Ekologické spalování dřeva dvoustupňové princip

Není pochyb o tom, že elektrifikace železnic byla významným přínosem pro životní pro­středí a podílí se na opatřeních proti globálnímu oteplování. Avšak ne všechny tratě je možné nebo účelné elektrifikovat. Na neelektrifikova­ných tratích se v současnosti používají k pohonu železničních vozidel téměř výhradně vznětové motory. Ty jsou sice ekologičtější než někdejší parní stroje, ale bezexhalační rozhodně nej­sou. Přestože už je u nich minimalizována emise tuhých částic i HC, NOx a síry, stejně životní prostředí narušují. Zvyšují obsah oxidu uhličitého v atmosféře a přispívají tím ke globálnímu oteplování.

Situaci příliš nezlepší používání bionafty či alkoholů, vyráběných z rostlin. Ty sice předtím absorbovaly z ovzduší přesně stejné množství produkovaného CO2, ale další CO2 vznikající při výrobě těchto paliv a při pěstování a přepravě používaných rostlin není jejich růstem z ovzduší odstraňováno. Ekologicky i ekonomicky příznivější je používat jako palivo pro dopravní prostředky plyn získaný nedokonalým spalováním biomasy, především tedy dřeva. Množství CO2 z dopravy dřeva a z jeho zpracování je totiž výrazně menší.

Zdrojem pro vý­robu dřevo­plynu mohou být odpady z lesního hospodářství a z průmyslu dřevař­ského, celulózo-papírenského i nábytkářského, a také rychle rostoucí dřeviny, zejména japonský topol. Obavy, že používání dřeva jako zdroje energie povede k ubývání lesů, nejsou při rozumném hospodaření s nimi opodstatněné. Např. cyklus sklizně japonského topolu je 2- 4 roky s hektarovým výnosem 60 - 100 tun surové štěpky (vlhkost 55%). Ekvivalent trvalého výkonu plantáže s japonskými topoly je 5 kW/ha.

Dřevo se stejně jako ostatní biopaliva nepodílí na vytváření skleníkového efektu. Při spálení jedné tuny dřevní hmoty se spotřebuje 1,2 tuny kyslíku a vyprodukuje 1,6 tuny oxidu uhličitého. Pro vzrůst jedné tuny dřevní hmoty se spotřebuje ze vzduchu rovněž 1,6 tuny oxidu uhličitého a do vzduchu se dodá 1,2 tuny kyslíku.

Pohon dřevoplynem není však vhodný pro pohon silničních vozidel, a to z důvodů prostorových, hmotnostních i manipulačních. V případě železnice je tomu jinak. Lokomotivám především nevadí větší rozměry ani hmotnost dřevoplynového pohonu, ta je využita pro adhezi.

Čtěte také: České supermarkety a bio

Dřevoplyn je z energetického hlediska málo hodnotným palivem. Na výstupu z generátoru je v něm totiž kromě značného množství nehořlavého dusíku také vodní pára. Energeticky nejpřínosnější složkou je jedovatý oxid uhelnatý následovaný vodíkem a metanem. Minoritními složkami jsou popel, dehet a organické kyse­liny. Zápalná teplota dřevoplynu je cca 700 °C. Jeho hustota při 20 °C je 1,14 kg/m3. Žádná z jeho složek není tedy těžší než vzduch (1,25 kg/m3) s výjimkou malého množství nehořlavého CO2. Dřevoplyn obsahuje v malých množstvích i další zdravotně škodlivé těkavé organické sloučeniny, zejména benzol, benzpyren, etylbenzol, alkylbenzol, xylol, styrol, toluol, formaldehyd, naftalin.

