívána i na vnější stavby jako téměř plnohodnotná náhrada betonu.

Produkt polosuché metody odsíření, popel z fluidních kotlů, stabilizát, aglomerát, deponát

Stavební účely - pro méně náročné stavby jako je vyplňování příkopů, zásypy, konstrukční vrstvy silnic a dálnic, vyplňování důlních prostor, aj. Využívá se schopnosti těchto materíálů získat alespoň minimální pevnost. V energetických provozech mohou být problémy s dodržením kvality těchto stavebních materiálů. Stavební úřady vyžadují pro použití těchto hmot ve stavebnictví tzv. certifikát.

Těsnící vrstvy skládek, zahlazování důlní činnosti, rekultivace. Úpravou postupu přípravy stabilizátu a jeho ukládáním za určitých podmínek (hutnění) je možné připravit vrstvu, která splňuje požadavky na těsnící materiál. Lze dosáhnout propustnosti řádu 10

-9 - 10-11 m.s-1 při velmi nízké vyluhovatelnost. Musí se však vytvořit dostatečně silná a

pevná vrstva, aby po zatížení odpadem nenastalo její popraskání.

Uvedené mateiály jsou rovněž vhodné pro vyplňování prostor po povrchové těžbě a znovuobnovení původního nebo tvorby nového reliéfu krajiny. Vrstva stabilizátu, aglomerátu a deponátu může být výhodně použita jako technická rekultivační vrstva skládek, složišť apod. před konečnou úpravou povrchu.

Blokové schema elektrárny Počerady s výrobou stabilizátu a zpracováním energosádrovce je na obr. 5. 20.

90

Obr. 5. 20: Blokové shéma elektrárny Počerady s výrobnou stabilizátu a zpracování energosádrovce

5. 2. 5 Doprava a ukládání stabilizátu, deponátu a aglomerátu Vzhledem k velkému množství těchto produktů je nutné alespoň jejich část ukládat na složišti. Přechází se na ukládání suchou cestou těchto produktů. V prostorách, kde hydrogeologické podmínky nejsou příznivé, je nutné pro ukládání aglomerátu a deponátu provést těsnění. Těsnění se provádí pomocí fólií, hutněné vrstvy jílu nebo stabilizátem. Ukládaný materiál se někdy hutní.Hutnění se uskutečňuje ve vrstvách 0,2-1 m pojezdem mechanismy, válcem nebo vibračním válcem.

Způsoby dopravy materiálu na místo uložení:

doprava nákladními automobily nebo železnicí

doprava korýtkovým pásem

doprava trubkovým pásovým dopravníkem

doprava potrubím ve formě husté suspenze

Nejdůležitější charakteristikou produkce vedlejších energetických produktů u nás a ve světě je jejich veliké množství. V ČR je ročně vyprodukováno cca 9 mil. tun popela a po dokončení a uvedení do provozu všech odsířovacích zařízení cca 1,5 mil. tun energosádrovce. Je zřejmé, že využití celé uvedené produkce je pokud se týče alespoň popela v nejbližší období nereálné. V současnosti energetické zdroje v ČR vyprodukují ročně 10-12 miliónů tun tuhých produktů spalování (popely, popílky, strusky), z toho zdroje Českýc h energetických závodů , a.s., 8 - 9,5

91

miliónů tun. K tomuto množství je nutné v roce 1998 přidat dalších 1,3 - 1,6 miliónů tun produktů odsíření (energosádrovec, produkt odsíření polosuché metody).Odkaliště elektráren a tepláren zaujímají celkovou plochu kolem 2000 ha zemědělské a lesní půdy, výhledově se má zábor zvýšit na 2500 ha.

Nepříznivý vliv popílku je chemický a mechanický. Má sklon k cementování, u vod způsobuje vzrůst jejich tvrdosti a alkality. Jako mechanický účinek se projevuje brusnost zrníček popílku, vyvolávají oční záněty. Částice o rozměru 0.1 – 3 µm pronikají do plic. Rostlinné kultury trpí přítomností popílku.

92

7. Jaderná energetika Elektrárny na fosilní paliva a jaderné elektrárny jsou v principu podobné. Liší se v tom, že fosilní elektrárna má kotelnu, jaderná má jadernou výrobnu páry ( jaderná energie se řetězovým štěpením paliva a tepelnými výměníky mění na páru). Tepelná energie páry se v obou případech mění na mechanickou a elektrickou energii ve strojovně, která se pro oba typy elektráren v principu neliší (obr. 7. 1, 7. 2, 7. 3).

Obr. 7. 1 Základní schéma energetického bloku na fosilní paliva

7.1 Rozdíly mezi kotelnou a jadernou výrobnou páry jaderná výrobna páry nepotřebuje vzduch a nevypouští tedy exhalace jako SO2, NOx a CO2. Provoz je tedy čistší

jaderné palivo je cca o 5 řádů "výhřevnější" než uhlí, tedy spotřeba a množství odpadů je nižší. Uhelná elektrárna o výkonu 1000 MWe spotřebuje za rok kolem 3 milionů tun černého uhlí, jaderná asi 30 tun jaderného paliva

v jaderném reaktoru vznikají škodlivé radioaktivní látky. Před zářením těchto látek je nutná ochrana, existuje riziko, že při eventuální havarii uniknou tyto látky do okolí.

93

Obr. 7. 2 Základní schéma energetického bloku na jaderná paliva (s tlakovodním reaktorem)

7. 2 Součásti jaderné elektrárny jaderná výrobna páry, zařízení na přeměnu jaderné energie paliva na tepelnou energii páry, je uloženo v hermetickém prostoru

jaderný reaktor, zařízení na přeměnu jaderné energie paliva na tepelnou energii reaktorového chladiva

aktivní zóna reaktoru, část reaktoru, ve které probíhá řízená štěpná reakce, jaderná energie se mění na tepelnou energii, teplo z jaderného paliva se odvádí obtékajícím reaktorovým chladivem, aktivní zóna je výměníkem tepla, u reaktorů na tepelné neutrony je v aktivní zóně moderátor (zpomalovač neutronů)

jaderné palivo, má obvykle tvar dlouhých tyčí (řádově metry), malý průměr (cca 10 mm). Tyč se nazývá palivový element, který je tvořen palivem (uran, plutonium ve formě keramických tablet). Soubor palivových elementů (desítky až stovky) tvoří palivový článek. Palivové články, případně palivové elementy tvoří mříž paliva v aktivní zóně reaktoru

primární okruh, spojuje jaderný reaktor s parním generátorem a zajišťuje odvod ohřátého reaktorového chladiva z reaktoru do parního generátoru (horká větev primárního okruhu), je v něm hlavní cirkulační čerpadlo a kompenzátor objemu

parní generátor, tepelný výměník obstarávající přenos tepelné energie odváděné chladivem z reaktoru do vody a páry sekundárního okruhu, tj. zajišťuje výrobu páry pro parní turbinu

94

Obr. 7. 3: Princip jednookruhové a dvouokruhové jaderné elektrárny

95

7. 3 Štěpná řetězová reakce Při rozštěpení jádra 235U neutronem se uvolní další neutrony, a to umožňuje dosáhnout stavu, při kterém se štěpná reakce samovolně udržuje. Tak tomu je v jaderných reaktorech, kde probíhá štěpná řetězová reakce. Je nutné, aby v průměru alespoň jeden uvolněný neutron způsobil další štěpení.

Multiplikační faktor k - poměr počtu neutronů ve dvou po sobě následujících generacích "i-1" a "i".

k = ni/ni-1

Multiplikační faktor je hlavní charakteristikou štěpné řetězové reakce. Mohou nastat 3 případy:

k > 1, počet neutronů narůstá, počet štěpení se zvyšuje, výkon reaktoru se zvyšuje, reaktor je v tzv. nadkritickém stavu, fáze najíždění reaktoru na výkon,

k = 1, počet neutronů v reaktoru je stálý, výkon reaktoru je konstantní, reaktor je v kritickém stavu,

k < 1, počet neutronů se snižuje, výkon reaktoru klesá, je v podkritickém stavu.

Štěpná řetězová reakce na přírodním uranu

Přírodní uran se skládá ze dvou izotopů 238U (99,3%), 235U (0,7%). V přírodním uranu nelze uskutečnit štěpnou reakci na rychlých neutronech, probíhá jen štěpná řetězová reakce na pomalých neutronech. Jaderné palivo musí být umístěno v látce, která zpomaluje neutrony, ale nepohlcuje je. Tyto látky se nazývají moderátory, reaktory obsahující moderátor se nazývají reaktory pracující na tepelných neutronech, zkráceně tepelné reaktory.

Při použití přírodního uranu může být moderátorem těžká voda (těžkovodní reaktory) nebo grafit (grafitové reaktory).

Při použití mírně obohaceného uranu (zvýšena koncentrace 235U do cca 4 %) lze použít obyčejnou vodu jako moderátor (lehkovodní reaktory). Obyčejná voda pohlcuje neutrony více než těžká voda nebo grafit, ztráty neutronů musí být tedy vykompenzovány kvalitnějším palivem.

Tabulka 7. 1 představuje orientační rozdělení prvků na skupiny lehkých a těžkých štěpných produktů.

Tabulka 7. 1: Orientační rozdělení prvků na skupiny lehkých a těžkých štěpných produktů

96

7. 4 Vývin tepla v reaktoru Tepelný výkon aktivní zóny je určen štěpnou řetězovou reakcí. Její největší energetický příspěvek je ve formě kinetické energie štěpných produktů. Maximální doběh štěpných produktů v palivu je malý (řádově 10

-5 m), předávají tedy svou kinetickou energii atomům paliva prakticky v místě štěpení. Tím se zvětšuje rychlost tepelného pohybu atomů paliva, palivo se v místě štěpení ohřívá. Štěpení probíhá v celém palivovém elementu, ohřívá se celý palivový element a jaderná energie se mění na tepelnou energii paliva.

