RAZVOJ TOPLOVODNOG KOTLA SNAGE DO 80 kW ZA SAGOREVANJE BALIRANE BIOMASE

DEVELOPMENT OF 80 kW HOT-WATER BOILER FOR

BUNDLDED BIOMASS COMBUSTION

D. Tucakovi, T. ivanovi, D. Stojiljkovi, V. Jovanovi, M. Todorovi

Mainski fakultet, Kraljice Marije 16, Beograd Abstract: Within the scope of the National Programme of Energy Efficiency project, financed by Ministry of Science and Environmental protection, titled " Development and manufacturing of 80 kW hot-water boiler for bundled biomass combustion", constructed is a prototype of a correspondent hand-stoked boiler, and thermotechnical testing has been done afterwards. The boiler is designed for combustion of bundled soya straw and wood waste, consists of furnace completely adapted to indicated fuel, and the boiler has two flue gas canals (three-draft boiler). Furnace is equipped with grate for bed combustion, and its size ensures free combustion of two bundles at the same time. In the paper presented are hot-water boiler construction, results of thermotechical testing, as well as suggestions of measures for energy efficiency improvement, i.e., boiler efficiency. Key words: hot-water boiler, bundled soya straw, wood waste 1. UVOD U okviru dvogodinjeg projekta nacionalnog programa energetske efikasnosti, finansiranog od strane Ministarstva nauke i zatite ivotne sredine, potrebno je razviti i izraditi toplovodni kotao snage 80 kW za sagorevanje balirane biomase (sojine slame) i drvonog otpada. Korisnik projekta, INTERMEHANIKA d.o.o. iz Smedereva, bavi se proizvodnjom kotlova za sagorevanje biomase, dok je kotao sa najveim kapaciteom, u njihovoj paleti proizvoda, toplovodni kotao na biomasu TK-40 snage 46 kW. Ovaj kotao, se sastoji od cilindrinog loita i jedne gasne zapremine koja se nalazi, po toku gasova, iza loita. Loite je prenika 800 mm i duine 1150 mm, tako da u njega moe da se smesti jedna bala standardnih dimenzija (700/500/350 mm).

Konstrukcija loita toplovodnog kotla TK-40 odlino se pokazala u eksploataciji, kako za sam proces sagorevanja balirane biomase, tako i pri manipulaciji sa gorivom i ljakom. Upravo zbog toga, pri izradi novog kotla snage 80 kW, odlueno je da se zadri ista konstrukcija loita, s tim to bi ono bilo odgovarajue duine koja omoguuje istovremeno sagorevanje dve bale standardnih dimenzija. Da kotao ne bi bio previlike duine, naknadne grejne povrine smetene su iznad loita u vidu prvog i drugog dimnog kanala.

U cilju odreivanja potrebne povrine loita i dimnih kanala, sprovedeni su odgovarajui prorauni [1] na osnovu kojih je izraena i potrebna tehnika dokumentacija, nakon ega se pristupilo izradi tropromajnog toplovodnog kotla za sagorevanje balirane biomase snage 80 kW.

2. TEHNIKI OPIS KOTLA

Toplovodni kotao za potrebe grejanja domainstava sagorevanjem balirane biomase u sloju, predstavljen je na slici 1 i ima sledee karakteristike:

Snaga kotla: 80 kW Maksimalni radni pritisak: 3 bar Temperatura polazne vode: 90 oC Temperatura povratne vode: 70 oC Gabariti: Duina: 1950 mm irina: 990 mm Visina: 1480 mm Teina: 1050 kg Koliina vode u kotlu: 430 dm3 (l) Gorivo: Balirana sojina slama Runo loeni toplovodno kotao je tropromajni i sastoji se od loita (2) - prva promaja,

prvog dimnog kanala (3) - druga promaja i drugog dimnog kanala (4) - trea promaja. Prijemnik toplote, voda, nalazi se oko gasnog trakta kotla, u takozvanom duplom metalnom zidu, tako da je njeno strujanje od mesta uvoenja povratne vode (9) do mesta odvoenja polazne vode (10) neartikulisano.

Konstrukcija loita (2) za sagorevanje balirane sojine slame u potpunosti je prilagoena navedenom gorivu. Loite je cilindrinog oblika, prenika 800 mm i duine 1500 mm i poseduje reetku (1) dimenzija koje obezbeuju nesmetano ubacivanje i sagorevanje dve bale istovremeno. Osim toga, velika zapremina loita omoguava da temperatura gasova na izlazu iz loita ne prelazi 700 oC s obzirom na nisku temperaturu omekavanja pepela slame.

