Zdroje tepla na biomasu při obnově bytového fondu

Vzhledem k různým formám biomasy je i energie v ní obsažená různá. Energetický obsah suchých rostlin (obsah vlhkosti 15 – 20 %) se pohybuje kolem 14 MJ/kg. Suchá biomasa může být z pohledu energetického obsahu srovnávána s uhlím (10 až 20 MJ/kg pro hnědé uhlí, 30 MJ/kg pro černé uhlí). V době sběru, ale biomasa obsahuje značné množství vody, které se pohybuje od 8 do 20 % pro slámu, po 30 až 60 % pro dřevo. Obsah vody v uhlí je na úrovni 2 až 12 %, proto je energie biomasy v době sběru nižší než v uhlí. Biomasa je ekologičtějším palivem, než je uhlí (má nižší obsah síry než uhlí). Obsah popela při spálení je nižší než u uhlí a popel neobsahuje toxické kovy a kontaminanty a pro obsah živin je ho možné využít jako hnojivo. Energetický obsah paliv je v tab. č. 1.

Největší podíl – až 32 % z celkového technicky využitelného potenciálu (dále TVP) – obnovitelných zdrojů energie připadá na biomasu. V podmínkách Slovenska je reálné používat pro energetické účely lesní biomasu včetně energetických porostů, zemědělskou biomasu, odpady z dřevozpracujícího a potravinářského průmyslu a odpadovou biomasu z průmyslové a komunální sféry. Ve stanoveném TVP biomasy tvoří:

TVP biomasy je odvozen z energetické hodnoty ročního využitelného množství jednotlivých druhů biomasy, která je 38 872 TJ/r (10 798 GWh/r). TVP představuje reálný energetický výstup z využití tohoto množství ve formě tepelné a elektrické energie s účinností přeměny odpovídající moderním pokrokovým metodám energie, jak tepelné, tak i elektrické.

Využívání biomasy v existujících zdrojích tepla (kotelnách, případně výhřevnách) je žádoucí, ale nedaří se odstranit problém fyzicky náročné přípravy a manipulace s palivem a stejně tak se ne zcela daří zamezit individuálnímu nezodpovědnému spalování domácích, pro životní prostředí často nebezpečných odpadů. Pro využívání netradičních a obnovitelných energetických zdrojů poskytují větší možnosti velké soustavy CZT, resp. jejich zdroje. V současnosti se biomasa podílí šesti procenty na celkové potřebě prvotních energetických zdrojů v CZT. Celospolečenským zájmem je tento podíl zvyšovat minimálně na dvojnásobek.

Všechny druhy netradičních a obnovitelných energetických zdrojů je možné rozdělit na skupinu dlouhodobě skladovatelných a na skupinu dlouhodobě neskladovatelných. Mezi dlouhodobě skladovatelné patří hlavně biomasa, kterou se na zimní období můžeme předzásobit (v místě spalování nebo v místě výskytu).

Z hlediska optimalizace skladovacích a přepravních kapacit nebývají zdroje využívající biomasu dimenzované na celkové špičkové výkony SCZT, spíše na výkony částečné, přičemž k zabezpečení odběrových špiček je využíván samostatný špičkový kotel na jiný druh paliva, který po zbytek roku slouží jako záložní zdroj. Principiální schéma tohoto zdroje tepla je zobrazeno na obr. 1.

Velmi důležitou součástí zdrojů tepla na biomasu je nutnost řešení palivového hospodářství a způsob doplnění paliva během doby provozu. Ze skladu paliva se následně volí i způsob dopravy do samotného spalovacího zařízení (kotle) prostřednictvím mechanických dopravníků (posuvné podlahy, pružinová míchadla, závitové dopravníky – resp. šneky) nebo pneumatický systém dopravy paliva. Na obr. 2 je zobrazen celkový způsob výroby tepla ve zdroji tepla na biomasu. Z obr. 2 je zřejmé, jak se biomasa dopraví do skladu, následně ze skladu paliva do kotle, kde probíhá proces spalování. Výstupem je ohřátá teplonosná látka. Spaliny jsou mechanicky čištěny v multicyklónu a pomocí spalinového ventilátoru dopravovány do komína. Pevné zbytky po hoření jsou soustředěny do kontejneru.