7. 5 Odvod tepla z reaktoru Odvod tepla z jaderných reaktorů je většinou proveden jako podélné obtékání válcových palivových elementů.

7. 6 Jaderná paliva Jsou tři izotopy 233U, 235U, 239Pu štěpitelné všemi, tj. i pomalými neutrony, nazývají se štěpnými materiály. 235U se vyskytuje v přírodě, zbývající dva lze vyrobit uměle, 233U ozařováním 232Th a 239Pu ozařováním 238U neutrony. 232Th a 238U se nazývají plodící materiály.

V současných reaktorech je palivem přírodní nebo mírně obohacený uran, tedy směs štěpného (235U) a plodícího (238U) materiálu.

Uran (přírodní nebo obohacený) může být v kovové formě nebo keramické formě. V současné době převládá použití oxidu uraničitého (UO2 - keramické palivo) ve formě tablet.

7. 7 Povlakové materiály Povlak palivového elementu brání úniku štěpných produktů do chladiva. Požadavky na povlakové materiály: a) malá absorpce neutronů, b) radiační, mechanická a chemická (korozní) stabilita, c)vysoká tepelná vodivost.

Používají se slitiny hořčíku, zirkonu, nerezavějící oceli.

7. 8 Moderátory Zpomalují neutrony do oblasti tepelných energií, pohlcují neutrony jen v malém rozsahu. Nejvhodnějšími materiály jsou grafit, obyčejná a těžká voda,případně berylium.

7. 9 Chladiva a) Plynná: oxid uhličitý, helium

b) Kapalná: lehká voda, méně často těžká voda,

c) Tekuté kovy - sodík ( pro rychlé reaktory)

7. 10 Materiály absorpčních elementů Musí silně pohlcovat neutrony. Nejpoužívanějšími jsou bor a kadmium, perspektivní je gadolinium. Snižují podíl neutronů způsobujících štěpení.

Základní materiály jaderných energetických reaktorů shrnuje tabulka 7. 2.

97

Tabulka 7. 2: Základní materiály jaderných energetických reaktorů

7. 11 Základní typy současných energetických reaktorů Různou kombinací základních materiálů aktivní zóny (štěpný materiál, plodící materiál, moderátor, chladivo) lze dospět k velkému počtu typů jaderných reaktorů. Řada kombinací je vyloučena z fyzikálních důvodů, jiné se neosvědčily, např. těžkovodní reaktory chlazené oxidem uhličitým( elektrárna A-1), nebo se neprosadily v konkurenci. Doposud se prosadilo 6 typů:

1. Grafitové oxidem uhličitým chlazené reaktory, vyvinuté ve Velké Britanii,

2. Pokročilé grafitové reaktory, chlazené oxidem uhličitým, pracující s mírně obohaceným palivem, vyvinuté ve Velké Britanii,

3. Grafitové reaktory chlazené vroucí vodou,vyvinuté v bývalém SSSR, (havarie v Černobylu)

4. Těžkovodní reaktory chlazené tlakovou těžkou vodou, vyvinuté v Kanadě

5. Tlakovodní reaktory, reaktory chlazené a moderované obyčejnou tlakovou vodou, vyvinuté v USA firmou Westinghouse, na stejném principu jsou i v bývalém SSSR vyvinuté reaktory VVER (Vodo-Vodjanyje Energetičeskije Reaktory), elektrárna Dukovany VVER-440, 4 bloky, každý o výkonu 440 MW, elektrárna Temelín VVER- 1000, 2 bloky, každý o výkonu 1000 MW

6. Varné lehkovodní reaktory, reaktory chlazené i moderované vařící vodou, vyvinuté v USA firmou General Electric.

Popis reaktorů je na obr. 7. 4 a 7. 5.

98

Obr 7. 4 Přehled typů jaderných reaktorů

99

Obr. 7. 5. Popis tlakovodního reaktoru (PWR)

100

7. 12 Termojaderná energie Termojaderná energie patří mezi nekonvenční trvalé zdroje energie.

Primárním palivem pro termojadernou syntézu je deuterium (2H, D). Může reagovat samo se

sebou nebo s jinými lehkými izotopy:

2H +

2H → p +

3H + 3.25 MeV

2H +

2H → n +

3He + 4.0 MeV

2H +

3H → n +

4He + 17.6 MeV

2H +

3He → p +

4He + 18.3 MeV

Používá se reakce 2H -

3H. Tritium lze získat záchytem neutronu, uvolněným v této reakci. Děje

se tak v plodící vrstvě, která obsahuje lithium a obklopuje reakční komoru:

6Li + n →

4He +

3H + 4.8 MeV

7Li + n + 2.5 MeV →

4He +

3H + n

Aplikace termojaderné reakce se provádí ve fúzních reaktorech,

ve fúzních laserových reaktorech a hybridních reaktorech.

Fúzní reaktor

Je prstencová kruhová nádoba, uvnitř je plazma zahřívaná silnými elektrickými výboji na vysokou teplotu. Plazma se nesmí dotknout stěny,neboť by ji roztavila. Vzdálenost plazmy od stěn udržuje silné magnetické pole vytvořené pomocí magnetů. Vnitřní nádoba je obklopena pláštěm z tekutého lithia, které má tři funkce:

ochlazuje stěny vnitřní nádoby

vzniká zde tritium

odvádí se podstatná část tepelné energie,která se využije v klasické části termojaderné elektrárny na výrobu el. energie

Další obal je grafitový nebo voda obohacená bórem, v něm se pohlcují neutrony, které by pronikly mimo reaktor.

Nad toto vrstvou následuje tepelná izolace a vrstva supravodivých cívek, které vytvářejí magnetické pole v reaktoru. Supravodivé cívky jsou chlazeny tekutým heliem (- 269

oC).

Termonukleární reakci vyvolá silný elektrický výboj, tím se získá potřebná počáteční teplota. Vzniklé reakční produkty, tj. neutrony a helium zajišťují ohřev plazmy na potřebnou teplotu.

Experimentální fúzní reaktor ITER (International Thermonuclear Reactor) je na obr. 7. 6.

101

Obr. 7. 6 Experimentální fúzní reaktor ITER

1 – toroidní vinutí, 2 – vakuová nádoba, 3 – plazma, 4 – divertor, 5 – centrální solenoid, 6 – obálka a stínění, 7 – horizontální průchodka, 8 – poloidní vinutí, 9 – vakuový kanál.

Fúzní laserový reaktor

Pracují na principu jaderných mikroexplozí. Při jedné mikroexplozi se uvolní jen malé množství energie, takže je nutné do reaktoru dávkovat rychle za sebou kuličky paliva, které tvoří směs deuteria a tritia.Laserový paprsek je zásahem přivede k explozi. Při termojaderné reakci se energie uvolní ve formě kinetické energie jader vznikajících touto reakcí.Jejich energie se při zabrzdění na stěnách reaktoru přemění na tepelnou energii. Pomocí chladícího okruhu se tepelná energie odvádí a získá se pára pro turbogenerátor.

Hybridní reaktor

Kombinace uranového jaderného reaktoru s toroidní fúzní komorou.

Schéma termojaderné elektrárny je na obr. 7. 7

102

7. 13 Ionizující záření Aktivita vzorku nějakého radioaktivního materiálu

je rychlost, s níž se jeho jádra rozpadají,je to počet rozpadů za jednotku času. Je-li N počet jader v daném okamžiku ve vzorku, je jeho aktivita A :

A = -dN/dt

Znaménko - proto, aby A bylo kladnou veličinou, neboť dN/dt je záporné.

Jednotkou aktivity je Becquerel (Bq), je to aktivita zářiče, kde dochází k 1 rozpadu za sekundu.

Jaderné reakce v reaktoru a rozpad vznikajících radioaktivních látek (zářičů) jsou doprovázeny ionizujícím zářením, jedná se o záření neutronové, alfa záření (jádra helia), beta záření (elektrony, pozitrony), gama záření (fotony, elektromagnetické záření).

Z hlediska pronikavosti dělíme záření na pronikavé (částice bez elektrického náboje, fotony a neutrony) a nepronikavé ( částice s elektrickým nábojem, protony, alfa a beta záření).

alfa částice - proletí několik cm vzduchem, pohltí je list papíru, látka, vrchní vrstva kůže,

beta záření - může urazit ve vzduchu až několik metrů, pohltí je hliníkový plech, sklo,

gama záření - daleko pronikavější, k jeho odstínění je nutná olověná deska,nejpronikavější jsou rychlé neutrony, vyžadují tlustostěnné stínění z těžkého betonu.

Obr. 7. 7 Schéma termojaderné elektrárny

1 – lithium, 2 – deuterium, 3 – injektor, 4 – termojaderná syntéza, 5 – záření, 6 – neutrony, 7 – čištění plynu, 8 – plodivá vrstva, 9 – teplo, 10 – přeměna energie, 11 – elektrická energie, 12 –

odpadní teplo, 13 – separace tritia, 14 - helium

103

8. Ochrana životního prostředí v jaderné energetice

8. 1 Radioaktivní odpady z jaderných elektráren

8. 1. 1 Vznik odpadů a jejich charakteristika Při provozu jaderných elektráren vznikají kapalné, plynné a tuhé radioaktivní odpady. Jsou nízkoaktivní (méně než 3,7.109 Bq m-3, středněaktivní (3,7.109 - 3,7.1014 Bq m-3) a vysoce aktivní (nad 3,7.1014 Bq m-3). Štěpením uranu vznikají štěpné produkty, které přecházejí do uvedených tří typů odpadů. Odpady obsahují radioaktivní zářiče alfa, beta, gama . V jaderných elektrárnách jsou za nízko aktivní označovány primárně vznikající kapalné radioaktivní odpady, jejich koncentrát a použité měniče iontů za středně aktivní.

