Nový systém dávkování paliva pro technologie termického zpracování biomasy

Š. Kotačka, T. Pařízek, F. Jedlička, J. Šikula
Moravskoslezský energetický klastr, o.s, Studentská 6202/17, 708 33 Ostrava – Poruba

Spalování biomasy je z technického pohledu v současné době zcela běžnou
a zvládnutou záležitostí. Biomasa je spalována ve spalovacích zařízeních různých typů, např. roštových, fluidních, atp. a energie uvolněná během spalování je využívána k různým účelům, především k výrobě páry v parních kotlích nebo k ohřevu vody.

Spalováním biomasy dochází k získání energie z obnovitelných zdrojů a tím k ochraně životního prostředí a úspoře omezených zásob neobnovitelných zdrojů. Jedním z nejrozšířenějších typů biomasy je v současné době dřevní štěpka různé hrubosti, piliny, hobliny a jiný odpad pocházející ze zpracování dřeva, části větví stromů nebo keřů, ale také produkty ze zemědělství jako například sláma, obiloviny anebo traviny. Ideální využití biomasy jako paliva je přímo tam, kde dochází k její produkci anebo v blízkém okolí.

Základním procesem před vlastním spalováním biomasy je její skladování, úprava, doprava a dávkování do spalovacího zařízení. Toto je z technického pohledu v současné době zcela běžnou a ve většině případů zvládnutou záležitostí. Biomasa bývá zpravidla uskladněna ve větším množství na jednom vyhrazeném místě nazývaném sklad paliva. Odtud je následně po částech dopravována a dávkována do spalovacího zařízení. Způsob dopravy a dávkování biomasy je závislý na použité biomase, dispozičnímu uspořádání zařízení, provozních podmínkách a technickému provedení spalovacího zařízení a lze ho obecně nazvat systémem dopravy paliva. V praxi se využívá jak kontinuálního, tak periodického systému dopravy paliva anebo jejich kombinace. Častým prvkem používaným v systému dopravy paliva je mezisklad (mezi zásobník), který je z jedné strany obecně plněn ze skladu paliva
a z druhé strany řízeně vyprazdňován v závislosti na provozu spalovacího zařízení. Právě řízené a spolehlivé dávkování paliva do spalovacího zařízení je velice důležité pro udržení jeho požadovaného (optimálního) provozního stavu.

Při spalování „drcené“ biomasy, jakou je například štěpka, piliny, hobliny, atd., je systém dopravy paliva obvykle tvořen již zmíněným meziskladem paliva
a podávacím zařízením, které může být tvořeno šnekovými dopravníky, elevátory, dopravními pásy anebo jednoúčelovými zařízeními jako je například hradlový podavač s centrálním nosným a vodící m táhlem. Spalování tohoto typu biomasy je pro provozovatele zařízení optimálním řešením. Získaná biomasa je již připravena pro spalování a není nutné vynakládat další energii pro její přípravu. V praxi dochází také k produkci „kusové“ biomasy, jakou jsou například větve stromů, keřů anebo hrubý odpad při zpracování dřeva (špalíky, odřezky desek, latí, odkorky, atd.).

Při zpracování „kusové“ biomasy je nutné systém dopravy paliva doplnit
o aparát přípravy štěpky. Tento aparát je zastoupen nejčastěji drtičem, který z kusové biomasy vytvoří drcenou biomasu požadovaných parametrů. Drtič může být zařazen již na vstupu biomasy do skladu paliva, kdy je kusová biomasa podrcena ještě před jejím skladováním. Druhým způsobem je vložení drtiče do oblasti meziskladu, kdy je kusová biomasa drcena až před vlastním dávkováním do spalovacího zařízení. Spalování tohoto typu biomasy je obecně pro provozovatele z energetického hlediska vlivem vloženého drtiče již méně ekonomicky výhodné a to i v případě, že biomasu tvoří odpad z vlastní produkce.

Cílem projektu „Výzkum a vývoj experimentálního zkušebního zařízení – systém dopravy“, který zadal pro rok 2014 Moravskoslezský energetický klastr, je projekční návrh moderního a efektivního systému dopravy kontaminované biomasy
a předupraveného směsného odpadu pro technologickou jednotku pro výrobu čisté energie.

