badanie możliwości wykorzystania katalizatora we wkładach
Transkrypt
badanie możliwości wykorzystania katalizatora we wkładach
MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 50, ISSN 1896-771X BADANIE MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA KATALIZATORA WE WKŁADACH KOMINKOWYCH NA PALIWO STAŁE Zbigniew Kosma1a, Rafał Kalbarczyk1b, Bartosz Piechnik1c 1 Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu a [email protected], [email protected], [email protected] Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących możliwości zastosowania katalizatora spalin we wkładach kominkowych na paliwo stałe. Badania eksperymentalne polegały na umieszczeniu katalizatora bezpośrednio na wylocie spalin z wkładu kominkowego. Badania przeprowadzono przy kilku różnych nastawach kanałów doprowadzających powietrze pierwotne. Wprowadzone modyfikacje w konstrukcji wkładu kominkowego spowodowały wielokrotne obniżenie emisji tlenku węgla. Słowa kluczowe: katalizator, spalanie katalityczne, wkład kominkowy, emisja CO INVESTIGATION OF THE APPLICABILITY OF A CATALYST IN FIREPLACE INSERTS FOR SOLID FUEL Summary The paper presents results of research concerning the applicability of the catalyst in fireplace inserts for solid fuel. Experimental studies consisted in placing the catalyst directly in the exhaust outlet from the fireplace insert. The tests were performed for various configurations of the channels supplying primary air. The modifications in the design of the fireplace inserts resulted in substantial reduction of carbon monoxide emission. Keywords: catalyst, catalytic combustion, fireplace insert, CO emission 1. WSTĘP Zapotrzebowanie na kominki jest ogromne i ciągle rośnie. Tak samo jak coraz bardziej udoskonalane są samochody, które osiągają coraz większą moc przy coraz mniejszej emisji zanieczyszczeń i mniejszym zużyciu paliwa, tak samo wkłady kominkowe, piece akumulacyjne oraz inne urządzenia grzewcze wymagają coraz to lepszych udoskonaleń dla zwiększenia ich sprawności przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości paliwa użytego do wytworzenia ciepła oraz ograniczeniu emisji szkodliwych gazów, zwłaszcza tlenku węgla. Tlenek węgla (CO) powstaje w wyniku procesów niecałkowitego spalania w paleniskach [1]. W niedużym stężeniu w powietrzu (Najwyższe Dopuszczalne Stęże- nie, NDS = 30 mg/m3) CO jest trujący, natomiast efekt dłuższej ekspozycji organizmów żywych na jego małe stężenie nie jest dobrze poznany [2]. Najbardziej wrażliwy na działanie tlenku węgla jest mózg. Ze względu na ok. 300 razy większe powinowactwo do hemoglobiny niż tlen, zatrucie tym gazem powoduje powstanie karboksyhemoglobiny (HbCO), czyli dość trwałego połączenia hemoglobiny z tlenkiem węgla, przejawiającego się niezdolnością do przyłączania tlenu, a tym samym uniemożliwiającego transport tlenu z płuc do tkanek, co prowadzi do ich niedotlenienia. Spodziewanym rezultatem badań jest uzyskanie odpowiedzi, w jakim stopniu można obniżyć zawartość 33 BADANIE MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA KATALIZATORA WE WKŁADACH… tlenku węgla powstającego podczas procesu spalania w urządzeniach grzewczych typu kominek dzięki zastosowaniu katalizatora spalin. Poprzez katalizator rozumie się tu urządzenie będące elementem układu wylotowego, stosowane standardowo w katalizie, której zadaniem jest obniżenie ilości szkodliwych związków w spalinach. Uchylne drzwiczki frontowe wkładu posiadają przeszklenie wykonane z szyby żaroodpornej oraz elementy zamykające i uszczelniające. Piec wyposażony jest w przesłonę regulującą dopływ powietrza pierwotnego do komory spalania, natomiast kurtyna powietrzna realizowana jest poprzez rozszczelnienie górnej części drzwiczek. Spaliny powstałe podczas procesu spalania przepływają przez katalizator i przylegają do warstwy aktywnej bloku katalitycznego, gdzie następują reakcje utleniania i redukcji szkodliwych związków (rys. 1). 