Nehermetičnost palivových článků umožní průnik produktů štěpení do aktivní zóny reaktoru, z ní se dostanou do chladiva primárního okruhu a s ním do dalších míst. Vysoký neutronový tok v aktivní zóně způsobí aktivaci materiálů v této zóně. Vzniklé radionuklidy (hlavně

60Co)

přecházejí do chladiva a z něj do odpadů.

Vznikají různé typy kapalných odpadů, které jsou shromažďovány samostatným kanalizačním systémem. Nejvýznamnějším radionuklidem v kapalných odpadech je

137Cs s dlouhým

poločasem rozpadu (30 let), je v nich obsaženo i tritium.

Koncentráty kapalných RAO jsou nejvýznamnější odpady z provozu jaderných elektráren. Obsahují soli kyseliny borité (z chladiva), dusičnany (eluční roztoky z ionexů, z dekontaminačních roztoků), různé součásti z dekontaminačních roztoků (např. kyselina citronová).Obsahují kal (korozní produkty, mangan z dekontaminačních roztoků ). Roční produkce: cca 150 m

3 na jeden 440 MW blok, průměrný obsah solí 200 kg. m-3

, kyseliny borité 80 kg.m

-3, měrná aktivita méně než 5.10

9 Bq.m-3

.

Odpadní měniče iontů se považují za kapalné odpady - manipuluje se s nimi hydrotransportem. Jejich aktivita je o 1 až 2 řády vyšší než koncentrátů, produkce je nízká. Jako další kapalné odpady lze uvést prádelenské vody, dekontaminční roztoky.

Pevné odpady se na místě vzniku třídí a před zpracováním se skladují podle typu (spalitelné, lisovatelné, ostatní). Jedná se o filtry, opotřebované části strojního zařízení, zamořené měřící přístroje, nářadí, laboratorní pomůcky.

Plynné odpady vznikají odvětráváním chladících okruhů a provozních prostor elektrárny. Vyskytují se v nich radionuklidy Kr, Xe, I, T, aerosoly štěpných (hlavně

137Cs) a aktivačních

(60

Co) produktů.

Radioaktivní odpady na rozdíl od neradioaktivních působí na okolí svým ionizujícím zářením, i když radioaktvní látky z odpadu nemohou do okolí přecházet. Tento negativní vliv lze eliminovat stíněním, zkrácením doby expozice.

U odpadů s vysokou měrnou aktivitou může jejich ionizující záření způsobit chemické změny i v neživém okolí, takže materiál, do něhož jsou odpady inkorporovány musí odolat radiačním vlivům. U radioaktivních odpadů dochází k samovolnému rozpadu radionuklidů, takže jejich nebezpečnmost časem klesá. V některých případech lze k jejich zneškodnění využít i tohoto tzv. vymírání.

104

8. 1. 2 Fyzikálně chemické formy radionuklidů v kapalných odpadech: ionty, nedisociované molekuly, koloidní částice V roztoku může být v iontovém nebo molekulárním stavu jen samotný radionuklid bez přítomnosti nosiče, většinou je však doprovázen nosičem, který je jeho izotop nebo je mu chemicky podobný. Radionuklidy se většinou nacházejí ve stopových koncentracích, to je nižších než 10

-5 mol/l. Hmotnost a koncentraci některých radionuklidů o aktivitě 10 Bq, která je ještě dobře měřitelná, uvádí tabulka 8. 1.

Tabulka 8. 1: Hmotnost a koncentrace některých radionuklidů, odpovídající hodnotě aktivity 10 Bq

Radionuklid může projevovat anomální chování, ztratit své individuální chemické vlastnosti. To se může stát následkem jeho inkorporace do vznikajících koloidních částic jiných stopových prvků, např. hydroxidů nečistot, jejichž koncentrace je vyšší než radionuklidu. Nečistotami mohou být hydroxidy kovů (Fe, Al), které bývají ve vodných roztocích v extrémně nízkých koncentracích. Fyzikálně chemické vlastnosti radionuklidu jsou v tomto případě analogické vlastnostem nečistoty.

V kapalných radioaktivních odpadech jsou běžně přítomny v makrokoncentracích neaktivní látky.

8. 1. 3 Fyzikálně chemické formy radionuklidů v plynných odpadech: plyny, páry, aerosoly Podstatou částice tvořící radioaerosol je buď jen radioaktivní látka nebo neaktivní látka, na jejímž povrchu je radioaktivní látka nasorbována nebo zkondenzována.

105

8. 2 Postupy zpracování odpadů Pro zpracování radioaktivních odpadů se používají postupy, vyvinuté pro zpracování neradioaktivních odpadů.

8. 2. 1 Kapalné odpady

Odpařování

Odpařováním se sníží objem kapalných odpadů. Odpařování zaručuje vysoký dekontaminační faktor( tj. poměr aktivity odpadu před vstupem do čistícího procesu k aktivitě odpadu po čistícím procesu) a vysoké zahuštění. Hodnoty dekontaminačního faktoru jsou vyšší ne 103. Postup je dokonale vyvinutý a značně rozšířený. Vysoký dekontaminační faktor snižuje přítomnost plynného tritia,těkavých sloučenin jodu, možnost vzniku těkavého RuO4 a pěnění. Přidáním alkálií lze snížit těkavost jodu a RuO4. Kondenzát z odparky má velice nízkou aktivitu, kterou lze odstranit měniči iontů. Koncentrát s obsahem radionuklidů může být inkorporován do cementu, bitumenu. Nevýhoda je koroze odparky.

Cementace

Cementací se zahuštěné odpady zpevní. Proces je technicky jednoduchý, používají se cementy portlandského typu. Produkt je plněn do ocelových sudů nebo do prefabrikovaných betonových obalů.

Nevýhody: vysoká rychlost vyluhování radionuklidů, cementovaný odpad má značný objem, rychlost vyluhování lze snížit přídavkem sorbentů, objem produktu je nejméně 1.2 násobek původního objemu odpadu. Mohou být problémy s tvrdnutím a tuhnutím.

Bitumenace

Základní postup solidifikace RAO z provozu jaderných elektráren. Je nákladnější než cementace, produkt je asi o 3 řády odolnější vůči vyluhování než produkt cementace, objemová redukce činí 1/2 i více.

Aplikuje se na:

kaly z chemické precipitace

ionexy

koncentrát z odparek

popel

plastické odpady.

Nevýhody: bitumenace je hořlavost produktu a jeho dlouhodobá nestabilnost. Nutné čištění odpadního plynu, který vzniká při bitumenaci a obsahuje radioaktivní látky.

Pro zneškodňování nízko- a středně aktivních odpadů z jaderných elektráren a operací cyklu jaderného paliva používají ještě následující postupy:

biologické postupy

chemické postupy-čiření

106

iontová výměna

membránové procesy (pro čištění odpadních vod se aplikují 3 procesy: reverzní (obrácená osmóza), ultrafiltrace a elektrodialýza.

8. 2. 2 Plynné odpady Adsorpce par jodu Adsorpce par jodu (I2, HIO, CH3I) se uskutečňuje na neimpregnovaném a impregnovaném aktivním uhlí. Na impregnovaném uhlí probíhá adsorpce spojená s izotopovou výměnou radioaktivního 1

31I za neradioaktivní

127I:

CH3131

I (pára) + K127

I (povrch) nebo 127

I2(povrch) →

CH3127

I (pára) + K131

I (povrch nebo 131

I2(povrch)

Jako impregnant: je KI, I2 nebo směs obou.

Adsorpce vzácných plynů

Jako adsorbent se používá aktivní uhlí. Adsorbér plní zpožďovací funkci. Během adsorpce probíhá současně rozpad krátkodobých izotopů Kr, Xe. Než proniknou adsorpční vrstvou dojde k jejich částečnému nebo úplnému rozpadu.

Filtrace radioaktivních aerosolů Vysoce účinné filtry slouží jako koncový stupeň. Filtrační materiál je ze skleněných nebo polymerních mikrovláken.

8. 2. 3 Tuhé odpady Cílem jejich zpracování je zmenšení objemu. Používají se postupy:

nízkotlaké lisování do ocelových sudů

vysokotlaké lisování, vyšší koeficient objemové redukce. Lze kombinovat s nízkotlakým

spalování, vysoký koeficient objemové redukce, náročné čištění spalin, nutno fixovat popel

fragmentace, nutná u rozměrného odpadu. Vyžaduje hermetizaci, speciální vzduchotechniku, aby nedošlo k úniku radioaktivní látky. Fragmenty se uloží a zalejí betonem do ocelových sudů nebo betonových obalů

přetavování, např. kovový odpad z likvidace jaderných elektráren.

Spalování radioaktivních odpadů

Existuje několik systémů spalování, jako příklad lze uvést:

Systém spalování tuhých odpadů s regulovaným přívodem vzduchu

Používá se dvoukomorový systém spalování, aby bylo dosaženo dokonalého spálení odpadu. Odpad je nadávkován do první komory, kde shoří za přibližně stechiometrických podmínek. Částečně zoxidovaný a zplyněný produkt postoupí do druhé komory, kde za přebytku vzduchu

107

dojde k úplnému spálení neshořelých částic a těkavých sloučenin. Při tomto způsobu spalování dochází k minimálnímu stržení popílku do odcházejícího plynu.

Tento proces lze rozdělit na 4 operace: úprava odpadu a jeho nadávkování, spalování, čištění odpadního plynu a recyklace skrápěcího roztoku. V první spalovací komoře je teplota 800 - 1000

oC, v druhé komoře 1100

oC. Odpadní plyn obsahuje aktivní a neaktivní aerosolové částice

a anorganické kyseliny. Odpadní plyn vycházející z druhé komory je ochlazen sprchováním v chladiči, potom jde přes Venturiho mokrý odlučovač, absorbér, kondenzátor a vysoce účinný aerosolový filtr do komína.