Výchozí stav dávkování paliva v technologii pro energetické využití biomasy

V roce 2012 byla instalována v areálu Dřevoparu v Lošticích biomasová kotelna, která využívá jako palivo odpadní dřevo vznikající v areálu závodu. Tepelný výkon kotle je 3MWt, elektrický výkon na svorkách generátoru je 180 kWe. Při předpokladu že fond pracovní doby je 6 800 hodin za rok a při hodinové spotřebě dřevní hmoty asi 1000 kg/h je spotřeba paliva asi 6 800 tun/rok. Veškeré palivo vzniká jako odpad z výroby dřevěných parket přímo v areálu společnosti Dřevopar.

Kotelna je vybavena vlastním průjezdným meziskladem paliva, provozním skladem paliva s hydraulickou podlahou, dopravní cestou paliva do kotle, spalovací komorou s vratisuvným roštem, parním kotlem s pomocnými zařízeními, multicyklonem, spalinovým ventilátorem a komínem. Pára vyrobená v parním kotli je přivedena do turbogenerátoru. Z turbogenerátoru pára proudí do parního rozvodu
v závodu a do kondenzátorů páry. Pro výrobu páry je využívána voda z existujícího vrtu, která je upravována v jednotce pro úpravu vody na požadované parametry. Kotel je vybaven dopravníkem roštového popele a uzavřeným kontejnerem pro skladování popele. V rámci kotelny je vybudován velín, ve kterém je umístěno operátorské PC pro ovládání technologie.

Obr. 1 Technologie pro energetické využití biomasy.

Stávající palivové hospodářství se skládá z následujících hlavních částí:

Hydraulická podlaha

Nachází se celá ve venkovním zastřešeném prostoru a slouží jako provozní zásoba paliva. Palivo je na ni naváženo pomocí kolového nakladače otevřenou čelní stranou z vnitropodnikové zpevněné komunikace. Na protilehlé zadní straně navazuje na podlahu příčný palivový kanál. Boční stěny tvoří dřevěné příčky, z nichž jedna je současně stěnou budovy kotelny.

Dno hydraulické podlahy tvoří betonová deska, na které jsou nainstalovány

3 totožné sekce podélných hydraulických hrabel doplněná o hrabla pevná ukotvená
k betonové desce. Každou sekci tvoří svařovaný ocelový rám složený z bočních profilů, hrabel a středového táhla vedeného pevnými průvlaky ukotvenými k betonové podlaze. Hrabla jsou vyrobena z plechu a tvoří uzavřenou „skříň“ klínového tvaru. Orientace a poloha hrabel v rámu je přesně definována. Středové táhlo je napojeno na pístnici hydraulického válce, které zajišťuje přímočarý vratný pohyb.

Při vysouvání pístnice dochází k zajíždění sekce do provozní zásoby paliva (hrabla vnikají klínovou stranou do materiálu). Při zasouvání pístnice dochází
k vyjíždění sekce z provozní zásoby paliva a rovnou stranou hrabel je palivo hrnuto směrem k příčnému palivovému kanálu. Palivo nacházející se na hraně kanálu do něj samovolně přepadává. Všechny namáhané funkční části hydraulické podlahy jsou vyrobeny z otěruvzdorného materiálu.

Zdrojem energie pro pohyb pístnice hydraulických válců je hydraulický agregát společný pro potřeby příčného palivového kanálu.

Obr. 2 Hydraulická podlaha

Příčný palivový kanál

Nachází se z větší části ve venkovním zastřešeném prostoru a svým výstupním koncem zasahuje do vnitřního prostoru budovy kotelny a slouží jako doprava a dávkování paliva do spalovací komory kotle. Na výstupní straně na něho navazuje stoupací kanál do kotle. Celý příčný kanál se nachází pod úrovní hydraulické podlahy.

Příčný palivový kanál je tvořen ocelovým korytem pevně zabudovaným
v betonových základech, jedním svařeným ocelovým pohyblivým rámem a pevnými hrably navařenými na dno koryta. Výstupní stranu koryta tvoří pevný střižný nůž
a příruba pro napojení stoupacího kanálu. Pohyblivý rám tvoří uzavřená skříň hydraulického válce, nosné středové táhlo, hrabla a čelní „beran“ se střižným nožem. Hrabla jsou vyrobena z plechu a tvoří uzavřenou „skříň“ klínovitého tvaru a jsou pevně navařena na středové táhlo. Orientace a poloha hrabel na táhle je přesně definována. Středové táhlo je napojeno na pístnici hydraulického válce, které zajišťuje přímočarý vratný pohyb. Vedení pohyblivého rámu zajišťují pevné průvlaky navařené na dno koryta.

