Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

3. Biomasa jako zdroj energie

Autor: Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz

Spalovaní dřeva a dřevního odpadu v kotli na ohřev vody může být nahrazeno spalováním slámy nebo jiných zbytků rostlinné zemědělské výroby. I v živočišné výrobě vzniká odpad v podobě kejdy a chlévské mrvy, který lze ve speciálních kontejnerech, za pomocí bakterií, rozkládat na plynné produkty. Takové plynné produkty lze dokonce spalovat přímo ve spalovacích motorech nebo v plynových kotlích. Dnes je aktuální pojem bionafta – nafta obsahující uhlovodíky získávané úpravou biomasy (například lisování plodů řepky olejné). Těmto a podobným způsobům využití biomasy se říká energetické využití biomasy.

Biomasa je důležitý lokální zdroj energie, protože ji lze využít pouze v místě nebo nedaleko místa produkce. To je dáno vysokými přepravními náklady biomasy způsobené jejím nízkým měrným energetickým obsahem. Výkon energetického zařízení jehož palivem je biomasa, tedy závisí i na velikosti spádové plochy, na které může být biomasa produkována.

Zbytky akátové plantáže (2007) u Litobratřic, která byla hlavním zdrojem topiva v obci ještě v první polovině 20 století.
1.239 Zbytky akátové plantáže (2007) u Litobratřic, která byla hlavním zdrojem topiva v obci.

Rostlinná biomasa

Rostlinná biomasa neboli fytomasa se skládá z organické hmoty, vody a nízkého obsahu nehořlavých minerálů tzv. popelovin (termín užívaný při spalování biomasy). Organická hmota je tvořená hořlavými prvky C, H, O, N. Ve fytomase lze nalézt i neorganické hořlavé prvky nejčastěji S, Ch. Většinu organických prvků získává fytomasa během růstu ze vzduchu, vodu a minerály získává z půdy:

44     4      34,7   0,9    0,4    4      12  %
C      H      O      N      S      A      w    
organická hmota 83,6 %                         
-------------------------                      
hořlavina 84%                                  
--------------------------------               
suchá hmota 88 %                               
---------------------------------------        
celková hmota 100 %                            
-----------------------------------------------
2.240 Příklad prvkového složení biomasy – obilná sláma.
C uhlík; H vodík; O kyslík; N dusík; S síra; A popelovina; W voda. Do obsahu síry je započítán i obsah chlóru. Zdroj dat [1].
● 1 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●

Fytomasa by v tak velkém množství síru a chlór neměla obsahovat. Tyto prvky se do biomasy dostávají ze vzduchu, kam se dostávají z části díky lidské činnosti (spalování fosilních paliv) a z části díky přírodním katastrofám (výbuch sopky...).

Popelovin je v rostlinné biomase velice málo od 0 % až po několik málo procent, jsou to minerály pocházející z půdy. Proto při spalování biomasy vzniká tak málo popela. Popel navíc může obsahovat nespalitelné zbytky hrubých nečistot, které byly do kotle přineseny spolu s palivem (hlína, prach...).

Fotosyntéza a vznik rostlinné biomasy

Základními stavebními kameny rostlinné biomasy jsou organické látky. Z těchto látek se za pomocí fotosyntézy vytváří organická sloučenina zvaná glukóza C6H12O6, kterou rostliny dále přetvářejí na základní stavební prvky například celulózu.

Fotosyntéza je proces, při kterém se plynné produkty vzduchu (především CO2) rozkládájí respektive přetvářejí do potřebných organických sloučenin za pomocí sluneční energie. Fotosyntéza probíhá za přítomnosti chlorofylu, který je obalen dvojitou membránou. Pigmenty chlorofylu zachytávají světlo pomocí něhož rozkládají vodu na kyslík a ionty vodíku H+, tomuto ději se říká fotolýza (podobný princip jako u palivového článku). Elektrická energie (putující elektron) a ionty vodíku jsou využity k tvorbě organických sloučenin. Odpadem je čistý kyslík uvolňovaný do atmosféry. Tento popis je značně zjednodušen, vznik glukózy z CO2 je totiž doprovázen dalšími procesy, při nichž se také uvolňuje kyslík:

Vznik glukózy a produkce kyslíku při fotosyntéze.
3.241 Vznik glukózy a produkce kyslíku při fotosyntéze.
Vznik glukózy a produkce kyslíku při fotosyntéze – textový zápis reakce.
4.561 Vznik glukózy a produkce kyslíku při fotosyntéze – textový zápis reakce.