Spalování ve fluidním loži

Odpad jde nejdříve na hrubé potom na jemné drcení a je nadávkován do fluidního reaktoru, kde je vyhřívaný granulovaný Na2CO3 udržovaný ve vznosu stlačeným dusíkem a vzduchem. Ve fluidním loži je odpad rozložen částečným spálením a pyrolýzou. Při tom se vyvíjí dostatek tepla, aby se teplota v reaktoru udržela na 550 oC. Přítomný uhličitan sodný neutralizuje uvolněné anorganické kyseliny. Odpadní plyn z fluidního reaktoru odchází přes cyklonový odlučovač (odstraní se většina strženého Na2CO3, NaCl a popílku) do dohořívací komory s oxidačním katalyzátorem. Plyn z dohořívací komory obsahující popílek, prach katalyzátoru, malé množství aerosolů Na2CO3, NaCl a radioaktivní aerosoly, postupuje do čistícího systému, sestávajícího z cyklonového odlučovače, filtrů ze sintrovaného kovu, chladiče a vysoce účinného filtru.

Kromě tuhých odpadů jsou spalovány i kapalné odpady, např. roztoky s extrakčním činidlem tributylfosforečnanem.

Během spalování obvyklých radioaktivních odpadů z provozů jaderných elektráren vzniká plyn, který obsahuje zpravidla CO2, O2, H2O, HCl, SOx, NOx, HF, uhlovodíky, radioaktivní (137Cs, 60Co) a neradioaktivní aerosoly. Zastoupení těchto složek v odpadním plynu závisí na druhu spalovaného odpadu.

Existují dva typy systémů čištění plynu: mokrý a suchý. Oba využívají operací jako chlazení, kondenzace, absorpce, filtrace a další.

Mokrý systém používá přímé chlazení nebo promývání plynu vodou, takže odpadní plyn se nasytí vodní parou. Před konečnou filtrací je nutné plyn ohřát, aby nedocházelo ke kondenzaci vodních par v aerosolovém filtru.

8. 3 Skladování a konečné a uložení vyhořelých palivových článků Nejdříve se vyhořelé jaderné palivo uloží do bazénu vyhořelého jaderného paliva, kde je skladováno 3-12 let, aktivita podstatně poklesne (obr. 8. 1). Potom je převezeno do meziskladu vyhořelého paliva, doba skladování 40-50 let, palivo je v kontejneru, chlazení se provádí vodou nebo vzduchem (obr. 8. 2). Potom následuje konečné uložení v úložišti v geologických formacích, které má životnost mnoho desítek tisíc let, je několik set metrů pod povrchem (obr. 8. 3).

108

Obr. 8. 1: Manipulace s vyhořelým palivem u tlakovodního reaktoru

Obr. 8. 2: Podélný a příčný řez suchým meziskladem vyhořelého paliva

109

Obr. 8. 3: Koncepce konečného úložiště vyhořelého jaderného paliva

Mezisklad vyhořelého paliva je v jaderné elektrárně Dukovany. Vyhořelé palivo se skladuje v kontejneru CASTOR 440/84 (obr. 8. 4).Chlazení se uskutečňuje vzduchem, který je přiváděn u podlahy mřížkou ve stěně a odváděn otvory ve střeše. Mezisklad zabezpečuje skladovací kapacitu pro provoz jaderné elektrárny do roku 2005.

Konečné, hlubinné úložiště by v ČR mělo být uvedeno do provozu v roce 2065.

110

8. 4 Skladování a konečné uložení radioaktivních odpadů z jaderných elektráren

Skladování

Skladování je dočasnou záležitostí, mezičlánkem v systému nakládání s radioaktivními odpady. Vyskytuje se v něm nejméně dvakrát: před zpracováním a po něm. Skladováním před zpracováním se dosáhne homogenizace odpadu s časově rozdílným složením, takže není nutné měnit standardní technologický režim zpracování. Význam má též pokles aktivity krátkodobých radionuklidů s časem.

Konečné uložení

Minimální životnost úložiště musí stačit k poklesu úrovně uložené aktivity na tisícinu původní hodnoty, to je desetinásobek poločasu rozpadu nejdůležitějšího radionuklidu. U odpadů z provozu jaderných elektráren je to deset poločasů

137Cs, tedy asi 300 let. Tomu vyhovují

podpovrchová betonová úložiště, umístěná v nevelké hloubce.

8. 5 Manipulace a doprava vyhořelých palivových článků a radioaktivních odpadů V palivovém vyhořelém článku vzniká teplo a radiace následkem rozpadu štěpných produktů. Kvůli teplu a radiaci musí být přeprava článku uskutečněna v kontejnerech. Vyhořelé jaderné palivo se přepravuje ve speciálních kontejnerech. Kontejner se skládá z válcových (ocelových nebo litinových) plášťů, které oddělují jednotlivé vrstvy stínění proti neutronovému (voda, železo) a gama (železo, olovo) záření. Na konci válce jsou umístěny objemné tlumiče nárazu, které spolu s plášti chrání obsah před poškozením a kontaktem s okolím. Kontejner musí zůstat nepoškozen i při vážné dopravní nehodě. Používá se kontejner CASTOR 440/84, který současně slouží i ke skladování. Je zkonstruován pro 84 ks vyhořelých palivových kazet VVER 440 s obohacením 3.6 % 235U (obr. 8. 4).

111

Obr. 8. 4: Kontejner CASTOR-440/84

1 – těleso kontejneru, 2 – první víko, 3 – druhé víko, 4 – úchyt, 5 – polyetylénová tyč, 6 – koš, 7 – tlumič nárazu

Stejně tomu je i s transportem radioaktivních odpadů. Z uvedených důvodů musí být manipulační a transportní prostředky řešeny u těchto odpadů jinak než pro jiné nebezpečné odpady. Zvláště u radioaktivních odpadů z přepracování vyhořelého jaderného paliva musí být manipulace automatizována nebo řízena dálkově. Obsluha musí být od technologických zařízení oddělena dostatečným stíněním. Pro přepravu radioaktivních odpadů na úložiště se používají speciální kontejnery. Tyto kontejnery jsou kategorizovány pro různé obsahy měrných aktivit radioaktivních odpadů a podle toho musí mít atesty. Musí mít dostatečnou stínící schopnost a mechanickou pevnost.

112

8. 6 Radioaktivní odpady v cyklu jaderného paliva Jsou kapalné, plynné, tuhé, nízko aktivní, středně aktivní a vysoce aktivní.

8. 6. 1 Cyklus jaderného paliva Palivový cyklus zahrnuje řadu operací, může být otevřený nebo uzavřený a dělí se na 2 části: přední a zadní.

Přední část zahrnuje těžbu a zpracování uranové rudy, výrobu uranu, obohacování uranu a výrobu palivových článků.

Zadní část otevřeného palivového cyklu zahrnuje skladování vyhořelého jaderného paliva v meziskladu, úpravu paliva před konečným uložením, provoz konečného úložiště.

V případě uzavřeného palivového cyklu patří do jeho zadní části:

přepracování vyhořelého jaderného paliva, konverze recyklovaného uranu, obohacení a výroba paliva. Dále tato fáze obsahuje skladování a úpravu nízko, středně a vysoce aktivních odpadů z přepracování a jejich uložení.

Jednotlivé cykly, vznik odpadů a jejich zpracování:

8. 6. 1 Radioaktivní odpady z těžby, úpravy uranových rud a výroby jaderného paliva

Fyzikální úprava uranových rud

Rozpojení suroviny na vhodné sítové složení, rozdružení, to je zvýšení obsahu uranonosné složky fyzikálními postupy. K rozpojování se používají oblázkové mlýny (kulové mlýny, v nichž jsou koule nahrazeny většími kousky (oblázky) suroviny), nebo čelisťové drtiče. K rozdružování se používá metod gravitačních (sazeček, splavů) nebo radiometrických.

Hydrometalurgické zpracování uranových rud

Koncentrát získaný fyzikálním obohacením jde na hydrometalurgickou separaci uranu. V chemické úpravně se ruda louží ( roztok kyseliny sírové nebo uhličitanu sodného, případně s přísadou hydrogenuhličitanu sodného).Uranové výluhy se oddělují od nerozpuštěných látek usazovaním nebo filtrací. Z výluhu se separuje uran ve formě chemického koncentrátu, který je surovinou pro chemickou rafinerii. K separaci uranu z výluhu se používají postupy a) srážecí, b) iontoměničové, c) extrakční

Rafinace chemického uranového koncentrátu

Před zpracováním na palivový materiál pro jaderné reaktory se chemický uranový koncentrát zbavuje nečistot, hlavně těch, které mají vysoký absorpční průřez pro neutrony. Používá se extrakce organickými činidly. Na rozdíl od separace uranu z výluhů, kde se používají činidla alkalická nebo kyselá, používají se v tomto případě činidla neutrální. Produktem rafinace je oxid uranový, který je výchozím produktem pro výrobu nukleárně čistých sloučenin uranu. Převádí se na UF6, ze kterého se vyrábí obohacené palivo.

Při výrobě palivových článků se uran nebo jeho sloučeniny odlévají při vysokém vakuu do válcovitých ingotů v grafitových formách nebo se lisují do palivových tablet.

113

Vznik odpadů

a) plynné 222

Rn, z něj vzniká dlouhodobý depozit RaDEF (Pb, Bi, Po) v dolech, na haldách, v odkališti, při zpracování uranové rudy (mechanickém, chemickém). Při mechanickém zpracování uranové rudy vznikají ještě aerosoly

238U,

230Th,

226Ra.

b) kapalné

důlní vody, obsahují 238

U, 230

Th, 226

Ra, neradioaktivní kationty a anionty.

vody z chemického zpracování uranu, obsahují 238

U, 230

Th, 226

Ra a ostatní členy rozpadové řady uranu, kyselinu sírovou, dusičnany, sírany, chloridy, těžké kovy, organická rozpouštědla.

průsakové vody z hald a odkališť, obsahují uvedené radionuklidy a neaktivní kationty a anionty

c) tuhé: haldy, odkaliště. Hlušina obsahuje ještě zbytek uranu, louženec, který se ukládá na odkaliště, představuje radioaktivní odpad.

