doc. Ing. Michal Holubčík, PhD., prof. Ing. Jozef Jandačka, PhD., Ing. Juraj Trnka

Strojnícka fakulta, ŽU v Žiline, Katedra energetickej techniky,

Tuhé znečisťujúce látky a problematika ich tvorby a odlučovania z malých zdrojov tepla sa pomaly stáva kľúčovým kritériom z hľadiska ich legálneho použitia na trhu. Nové európske normy čoraz viac sprísňujú emisné limity nielen veľkých, ale čoraz častejšie už aj malých zdrojov tepla, ktoré svojim počtom a efektivitou majú na ovzdušie ďaleko väčší vplyv. Ruka v ruke s týmto trendom je potrebné investovať do výskumu v danej oblasti. Väčšina doterajšieho výskumu sa zameriavala najmä na znižovanie tvorby primárnych emisií tuhých častíc vznikajúcich priamo pri spaľovaní. Tento spôsob však má svoje hranice a zlepšenie emisií častokrát vedie k zhoršeniu iných parametrov ako je výkon zariadenia. Z toho dôvodu sme sa náš výskum rozhodli zamerať na sekundárne odlučovanie častíc, ktoré nie je závislé od konštrukcie či efektivity zariadenia a môže byť efektívne umiestnené na akýkoľvek, aj starší typ spaľovacích zariadení. Dúfame, že daný výskum prinesie efektívny a hlavne ekonomický spôsob odlučovania častíc z malých zdrojov tepla uplatniteľný na trhu.

1. Úvod

V súčasnosti, rovnako ako v minulosti, sa ľudia opäť raz vracajú k malým zdrojom tepla na tuhé palivá. Spolu s nárastom týchto zariadení však rastie aj produkcia tuhých znečisťujúcich látok, ktoré zamorujú naše ovzdušie. Európska únia si drží trend v neustálom znižovaní emisií a vedie výrobcov spaľovacích zariadení až na hranice ich konštrukčných možností. Mnohé výskumy sa už však úspešne implementovali na isté riešenia, ktorým sa čiastočne podarilo emisie tuhých častíc znížiť, no častokrát je to však sprevádzané znižovaním výkonu alebo účinnosti spaľovania. Ďalším z problémov je deravá legislatíva pri voľbe nesprávnych palív alebo nevhodnej obsluhe spaľovacích zariadení, ktorá taktiež vedie k ďalšiemu zvyšovaniu emisií. Takýmto spôsobom aj z emisne vyváženého kotla môže jeho majiteľ dostať celkom slušné dávky emisií. Preto je aj dnes potrebné hľadať nové nekonvenčné riešenia, ktoré by dokázali znížiť emisie tuhých častíc na požadované limity pri zachovaní výkonových parametrov zariadení a zároveň by vedeli reagovať aj na neočakávané zmeny parametrov jednotlivých veličín počas spaľovania alebo nevhodný výber paliva. Víťazné riešenie však zároveň musí byť dostatočne konkurencieschopné a ekonomické.

Príspevok sa zameriava na rôzne spôsoby odlučovania tuhých častíc zo spalín, pričom v ňom bolo analyzovaných viacero vo svete využívaných technológií a vybraná tá najlepšia, ktorá by najefektívnejšie a zároveň ekonomicky riešila daný problém.