Z hlediska dodávky tepla do soustavy centralizovaného zásobování teplem je důležitý diagram trvání potřeby tepla, respektive energie, podle obr. 3. Zdroj na biomasu je v základním zatížení, tedy zabezpečuje dodávku tepla hlavně v letním období a taktéž ve vytápěcím období částečně podporuje i vytápění. Podstatou je, že tento kotel na biomasu je schopen optimálně pracovat se zatížením od 30 % až do 100 %. Spalovací proces je neustále sledován a podle množství paliva se reguluje přívod spalovacího vzduchu. Druhý kotel na ušlechtilé palivo je v činnosti cca 190 dní s různým zatížením. Poslední kotel zabezpečuje dodávku tepla jen několik desítek dní. Provoz takového zdroje tepla je nemyslitelný bez dispečinku, který přizpůsobuje okamžitou potřebu tepla a energie obytného okrsku možnostem daným zdrojem tepla.

Spalování na roštu je určeno pro spalování drceného paliva s vlhkostí 60 % a více. Palivo leží na roštu ve vrstvě. Tloušťka vrstvy paliva závisí na tepelném výkonu spalovacího zařízení a na provzdušnosti této vrstvy spalovacím vzduchem. Vzhledem k vysokému obsahu vody v palivu je krátká účinná délka roštu, palivo se nespálí a snižuje se účinnost spalování. Tento nedostatek se dá odstranit předsušováním paliva mimo spalovací zařízení (v šachtě nad násypkou paliva) nebo vháněním teplejšího vzduchu.

Spalování probíhá ve vrstvě paliva na roštu a nad vrstvou paliva. Hoření nad vrstvou paliva je tím větší, čím je vyšší obsah prchavé hořlaviny v palivu. Palivo dopadá na vrchní část roštu, kde se suší a uvolňuje se z něj povrchová a hygroskopická voda vázaná v palivu. Rošt tvoří jednotlivé roštnice. Jejich velikost závisí na funkci roštu a zrnitosti paliva. Mezerami mezi roštnicemi a palivem na roštu proudí spalovací vzduch, který se přivádí pod rošt a zajišťuje, aby hoření proběhlo při optimálním nadbytku vzduchu. Relativní rychlost vzduchu proti palivu musí být taková, aby nevznikl úlet paliva do komína. Prchavé složky obsažené v palivu se oddělují a postupně spalují. Rošt zároveň zajišťuje shromažďování a odvod pevných zbytků po shoření paliva z ohniště. Umožňuje regulaci výkonu spalovací komory, a tím i celého zařízení. Kapacita roštových spalovacích zařízení může být až do tepelného výkonu 100 MW, ale obvykle se využívají v rozsahu 0,1 až 50 MW. Charakteristické je rozdělení spalování do více stupňů, aby se dosáhlo co nejdokonalejšího spálení paliva. Vzduch se přivádí ve dvou až třech stupních.

Primární přívod vzduchu je přes rošt tak, aby nedocházelo k přehřívání a aby bylo zajištěno hoření na roštu. Sekundární přívod vzduchu slouží k podpoře hoření prchavých látek nad roštem. Regulací přívodu vzduchu v jednotlivých dýzách je možné dosáhnout zónového spalování s minimálním nadbytkem vzduchu.

Podstata spalování v práškových kotlích tkví v tom, že biomasa, kterou tvoří drcený materiál, se smíchá se vzduchem a dopravuje se do spalovací komory, kde shoří. Velikost spalovaného paliva je do 3 cm a maximálně přípustná vlhkost je 15 %. To znamená, že palivo před spalováním vyžaduje úpravu, a to drcení a sušení, aby spálení paliva proběhlo ve spalovacím prostoru rychle.