V uranových rudách je uran v radioaktivní rovnováze s radionuklidy své rozpadové řady. Hornickým zásahem do přirozené struktury ložiska dojde k uvolnění části radonu, který kontaminuje ovzduší hlavně v dole. Výrazném uvolnění radioaktivních složek rudy nastane při jejím zpracování v chemických úpravnách. Při loužení zůstane většina radionuklidů v louženci, který se ukládá na odkaliště. Vzhledem k přítomnosti radioaktivních látek musí být brán zřetel na lokalizaci, konstrukci, pomocné vybavení odkališť, jejich monitorovací a zabezpečovací systém.

Zneškodňování odpadů

Kapalné odpady

Důlní vody s malým obsahem solí se čistí před vypuštěním do okolí iontovou výměnou na katexu a Ra se odstraňuje spolusrážením se síranem barnatým. Podobně se zpracovávají i průsakové vody z odkališť a hald.

Odpadní kyselé vody z loužení rudy se čistí tak, že přítomná kyselina sírová se zneutralizuje, při tom dojde k vysrážení těžkých kovů a některých síranů, k částečnému odstranění

230Th a

210Pb.

226Ra se spolusráží se síranem barnatým za vzniku směsného síranu radia a barya.

Na odstranění 226

Ra byl též aplikován přírodní baryt.

V Dolní Rožínce se uranová ruda zpracovávala na uranový koncentát loužením v chemické úpravně. Jako akumulační nádrže technologických vod sloužila dvě odkaliště. Technologické vody z odkališť se přečerpávaly zpět do výroby. Do uzavřeného vodního cyklu se však dostává cizí voda, kterou je hlavně voda sbíraná drenážemi z odkališť. Přebytečná voda se čistí elektrodialýzou a odpařováním. Vzniklý kondenzát slouží jako napájecí voda do kotle, jednak se vypouští do vodoteče. Jako vedlejší produkt odpařování se získá síran sodný, který se používá pro výrobu pracích prášků.

V uranovém dole ve Stráži pod Ralskem se uran těžil loužením hornin v podzemí. Celková plocha vyluhovacích polí činila 600 ha. Surovina se dobývala přibližně z hloubky 200 m pod povrchem. Do horniny se sítí vrtů vtlačoval slabý roztok kyseliny sírové, roztok s vylouženým uranem se dalším systémem vrtů čerpal na povrch a odváděl se do chemického provozu, kde se

114

z něj získal uran. Roztok zbavený uranu se upravil, okyselil a znovu vtlačil do podzemí. Hlavní problém sanace chemické těžby není na povrchu ale v podzemí. V podzemí se nahromadily kyselé vody. Tyto vody se koncentrují odpařováním v odparkách

Tuhé odpady

Důsledkem důlní těžby uranové rudy v Dolní Rožínce jsou těžební jámy, odvaly (haldy), odkaliště. Probíhá jejich likvidace a rekultivace. Svislá jáma se zaplní hlušinou z haldy a uzavře se betonem. Vodorovné chodby se nezaplňují. Pozemek bývalého dolu se vyčistí a upraví, osází se stromy nebo keři. Podzemní důlní prostory se přirozeným způsobem naplní vodou. Jakmile se důl zaplní, začne voda vytékat. Je shromažďována a po vyčištění se vypouští do okolní přírody.

Na zaplnění důlní jámy se spotřebuje jen část haldy. Zbytek haldy je nutné technicky a biologicky rekultivovat. Dostane tvar, který zapadá do reliéfu okolní krajiny. Na povrchu haldy nesmí úroveň aktivity překročit limit daný normou pro trvalý pobyt. Došlo-li k překročení limitu, je nutno kontaminovanou část haldy překrýt hlušinou nebo vybagrovat a odvést ke zpracování. Technicky rekultivovaná halda se překryje kalem z rybníků, tím je dán základ pro rekultivaci biologickou. Po ukončení technické a biologické rekultivace se pod haldou vyhloubí příkopy pro svod oplachových vod do sběrné nádrže. Tyto vody omývají a promývají haldu a mohou obsahovat vyšší množství uranu, než je přípustné pro povrchové vody. Ze sběrné nádrže je voda odvedena do likvidovaného dolu. Po jeho zaplnění bude voda z hald čištěna společně s vodou obsaženou v dole.

V Dolní Rožínce byl rmut po loužení ve formě kalu čerpán na odkaliště. Na odkališti se provádí monitorování půdy, vzduchu, podzemních a povrchových vod. Kolem odkaliště jsou stanovena pásma hygienické ochrany.

Odpady z výroby jaderného paliva

Odpady mají nízkou aktivitu, jsou většinou recyklovány. Při konverzi UF6 na UO2 vznikají plynné odpady obsahující amoniak, oxidy dusíku, vodní páru, vodík a radioaktivní aerosoly uranu, thoria a protaktinia.

115

8. 6. 2 Odpady z přepracování vyhořelého jaderného paliva Cílem přepracování je separace a rafinace zbylého nevyčerpaného štěpného materiálu a sekundárně vzniklých štěpných materiálů (

239Pu,

233U). Pracuje se s vysokými aktivitami.

Technologické schema přepracování vyhořelého jaderného paliva je na obr. 8. 5.

Obr. 8. 5: Technologické schéma přepracování

Postupy přepracování lze rozdělit na:

1. Hydrometalurgické (srážení nerozpustných sloučenin, extrakce tributylfosforečnanem, iontová výměna).

2. Pyrometalurgické.

Etapy přepracování

Chladnutí (vymírání) - rozpad krátkodobějších štěpných produktů. Vyhořelé jaderné palivo se na dobu několika let ukládá do vodního bazénu vedle reaktoru, kde poklesne jeho teplota i aktivita na zlomek původní hodnoty. Potom je z bazénu přeloženo do transportního kontejneru a převezeno do meziskladu.

116

Odstranění povlaků, dalších konstrukčních materiálů a rozpouštění paliva

Odstranění povlaků může být buď chemické nebo mechanické. Svazky palivových proutků jsou stříhány na kusy, které jsou ponořeny do rozpouštědla (kyselina dusičná). Zirkoniové povlaky se nerozpouštějí, po rozpuštění paliva jsou vyjmuty,upraveny a uloženy jako tuhé odpady.

Extrakce

Po rozpuštění palivových článků v kyselině dusičné následuje extrakce U a Pu tributylfosfátem (postup Purex).

Charakteristika odpadů z přepracování vyhořelého jaderného paliva Přepracování se provádí hlavně extrakcí metodou Purex. Odpady obsahují štěpné produkty (jejich hmotnost dosahuje podle stupně vyhoření 3-4% množství ozářeného paliva) a aktinidy. Při extrakci se kapalné odpady se štěpnými produkty oddělí od uranu a plutonia a koncentrují se.

Odpady se dělí do 3 kategorií podle měrné aktivity a podle tepelného výkonu. Pro jednotlivé typy odpadů jsou vypracovány příslušné technologie zpracování.

Vysoce aktivní kapalné odpady obsahují více než 97% celkového množství radioaktivních zářičů, uvolněných při přepracování. Vznikají v prvním extrakčním cyklu. Provádí se jejich vitrifikace.

Středně aktivní odpady z přepracování zahrnují povlakové materiály, kaly, náplně ionexových kolon a odpady kontaminované plutoniem. Obsah radionuklidů je mnohem nižší než ve vysoce aktivních odpadech a vývin tepla je minimální. Tyto odpady se solidifikují s cementem nebo s bitumenem a uzavírají do nerezových sudů a transportují na úložiště.

Nízkoaktivní odpady zahrnují papír, plastikové obaly, ručníky, ochranné oděvy, odpadový kov a další odpady z aktivních prostorů. Jsou smíšeny s cementem a uloženy do kontejneru a převezeny na úložiště.

Vysoce aktivní kapalné odpady

Roztoky štěpných produktů odpadající při hydrometalurgickém postupu přepracování vyhořelého jaderného paliva obsahují velké množství neaktivních látek (dusičnan hlinitý, zirkoničitý, železitý), korozní podukty jako chrom. Hlavním elektrolytem je kyselina dusičná. Z radionuklidů hlavně

137Cs,

90Sr,

95Nb,

95Zr,

106Ru,

144Ce,

131I,

140La.

Zpracování vysoce aktivních odpadů začíná jejich koncentrováním. Zpracování koncentrátu může být různé: bezpečné uložení, izolace některých štěpných produktů (

137Cs,

95Sr) a zbytek se

uloží, vitrifikace.

Vitrifikace

Při vitrifikaci se vysoce aktivní odpad převede na sklo. Sklo má vysokou odolnost proti působení vody, ve vitrifikovaném produktu jsou nebezpečné radionuklidy dokonale odděleny od životního prostředí. Dochází k výraznému zmenšení objemu odpadu. Při tomto procesu se uvolňují NOx, radioaktivní páry RuO4 a radioaktivní aerosoly, je nutné vícestupňové čištění odpadního plynu.

117

Ukládání vysoce aktivních odpadů v nádržích

Vysoce aktivní odpady z přepracování se v USA ukládají v nádržích. Před uložením se zkoncentrují a zneutralizují. Dochází k vývinu tepla následkem uvolnění energie rozpadu, probíhá radiolýza vody za vzniku kyslíku a vodíku, uniká vodní pára a aerosoly. Koncentrované vysoce aktivní odpady se mohou udržet při bodu varu až 100 let. V USA mají skladovací nádrže kapacitu 2.10

3 - 4.103 m

3, vnitřní průměr cca 23 m, výšku 6-12 m. Nádrže jsou železobetonové.