Účinnost fotosyntézy je mezi 0 až 3 %. Opakem fotosyntézy jsou typické oxidační reakce jako hoření nebo procesy, jako je transformace energie v živé buňce, kdy pomocí enzymu při sloučení glukózy (upravené organismem) s kyslíkem vznikne opět voda a CO2 + energie. Při hoření se rozpadají molekuly fytomasy a slučují s kyslíkem, a množství takto uvolněné energie se nazývá spalné teplo popřípadě výhřevnost fytomasy.

● 2 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●
Vysušená biomasa má výhřevnost kolem 15 MJ·kg-1, přičemž na 1 m2 za rok lze vypěstovat jen 0,51 kg rostlinné biomasy výjimečně 2,5 kg (energetické rostliny). Pokuste se přibližně určit efektivitu ukládaní sluneční energie dopadající na m2 v biomase(1). Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 562.
Úloha 1.562
(1)Poznámka
K pěstování fytomasy nelze přistupovat čistě energeticky, protože její existence má i jiné efekty. Rostliny vyrábí kyslík, jsou potravou apod. Navíc přímo i nepřímo ovlivňují klima či počasí, například velké množství vody se pomocí rostlin odpaří a tím ochlazuje okolí, a naopak tato energie se vrací v noci jako rosa (udržování teploty i v noci).

Výnosy

Průměrné výnosy fytomasy v podmínkách ČR jsou následující:

                                      Výhřevnost Vlhkost Výnos [t/ha]   
Plodina (termín sklizně)              [MJ·kg-1]    [%]     min. prům. opt.
------------------------------------------------------------------------
Sláma obilovin                        14(2)        15      3    4     5   
Sláma řepka                           13,5       17-18   4    5     6   
Energetická fytomasa–orná půda        14,5       18      15   20    25  
Rychle rostoucí dřeviny–zem.          12         25-30   8    10    12  
půda                                                                    
Energetické seno-zem. půda            12         15      2    5     8   
Energetické seno-horské louky (VI;IX) 12         15      2    3     4   
Energetické seno-ostatní půda (VI-IX) 12         15      2    3     4   
Rychle rostoucí dřeviny               12         25-30   8    10    12  
Jednoleté rostliny                    14,5       18      15   17,5  20  
Energetické rostliny                  15         18      15   20    25  
5.242 Energetický výnos rostlinné biomasy v podmínkách ČR.
Zdroj dat [4] publikováno v [5].
(2)Poznámka
Z jednoho hektaru lze tedy získat kolem 16 000 kWh. Pro představu roční spotřeba tepla (teplá voda+topení) rodinného domku (nezateplený) může převyšovat 25 000 kWh.

Typy konverzí biomasy pro energetické účely

Organické sloučeniny v kyslíkovém prostředí podléhají rozkladu. Se vzdušným kyslíkem reaguje i povrch lidského těla, který musí být neustále regenerován. V opačném případě by časem došlo k rozložení všech organických sloučenin v lidském těle(3). Podobně reaguje i povrch ostatní biomasy. Odumřelá větev stromu se časem také rozpadá vlivem interakce se vzdušným kyslíkem, až po několika letech zcela zmizí, a zbudou po ní jen složky nepodléhající při daných podmínkách oxidaci (různé anorganické složky, minerály...). Za ideálních podmínek se biomasa rozpadá na CO2 a H2O. Při tomto rozkladu se uvolňuje energie ve formě tepla. Rychlost rozpadu za běžných venkovních podmínek není ale tak velká, aby uvolněné teplo významně zvýšilo okolní teplotu. Rychlost rozkladu významně závisí na teplotě okolí (roste přibližně 2 až 3x při zvýšení o 10 °C), na vzdušnosti okolí a klimatických podmínkách.