Reetka je postavljena u donjem delu loita (2) na odgovarajuim nosaima (L profilima). Ispod reetke dovodi se vazduh potreban za sagorevanje. Strujanje vazduha obezbeeno je prirodnom promajom - dimnjakom, a regulisanje koliine vazduha ostvaruje se promenom povrine poprenog preseka ulaznog otvora (12), koji se nalazi na velikim vratima (14) kotla. Pomenuta regulacija ostvaruje se mehanikim putem.

Na velikim vratima kotla postavljena su i takozvana mala vrata (13) koja slue za ubacivanje vrstog goriva manjih dimenzija kao to je, recimo, drvni otpad. Sva ugraena vrata opremljena su odgovarajuim arkama i ruicama za otvaranje i zabravljivanje.

ljaka i pepeo propadaju kroz reetku i padaju u donji deo loita. Izbacivanje ljake i pepela vri se runo nakon otvaranja velikih vrata kotla, a ienje prvog i drugog dimnog kanala omogueno je preko vrata (15) u gornjem delu kotla.

Nakon hlaenja u loitu produkti sagorevanja, kroz poseban otvor u njegovom zadnjem delu, koji spaja donji i gornji deo kotla, ulaze u prvi dimni kanal (3). Produkti sagorevanja struje kroz ovaj kanal, od zadnjeg ka prednjem delu kotla, predajui toplotu vodi koja se nalazi u duplim zidovima na gornjoj, donjoj i bonim stranama kanala posle ega skreu i struje u drugi

dimni kanal (4) koji predstavlja poslednju grejnu povrinu po toku gasova. Na ulazu u prvi dimni kanal postavljena je klapna (7) koja se koristi pri startovanju kotla.

Sl. 1. Dispozicija toplovodnog kotla 1. Reetka za gorivo; 2. Loite; 3. Prvi dimni kanal; 4. Drugi dimni kanal; 5. Odvod dimnih gasova (dimnjaa); 6. Leptir za regulisanje promaje; 7. Klapna; 8. Prikljuak za punjenje i pranjenje kotla vodom; 9. Prikljuak za dovod povratne vode; 10. Prikljuak za odvod polazne vode; 11. Prikljuak za termostat; 12. Poklopac otvora za vazduh; 13. Mala vrata; 14. Velika vrata kotla; 15. Vrata za reviziju prvog i drugog dimnog kanala

Na izlazu iz drugog dimnog kanala, na zadnjoj strani kotla, postavljena je dimnjaa (5)

prenika 300 mm, kroz koju produkti sagorevanja naputaju kotao i kroz dimnjak odlaze u atmosferu. Za regulisanje promaje u kotlu ugraen je u dimnjai leptir (6) koji moe da se pomera pomou za to predviene ruice.

Voda se u kotao uvodi kroz odgovarajui prikljuak (9) koji se nalazi na zadnjoj strani kotla, zagreva do eljene temperature, a zatim kroz prikljuak za polaznu vodu (10), koji se nalazi na gornjoj strani kotla, alje ka potroau. Osim toga, na zadnjoj strani kotla, predvien je i prikljuak (8) za punjenje i pranjenje kotla vodom.

3. TERMOTEHNIKA ISPITIVANJA KOTLA

Pre poetka termotehnikog ispitivanja kotla, na osnovu uzetih uzoraka goriva koje se koristi za sagorevanje, izvrene su elementarne analize sojine slame i oblice jasenovog drveta. Odgovarajue analize, dobijene od Laboratorije za goriva i sagorevanje Mainskog fakulteta u Beogradu, prikazane su u tabeli 1 [2].

Ispitivani toplovodni kotao za sagorevanje balirane sojine slame (sl. 2) spada u kotlove namenjene za centralno grejanje vrstim gorivom tako da podlee standardu JUS M.E6.110 i DIN 4702. S obzirom, da su vrena ispitivanja prototipa kotla u razvojne svrhe, primenjene su samo pojedine odredbe ovih standarda.