Plyn z nádrže se vede do kondenzátoru, kde zkondenzuje vodní pára a plyn po filtraci je vypuštěn do okolí. Nádrže jsou vybaveny pneumatickým mícháním, někdy mají chladící okruh.

Konečné ukládání vysoce aktivních odpadů

Pro pevné vysoce aktivní odpady zapouzdřené v sudech lze použít jen úložiště v hlubokých geologických formacích, které musí zajistit dokonalou izolaci radioaktivních odpadů od okolí. Při výstavbě úložišť se používá vícebariérového principu (obr. 8. 6). Možnosti úniku radioaktivních látek do okolí musí bránit několik bariér. Každá bariéra by měla stačit sama o sobě. Jako bariéra slouží hydrogeologický charakter lokality. Vhodná je kompaktní hornina, solné ložisko, vrstva suchého jílu. Dále je to drenážní systém, pojistná vrstva minerálního sorbentu, inženýrská konstrukce úložiště s izolační vrstvou, chemická a fyzikální forma odpadu. Úložiště musí být opatřeno monitorovacím systémem i pro kontrolu okolí do potřebné vzdálenosti.

Obr. 8. 6: Vícebariérový přístup při geologickém ukládání radioaktivních odpadů

118

Plynné odpady

Kromě kapalných a tuhých odpadů vznikají při přepracování vyhořelého jaderného paliva i plynné odpady. Hned na počátku procesu se uvolní radioaktivní vzácné plyny Kr, Xe, T,

14CO2,

páry I2, CH3I, aerosoly štěpných produktů a aktinidů a neaktivní NOx (rozkladem kyeliny dusičné).

Odstranění tritia

adsorpcí: jako adsorbenty pro tritium ve formě HTO se používají molekulová síta, silikagel, aktivovaná alumina, aktivní uhlí aj.,

izotopovou výměnou za H ve vodě za přítomnosti hydrofobního katalyzátoru (40 % hmot. polytetrafluorethylen, 60 % hmot. Pt na uhlíku),

převedením na kovové hydridy, např. Zr, Ti (jsou vhodné i pro skladování T).

Odstranění 14

CO2

adsorpcí na pevném hydroxidu vápenatém, barnatém, molekulových sítech, aktivním uhlí

absorpcí v roztoku hydroxidu sodného nebo draselného, v suspenzi hydroxidu vápenatého.

Odstranění 85

Kr

adsorpce na aktivním uhlí při nízkých teplotách kapalného dusíku, na molekulových sítech, silikagelu, alumině

kryogenní destilace: probíhá ve dvou kolonách. Při kryogenní destilaci se využívá různých bodů varu jednotlivých součástí odpadního plynu. Plyn se ochladí kapalným dusíkem na teplotu pod -160

oC, tj. nižší než jsou body varu Kr (-152,3

oC) a Xe (-107,1

oC) a oba plyny

zkapalní. Do středu první kolony vstupuje odpadní plyn s Kr a Xe ochlazený na teplotu pod -160

oC, nosný plyn dusík s dalšími nízkovroucími složkami jako Ar, O2 odchází hlavou

kolony, zkapalněný Kr a Xe se shromažďují dole. Kapalina je převedena do druhé kolony, kde se Kr oddělí od Xe

absorpcí: ve fluorovaných uhlovodících ( CCl2F2, CCl3F označované jako Freon 12, Freon 11), v chloridu uhličitém a v kapalném oxidu uhličitém.

Odstranění 129

I

adsorpce: jako adsorbenty se používají alumina impregnovaná 10-30 % AgNO3, amorfní kyselina křemičitá impregnovaná 7,5 % nebo 12 % AgNO3, molekulová síta ve stříbrné formě. I2 nebo CH3I reagují s Ag za vzniku AgI, který je mimořádně stabilní,

absorpce:

a) roztok Hg(NO3)2 o koncentraci 0,2-0,4 mol/l s roztokem kyseliny dusičné o koncentraci 1 mol/l, lze dosáhnout dekontaminačního faktoru pro I2 až 104. Hg(NO3)2 tvoří s jodem sloučeniny HgI+, HgI2, HgI3

-. Po ukončení absorpce se jod vysráží přidáním Cu2+ jako CuI2 s 99,99 % účinností,

119

b) kyselina dusičná o koncentraci 20-22 mol/l, tímto procesem (IODOX) se dosáhne pro organické sloučeniny jodu dekontaminační faktor 104. Konečným produktem je sloučenina HI3O8, která je kontinuálně odváděna ze dna absorbéru.

Odstranění NOx

absorpce ve vodě

Odstranění aerosolů

mokré mechanické odlučovače

filtry

8. 7 Metoda ADTT (Accelerator-Driven Transmutation Technology) na zneškodnění vysoceaktivních odpadů

Vyhořelé jaderné palivo obsahuje jako radioaktivní odpad dvě hlavní složky: aktinidy ( plutonium, neptunium a americium) a štěpné produkty. Aktinidy jsou radioaktivní, některé s dlouhým poločasem rozpadu, který je příčinou jejich extrémně dlouhé doby potřebné pro jejich uložení. Štěpné produkty většinou jsou radioaktivní s různou dobou poločasu rozpadu.

V tabulce 8. 2 , s. 122 jsou uvedena množství a poločasy rozpadu aktinidů a hlavních štěpných produktů s poločasem rozpadu delším než 10 let, které se vytvoří ročně v lehkovodním reaktoru o výkonu 1000 MWe a jsou ve vyhořelém palivu 10 let po vyjmutí z reaktoru. Aby nebylo nutné tyto odpady extrémně dlouhou dobu ukládat, hledají se metody, jak radionuklidy s dlouhým poločasem rozpadu přeměnit na krátkodobé, případně stabilní. Takovou je shora uvedená metoda ADTT. Při aplikaci této metody se používají následující prvky:

1. Urychlovač, kde se urychlí protony

2. Reaktor, uprostřed něho je terčík, do kterého dopadají urychlené protony a vyvolají tříštivou reakci, při které se uvolní neutrony, které štěpí radioaktivní odpad, který protéká kolem terčíku tak dlouho až se přemění radionuklidy s dlouhým poločasem rozpadu. Radioaktivní odpad je ve formě roztavených solí.

3. Odstředivka - separace radioaktivního odpadu s krátkým poločasem rozpadu

Základní komponenty technologie ADTT představuje obr. 8. 7, na obr. 8. 8 je znázorněn reaktor pro transmutaci vysoce aktivních odpadů, obr. 8. 9 shrnuje možnosti použití transmutační technologie. Technologie ADTT je vývoji.

120

Obr. 8. 7 Základní komponenty technologie ADTT

Obr. 8. 8: Reaktor pro transmutaci radioaktivních odpadů

121

Obr. 8. 9: Možnosti využití ADTT-transmutační technologie na bázi urychlovače

8. 8 Škodlivé účinky emisí z jaderných elektráren V jaderných elektrárnách se dostávají do odpadního plynu radionuklidy vzácných plynů (Ar, Kr, Xe), radionuklidy jodu, tritium,

14C, aerosoly

60Co,

51Cr,

54Mn,

59Fe,

65Zn,

95Zr,

85Sr,

90Sr,

124Sb,

132Te,

134Cs,

137Cs,

140Ba,

141Ce aj. Před vypuštěním plynu do ovzduší je jejich koncentrace

snížena na přípustný limit.

Celkově je dávka ionizujícího záření z celého jaderně energetického cyklu jen malou částí (cca 1%) z přirozeného pozadí (kosmické záření a přirozená radioaktivita).

8. 8. 1 Radiotoxicita Důležitou vlastností, kterou sledujeme z radiobiologického hlediska u radionuklidů je jejich radiotoxicita. Radioaktivní látky mohou být toxické i ve velmi nízkých koncentracích. Radiotoxicita je úměrná poločasu přeměny, druhu a energii záření, metabolismu prvku a rychlosti vylučování z organismu. Radionuklidy jsou rozděleny do 4 skupin: na velmi vysoko toxické, velmi toxické, středně a málo toxické. V tabulce 8. 3 jsou uvedeny radionuklidy prvních dvou skupin. Další tabulka 8. 4 obsahuje nejvyšší přípustné koncentrace některých radionuklidů ve vdechovaném vzduchu a kritický orgán v těle.

122

Tabulka 8. 2: Aktinidy a některé štěpné produkty ve vyhořelém jaderném palivu

Taulka 8. 3: Velmi vysoce toxické a velmi toxické radionuklidy

123

Tabulka 8. 4: Nejvyšší přípustné koncentrace vybraných radionuklidů ve vdechovaném vzduchu

8. 8. 2 Vlastnosti některých radionuklidů 3H - tritium, vzniká v plynné formě, brzy se oxiduje a tvoří tritiovou vodu. Tritium zachovává

metabolismus vody, kritickým orgánem jsou měkké tkáně. Vlastnosti tritiové vody jsou stejné jako normální vody, takže tritium je rozšířeno ve všech tělních tekutinách. Tritium je významné z hlediska vnitřní kontaminace. 85

Kr - krypton, kumuluje se v atmosféře a vzhledem ke svému poločasu 10,8 let způsobuje její celkovou kontaminaci. Jeho chemická aktivita je nízká, rozpustnost ve vodě malá. Zúčastňuje se tedy málo metabolických procesů, a tím i málo proniká do potravinového řetězce. I když je koncentrace 85Kr v atmosféře zvýšená, zdravotní ohrožení není významné. 90

Sr - stroncium, má velmi dlouhý biologický poločas, tvoří chemické sloučeniny chemicky podobné sloučeninám vápníku, nahrazuje vápník v chrupavkách a v kostech. Největší nebezpečí znamená pro kostní dřeň, v důsledku ozáření nastane porucha krvetvorby. Kritickým orgánem jsou kosti. 129

I - jód, do životního prostředí se dostává jako elementární nebo ve formě organické sloučeniny. Jód se u vyšších druhů zvířat absorbuje ve štítné žláze, ve slinných a mléčných žlázách a ve sliznici žaludku.