Při vysouvání pístnice dochází k zajíždění rámu směrem do stoupacího kanálu a rovnou stranou hrabla dopravě paliva do spalovací komory kotle. Při zasouvání pístnice dochází k vyjíždění rámu směrem od stoupacího kanálu a zajíždění klínové části hrabla do paliva nahrnutého v korytě. Palivo na hraně hrabla přepadává. Střižné nože slouží k naformátování paliva do průřezu stoupacího kanálu. Počet cyklů pohyblivého rámu udává velikost dávky paliva.

Všechny namáhané funkční části hydraulické podlahy jsou vyrobeny
z otěruvzdorného materiálu.

Zdrojem energie pro pohyb pístnice hydraulického válce je hydraulický agregát společný pro potřeby hydraulické podlahy.

Obr. 3 Příčný palivový kanál

Stoupací kanál

Stoupací kanál propojuje výstupní přírubu příčného palivového kanálu a vstup do spalovací komory kotle. Slouží k vynesení paliva z úrovně příčného kanálu do úrovně roštu spalovací komory. Kanál je vyrobený v jednom kuse z ocelového plechu, je dvouplášťový s vodní náplní. Při provozu kotle slouží voda

k předehřevu paliva. Při odstavování kotle dochází k vyhořívání paliva uvnitř stoupacího kanálu a voda slouží k chlazení stoupacího kanálu.

Obr. 4 Stoupací kanál

Podstata technického řešení

Vzhledem ke zvýšeným nákladům pro přípravu kusové biomasy před jejím spalováním bylo rámci projektu „Výzkum a vývoj experimentálního zkušebního zařízení – systém dopravy“ od zadavatele MSEK navrženo technické řešení systému dopravy biomasy a kontaminované biomasy, které řeší problematiku dávkování kusového paliva bez nutnosti jeho dodatečné přípravy pro spalování. Při spojení tohoto řešení systému dopravy s vhodným spalovacím zařízením umožňujícím spalování kusového paliva vznikne ideální řešení použitelné zejména pro zpracovatele dřeva.

Navržený systém dopravy paliva je schopen pracovat s kusy paliva až do délky 500mm a průměru do 50mm u tvrdého dřeva. V případě spalování měkkého dřeva může být průměr jednotlivých kusů paliva až 60 mm.

Druhou předností tohoto řešení je fakt, že dokáže kromě kusového paliva dopravovat a dávkovat také drcené palivo stejně jako běžně v praxi používané systémy. Anebo kombinaci drceného a kusového paliva, které je již pro běžně používané systémy nevhodné. Tato univerzálnost navrženého systému dopravy umožňuje provozovateli udržet optimální podmínky provozu spalovacího zařízení pro různé typy paliva .

Navrhované řešení je složené z několika oddělených zařízení, která lze přizpůsobit přesně dispozičním a kapacitním požadavkům provozovatele.

Konstrukční řešení palivového kanálu

Speciální konstrukce palivového kanálu je klíčovým prvkem tohoto technického řešení systému dopravy biomasy a kontaminované biomasy pro dávkování kusového paliva bez nutnosti jeho dodatečné přípravy pro spalování. Jak již bylo zmíněno, tato speciální konstrukce palivového kanálu umožňuje spalování drceného paliva, kusového paliva anebo jejich kombinací v různém poměru. Toho je docíleno zrušením středového podélného táhla PT a průvlaků (obojí významně omezuje pohyb paliva při jeho dopravování) v kombinaci s větším zdvihem hydraulického válce HV při snížení počtu vlastních pohyblivých hrabel H.

Obr. 5 Celkový pohled na nový palivový kanál.

Palivový kanál je tvořen ocelovým korytem OK pevně zabudovaným v betonových základech, jedním svařeným ocelovým pohyblivým rámem (pohyblivé hrablo PH) a sadou pevných hrabel SPH. Součástí ocelového koryta OK je vyztužené čelo tvořené přírubou pro napojení na stoupací kanál a tzv. střižnou hranou s pevným vyměnitelným segmentovým nožem PSN. Na opačné straně koryta jsou vyztužená záda přizpůsobena pro upevnění hydraulického válce HV pohonu pohyblivého hrabla.

Obr. 6 Detail nového palivového kanálu – pohled na berana, pohyblivé a statické hrabla.