Zatímco generátory masově používané za 2. světové války byly podtlakové a škodlivé složky dřevoplynu nemohly nikde unikat, tak níže navrhovaný systém je přetlakový a musí být tedy u něj kladeny přísné požadavky na těsnost, zejména tam, kde se může vyskytovat obsluha. Na rozdíl od zemního plynu (CNG pro pohon aut) je dřevoplyn jedovatý. Může za to oxid uhelnatý vždy v něm přítomný. Ten má asi 210krát větší afinitu k hemoglobinu než kyslík, takže blo­kuje transport kyslíku krví. CO je sice o 3,5 % lehčí než vzduch, takže uniká vzhůru, ale v nedostatečně větraném prostoru by mohl způsobit otravu.

Dřevoplyn vzniká hořením dřeva za omezeného přístupu vzduchu. Praxí ověřeny jsou tři typy generátorů: protiproudý, souproudý a fluidní. Protiproudý generátor má přívod vzduchu dole a odvod spalin nahoře, takže jejich proud vede proti klesajícímu, hořením ubývajícímu palivu. Pod oblastí hoření zajištěného přívodem vzduchu je na roštu zóna redukce. Nad oblastí hoření probíhá pyrolýza a úplně nahoře se palivo jen dosouší. Problémem tohoto generátoru je velký obsah dehtu v produkovaném plynu, což by vadilo zejména pístovým motorům.

Fluidní generátor je vhodný pro jemnozrnná paliva, např. pro piliny. Ty se vznáší v proudu spalin a vzduchu. Tento generátor nezvládá rychlé změny zatížení vyskytující se u silničních vozidel. V jím produkovaném plynu je hodně par dehtu (až 500 mg/m3).

Souproudý generátor se osvědčil jako zdroj dřevoplynu pro pístové motory, a to hlavně díky jen malé produkci nežádoucího dehtu. U něj proudí vzduch pro hoření shora dolů stejně jako sesouvající se palivo. Tyto generátory se masově uplatnily pro pohon vozidel za druhé světové války především v Německu a v zemích jím okupovaných. Ještě níže je zóna redukce, kde reaguje se žhoucím dřevěným uhlím část vodní páry vzniklé nahoře vysoušením a dole oxidací. Touto reakcí vznikají hlavní hořlavé složky dřevoplynu - oxid uhelnatý a vodík. Část vzniklého vodíku pak redukuje nehořlavý CO2 na hořlavý CO za vzniku další vodní páry. Na vznik hořlavého CO se spotřebuje tepelná energie, a proto teplota v redukční zóně klesá na cca 950 °C.

Čtěte také: Jak podporovat projekty

CO + 3 H2 = CH4 + H2O + 205,9 kJ/mol.

Z kilogramu dřeva o 20% vlhkosti se vyrobí asi 2,5 m3 dřevoplynu. Výstupní teplota dřevo­plynu z přetlakového generátoru nebude patrně překračovat 1000 °C (u generátorů s odsáváním plynuje to 950 °C). Roštem pod redukční zónou propadává popel a občas je vhodné tomu napomoci pohybem roštu, aby se zabránilo vzniku ztíženého odchodu dřevoplynu z generátoru. Tvorba strusky nehrozí. Ta se vyskytuje u paliv s obsahem popela nad 5 - 6 %, kdežto dřevo zanechává jen 0,75 - 2,5 % popela, který je využitelný jako kvalitní a ekologické hnojivo.

Proudění pod roštem v popelníku je relativně pomalé, takže nestrhne s sebou větší částice popele. Ty se budou hromadit v popelníku a budou vysypávány do příslušného kontejneru při zavážení generátoru palivem. Elektrárna spalující dřevo není z toho důvodu příliš vhodným řeše­ním. Nemá sice problém ani s rozměrností, ani s hmotností příslušných zařízení na zpracování dřeva a manipulaci s ním, ale v zájmu účinnosti je určena pro co největší výkon, což vyžaduje vydatný přísun paliva. V případě lokomotivy se jedná o menší výkon a tedy i menší množství potřebného dřeva, které navíc nemusí být dopravováno do jediného centra, ale lze je skladovat na řadě míst podél trati, takže dopravní vzdálenosti se zkrátí a cena paliva tím není příliš navyšována.