Elementarna analiza i toplotna mo goriva Tabela 1

Naziv Oznaka Jedinica mere Balirana sojina slama Drvo jasena (oblice) Sadraj ugljenika Cr % 42,71 38,60 Sadraj vodonika Hr % 5,33 5,35 Sadraj kiseonika Or % 33,51 32,40 Sadraj azota Nr % 0,63 0,00 Sadraj sagorljivog sumpora Srg % 0,14 0,00 Sadraj pepela Ar % 3,62 1,17

Elem

enta

rna

anal

iza

Sadraj vlage Wr % 14,06 22,48 Sadraj volatila Vg % 68,55 66,12 Donja toplotna mo Hd kJ/kg 16153 14016

Merene su istovremeno sledee veliine: protok vode kroz kotao, temperature povratne i

polazne vode, temperatura dimnih gasova na izlazu iz kotla, promaja u dimnjaku, protok sveeg vazduha i sastav dimnih gasova.

Protok vode kroz kotao meren je ultrazvu-nim meraem. Temperature povratne i polazne vode, temperatura dimnih gasova na izlazu iz kotla i promaja u dimnjaku mereni su odgovarajuim davaima prikljuenim na sistem za akviziciju podataka, odnosno na vienamenski ureaj Testo 454. Temperature vode merene su kontaktnim termoparovima tipa J, a temperatura dimnog gasa termoparom tipa K. Promaja u dimnjaku merena je davaem sa dilatacionom mernom trakom. Protoci sveeg vazduha su mereni indirektno, merenjem brzine strujanja sondom sa krilcem prikljuenom na vienamenski ureaj Testo 400, a temperatura sveeg vazduha je merena NTC termometrom integrisanim u ovu sondu. Analiza dimnog gasa, odnosno odreivanje njegovog sastava, vrena je gasnim analizatorom Testo 33.

Sl. 2. Fotografija prototipa toplovodnog kotla za sagorevanje balirane sojine slame

Balirana sojina slama Pre ispitivanja, kotao je prvo doveden u toplo stanje tako da se na reetki obrazovao potreban ar za iniciranje procesa sagorevanja balirane sojine slame. U tom trenutku temperatura izlaznih dimnih gasova iznosila je oko 100 oC, tako da je za kriterijum zavretka ciklusa usvojena upravo ta temperatura. Vreno je nekoliko uzastopnih merenja sa razliitim uslovima rada kotla pri potuno otvorenim poklopcem za regulaciju protoka sveeg vazduha.

Najznaajnije ispitivanje, odnosi se na maksimalno optereenje kotla pri sagorevanju dve bale ukupne mase 19,70 kg u periodu trajanja ciklusa od 30 minuta. Obadve cirkulacione pumpe bile su postavljene na poloaju dva, s obzirom da su u tom sluaju dobijene najoptimalnije razlike

temperatura polazne i povratne vode od oko 20 oC, a odgovarajui protok vode kroz kotao iznosio je 3,60 m3/h. Na slici 3 grafiki je prikazana promena temperaure dimnih gasova na izlazu iz kotla i snage u zavisnosti od vremena u toku ciklusa. Vrednosti za snagu kotla dobijene su direktnom metodom na osnovu izmerenih temperatura polazne i povratne vode [2] i odgovarajueg protoka, na osnovu jednaine

( )povpol hhDP = [kW] (1) gde su D [kg/s] protok vode kroz kotao, a hpol i hpov entalpije za odgovarajue temperature i pritiske polazne i povratne vode.

Sl. 3. Grafiki prikaz promena temperaure dimnih gasova na izlazu iz kotla i snage pri

sagorevanju dve bale i protoku vode od 3,60 m3/h Maksimalna snaga postignuta je u 17. minuti ciklusa sagorevanja i iznosila je oko 90 kW, a

temperatura dimnih gaosova u tom trnutku bila je 400 oC. Koeficijent vika vazduha, pri sagorevanju dve bale nije meren. Meutim, meren je protok

vazduha kroz kotao, a njegova prosena vrednost iznosila je 0,0658 m3/s [2]. To znai da je tokom ciklusa od 30 minuta ukupno dovedena koliina vazduha 119 m3. Teorijski potrebna zapremina vazduha po kilogramu goriva je 4,104 m3/kg. S obzirom da su pri ispitivanju sagorele dve bale, mase 19,7 kg, ukupno potrebna teorijska koliina vazduha je 80,85 m3, tako da odnos dovedene i teorijske koloine vazduha iznosi 1,47. Na taj nain, posmatrajui ceo ciklus sagorevanja sa dve bale, moe se rei da prosena vrednost koeficijenta vika vazduha ne prelazi 2,5 to je za ovakvu vrstu goriva sasvim zadovoljavajue.

