badanie możliwości wykorzystania katalizatora we wkładach

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