● 3 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●
(3)Zajímavost
Reakcím se vzdušným kyslíkem podléhá i plast. Tuto reakci urychluje přítomnost slunečního světla (především UV složka) a tepla, proto se do plastů přimíchávají tzv. antioxidanty. Nicméně daleko horší je pro plast ztráta jeho vlastností vlivem přetváření makromolekul (křehne) – stárnutí plastu.

Biomasa se rozkládá i nezávisle na kyslíkové atmosféře. Uhlík reaguje s kyslíkem a vodíkem v biomase a vytváří CO respektive CH4. K rozkladu bez přítomnosti vzdušného kyslíku, ale významně dochází pouze při vyšších než pokojových teplotách nebo za přítomnosti bakterií. Rozklad či hoření za přítomnosti vzdušného kyslíku nazýváme aerobní a bez přítomnosti kyslíku anaerobní.

Procesy jenž vedou k rozpadu biomasy se různým způsobem využívá k získávání paliva, energie a jiných produktů:

               způsob konverze energetický         odpadní materiál nebo
typ konverze   biomasy         výstup              druhotná surovina    
========================================================================
               spalování(6)       teplo               popeloviny           
               ---------------------------------------------------------
                               generátorový plyn   dehtový olej         
termochemická(4) zplyňování(7)     a                   ---------------------
                               teplo               uhlíkaté palivo      
               ---------------------------------------------------------
                                                   dehtový olej         
               pyrolýza(8)       generátorový plyn   ---------------------
                                                   pevné hořlavé zbytky 
------------------------------------------------------------------------
               alkoholová      etanol, methanol    vykvašený substrát   
               fermentace(9)                                              
biochemická(5)   ---------------------------------------------------------
               aerobní         teplo               fermentovaný substrát
               fermentace(10)                                             
               ---------------------------------------------------------
               anaerobní       bioplyn             fermentovaný substrát
               fermentace(11)                                             
------------------------------------------------------------------------
fyzikálně–     esterifikace    metylester          glycerín             
chemická(12)     bioolejů        biooleje                                 
------------------------------------------------------------------------
6.243 Typy konverzí biomasy pro energetické účely.
(4, 5)Poznámka
Termochemické konverze se označují i jako suché procesy, a biochemické konverze se označují jako mokré procesy zpracování biomasy.
(6)Spalování
Při spalováním hoří pevný uhlík případně vodík obsažený v palivu i unikající plynné látky. Vzduch je pokud možno přiváděn ve všech částech spalovacího prostoru (topeniště).
● 4 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●
(7)Zplyňování
Při zplyňování (nedokonalé spalování) hoří uhlík obsažený v palivu v jiné části spalovacího zařízení než unikající plynné produkty (ty není nutné ihned spalovat, ale mohou se odvádět a využívat mimo zplyňovací zařízení). Na obrázku níže je řez zplyňovacím kotlem na kusové dřevo s pevným ložem. Do horní části spalovací komory je přiváděno takové množství vzduchu, aby probíhalo pouze podstechiometrické hoření. Zde hoří především uhlík na CO (typický produkt nedokonalého spalování) a CO2. Přitom dochází k uvolnění dalších hořlavých plynů z termického rozpadu dřeva. Vzniklé spaliny a plyn jsou vedeny do dolní části spalovací komory, kam je také přiváděn další vzduch (sekundární), který hoří s CO a dalšími plyny. Vzniklými horkými spalinami se ohřívá voda. Dále se uvolňují dehtové látky a odpadní fenolové vody [6]. Zplyňování v zařízení s pevným ložem probíhá při atmosférickém tlaku. Existují i jiné způsoby zplyňování [3], ale podstata zůstává stejná. Například zplyňování při tlaku až 2,5 MPa teplotách 850 °C1000 °C. Toto zplynění probíhá pomocí fluidní vrstvy ve fluidních generátorech. Při těchto teplotách dochází k rozkladu dehtů, fenolů i mastných kyselin na spalitelné plyny. K vysokotlakému zplyňování je zpravidla přistoupeno kvůli tomu, aby generátorový plyn byl co nejčistší (typické objemové složení 810 % CO, 48 % CH4, 812 % H2, 118 % CO2, 710 % H2O, zbytek je N2, potom je výhřevnost vyrobeného plynu 2,58 MJ·m-3n, ale existují i způsoby zplyňování, u kterých je podíl dusíku mnohem menší a výhřevnost až 14 MJ·m3n). Tento plyn nebývá okamžitě spalován za pomocí primárního vzduchu, ale zbavován tuhých částic (filtry) a chlazen. Výsledný plyn je potom dále využit třeba jako palivo do spalovacího motoru kogenerační jednotky, nebo je možné ještě horký plyn převést pomocí syntézy na kapalné palivo. Výhodou zplyňování je vysoká účinnost využití energie v palivu a nižší škodlivé emise oproti klasickému spalování. Nevýhodou je složitější zařízení.
Zjednodušený řez zplyňovacím kotlem na kusové dřevo pro ohřev topné vody o výkonu 20 kW. 7.244 Zjednodušený řez zplyňovacím kotlem na kusové dřevo pro ohřev topné vody o výkonu 20 kW.