Potřebná infrastruktura pro dopravu dřeva na příslušná nádraží a pro výrobu špalíků bude výrazně jednodušší, než jaká byla v minulosti při používání uhlí pro parní lokomotivy. Ty bylo nutno navíc zásobovat vodou. Té měly v kotli hodně a její změna na páru potřebného tlaku trvala hodiny, zatímco rozhoření paliva v generátoru trvá minuty. Na rozdíl od uhlí nevytvářejí dřevěné špalíky mour a při sypání nepráší. Popele ze dřeva je málo a je využitelný jako hnojivo.

Při zavážení generátoru palivem bude nutno uzavřít potrubí vedoucí k němu i od něj a uvolnit přetlak (zřejmě vpuštěním do sání dmychadla pro sousední generátor). Pak uvolnit poklop a dopravit do gene­rátoru palivo. Poklop pak uzavřít a zmíněná potrubí otevřít. To lze mechanizovat, resp. K zapálení paliva lze použít elektrický odporový ohřev dmýchaného vzduchu, a to nad zápal­nou teplotu dřeva. Energii k tomu potřebnou poskytne lithiová baterie. Ta bude použita i pro startování pístových motorů.

Čtěte také: Dávkování lignohumátu v ekologickém zemědělství

V zájmu vyššího výkonu a rozšíření regulačního rozsahu budou u navrhované lokomotivy použity dřevoplynové generátory dva, stejně jako dva zážehové motory. Generátory budou mít válcový tvar a v oblasti vysokých teplot budou tříplášťové. Vnitřní plášť musí být teplotně odolný (mecha­nicky namáhán není). Vnější plášť musí odolávat vnitř­nímu přetlaku, neboť vzduch je do generátoru hnán dmychadlem.

Proti ohřevu sáláním od horkého vnitřního pláště je vnější plášť chráněn tenkým mezipláštěm. Ten vykazuje vůči vnějšímu i vnitřnímu plášti mezeru využívanou pro proudění spalovacího vzduchu, a to vnější mezerou vzhůru a vnitřní mezerou zpět. Nízká rychlost proudění pod roštem dovoluje ukládání větších částeček popele do popelníku. Unášen je jen jemný popílek. Zachycován je s účinností 60 - 70 % v cyklonovém odlučovači odstředivou silou. Neodloučený ještě jemnější popílek lze zachytit v elektrostatickém odlučovači s účinností cca 96 %. Zbytek (6 - 80 mg/m3) by dokázal odstranit textilní filtr, ale klasické texti­lie jsou kvůli vysoké teplotě plynu nepoužitelné. Pro pístové motory nabízí řešení skleněná tkanina, která dobře snáší teplotu až 300 °C. Na tuto teplotu se předtím plyn z generátoru a následně cyklonového odlučovače sníží odevzdáním části tepla přehřívači páry (viz níže). Za skleněným filtrem následuje výměník tepla předávaného do kapaliny parního okruhu. Posléze se plyn mísí se spalovacím vzduchem.

Vzniklá směs je před vstupem do pístového motoru stlačována odstředivým dmychadlem, které je poháněno vysokootáčkovým Indukčním motorem. Při uvedené třístupňové filtraci bude opotřebení motoru srovnatelné s použitím obvyklých kapalných paliv. Čištění zaneseného skleněného filtru lze zajistit profukováním stlačeným vzduchem v obráceném směru, a to po 150 - 200 hodinách provozu.

Velmi problematickou nečistotou dřevoplynu je dehet. Způsobuje obtížně odstrani­telné usazeniny, narušující řádnou funkci pohonu. U generátorů IMBERT určených pro auto­mobily kondenzovaly jeho páry spolu s vodní parou v chladiči plynu a pod ním. Ne­vzhledný a páchnoucí kondenzát byl tehdy běžně vypouštěn na silnici. Pokud tedy dehtovité látky neshoří už v generátoru, je po­třeba je rozkládat ještě v plynné fázi. K tomuto účelu se hodí niklové katalyzátory používané průmyslově pro reforming ropných frakcí.