2. MODYFIKACJA WKŁADU KOMINKOWEGO Wkład kominkowy, w którym zastosowano katalizator, wykonany jest ze stali kotłowej P265GH o grubości ścianek 4 mm. Spaliny zostały wyprowadzone do góry. Rys. 1. Wkład kominkowy z zamontowanym katalizatorem Podstawową zaletą katalitycznego dopalania jest możliwość uzyskania niskiej temperatury procesu w zakresie 240 ÷ 450 °C [3]. Katalizator (rys. 2) montowany jest na stałe na wylocie wkładu kominkowego (1) za pomocą obejmy mocującej (5). Cała konstrukcja katalizatora umieszczona jest powyżej szybra (4). Blok katalityczny (2) spoczywa na specjalnych mocowaniach (3), które w skuteczny sposób zapobiegają jego przemieszczaniu. Komin katalizatora, mocowania bloku katalitycznego oraz obejma wykonane są ze stali konstrukcyjnej S235JR. Podczas badań prowadzonych w laboratorium zakładowym firmy Kratki.pl wykorzystano metaliczny katalizator (rys. 3) zbudowany na bazie metalowego bloku katalitycznego, którego ściany kanałów zostały pokryte cienką warstwą aktywną, w której skład wchodzą metale szlachetne, takie jak platyna, rad i pallad. Na 1cm2 bloku katalitycznego przypada 25 kanałów. Rys. 3. Blok katalityczny wykorzystany do modyfikacji wkładu kominkowego W przypadku niedrożności bloku katalitycznego istnieje możliwość jego wymiany. Czynność tę realizuje się dzięki zainstalowaniu w kominie katalizatora drzwiczek rewizyjnych, montowanych za pomocą śrub (rys. 4). Drzwiczki dodatkowo uszczelnione są sznurem grafitowym. Rys. 2. Sposób montażu katalizatora na wylocie wkładu kominkowego 34 Zbigniew Kosma, Rafał Kalbarczyk, Bartosz Piechnik Rys. 4. Sposób wymiany bloku katalitycznego 3. STANOWISKO BADAWCZE I PRZEBIEG BADAŃ 4. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Badania zostały przeprowadzone na stanowisku badawczym znajdującym się w laboratorium firmy Kratki.pl. Stanowisko wyposażone jest w stalowy komin o średnicy dobranej do średnicy czopucha. W kanale spalinowym znajduje się przesłona regulująca wielkość ciągu kominowego. W odcinku pomiarowym usytuowane są gniazda do osadzenia sond pomiarowych. Z dwóch stron wokół badanego wkładu kominkowego umieszczone są ściany izolacyjne wykonane wg. normy PN-EN 13240: 2008 [4] (rys. 5) pokryte czarną matową farbą – do zdalnego pomiaru temperatury za pomocą kamery termowizyjnej lub pirometru. Jako paliwa do badań użyto drewna opałowego kawałkowego o wilgotności 16%, wartości opałowej w stanie roboczym 16094 kJ/kg (grab), długości polan 350 mm w ilości obliczonej zgodnie z zapisami normy PN-EN 13240: 2008. Spaliny były próbkowane w sposób ciągły. Układ odprowadzania gazów spalinowych do automatycznej stacji analizatora składał się z: sondy pomiarowej i przewodu łączącego, rejestratora temperatury, termoelementów typu K do pomiaru temperatury spalin i temperatury w laboratorium oraz mikromanometru do pomiaru ciągu kominowego. Przepływ wody przez płaszcz był mierzony za pomocą wodomierza. Przepływ był tak wyregulowany, aby różnica temperatur na króćcach wynosiła nie więcej niż 20OC. Podstawowy skład spalin oznaczony był metodami referencyjnymi za pomocą analizatora Siemens Ultramat23. Układ archiwizacji danych rejestrował dane w interwale 1 sekundy. Na stanowisku badawczym przeprowadzano cztery następujące po sobie czynności: 1. Rozpalenie i utworzenie warstwy żaru – 30 min, 2. Badanie wstępne – regulacja nastaw powietrza nadmuchiwanego i ciągu kominowego przez 60 min, 3. Pierwsze badanie mocy nominalnej – 60 min, 4. Drugie badanie mocy nominalnej – 60 min. Przedstawione wyniki badań dotyczą zarówno standardowego wkładu kominkowego, jak i wkładu wyposażonego w katalizator spalin. 