1 horní část spalovací komory (zásobník paliva); 2 dolní část spalovací komory; 3 žárotrubný kotel; 4 odvod spalin; 5 vzduchový ventilátor; 6 přívod primárního vzduchu; 7 přívod sekundárního vzduchu; 8 palivo (kusové dřevo); 9 hoření pevného uhlíku a tvorba hořlavých plynů; 10 hoření plynů; 11 spalinová klapka (otevřená slouží k rozdělání ohně, v okamžiku, kdy se začne dřevo zplyňovat se klapka uzavře); 12 přivod studené vody; 13 odvod teplé vody; 14 víko zásobníku paliva; 15 obslužné víko spalovací komory (odběr popela); 16 čistící víka kotle; 17 ovládací panel.
● 5 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●
(8)Pyrolýza
Pyrolýza je termický rozklad biomasy na pevný uhlík (dřevěné uhlí) a pyrolýzní plyn bez přístupu vzduchu. V současné době je většina provozovaných pyrolýzních systémů založena na termickém rozkladu biomasy v rotační peci. Pec je ohřívána spalováním části pyrolýzních plynů odebraných z pece. K ohřátí biomasy v peci lze použít i horkého inertního plynu (neobsahující kyslík). Pyrolytický proces lze rozdělit podle dosažené teploty na tři části. V oblasti teplot do 200 °C dochází k sušení a tvorbě vodní páry fyzikálním odštěpením vody. Oba procesy jsou silně endotermické. V rozmezí teplot 200500 °C následuje oblast tzv. suché destilace. Zde nastává ve značné míře odštěpení bočních řetězců z vysokomolekulárních organických látek a přeměna makromolekulárních struktur na plynné a kapalné organické produkty a pevný uhlík. Ve fázi tvorby plynu v oblasti teplot 5001200 °C jsou produkty vzniklé suchou destilací dále štěpeny a transformovány. Přitom jak z pevného uhlíku, tak i z kapalných organických látek vznikají stabilní plyny, jako je H2, CO, CO2 a CH4. Produkty pyrolýzního rozkladu kusového dřeva jsou uvedeny v tabulce níže. Dřevěné uhlí z pyrolýzního spalování se využívá například ke kování, jako hnojivo, jako palivo pro grilování. Dřevěné uhlí je totiž čistý uhlík a tedy produktem spalování je pouze CO2, který je bezbarvý a bezpachý, což je při opékání to nejpodstatnější. Pokud by se topilo dřevem, tak vlivem velkého prchavého podílu by oheň dýmil a jeho kouř by obsahoval velký objem látek nevhodných pro přípravu jídla.
produkty rozkladu       hmotnostní podíl        výhřevnost produktu
                        [%]                     [kJ·kg-1]          
-------------------------------------------------------------------
uhlí                    31,8                    10215,79           
živice                  15,8                    4689,22            
kyselina octová         7,08                    1009,02            
metylalkohol            1,6                     355,88             
aceton                  0,19                    62,8               
CO2                     9,96                    0                  
CO                      3,32                    339,13             
CH4                     0,54                    0                  
C2H4                    0,19                    0                  
různé organické látky   10,03                   1624,48            
voda                    19,49                   0                  
-------------------------------------------------------------------
celkem                  100                     18296,32           
8.245 Produkty rozkladu (pyrolýzou) suchého březového dřeva (bez hrubé vody) a jejich výhřevnost.
Tabulka ukazuje produkty rozpadu dřeva při dokonalé pyrolýze. Při běžném pyrolýzním rozpadu je množství vzniklého uhlí nižší přibližně o 10 %. Zdroj [7].
(9)Alkoholová fermentace
C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2 katalyzátorem této reakce je enzym (obsažený v kvasinkách), který urychluje přírodní procesy [2, s. 252]. Výsledný produkt CH3CH2OH je Ethanol (alkohol – líh). Toto kvašení probíhá bez přístupu vzduchu. Alkohol je velice dobré palivo a v některých případech může být náhražkou za kapalná fosilní paliva. Takový druh paliva je nejvíce využíván v Brazílii, kde je pro alkoholové kvašení ve velkých objemech používaná cukrová třtina.
● 6 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●
(10)Aerobní fermentace
CH3CH2OH+O2→CH3COOH+H2O jedná se o pokračování kvašení v případě, že do prostoru po vzniku alkoholu je přiváděn vzduch. Je nutná přítomnost octových bakterií. Výsledkem může být např. kyselina octová (ethanová kyselina) a voda (přeměnu alkoholu na octovou kyselinu provází vznik mezi produktů jako je acetaldehyd [2, s. 256]). Známé je kysnutí vína po jeho otevření apod.
(11)Anaerobní fermentace
C6H12O6→3CH4 + 3CO2 spočívá v mikrobiologické transformaci organických složek zvířecích exkrementů a jiné vhodné biomasy. Probíhá bez přístupu vzduchu při mírně zvýšené teplotě (3535 °C), přičemž vzniká bioplyn a stabilizované hnojivo či kompost. Bioplyn obsahuje 5560 % CH4, 4045 % CO2 a jiné plyny (1 % sirovodík...) [6]. Při tomto procesu se uvolňuje velké množství vody a čpavku, což může způsobovat korozi zařízení. Tento způsob zplyňování biomasy se často používá v bioplynových stanicích se spalovacími motory, ve kterých je vzniklý plyn palivem. K anaerobní fermentaci na bioplynových stanicích se používají velké nádrže (cca 4 000 m3), do kterých se dávkuje kejda a obvykle velké množství nařezané kukuřice. Plyn se jímá do rozvodu plynu a rozpadlá biomasa ve formě řídké "kaše" (tzv. fermentovaný substrát) se odčerpává mimo zásobník a většinou se používá jako hnojivo.
(12)Fyzikálně-chemická
Například lisování, drcení. Tímto procesem vzniká řepkový olej, který se pomocí rafinace vylisovaného oleje z Řepky olejné může využívat jako tzv. bionafta.