Dřevoplynový generátor IMBERT dodával vyhovující plyn v rozsahu 20 - 100 % svého plného výkonu. Jelikož lokomotiva bude mít obdobné souproudé generátory dva, posune se dolní hranice na 10 % maxima (vyřazením jednoho generátoru). Volnoběh motoru by však vyžadoval ještě nižší produkci dřevoplynu. To je realizovatelné uzavřením jednoho či více přívodů vzduchu do ohniště momentálně zapojeného generátoru.

Lokomotivy poháněné plynovou turbínou byly nejen navrženy, ale i vyrobeny a odzkoušeny. Záměrem bylo zvýšit výkon lokomotiv bez zvětšení jejich hmotnosti. Paliva v plynném skupenství se běžně používají pro zážehové motory lokálních kogeneračních centrál produkujících energii elektrickou a tepelnou. Výhodou plynových turbín ve srovnání s pístovými motory je kromě nižší hmotnosti také absence vibrací a při použití dřevoplynu žádný problém s odstraňováním dehtu. Termodynamickou účinnost mají výrazně nižší než pístový motor, zejména při částečném zatížení. Při použití dřevoplynu pro turbínový pohon by byl problém s odstraňováním popílku. Ten by působil abrazi turbínových lopatek. Nejdokonaleji jej dokážou odstraňovat textilní filtry, ale ty nejsou kvůli vysoké teplotě spalin použitelné, a to ani tkaniny ze skelných vláken.

Plynové motory nabízejí jako další produkt někteří výrobci dieselelektrických lokomotiv. Palivem jejich velkých zážehových motorů je většinou zemní plyn. Jsou také nabízeny pro bioplyn, kalový plyn či skládkový plyn, ale jen ojediněle pro dřevoplyn. Ten má vysoký obsah dusíku (přes 50 %) a tedy menší výhřevnost. Výkon motoru na dřevoplyn je tudíž výrazně nižší než na zemní plyn. Na rozdíl od plynových motorů v energetických centrálách, které pracují s chudou směsí, bude u navrhovaného lokomotivního motoru používána směs stechiometrická za účelem vyššího litrového výkonu. Kvůli nízké rychlosti šíření plamene ve směsi dřevoplynu se vzduchem se u něj počítá se čtyřmi zapalovacími svíčkami na válec. To současně umožní zvýšit stupeň komprese a užít větší průměr válce. Kratší plamen totiž sníží riziko detonačního zakončení hoření („klepání“) a zkrácením doby hoření se lépe využije expanzní zdvih. Pozitivní vliv uvedených opatření nebylo možno ve fázi konceptu kvantifikovat a dopracovat se tak k výkonovým parametrům motoru.

Poněkud spolehlivější je odhad ztrát energie získané hořením ještě před vstupem do motoru. K tomu se nabízejí vozidla používaná za druhé světové války, např. protektorátní linkové autobusy. U nich motor upravený na pohon dřevoplynem vykazoval výkon cca 52 kW a účinnost 0,25. Za hodinu vydal tedy energii 187,2 MJ, ale čtyřnásobek energie 748,8 MJ (187,2 / 0,25) přijal v upraveném dřevoplynu. Přibližně stejná energie se obvykle mařila ztrátami v generátoru a v jeho příslušenství. Dohromady to činilo cca 1500 MJ. Tolik energie se tedy muselo za hodinu uvolnit hořením. Při specifické energii dřeva 14 MJ/kg by měla být jeho hodinová spotřeba 107 kg.

Celková účinnost ηc pohonu je podílem vydané mechanického energie EM a energie uvolněné hořením dřeva EH. z energie EH uvolněné hořením dřeva v generátoru se pro pohon použije část ED obsažená ve vysušeném a ochlazeném dřevoplynu. Energie ED dodávaná motoru v dřevoplynu upraveném pro tvorbu zápalné směsi musí být větší než energie posléze získaná prací motoru EM, neboť ten vykazuje nemalé energetické ztráty. U lokomotivního generátoru dřevoplynu budou energetické ztráty v jeho příslušenství kvůli jeho větší složitosti větší, odhadem 55 % z energie hodinu trvajícího hoření.