Běžně používané pohyblivé hrablo je konstrukce s centrálním podélným táhlem kotveným v průvlacích bez bočního vedení a jedním centrálním hydraulickým válcem. Provedení pohyblivého hrabla PH použitého v tomto systému dopravy paliva se od běžných způsobů odlišuje v konstrukčním řešení podélného táhla PT a jeho vedením pomocí přítlačných lišt PL, při zachování jednoho centrálního hydraulického válce HV. Pohyblivé hrablo PH tvoří skříň hydraulického válce SHV, dvě postranní podélná táhla PT, vlastní hrabla H a čelní „beran“ B se zabudovaným vyměnitelným segmentovým nožem SN. Kontaktní plochu pro přítlačné lišty PL tvoří výstelka z otěruvzdorného plechu přivařená na horní stranu podélného táhla PT. Vlastní hrabla H jsou svařena z ocelového plechu, který je na hřbetu a čele otěruvzdorný
a tvoří uzavřenou skříň. Čelní „beran“ B je obdobné konstrukce jako vlastní pevné hrablo H. Odlišuje se v rozměrech a v přítomnosti segmentového nože SN zabudovaného v nosné matrici, který slouží spolu s pevným segmentovým nožem PSN k formátování paliva na velikost průřezu stoupacího kanálu SK.

Obr. 7 Detail nového palivového kanálu – pohled na pohyblivé a statické hrablo.

Utěsnění pohyblivých částí skříně SHV, „beranu“ B a hrabel H vzhledem ke korytu OK je prostřednictvím stíracích lišt SL.

Vedení pohyblivého hrabla PH v korytě OK je zajištěno právě dvojicí postranních podélných táhel PT doplněných o horní přítlak pomocí přítlačných lišt PL. Při tomto řešení odpadá nutnost použití centrálních vodících průvlaků. Přítlačné lišty PL jsou upevněny na boční vyplechování koryta OK. Jsou demontovatelné s možností seřízení přítlaku vlivem opotřebení. Kontaktní plochu přítlačných lišt PL tvoří výstelka z otěruvzdorného plechu.

Vlastní provedení pevných hrabel SPH je konstrukčně shodné jako u běžných systémů dávkování paliva, pouze není rozděleno středovým podélným táhlem.

Konstrukčního řešení stoupacího kanálu SK

Pro lepší využití předností speciální konstrukce palivového kanálu PK bylo navrženo též speciální konstrukční řešení stoupacího kanálu SK. Tento stoupací kanál SK je v provedení dvoudílném oproti běžně používaným jednodílným. Skládá se ze vstupního kolena K a přímé trychtýřovité části TČ. Vstupní koleno K navazuje na čelo palivového kanálu PK a je k němu připevněno pomocí přírubového spoje. Na vstupní koleno K navazuje přímá trychtýřová část TČ, které je druhým koncem zabudována přímo do spalovacího zařízení (kotle) SZ. Spoj mezi kolenem K
a trychtýřovou částí TČ je opět přírubový.

Vstupní koleno K je vyrobeno z nerezového materiálu. Tím je zamezeno vzniku povrchové koroze z důvodu přítomnosti vlhkého paliva anebo hasící vody. Výsledkem je menší odpor při dopravě paliva vlivem tření. Druhou předností odděleného kolena K je jeho variabilita a relativně nenákladná výměna za jiné provedení (změna rádiusu, doplnění o pomocný rozrušovací mechanizmus, atd.) například při dodatečné změně typu paliva, popřípadě při vlastním opotřebení kanálu bez nutnosti nákladné demontáže trychtýřovité části TČ ze spalovacího zařízení SZ. Koleno K může být též v provedení chlazeném vodou obdobně jaké trychtýřovitá část TČ.

Vlastní provedení trychtýřovité části TČ je konstrukčně shodné jako u běžných systémů dávkování paliva. Provedení duplikátorové s vodním chlazením. Zabudování výstupního konce trychtýřovité části TČ přímo do spalovací komory kotle SZ.

Obr. 8 Celkový pohled na nový stoupací kanál.

Závěrem

V rámci projektu „Výzkum a vývoj experimentálního zkušebního zařízení – systém dopravy“, který zadal pro rok 2014 Moravskoslezský energetický klastr, byl proveden návrh je projekční návrh moderního a efektivního systému dopravy kontaminované biomasy a předupraveného směsného odpadu pro technologickou jednotku pro výrobu čisté energie, který dále slouží jako podklad pro realizační dokumentaci.