Hoření dřeva

Dřevo (jiný název dendromasa) obsahuje mnoho druhů hořlavin, které mají jinou teplotu hoření. Z těchto důvodů při dané teplotě hoří vždy jen určitá část dřeva [7]. Nejdříve je však nutné dřevo zahřát na patřičnou teplotu a odpařit vodu:

Průběh hoření dřeva.
9.246 Průběh hoření dřeva.
a odpar vázané vody (její var); b maximální zisk plynných produktů (únik je tak vysoký, že dřevo už je schopno samozahřívaní); c povrch dřeva uhelnatí, plynné produkty už unikají pouze prasklinami; d plynné produkty již neunikají (neproniknout vrstvou uhlíku, která je 1,52 cm), hoří směs pevného uhlíku a plynů nad prasklinami.
● 7 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●

Při zahřívání dřeva do 110 °C se z něho uvolňuje vlhkost (vázaná voda), při vyšších teplotách dochází k pomalému rozkladu, který je provázen uvolňováním tepla. Při těchto teplotách se také uvolňuje CH4 a další uhlíkové řetězce ve formě plynu. Z těchto plynů jen asi 56 % okamžitě oxiduje. Při teplotách, které odpovídají maximálním výtěžkům plynných produktů (280300 °C) je množství tepla, které se uvolní při rozkladu (oxidace plynů) tak velké, že dřevo je schopné samozahřívání.