Prosena temperatura dimnih gasova na izlazu iz kotla za ceo ciklus je oko 350 oC zbog ega je gubitak u izlaznim gasovima povean, tako da stepen korisnosti kotla iznosi oko 60 % (pri koeficijentu vika vazduha od 2,5).

S obzirom da je zapremina balirane slame u odnosu na njenu masu velika, ukoliko elimo da odravamo snagu kotola od 80 kW, neophodno je ee ubacivati ovo gorivo u loite. Na slici 4 grafiki je prikazana promena temperature dimnih gasova na izlazu iz kotla i snage u zavisnosti od vremena, upravo za taj sluaj. Runo loenje kotla prouzrokuje variranje snage, pa je razmatran sluaj za prosenu snagu od 80 kW tako da se ona, izmeu dva loenja, kretala izmeu 70 i 90 kW. Prosena temperatura dimnih gasova bila bi neto preko 400 oC to bitno utie na smanjenje stepena korisnosti kotla. Sa dijagrama se jasno uoava da period ubacivanja jedne bale mase oko 10 kg u kotao, nakon postizanja odgovarajue snage, iznosi oko 15 minuta.

Sl. 4. Grafiki prikaz promena temperaure dimnih gasova na izlazu iz kotla i snage za sluaj

odravanja prosene snage kotla od 80 kW

Oblice jasenovog drveta Kao i kod prethodnog ispitivanja, tako je i pri ispitivanju kotla sagorevanjem oblica jasenovog drveta, kotao prvo doveden u toplo stanje tako da se na reetki obrazovao potreban ar za iniciranje procesa sagorevanja. U tom trenutku temperatura izlaznih dimnih gasova iznosila je oko 280 oC, tako da je za kriterijum zavretka ciklusa, u ovom sluaju, usvojena ta temperatura.

Ispitivanje je vreno pri sagorevanju polutki jasenovog drveta, ravnomerno rasporeenih po reetci, mase 64,7 kg u periodu trajanja ciklusa od 84 minuta. Odgovarajui protok vode kroz kotao iznosio je 3,60 m3/h. Na slici 5 grafiki je prikazana promena temperaure dimnih gasova i koeficijenta vika vazduha na izlazu iz kotla i snage u zavisnosti od vremena. Vrednosti za snagu kotla dobijene su, takoe, direktnom metodom na osnovu izmerenih temperatura polazne i povratne vode [2] i odgovarajueg protoka.

Maksimalna snaga postignuta je u 17. minutu ciklusa sagorevanja i iznosila je oko 90 kW, dok je temperatura dimnih gaosova u tom trnutku bila 530 oC.

Koeficijent vika vazduha imao je najmanju vrednost na poetku ciklusa, pri sagorevanju volatila, a daljim nastavkom procesa sagorevanja njegova vrednost je postepeno rasla do 4, pri emu su tokom celog ciklusa vrata za regulisanje protoka vazduha bila maksimalno otvorena. Na taj nain, posmatrajui ceo ciklus sagorevanja, prosena vrednost koeficijenta vika vazduha iznosila je oko 2,4.

Izmerena vrednost protoka vazduha od 0,0797 m3/s pokazuje da je tokom ciklusa od 84 minuta kroz sloj goriva prola koliina vazduha od 402 m3. Teorijski potrebna zapremina vazduha po kilogramu goriva je 3,777 m3/kg. S obzirom da je pri ispitivanju sagorelo 64,7 kg goriva, ukupno potrebna teorijska koliina vazduha je 244,4 m3, tako da odnos dovedene i

teorijske koloine vazduha iznosi 1,65, to dodatno potvruje verodostojnost rezultata merenja koeficijenta vika vazduha prikazanog na grafiku slike 5.

Sl. 5. Grafiki prikaz promena temperaure dimnih gasova i koeficijenta vika vazduha na izlazu

iz kotla i snage pri sagorevanju jasenovog drveta i protoku vode od 3,60 m3/h Prosena temperatura dimnih gasova na izlazu iz kotla za ceo ciklus je preko 400 oC tako da

je gubitak u izlaznim gasovima i u ovom sluaju povean zbog ega je stepen korisnosti kotla manji u odnosu na proraunati i iznosi oko 50 %.