124

137Cs - cesium, patří mezi alkalické kovy, chemické vlastnosti má podobné draslíku a rubidiu.

Ukládá se ve svalstvu a v měkkých tkáních. Vysokou akumulací se vyznačují ryby. Do lidského organismu se dostává potravou, metabolizuje jako draslík. Kritickým orgánem je celé tělo. 238

U - uran, má biologický poločas přeměny 15 dnů pro ledviny, 100 dnů pro celé tělo, je v litosféře hodně rozšířen. 239

Pu - plutonium, je chemický jed s vyšší toxicitou než ostatní těžké kovy, jeho biologický poločas pro kosti je 7,3.10

4 dne. V atmosféře se vyskytuje ve formě aerosolu. Plutonium se koncentruje hlavně v kostech, plících a játrech. Negativní důsledky se projeví až po několika desítkách let, latentní období je asi 15 let, kdy se neprojevují žádné příznaky, potom následuje asi 30 leté období se zvýšenou pravděpodobností vzniku rakoviny.

Biologický poločas přeměny (Tb) - je doba, za kterou se z organismu vyloučí polovina množství radionuklidu přijatého organismem.

8. 8. 3 Šíření radionuklidů v životním prostředí Koncentrace radionuklidů při jejich transportu životním prostředím obecně se vzdáleností klesá. Disperze radionuklidů je závislá na jejich druhu, chemické a fyzikální formě, rozpustnosti ve vodě, na okolních podmínkách (počasí, směr větru, spodní vody), na velikosti částic.

Akumulace radionuklidů v organismu závisí na vnější morfologii organismu. Ovlivňuje ji jeho metabolismus a fyziologické charakteristiky, které ovlivňují příjem, vstřebávání, distribuci v tkáni a záchyt radionuklidu rostlinami a živočichy. Akumulace radionuklidu závisí na adsorpční schopnosti povrchu organismu. Organismy s velkým povrchem vzhledem ke své hmotnosti akumulují větší množství radionuklidů ze vzduchu, vody, půdy ( např. lišejníky).

Na obr. 8. 10 je schematicky znázorněna disperze radionuklidů v atmosféře, která vede k ozáření člověka.

Obr. 8. 10 Schematické znázornění šíření radionuklidů v atmosféře

125

8. 8. 4 Šíření radionuklidů v lidském organismu Šíření radionuklidu v lidském těle sestává z několika fází: vstup, ukládání a vylučování.

Radionuklidy se dostávají do lidského těla ingescí (s potravou), inhalací (vdechnutím) nebo povrchem kůže a sliznic (resorpcí).

Při inhalaci se radioaktivní plyny nebo aerosoly dostávají vdechovaným vzduchem do horních cest dýchacích. V závislosti na velikosti se aerosoly zachytí v horních cestách dýchacích nebo v plících. Jejich další šíření v lidském organismu závisí na dechové frekvenci, nádechovém objemu, na velikosti částic a jejich chemické povaze. Lehce rozpustné látky se mohou dostat přes alveoly do krve a odtud do ostatních orgánů. Část aerosolových částic se dostává do zažívacího traktu a část zůstává trvale v plících, kde největší částice mohou být několik měsíců až let.

Neporušeným povrchem kůže a sliznic se radionuklidy vstřebávají málo. Spíše dochází k jejich adsorpci nebo se váží v povrchových vrstvách s proteiny. Je-li povrch narušen, vstřebávají se rozpustné látky velmi rychle do krve (po 15 minutách se vstřebá až 80% radioaktikvní látky). Naproti tomu nerozpustné sloučeniny se vstřebávají velice málo, i po 24 hodinách zůstavají na povrchu rány.

Po proniknutí do organismu se radionuklidy šíří různými cestami, hromadí se v jednotlivých orgánech a zároveň dochází k jejich vylučování. Orgán, ve kterém se po určité době nahromadí nejvíce radioaktivní látky se nazývá kritický orgán. Radionuklidy se mohou v organismus rozdělit rovnoměrně (např. izotopy H, K, Rb, Cs) nebo hromadit v kostech (např. izotopy Sr, U, Pu), nebo dochází k jejich hromadění v buňkách. Distribuce je závislá na chemické povaze radionuklidu, jeho měrné aktivitě, na místě vstupu do organismu. U některých radionuklidů má vliv věk organismu, výživa, množství a složení potravy. Radionuklidy se mohou také redistribuovat, mohou se postupně uvolnit z původního orgánu (např. jater) a kumulovat v jiném (např. v kostech). Léčba vnitřní kontaminace spočívá v urychleném vyloučení radionuklidu z organismu.

Některé radionuklidy se chovají jako nutriční analogy. Nutriční analog je prvek, který je svými vlastnostmi podobný prvku přijímanému organismem v potravě. Např. radionuklidy

89Sr,

90Sr,

140Ba,

226Ra se chovají jako vápník,

86Rb,

137Cs jako draslík, tritium (

3H) jako vodík. Jsou také

radionuklidy, které mají odlišné chování od nutričních prvků, např. 85

Kr, 95

Zr, 144

Ce, 106

Ru.

8. 8. 5 Biologické účinky ionizujícího záření Biologický účinek ionizujícího záření závisí na druhu záření (alfa, beta, gama, neutrony), jeho dávce, na velikosti a typu tělesného objemu vystaveného záření (lokální nebo celkové ozáření organismu). Ozáření může být vnější-zdroj záření je mimo organismus, nebo vnitřní, kdy radionuklid se dostal ingescí, inhalací, povrchem kůže do organismu. Vnější ozáření způsobují radionuklidy, které emitují záření gama, neutrony a beta vyšších energií. Vnitřní ozáření způsobují radionuklidy emitující částice alfa nebo beta, které jsou uvnitř organismu a působí destruktivně na tkáně nebo kostní dřeň.

Míra radiačního poškození způsobená určitou dávkou záření závisí na časovém rozdělení dávky a na reparačních schopnostech ozářeného jedince. Poškození, která se projeví na ozářeném jedinci se nazývají somatická, ta která se projeví až na potomstvu genetická (dědičná). Účinky se dále dělí na stochastické (náhodné) a na nestochastické (deterministické). Stochastické jsou takové, kdy u ozářeného jedince nelze prokázat příčinnou souvislost mezi poškozením

126

a ozářením. U nestochastických účinků je průkazná příčinná souvislost mezi ozářením a poškozením.

Ke kvantifikaci biologického působení záření (které tkví v ionizaci buněk) je nutné především znát energii absorbovanou v příslušných tkáních. Tuto energii nazýváme absorbovanou dávkou D. Její jednotka se nazývá gray (Gy) a představuje energii 1 joule (J) absorbovanou v 1 kg tkáně (J/kg). Biologické působení záření závisí nejen na množství energie (absorbované dávce), ale i na druhu záření, které dávku způsobilo. Tento efekt je vyjádřen zavedením tzv. ekvivalentní dávky (Dekv), která vyplývá ze vztahu:

Dekv = D.QF

QF je faktor kvality záření a má následující hodnoty:

pro beta a gama záření: QF = 1

pro neutrony: QF = 3-10 (čím vyšší energie, tím vyšší QF)

pro alfa záření: QF = 20

To např. znamená, že při stejné absorbované dávce je biologické poškození 10x větší při ozařování rychlými neutrony než gama zářením.

Jednotka ekvivalentní dávky (Gy x QF) se nazývá sievert (Sv).

O podmínkách pro vykonávání činností, které souvisejí s využíváním jaderné energie a ionizujícího záření a o nakládání s radioaktivními odpady pojednává zákon č. 13/2002 o mírovém využívání jaderné energie a ionizujícího záření (atomový zákon), o radiační bezpečnosti vyhláška č. 307/2002.

127

Seznam literatury

1. Kalčík J.: Technická termodynamika, Nakl. ČSAV, Praha 1963.

2. Černý Č.: Fyzikální chemie I pro FPBT, VŠCHT Praha 1989 (skriptum).

3. Eliášek J., Pelikán J: Energetika: VŠCHT Praha, SNTL, Praha 1983 (skriptum).

4. Dvořák L.:Zdroje a přeměny energie: ČVUT-strojní fakulta, ed. středisko ČVUT, Praha 1986 (skriptum).

5. Lecjaks Z, Chocholouš J: Energetika, VŠCHT Pardubic, 1983 (skriptum).

6. Dvořák L., Marvan B. : Zdroje a přeměny energie II, Cvičení, VUT-strojní fakulta, ed.středisko, Praha 1987 (skriptum).

7. Dvořák L.: Energetické stroje a zařízení, ČVUT-strojní fakulta,

ed. středisko, Praha 1987 (skriptum).

8. Salaba J., Cipra M., Šťastný J.:Energetická strojní zařízení, ČVUT FEL, Praha 1990 (skriptum).

9. Dvořák L., Brož K.: Teplárenství a potrubní sítě, vyd. ČVUT Praha, 1993.

10. Klik F., Daliba J.: Jaderná energetika, ČVUT-strojní fakulta,vyd. ČVUT, Praha 1995 (skriptum).

11. Daliba J., Marvan B.: Vodní hospodářství tepelných centrál, ČVUT-strojní fakulta, ed. středisko ČVUT 1992 (skriptum).

12. Pick P.: Technologie ochrany ovzduší, CA "Publishing", Praha 1991.

13. Kuraš M. a kol.: Odpady, jejich využití a zneškodňování, vyd.ČEU pro VŠCHT Praha, 1994.

14. Koller J.: Ochrana prostředí v průmyslu I, VŠCHT Praha, SNTL 1984 (skriptum).

15. Anon.: Nuclear power and health. The implications for health of nuclear power production, WHO, Reg. Pub. Europ. Ser., No. 51, Copenhagen 1994.