Při 290300 °C dochází k největšímu výtěžku plynných produktů, ale na povrchu už se vytváří zuhelnatělná vrstva – pevný uhlík (dřevěné uhlí), a vznik plynných produktů se postupně zastavuje. Teplota uhlí v tomto okamžiku postupně dosahuje 400500 °C. V závislosti na zahřátí horní vrstvy dřeva a jeho přeměny na dřevěné uhlí probíhá zahřátí níže ležící vrstvy dřeva na 300 °C a dochází k jejímu rozkladu. Postupné zvětšování vrstvy uhlíku je provázeno zvyšováním jeho teploty na 700 °C a zmenšováním množství tepla odevzdaného rozkládající se vrstvou dřeva. V důsledku toho se výtěžek plynných produktů zmenšuje a plamen se nevytváří nad celým povrchem hořícího dřeva, ale jen nad trhlinami v povrchu pokrytém uhlíkem. V této fázy je vrstva uhlíku silná 1,52 cm. Zápalná teplota uhlíku je 690 °C, methanu již 597 °C (vodík snižuje zápalnou teplotu uhlíku). Z těchto důvodů dokud teplota dřeva nedosáhne zápalné teploty uhlíku dřevo zcela neshoří. Například při požáru řídkých dřevěných konstrukcí nemusí být vývin tepla takový, aby shořela celá konstrukce. Z mohutných dřevěných trámů se pouze stanou ohořelé pahýly s vrstvou dřevěného uhlí, ale s relativně nepoškozeným jádrem viz Obrázek 9d a konstrukce se nemusí zřítit.

Spalování biomasy

Pro konstrukční návrh spalovacího zařízení je nutné znát množství uvolněné energie, množství spáleného kyslíku respektive vzduchu, výsledné složení spalin a teplotu nechlazeného plamene označovanou tu (tzv. teplota adiabatického hoření – je to maximální teplota spalin, jestliže žádné teplo při hoření není odváděno do okolí).

Množství uvolněné energie spálením 1 kg biomasy se vypočítá z prvkového složení paliva a příslušných chemických reakcí. Například bude-li palivo obsahovat hmotnostně 90 % uhlíku 5 % vodíku a 5 % vody připadají v úvahu chemické reakce, při kterých reaguje uhlík s kyslíkem a vodík s kyslíkem. Teplo, které se při těchto reakcí dohromady uvolní je spalné teplo. Při výpočtu spalného tepla lze vycházet z prvkového rozboru paliva (zastoupení jednotlivých prvků v palivu) a z následující tabulky, ve které jsou uvedeny nejčastější chemické reakce při hoření:

● 8 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●
prvek         molární    molární    reakce s kyslíkem  uvolněné teplo
nebo          hmotnost   objem                         ΔH            
sloučenina    [kg/kmol]  [m3n/kmol]                    [MJ/kmol]     
---------------------------------------------------------------------
C             12,01      -          2C+O2->2CO         110,55        
                                    C+O2->CO2          393,69        
CO            28,01      22,4       2CO+O2->CO2        283,2         
H2            2,016      22,43      2H2+O2->2H2O       241,87        
N2            28,016     22,4       záleží na přebytku kyslíku       
                                    a množství N v palivu            
S             32,06      -          S+O2->SO2          295           
---------------------------------------------------------------------
CmHn m=1; n=4 16,04      22,36      reakce A           reakce B      
     m=3; n=8 44,09      21,92                                       
---------------------------------------------------------------------
O2            32         22,39                                       
Ar            39,944     22,39             INERTNÍ PLYN              
---------------------------------------------------------------------
CO2           44,01      22,26                                       
SO2           64,06      21,89            PRODUKTY HOŘENÍ            
H2O           18,016     22,4                                        
---------------------------------------------------------------------
reakce A: CmHn+(m+n/4)O2 -> m·CO2+(n/2)H2O                           
reakce B: m·q(Cm)+(n/2)·q(Hn)                                        
10.247 Tabulka chemických reakci při hoření.
q(Cm); q(Hn) [MJ·kmol-1] spalné teplo příslušného množství atomů jednotlivých prvků. Dolní index n u jednotky objemu označuje normálný metr krychlový tj objem plynu za normálných podmínek (standardní atmosférický tlak a 0 °C).