Pro dosažení vysoké účinnosti musí být doba potřebná na dokonalé spálení paliva kratší než doba setrvání částečky v topeništi. Výhodou práškových topenišť je možnost úplné mechanizace spalovacího procesu a je vhodné pro vyšší výkony, na které už rošt, omezený svými rozměry, nestačí.

Horizontální a vertikální cyklónová topeniště spalují odpadové dřevo a rostlinné zbytky ve formě drtě, tj. ve formě drobných, rovnoměrných tvarů s nízkou vlhkostí. Spalovací komora má válcový tvar a vzduch je do ní vháněn v tangenciálním směru. Cyklónové proudění vzduchu vede k velmi dobrému promíchání biomasy a spalovacího vzduchu, což pomáhá účinnému spalování. Horké spaliny jsou odváděny do spalinového výměníku tepla, kde se uskuteční proces odevzdávání tepla teplonosné látce – teplé vodě.

Výhody cyklónového spalování jsou: malý součinitel nadbytku vzduchu, intenzivní spalování, a tím zmenšení aktivního spalovacího prostoru. Nevýhodou je malý regulační rozsah, eroze výhřevných ploch, a tím i menší životnost spalovacího zařízení.

Částečky paliva jsou nadnášeny proudem vzduchu a spalin proudících směrem vzhůru. Víření částek paliva je charakterizováno velkým tepelným a látkovým přenosem. Teplota ve spalujícím prostoru s fluidním lůžkem písku nebo jiným nehořlavým materiálem se pohybuje kolem 700 až 950 °C.

Fluidní systémy vhánějí vzduch za vysokých rychlostí, čímž dochází k lepšímu spalování a rychlejšímu přenosu tepla v lůžku, a tím ke kontrolovatelnému spalování. Umožňují spalovat biomasu proměnlivější kvality než ostatní systémy. Systém je složen ze spalovací komory s pískovým lůžkem, které pracuje jako teplonosné médium, je předehřáté a čeřené vzduchem vháněným přes perforované dno. Pískové lůžko se udržuje na optimální teplotě (700 až 950 °C) pomocí výměníků zabudovaných ve fluidní vrstvě. Biomasa ve formě drobných částeček je kontinuálně vháněna do pískového lůžka, kde dochází ke spalování. Spaliny se čistí od popela a odvádějí se do komína.

Využívání biomasy k energetickým účelům poskytuje kromě energie i další ekologické výhody.
Z hlediska snižování emisí síry a omezování kyselého spadu (kyselé deště) má využívání biomasy velký význam, neboť obsah síry v ní je podstatně nižší než v případě uhlí nebo ropy. Navíc biomasu je možné přimíchávat do uhlí, a tak dále snižovat emise síry v klasických teplárnách, výhřevnách nebo okrskových kotelnách. Pro menší objekty typu rodinných domů jsou vhodné kotle s pevným roštem případně stupňovitým. Jako palivo využívají dřevo, dřevěné třísky nebo pelety. Náročnost palivového hospodářství souvisí s použitým druhem paliva. Do tepelného výkonu 150 kW se nepoužívají cyklónové odlučovače popílku.

Pro objekty s větší potřebou tepla jsou vhodnější složitější spalovací zařízení, u nichž jsou aplikovány šikmé, kaskádové rošty, případně rošt s rozsypným přikládáním. Jako palivo využívají dřevěné třísky nebo pelety. Náročnost palivového hospodářství souvisí s použitým druhem paliva. Tato spalovací zařízení vyžadují cyklónový odlučovač popílku.

V dřevařských a nábytkářských závodech se s oblibou používají spalovací zařízení využívající práškové, případně cyklónové spalování, kde je potřeba palivo upravit před spalováním do podoby prášku (drtiče a technologická čistota materiálu). Nejdokonalejšího zhodnocení (využití – spálení) biomasy se dosahuje ve velkých kotlích s tzv. fluidním spalovacím zařízením, které umožňuje spalování až při teplotách 950 °C. Tyto kotle se využívají pro větší zdroje tepla v teplárenském režimu, které jsou vhodné na zásobení teplem větších obytných souborů.