4.1. BADANIE I – WKŁAD KOMINKOWY BEZ KATALIZATORA Urządzenie grzewcze na tym etapie zostało przebadane w konfiguracji jak na rys. 5. Jest to standardowy wkład kominkowy z płaszczem wodnym. Do komory paleniska zostało doprowadzone powietrze pierwotne pod popielnik. Rys. 5. Standardowy wkład kominkowy bez katalizatora W tabeli 1 przedstawiono warunki w jakich zostały przeprowadzone pomiary. Uzyskano uśrednione wartości temperatury spalin oraz uśrednioną procentową zawartość tlenku, dwutlenku węgla i tlenu w powstałych podczas procesu spalania spalinach. Wykres na rys. 6 przedstawia graficzną interpretację zawartości tlenu i tlenku węgla z dwóch badań. Na wykresie można zauważyć kilka różnych faz spalania drewna. W pierwszej fazie następuje odparowanie znajdującej się w drewnie wody. W komorze spalania pojawia się duża ilość tlenu. Następna faza to odgazowanie części lotnych. Podczas tej fazy wzrasta poziom tlenku węgla po czym następuje zapłon i wypalanie się powstałego gazu. Końcowa faza to spalanie pozostałego węgla drzewnego – zawartość tlenku węgla maleje, a tlenu rośnie. 35 BADANIE MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA KATALIZATORA WE WKŁADACH… Uzyskane wyniki przeliczono wg procedury obliczeniowej zawartej w pkt. A6 normy PN-EN13240:2008 i umieszczono w tabeli 2. Średnia sprawność cieplna wkładu kominkowego wyniosła 82,6% natomiast emisja CO przeliczona na 13% tlenu wyniosła 0,88%. Tabela 1. Uśrednione wyniki pomiarów przebiegu procesów spalania dla wkładu kominkowego bez katalizatora Wyszczególnienie Paliwo Powietrze Spaliny (wartości uśrednione) Symbol Jednostka Masa paliwa B kg 7,5 Wartość opałowa(analityczna) Qai kJ/kg 16503 Temperatura otoczenia tot Wilgotność względna Ciśnienie barometryczne Φ pb Temperatura tsp CO2 O2 CO ZCO2 ZO2 ZCO o Wartość C 24,9 % mm Hg 79 762 o C 174,5 % % % 10,51 10,46 1,16 Rys. 6. Przebieg procesów spalania dla wkładu kominkowego bez katalizatora Tabela 2. Uśrednione wyniki obliczeń przebiegu procesu spalania dla wkładu kominkowego bez katalizatora Wyszczególnienie Wielkości cieplne Emisja Średnia moc cieplna całkowita Moc cieplna obiegu wodnego Moc cieplna przekazana do pomieszczenia Średni strumień masy paliwa Średni strumień masy spalin Względna strata kominowa Względna strata niezupełnego spalania Średnia sprawność cieplna CO (przeliczone na 13% O2) CO (przeliczone na 13% O2) Symbol Jednostka Wartość P Pw PSH B M qa qb Η kW kW kW kg/h g/s % % % g/mn3 % 28,4 14,6 13,8 7,5 21,2 10,5 6,9 82,6 11,16 0,88 ECO ECO% Uwaga: Obliczenia zostały wykonane zgodnie z procedurą obliczeń zawartą w pkt. A6 normy PN-EN13240:2008 identycznych warunkach jak w przypadku badań standardowego wkładu kominkowego. Zastosowanie katalizatora spowodowało znaczne obniżenie emisji tlenku węgla do 0,16% Średnia sprawność cieplna wyniosła 81,8%. 