4. ISPITIVANJE KVALITETA SAGOREVANJA

Ispitivanje kvaliteta sagorevanja je vreno delimino za vreme ciklusa ispitivanja toplotne snage, a delimino tokom posebnog ciklusa [2]. Zbog velikog sadraja volatila i vlage u gorivu (slama soje) vreme sagorevanja je bilo relativno kratko, a u poetnoj fazi sagorevanja su izmerene izuzetno velike vrednosti sadraja ugljen monoksida pa je zbog zatite senzora za ugljen monoksid u ureaju za analizu gasova merenje prekidano do smanjenja koncentracije u granice dozvoljene za rad senzora.

Pri pogonu na ogrevno drvo, prilikom ispitivanja kvaliteta sagorevanja nije bilo problema kao pri pogonu na slamu soje, tako da je jedan poseban ciklus ispitivanja obavljen samo za potrebe ovog ispitivanja. Od ukupnog vremena trajanja ciklusa ispitivanja (priblino 80 minuta), analiza dimnog gasa je vrena tokom 35 minuta, tako da je obuhvaen i poetak i kraj procesa sagorevanja jednog punjenja loita ogrevnim drvetom.

Srednje vrednosti svih izmerenih (i izraunatih) veliina dobijenih tokom ispitivanja kvaliteta sagorevanja za oba goriva su date u Tabeli 2.

Tabela 2 Merena veliina

Gorivo tdg

(C) O2

(%v/v) qdg(%)

CO2(%v/v)

(/)

tvaz(C)

CO (ppm)

NO (ppm)

Slama soje 229,5 15,9 38,18 4,8 5,37 18,7 10724 57 Ogrevno drvo (jasen) 402,2 11,9 30,61 8,6 2,39 12,3 3683 0

5. ZAKLJUAK 1. Pri ispitivanju toplovodnog kotla sagorevanjem balirane sojine slame postignuta je

predviena snaga od 80 kW. Odravanjem ove snage, prosena temperatura dimnih gasova iznosila bi oko 400 oC, a koeficijenta vika vazduha 2,5. Pri snienom optereenju prosena temperatura dimnih gasova je nia i iznosi 250 oC dok je vrednost koeficijenta vika vazduha znatno poveana i iznosi neto vie od 5. Treba napomenuti da su vrata za regulisanje protoka vazduha bila maksimalno otvorena, tako da je njenim pritvaranjem mogue smanjiti dovedenu koliinu vazduha.

Izmerene vrednosti temperaura dimnih gasova na izlazu iz kotla su znatno vie u odnosu na temperature dobijene termikim proraunom. Ako se na to doda i povean koeficijent vika vazduha, dobija se veliki gubitak u izlaznim gasovima koji je doprineo da stepen korisnosti kotla bude manji od oekivanog.

2. Pri ispitivanju toplovodnog kotla sagorevanjem jasenovog drveta, takoe je postignuta predviena snaga od 80 kW. Koeficijent vika vazduha bio je zadovoljavajui a njegova prosena vrednost iznosila je 2,4. Problem je i u ovom sluaju bila visoka temperatura izlaznih dimnih gasova, koja se u periodu ciklusa ispitivanja kretala izmeu 280 oC i ak 600 oC, to je prouzrokovalo znatno manji stepen korisnosti kotla od oekivanog.

Iz priloenog se moe zakljuiti, da pri sagorevanju oba goriva postoji mogunost utede znaajne koliine toplote dimnog gasa jer je vrednost gubitka u izlaznim gasovima velika. S obzirom da su sve aktivnosti prve godine projekta realizovane, cilj istraivanja u drugoj, zavrnoj, godini projekta bie reavanje problema koji se odnosi na smanjenje gubitka u izlaznim gasovima, odnosno poveanje stepena korisnosti kotla. U ostvarenju tog cilja razmilja se u dva pravca. Prvi je ugradnja dodatne grejne povrine, u vidu zagrejaa vode, koji bi se postavio na izlazu iz kotla po toku dimnih gasova, a ujedno bi bio prva grejna povrina po toku vode. Drugi pravac je ugradnja posebnih pregrada u vodenoj zapremini kotla ime bi se artikulisala cirkulacija vode od mesta njenog uvoenja pa do mesta odvoenja iz kotla. REFERENCE

[1] . , . , . , , 2002.

[2] ELABOTAR u okviru projekta NP EE 273006 Ministarstva za nauku i zatitu ivotne sredine, Beograd, 2007

1. UVOD2. TEHNIKI OPIS KOTLA3. TERMOTEHNIKA ISPITIVANJA KOTLA4. ISPITIVANJE KVALITETA SAGOREVANJA5. ZAKLJUAK