V mnoha případech je množství uvolněné energie změřeno experimentálně, a spalné teplo či výhřevnost se u jednotlivých paliv většinou už počítat nemusí.

Množství spáleného kyslíku respektive spotřebu vzduchu při dokonalém hoření se vypočítá z příslušných reakcí stejně tak, jako výsledné složení spalin. Přitom lze vycházet z uvedené Tabulky 10, pomocí které lze přepočítat i hmotnost daného plynného prvku či sloučeniny ze zadaného objemového množství.

Vypočítejte objemové množství vzduchu nutného pro dokonalé spálení 1 kg slámy a objemové množství a složení spalin. Součinitel přebytku vzduchu α=1. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 564.
Úloha 2.564
prvek     kg/kg pal             prvek     m3n/m3n, vz 
ωC        0,449                 ωO2       0,21        
ωH        0,054                 ωN2       0,78        
ωO        0,48                  ωAr       0,01        
ωN        0,017                                       
Tabulka složení paliva a spalovacího vzduchu k Úloze 2.
vlevo prvkové složení slámy; vpravo prvkové složení vzduchu.
Ve vzduchotěsné ohnivzdorné sušárně dřeva o objemu 95 m3 vznikl požár. Vypočítejte jaké množství dřeva (v kg) v místnosti může shořet. Hoření se zastavuje, když obsah kyslíku ve vzduchu klesne na objemový podíl 16 %. Uvažujte dokonalé spalování, zanedbejte objem dřeva v místnosti tj. objem vzduchu je stejný jako objem místnosti. Prvkový rozbor vzduchu převezměte z předchozí úlohy. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 563 a v [7].
Úloha 3.563
prvek     kg/kg     prvek     kg/kg
ωC        0,49      ωN        0,02 
ωH        0,05      ωW        0,04 
ωO        0,4                      
Tabulka složení dřeva k Úloze 3.
● 9 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●

Teplotu nechlazeného plamene lze vypočítat z entalpie spalin(13). K výpočtu je nutné vědět jaké množství energie (entalpie) do spalovacího procesu sebou přináší jednotlivé vstupní produkty (palivo, vzduch), jaké množství energie se uvolní při spalování (výhřevnost) – o kolik se zvýší po spálení entalpie spalin a závislost celkové entalpie spalin na teplotě respektive funkci isp=f(t).

(13)Entalpie spalin - entalpie směsi plynů
V ideálním případě (dokonalé spalovaní) zvýšení entalpie spalin v důsledku hoření odpovídá výhřevnosti paliva. To znamená, že při hoření se netransformuje energie spojená se slučováním molekul pouze na vnitřní tepelnou energii spalin, ale také na tlakovou energii. Při spalování paliva ve volném plynném prostředí musí totiž zvětšující se objem spalin vykonat i práci – při vzniku musí spaliny vytlačit okolní plynné prostředí [8, s. 36] (velikost této práce vzhledem k uvolněné energii není velká, a při výpočtu se zanedbává).
Výpočet teploty spalin (nechlazeného plamene).
11.700 Výpočet teploty spalin (nechlazeného plamene).
isp [kJ·kg-1] měrná entalpie spalin při dané teplotě spalin; tsp [°C] teplota spalin; ivstup [kJ·kg-1] měrná entalpie vstupních produktů spalování se započtením energie uvolněné při hoření; ipal [kJ·kg-1] měrná entalpie paliva při vstupní teplotě; ivz [kJ·kg-1] měrná entalpie vzduchu při vstupní teplotě; Qir [kJ·kg-1] výhřevnost paliva; ia [kJ·kg-1] měrná entalpie spalin a složky spalin při teplotě hoření; ib [kJ·kg-1] měrná entalpie spalin b složky spalin při teplotě hoření; ωa [kg·kg-1] hmotnostní podíl a složky ve spalinách; ωb [kg·kg-1] hmotnostní podíl b složky ve spalinách atd. Podle složení spalin a entalpie jednotlivých složek (viz tabulky v [9, s. 350], [10], [11] nebo výpočet měrné entalpie pomocí měrné tepelné kapacity při stálém tlaku) se zkonstruuje funkce isp=f(t) a z množství vstupní entalpie odečte přibližná teplota nechlazeného plamene.
Vypočítejte teplotu nechlazeného plamene při hoření slámy z Úlohy 2. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 701.
Úloha 4.701