EZ = 0,55 * EH = 0,55 * 10 600 MJ = 5 830 MJ.

U existujících dieselelektrických lokomotiv je obvykle k dispozici dost prostou pro umístění ústrojí pohonu, ale v našem případě, kdy je nutno umístit někam navíc dva dřevoplynové generátory a další pístový motor, nemělo by se plýtvat délkou lokomotivy určené i pro vedlejší tratě. Nízká výhřevnost dřevoplynu by se při použití kteréhokoliv existujícího motoru na zemní plyn projevila omezenými parametry lokomotivy, zejména nízkým výkonem. Proto byla dána přednost návrhu vlastního pohonného systému, který je ovšem složitější než pohon dieselelektrické lokomotivy. Byl-li by klasický řadový nebo vidlicový motor nahrazen motorem hvězdicovým, ušetřilo by se především na délce motoru. Snížila by se trochu i hmotnost (kratší kliková hřídel i skříň). Jde o os­miválcový kapalinou chlazený zážehový motor (druhá čtyřválcová „hvězdice“ je v zákrytu). Lze jej však považovat za šest­nácti­válec, neboť všechny válce jsou dvoj­činné (pracovní prostor je i pod spodní stranou pístu). Písty tohoto značně složitého motoru jsou chlazeny ole­jem. V hlavě každého válce jsou čtyři ventily.

Pokud se na dvojčinnost rezignuje, motor se podstatně zjednoduší, přičemž se zachová vynikající vyváženost i značná kompenzace periodických setrvačných sil pístové skupiny silami od tlaku ve válcích. Z práce motoru to tedy vyřadí prostory pod písty, což zmenší celkový zdvihový objem téměř na polovinu a s ním samozřejmě i výkon.

Dvoustupňové spalování dřeva

Technologie dvoustupňového čistého spalování CB, vyvinutá firmou JOTUL, představuje nejmodernější způsob spalování dřeva. Tato technologie zaručuje u kamen a krbových vložek Jotul výkonný a zároveň maximálně hospodárný provoz, neškodící životnímu prostředí. Topeniště se systémem dvojího = čistého spalování přeměňuje až 90% plynů a částic na teplo. Vzduch je přiváděn v zadní části litinového pláště a je předehříván průchodem několika komor. Pak je vtlačen přes soustavu trysek do horní části topeniště. V této fázi jsou spalovány prachové částice a nespálené těkavé plyny, které v tradičních topeništích unikají nevyužity kouřovodem. Tím se získává dodatečné teplo (na stejný výkon je třeba o 30 - 40 % méně dřeva) a mnohem nižší úroveň spalin (množství prachových částic se pohybuje pod 5 g/1 kg dřeva).

Jøtul F 602

Jotul F 602 patří k nesmrtelným klasikům Jotulu a už dlouho se drží na absolutní špičce prodeje. Design těchto kamen byl vytvořen koncem 30. let 20. století v architektonickém studiu Blakstad og Munthe-Kaas a vyzdoben sochařem Ornulfem Bastem. Od té doby model prošel řadou technologických úprav a vylepšení až do dnešní podoby s moderním čistým spalováním a možností připojení externího přívodu vzduchu. Jotul F 602 jsou praktická kamna na dřevo s výraznou osobností a charakterem. Snadno se instalují, jsou vysoce účinná, a navíc obsahují praktickou plotýnku na vaření. Na svých malých nožkách stojí po mnoho generací v domech a bytech po celém světě a jsou projektována tak, aby dobře sloužila ještě mnoha dalším generacím.

tags: #ekologické #spalování #dřeva #dvoustupňové #princip

Oblíbené příspěvky:

• Tepelné zdroje a kvalita ovzduší v ČR
• Emisní normy Středočeský kraj
• Materiály pro ekologické nákupní tašky
• Ukládání jaderného odpadu: Česká republika
• Kvalita ovzduší v ČR