2. Súčasný stav

V súčasnosti sa vo svete uplatňujú už viaceré viac či menej úspešné riešenia daného problému. V mnohých oblastiach sa efektívne podarilo znížiť produkciu tuhých znečisťujúcich látok hlavne pri zastaranejších typoch spaľovacích zariadení. To dokazuje aj výskum čínskych vedcov, ktorí sa rozhodli vytvoriť nový typ sporáku na varenie a zohrievanie jedla, s možnosťou ručného prikladania peliet alebo brikiet zo slamy, štiepky či uhlia. Podľa ich odhadov náhrada surového kusového uhlia uhoľnými briketami môže viesť k priemernému zníženiu emisií častíc PM2,5 o 68 % [1]. Ďalej z ich výskumu vyplýva že, produkcia emisií TZL navrhnutím správneho tvaru konštrukcie zariadenia klesá až štvornásobne. Problémom však je nízka kvalita čínskych tradičných pecí v porovnaní s európskymi spaľovacími zariadeniami, ktoré sú už dávno na omnoho vyššej úrovni. Americkí vedci zase skúmali produkciu TZL pri zabezpečení optimálnych podmienok pre jednotlivé druhy spaľovacích zariadení. Na základe výsledkov priradili k jednotlivým malým zdrojom hodnotu toxického ekvivalentu, ktorá bola závislá na produkcií tuhých častíc, ale aj polyaromatických uhľovodíkov. Najlepšie výsledky sa dosiahli spaľovaním drevných peliet v modernom kotle na pelety. Rozdiel emisnej stupnice zistil, že toxický ekvivalent typických krbových kachlí bol o 2 rády vyšší v porovnaní s kotlom na pelety, napriek optimalizovaným podmienkam spaľovania [2]. Tieto závery viedli k tomu, že optimálne odlučovacie zariadenie nesmie byť úzkoprofilovo orientované len na jeden typ spaľovacieho zariadenia a musí byť efektívne v odlučovaní aj pre emisne záťažovejšie typy malých zdrojov, ktoré sa bez neho v budúcnosti nezaobídu.

Obr. 1  Typy bežných odlučovačov tuhých znečisťujúcich látok

Spomínané problémy je schopné efektívne riešiť len sekundárne odlučovanie už vzniknutých častíc zo spalinovodu. Takéto riešenie nám poskytuje malé efektívne konvenčne dostupné odlučovacie zariadenie, ktoré sme schopní zaradiť za akýkoľvek malý zdroj tepla. Jedným z riešení, ktoré sa už u nás na Katedre energetickej techniky skúmalo, bolo využitie mechanického princípu odlučovania na princípe lamiel, ktoré znižujú zotrvačnú rýchlosť spalinami unášaných častíc. Výskum ukázal, že použitým prepážkam sa podarilo zachytiť 55,17 % častíc, z čoho najvýraznejší podiel tvorili veľké častice zachytené už na prvej prepážke, no práve menším časticiam sa podarilo uniknúť [3]. Prirodzeným krokom však bolo posunúť sa ďalej, a preto bolo potrebné zamerať sa na podrobnejšie štúdium jednotlivých typov odlučovačov a porovnanie ich výhod a nevýhod, ktoré dokresľuje aj graf na obr. 2.

Obr. 2  Závislosť účinnosti frakčnej odlučivosti od typu odlučovača: EO – elektrostarické odlučovače, PF – priemyselné filtre, SO – Suché odlučovače, MO – mokré odlučovače

3. Navrhované riešenie

Porovnanie jednotlivých typov odlučovačov ukázalo, že samo o sebe mechanické princípy nie sú schopné efektívne zachytávať najmä menšiu frakciu častíc, čo sa aj prakticky potvrdilo pri testoch s lamelovým odlučovačom. Inšpirácia sa našla vo veľkých zdrojoch tepla, kde sa už roky úspešne využívajú elektrostatické odlučovače, práčky spalín alebo priemyselné filtre [4]. Z toho dôvodu bolo prirodzené ísť práve týmto smerom. No okrem uspokojivej odlúčivosti najmä malých častíc po 2,5 μm, bolo potrebné zamerať sa aj na jednoduchosť konštrukcie a ekonomické náklady, čo jednoznačne viedlo k použitiu elektrostatického princípu odlučovania. Tento trend potvrdil aj výskum súčasného stavu vo svete, kde bola drvivá väčšina výskumov zameraná práve na sekundárne odlučovanie pomocou elektrostatických odlučovačov. Zaujímavosťou bolo aj to, že šesť z desiatich odlučovačov využívalo komínovú rúru ako odlučovaciu plochu. Toto riešenie sa stalo podkladom pre ďalší výskum hlavne vďaka svojej jednoduchosti, konkurencieschopnosti a možnosti uplatnenia na trhu [5]. Navrhnutý princíp je na obr. 3.