Odkazy

  1. IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml. Technický průvodce energetika-1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN-technická literatura, ISBN 80-7300-026-1.
● 10 ●
● 3. Biomasa jako zdroj energie ●
  1. VACÍK, Jiří, BARTHOVÁ, Jana, PACÁK, Josef, STRAUCH, Bohuslav, SVOBODOVÁ, Miloslava, ZEMÁNEK, František. Přehled středoškolské chemie, 1995. 1. vydání. Praha: SPN-pedagogické nakladatelství, a.s., ISBN 80-85937-08-5.
  2. POHOŘELÝ, Michael, JEREMIÁŠ, Michal, SKOBLIA, Siarhei, KAMENÍKOVÁ, Petra, SVOBODA, Karel, TOŠNAROVÁ, Markéta, ŠYC, Michal, PUNČOCHÁŘ, Miroslav, GÁL, Leoš. Zplyňování biomasy – možnosti uplatnění, Konfernce OZE 2010, 2010. Kouty nad Desnou. Dostupné z http://files.tretiruka.cz/200001013-a770ca86ad/109.pdf.
  3. Výzkumný ústav rostlinné výroby. Veřejná výzkumná instituce. Web: http://www.vurv.cz, [2010].
  4. BERANOVSKÝ, Jiří, TRUXA, Jan a kolektiv. Alternativní energie pro váš dům, 2004. 2. aktualizované vydání. Brno: ERA.
  5. KRBEK, Jaroslav, OCHRANA, Ladislav, POLESNÝ, Bohumil. Zásobování teplem a kogenerace, 1999. 1. vydání. Brno: FSI VUT v Brně, ISBN 80-214-1347-6.
  6. DĚMIDOV, P. Hoření a vlastnosti hořlavých látek, 1966. Praha: Mír, novinářské závody.
  7. ATKINS, Peter. Čtyři zákony, které řídí vesmír, 2012. První vydání. Praha: Academia, ISBN 978-80-200-2108-3.
  8. DOLEŽAL, Richard a kol. Kotle a spalovací zařízení, 1965. 1. vydání. Praha: SNTL. 424 s. 04-225-65.
  9. POLESNÝ, Bohumil a kol. Termodynamická data pro výpočet tepelných a jaderných energetických zařízení, 1990. Brno: Vysoké učení technické v Československé redakci VN MON, ISBN 80-214-0160-5.
  10. RAŽNJEVIĆ, Kuzman. Termodynamické tabuľky, 1984. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 2 sv. Edícia energetickej literatúry (Alfa).

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Biomasa jako zdroj energie, Transformační technologie, 2006-10, [last updated 2011-08]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/03.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
● 11 ●

Úplná verze článku

Celý článek včetně příloh je uveden v e-knize:

3. Biomasa jako zdroj energie. 3. Biomasa jako zdroj energie
11 stran textu + 4 strany příloh.

Náhledy: Titulní strana; Příloha 562.
Formát: PDF, velikost A4.





Cena: 35 Kč
Koupit

Soubor všech e-knih tématu Zdroje a přeměna energie lze koupit s množstevní slevou zde.