4.2. BADANIE II – WKŁADKOMINKOWY Z KATALIZATOREM W tabelach 3 i 4 oraz na rys. 7 zostały zaprezentowane wyniki uzyskane podczas badania zmodyfikowanego wkładu kominkowego wyposażonego w katalizator spalin (rys.1). Pomiary przeprowadzono w niemal 36 Zbigniew Kosma, Rafał Kalbarczyk, Bartosz Piechnik Tabela 3. Uśrednione wyniki pomiarów przebiegu procesów spalania dla wkładu kominkowego z katalizatorem Wyszczególnienie Paliwo Powietrze Symbol Jednostka Wartość Masa paliwa B kg 7,55 Wartość opałowa(analityczna) Qai kJ/kg 16503 Temperatura otoczenia tot C 26,7 Wilgotność względna Ciśnienie barometryczne pb % mm Hg 75 762 Temperatura tsp C 237,1 CO2 O2 CO ZCO2 ZO2 ZCO % % % 9,6 11,7 0,19 Spaliny (wartości uśrednione) φ o o Rys. 7. Przebieg procesów spalania dla wkładu kominkowego z katalizatorem Tabela 4. Uśrednione wyniki obliczeń przebiegu procesów spalania dla wkładu kominkowego z katalizatorem Wielkości cieplne Emisja Wyszczególnienie Średnia moc cieplna całkowita Symbol P Jednostka kW Wartość 28,1 Moc cieplna obiegu wodnego Moc cieplna przekazana do pomieszczenia Średni strumień masy paliwa Średni strumień masy spalin Względna strata kominowa Względna strata niezupełnego spalania Średnia sprawność cieplna CO (przeliczone na 13% O2) CO (przeliczone na 13% O2) Pw PSH B m qa qb η kW kW kg/h g/s % % % g/mn3 % 13,6 14,5 7,55 25,75 17,5 1,33 81,1 1,94 0,16 ECO ECO% W artykule przedstawiono wyniki badań kominka, w którym bezpośrednio na wylocie wkładu kominkowego umieszczono katalizator spalin. Spowodowało to ponad pięciokrotne zmniejszenie emisji tlenku węgla przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności procesu spalania. W przypadku badania wkładu z katalizatorem należało sztucznie podwyższyć ciąg kominowy, aby był zgodny z wymogami określonymi w normie PN-EN 13240. 5. PODSUMOWANIE Procesy spalania są największym źródłem zanieczyszczeń powietrza. Takie powszechnie znane terminy, jak efekt cieplarniany, kwaśne deszcze i dziura ozonowa odnoszą się do negatywnych, ubocznych efektów spalania paliw. To wielkie wyzwanie dla technologii spalania, żeby, odpowiadając zapotrzebowaniu na potrzeby rynku, zmniejszyć negatywne oddziaływanie na środowisko naturalne. 37 BADANIE MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA KATALIZATORA WE WKŁADACH… Przebiegi emisji CO z katalizatorem dla pierwszego i drugiego palenia (Rys. 7) różnią się, ponieważ badania były prowadzone przy różnych nastawach kanałów doprowadzających powietrze pierwotne. Strata kominowa wyliczona na podstawie pomiarów z wykorzystaniem katalizatora jest wyższa, ponieważ kominek podczas badania wstępnego został wygrzany w większym stopniu niż podczas badania standardowego wkładu bez katalizatora. Generalnie przy wykonywaniu badań eksperymentalnych kominka nie ma możliwości przeprowadzenia dwóch identycznych paleń. Badane urządzenie grzewcze spełnia restrykcyjne normy: BimSchV 1, BimSchV 2, PN–EN 13240 (Tabela 5). W dalszej części prac związanych z wykorzystaniem katalizatora spalin we wkładach kominkowych przeprowadzone zostaną testy, w których jako paliwo użyty zostanie brykiet drzewny. Tabela 5. Dopuszczalne wartości emisji i mocy cieplnej wg normy PN-EN 13240 Postanowienia normy Zasadnicze cechy Uwagi Badane urządzenie PN-EN 13240:2008 4.2.1; 4.2.2; 4.2.3; 4.2.4; 4.2.5; 4.2.6; dopuszczalna Emisja produktów 4.2.7; 4.2.8; 4.2.9; wartość graniczna Spełnia spalania 4.2.10; 4.2.11; 5.1; CO< 1,0 % 5.2.6; 6 dopuszczalna Moc cieplna / efektyw6.3;6.4 do 6.8 wartość graniczna Spełnia ność energetyczna ≥ 50 % Artykuł powstał w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Działanie 1.4, Wsparcie projektów celowych – Prace badawczo – rozwojowe w firmie Kratki.pl celem zdobycia przewagi konkurencyjnej. Literatura 1. 2. 3. 4. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E. R.: Kompendium wiedzy: ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo. Wrocław: Omni Scala, 2008. Zakrzewski S. F.: Podstawy toksykologii środowiska. Warszawa: PWN, 1995. Kordylewski W.: Spalanie i paliwa. Wrocław: Wyd. Pol. Wrocł., 2005. PN-EN 13240: 2008 Ogrzewacze pomieszczeń na paliwa stałe. Wymagania i badania. 38