16. Anon.: Design of off-gas and air cleaning systems at nuclear power plants, Tech. Rep. Ser. No. 274, IAEA, Vienna 1987.

17. Matějka K. aj.: Vyhořelé jaderné palivo, FJFI ČVUT, Praha 1996, PHARE, sv. 5.

18. Beneš P., Novotná J.: Chemie a radiační hygiena prostředí, vyd. ČVUT, 1995 (skriptum).

19. Otčenášek P.: Základy konstrukce a funkce jaderných elektráren, vyd. ČVUT, Praha, 1994 (skriptum).

20. Kepák F.: Separace radionuklidů z plynu, Studie ČSAV č. 15, Academia, Praha 1989.

21. Dlouhý Z. a kol.: Disposal of radioactive wastes, Elsevier, Amsterdam, 1982.

22. Neumann L., Rýpar V.: Přehled chemické technologie jaderného průmyslu, SNTL, Praha 1964.

23. Anon.: Design and operation of off-gas cleaning systems at high level liquid waste conditioning facilities, Tech. Rep. Ser. No 291, IAEA, Vienna 1988.

24. Treatment of gaseous effluents at nuclear facilities (ed. Goossens W.R.A, Eichholz G.G., Tedder D.W.),Harwood acad. publ., Melbourne 1991.

128

25. Blažej A., aj: Chemické aspekty životného prostredia, ALFA, Bratislava, SNTL Praha 1981.

26. Prokopec L.: Technologie manipulace, zpracování a ukládání vedlejších energetických produktů, Sborník z konference "Energetika a životní prostředí v roce 1998", Hradec Králové 1998, s. 126.

27. Musil V., Peleška L.: Využití vedlejších energetických produktů - ekologický i ekonomický přínos, Sborník z konference "Energetika a životní prostředí v roce 1998", Hradec Králové 1998, s. 131.

28. Otčenášek P.: Uzavření palivového cyklu československých jaderných elektráren, Jaderná energie 38,184(1992).

29. Kepák F.: Vznik plynů, par a aerosolů v procesech tepelného zpracování radioaktivních odpadů a postupy jejich zneškodnění, Bezpečnost jaderné energie 4(42), 301(1996).

30. Vaníček J.: Vyhořelé palivo a jeho zpracování, Jiné metody likvidace vysoceaktivních odpadů, Svět energetiky, zvl. č., s. 3, 36, 1995.

31. Míl J.: Nakládání s vyhořelým jaderným palivem v ČEZ, a.s., Svět energetiky, zvl. č., s. 6., 1995.

32. Štěpánek L.: Mezisklad vyhořelého paliva v Jaderné elektrárně Dukovany,Přeprava vyhořelého jaderného paliva, Hlubinné ukládání vyhořelého jaderného paliva, Svět energetiky, zvl. č., s. 10, 19, 24, 1995.

33. Brich P.: Centrální mezisklad vyhořelého jaderného paliva, Svět energetiky, zvl. č., s. 14, 1995.

34. Mlynář J.: Palivový cyklus jaderných elektráren v naší republice, Planeta 96, IV, č. 11, s. 11, 1996.

35. Mitáš J., Zacios J.: Příběh uranové Rožínky, Odpad č.9-10, s. 17 (1993).

36. Jahůdka M., Hlaváčková M.: Sanace kyselých roztoků uranového ložiska DIAMO, Odpady č. 5 (1997).

37. Prospekty ČEZ, a. s.

38. Čermák J.: Spalovací zařízení a kotle, SNTL Praha 1964.

39. Beneš J.: Radioaktivní zamoření biosféry, Academia, Praha 1974.

40. Jiříček I.: Konstrukce základních prvků tepelných elektráren, vyd. VŠCHT Praha 1997 (skriptum).

41. Baran V.: Jaderná energetika a další problémy moderní civilizace, Academia, Praha 1992.

42. Malý J., Hlavínek P.: Čištění průmyslových odpadních vod, NOEL 2000 s.r.o., 1996.

43. Svoboda K., Kepák F.: Energetika a životní prostředí, Fakulta životního prostředí, Univerzita J. E. Purkyně, Ústí nad Labem 1998 (skriptum).

44. Tykva R., Berg D.: Man-Made and Natural Radioactivity in Environmental Pollution and Radiochronology, Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, Boston, London 2004.

45. Hanslík E., Šimonek P., Riedl M. aj.: Porovnání bilance radioaktivních látek v odpadních vodách z těžby uranu a v povrchových vodách v roce 1999, Vodní hospodářství 51, č. 2, 2001, Příloha VTEI 43, č. 1, s. 5-8, 2001.

129

46. Rychtařík T.: Průběh sanačních prací po chemické těžbě uranu, Energetika 53, č. 9, s. 300-301, 2003.

47. Štamberg K.: Technologie jaderných paliv II, vyd. ČVUT Praha, 1998 (skriptum).

48. Nachmilner L.: Principy nakládání s radioaktivními odpady, vyd. ČVUT Praha , 2000

(skriptum).

49.Brož K., Šourek B.: Alternativní zdroje energie, vyd. ČVUT Praha, 2003 (skriptum).

50. Ladomerský J. aj.: Energetika a životné prostredie, vyd. Tech. univerzita vo Zvolene,

2000 (skriptum).

51. Vošta J., Matějka Z., Macák J.: Energetika, vyd. VŠCHT Praha, 1999 (skriptum).

52. Macák J.: Energetika. Návody k výpočtům, vyd. VŠCHT Praha, 2001 (skriptum).

53. Vejvoda J., Machač P., Buryan P.: Technologie ochrany ovzduší a čištění odpadních plynů,

vyd. VŠCHT Praha, 2003 (skriptum).

130

Příklady

1) Ideální Carnotův tepelný stroj pracuje s ohřívačem o teplotě 400K, s chladičem o teplotě 300K. Kolik energie ve formě tepla přijal chladič v jednom cyklu, když stroj vykonal práci 500J ? Pro účinnost ideálního Carnotova stroje platí:

η = (T2 – T1)/ T2 = - w/q2 T2 = 400 K, T1 = 300 K, w = -500 J η = (400 – 300)/400 = 0,25 25% energie přijaté ohřívačem se mění na práci. w = - ( q1 + q2 ) Pro q2 vychází: q2 = - w/η = 500/ 0,25 = 2000 J Pro q1 vychází: q1 = -w – q2 = 500 – 2000 = - 1 500J

Stroj odevzdal (proto záporné znaménko) 1500 J energie ve formě tepla.

Změnu entropie při vratné izotermické expanzi Carnotova cyklu lze vypočítat podle vztahu:

dS = dqrev /T

Změna entropie při vratné izotermické expanzi při 400 K je:

∆S2 = q2 /T2 = 2000/400 = 5 J K-1

Změna entropie při vratné izotermické kompresi je:

∆ S1 = q1/T1 = -1500/300 = -5 J K-1

To je v souladu se vztahem:

∆ S1 + ∆ S2 = 0 ( pro Carnotův cyklus),

neboť :

∆ S1 + ∆ S2 = -5 + 5 = 0

2) Spotřeba plynu činila 26,3 m3 za hodinu při teplotě 19 ºC a tlaku 0,1 MPa. Vypočítete objem tohoto plynu za normálních podmínek.

Stavová rovnice plynu:

Pro 1 kg plynu:

pV = RT

Pro celkovou hmotnost plynu m (kg):

pV= mRT

Pro hmotnost 1 kmol M ( kg.kmol-1 ):

pV = MRT = RmT R = Rm /M

Rm – univerzální plynová konstanta (Jkmol-1K-1)

131

Pro přepočet stavu plynu na normální podmínky nebo naopak platí rovnice:

p0 V0/T0 = p V/T (1)

Indexem „0“ značené symboly se vztahují k normálnímu stavu nebo ke známému výchozímu stavu, symboly bez indexu se vztahují ke hledanému stavu.

Normální podmínky pro plyny:

T0 - 273K (0ºC)

p0 - 101,3.103 Pa

V0 - 22,4 m3 pro 1 kmol

Řešení podle rovnice (1):

V0 = 100.103.26,3. 273/(273+19).101,3.103 = 24,2 m3

3) V závodní elektrárně se spálí 20 t h-1 hnědého uhlí o výhřevnosti 22 680 kJ kg-1 . Vypočítejte výkon elektrárny, jestliže její účinnost η = 0,22.

P = m.wt = 20.103 . 22 680.0,22/3600 = 27,7 MW

4) Jaké je spalné teplo a výhřevnost plynu o složení (objemová procenta):

CO2 - 3,6%, C2H4 - 2,8%, O2 - 0,4%, CO - 12,0%, CH4 - 21,7%, H2 - 48,1%, N2 - 11,4%?

a) spalné teplo

% obj. objem jednotlivých složek spalné teplo spalné teplo složky

v 1 m3 kJ m -3 kJ

CO2 3,6 0,036 0 0

C2H4 2,8 0,028 64 016 1 792

O2 0,4 0,004 0 0

CO 12,0 0,120 12 700 1 524

CH4 21,7 0,217 39 888 8 656

H2 48,1 0,481 12 790 6 152

N2 11,4 0,114 0 0

Spalné teplo plynu: 18 124 kJ m-3

132

b) výhřevnost

% obj . objem jednotlivých složek výhřevnost výhřevnost složky

v 1 m3 kJ m-3 kJ

CO2 3,6 0,036 0 0

C2H4 2,8 0,028 59 955 1 679

O2 0,4 0,004 0 0

CO 12,0 0,120 12 700 1 524

CH4 21,7 0,217 35 850 7 779

H2 48,1 0,481 10 752 5 172

N2 11,4 0,144 0 0

Výhřevnost plynu: 16 154 kJ m-3

Date post:	26-May-2019
Category:	Documents
Upload:	lamminh
View:	220 times
Download:	0 times

ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - Fakulta životního...

Documents