Obr. 3  Navrhnutý princíp zachytávania tuhých znečisťujúcich látok pomocou elektrostatického odlučovača: 1 – zdroj vysokého napätia, 2 – záporná nabíjacia elektróda, 3 – kladná usadzovacia elektróda, 4 – koncentrátory napätia, 5 – tepelná a elektrická izolácia, 6 – usadený prach na stenách komína, 7 – odlúčené častice, 8 – manipulačné dvierka

Základnou súčasťou elektrostatického odlučovača bol zdroj jednosmerného vysokého napätia s nasledujúcimi parametrami (obr. 4):

  • výstupné napätie: 1,5 – 20 kV,

  • výstupný výkon: 3 – 5 mA,

  • maximálny výkon: 100 W,

  • maximálna vzdialenosť výboja: 4 cm.

Kladná elektróda zdroja sa uzemnila na komínovú rúru, zatiaľ čo ako záporná elektróda bol použitý medený neizolovaný vodič, ktorý bol umiestený približne do stredu komína. Jediný technický problém predstavovalo odizolovanie vstupu zápornej elektródy do komína cez opláštenie komína tak, aby nedošlo ku skratu. Problém bol riešený keramickými valčekmi, ktoré vykazovali zároveň dobý elektrický odpor, tepelnú odolnosť a rozmerovú stálosť.

Obr. 4  Zdroj vysokého napätia zapojený na komínový odlučovač

4. Zhrnutie výsledkov

Na štandardnej krbovej vložke bolo pomocou spomínaného zariadenia vykonaných niekoľko meraní, pri ktorých bol gravimetrickou metódou stanovený objem tuhých znečisťujúcich látok zo spalín, z rozdielu hmotností suchých filtrov pred a po meraní. Výsledné hodnoty hmotnosti filtrov a objem produkcie TZL znázorňuje tabuľka 1.

Tab. 1 Priemerné hodnoty meraných parametrov počas experimentov

5. Záver

Vzhľadom k zvyšujúcemu sa počtu malých zdrojov a neustálemu sprísňovaniu legislatívy v oblasti emisií je téma odlučovania tuhých znečisťujúcich látok stále aktuálna. Článok sa zameral na analýzu doposiaľ využívaných spôsobov riešenia tohto problému, čo viedlo smerom vpred k sekundárnemu odlučovaniu častíc pri použití elektrostatického princípu. Naším cieľom bolo vytvoriť nielen účinné, ale aj ekonomicky dostupné zariadenie, čo sme dosiahli umiestnením odlučovača priamo do telesa komína. Priemerná účinnosť odlučovania pri meraniach dosiahla hodnotu 43,67 % a svoje maximum niečo pod 50 %. Vzhľadom na prílišnú jednoduchosť zariadenia odlučovač dosahoval celkom slušné výsledky, no napriek tomu chceme dané zariadenie ďalej optimalizovať a posúvať ho smerom k vyššej účinnosti pri zachovaní jednoduchosti a nízkych ekonomických nákladov.

Poďakovanie

Tento príspevok bol vytvorený v rámci projektu VEGA 1/0233/19  „Konštrukčná modifikácia horáka na spaľovanie tuhých palív v malých zdrojoch tepla”, VEGA 1/0479/19 “ Vplyv podmienok spaľovania na produkciu tuhých znečisťujúcich látok v malých zdrojoch tepla” a KEGA 033ŽU-4/2018 Zdroje tepla a znečisťovanie životného prostredia.

Literatúra:
[1]   SHEN, G. 2016 Changes from traditional solid fuels to clean household energies – Opportunities in emission reduction of primary PM2,5 from residual cook stoves in China [online]: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953416300046
[2]   ORASCHE, J. et al. 2012 Comparison of Emissions form Wood Combustion. Part 1: Emission Factors and characteristics from Different Small-Scale residential heating Appliances. [online]: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ef301295k
[3]   KANTOVÁ, N. et al. 2018 Flow modeling of Particulate matter by using baffles placed in flue tract of wood stove. [online]: researchgate.net/publication/325339841
[4]   HEMERKA, J. 1994 Odlučování tuhých částic ČVUT Praha ISBN 978-80-01-01088-0
[5]   HARTMAN, H. et al. 2011 Electrostatic precipitators for small-scale wood combustion systems – results from lab- and field tests. [online]: http://task32.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/ 2017/03/06_Hartmann.pdf