Projekty

Termické procesy, materiály a produkty

SP2015/176

Cílem řešení tohoto projektu je řešení několika dílčích zaměření - modulů, jejichž společným jmenovatelem jsou procesy, postupy a technologie zaměřené do nových oblastí vědy a výzkumu. První a poslední modul budou vedeny samostatnými doktorandy, druhý modul pro svůj charakter bude řešen dvojicí doktorandů, v plánu je však působení větší skupiny studentů ve společném řízení. Projekt se skládá z těchto modulů: 1. Využití odpadního tepla v akumulačním systému na bázi termo-oleje za účelem následné výroby elektřiny 2. Tepelně-oxidační degradace uhlíkatých nanomateriálů 3. Vliv oxidu uhličitého jako zplyňovacího média na obsah znečišťujících látek v energoplynu Moduly: 1. Využití odpadního tepla v akumulačním systému na bázi termo-oleje za účelem následné výroby elektřiny Cílem řešení je podrobná analýza efektivity využití odpadního tepla pro potřebu akumulace tepelné energie v akumulačním systému na bázi termo-oleje za účelem následné výroby elektřiny ve speciální konstrukci turbogenerátoru. Bude využíváno odpadního tepla spalin z kogenerační jednotky, které se bude ukládat do systému akumulace citelného tepla na bázi termo-oleje. Toto akumulované teplo se dále přenesením do vody využívá k výrobě elektrické energie v turbogenerátoru speciální konstrukce, který je schopen využívat nízkopotenciální mokrou páru. Jedná se o unikátní jednotku na území ČR i v Evropě. Je ve vlastnictví řešitelské instituce a pro potřebu poměrně velkého odpadního tepla je umístěna v areálu zemědělského družstva v Želatovicích. Pilotní jednotka bude doplněna o měření, která jsou nezbytná pro vyhodnocení klíčových parametrů k vyhodnocení efektivity využití odpadního tepla. Následně bude na základě naměřených hodnot z jednotlivých provozních režimů jednotky vyhodnocena efektivita využití odpadního tepla. Bude navržena optimalizace za účelem zvýšení efektivity a využitelnosti této technologie. 2. Tepelně-oxidační degradace uhlíkatých nanomateriálů Nanotechnologie jsou v současnosti jednou z nejdynamičtěji se rozvíjejících technologií a jejich význam potvrzuje nejen stoupající množství i počet typů vyráběných nanomateriálů a obrat v nanotechnologickém průmyslu pohybující se jen v EU v řádech triliónů eur ročně , ale i skutečnost, že nanotechnologie byly v rámci EU zařazeny mezi tzv. Key Enabling Technologies (KET) , tedy klíčové technologie umožňující udržet konkurenceschopnost. Spolu s novými možnostmi nanomateriálů se ale objevují také obavy, že jejich nové vlastnosti mohou přinášet také nová rizika a do popředí vystupuje také společenská nutnost zajistit bezpečnost nanomateriálů . Zatímco je již nyní velká pozornost věnována projektům zaměřeným na nanomateriály a pracovní prostředí , jen velmi omezené informace existují o problematice odpadů s obsahem nanomateriálů po skončení funkčnosti produktů, k jejichž výrobě byly nanočástice použity. To pak může vést k neřízené a obtížně sledovatelné kontaminaci životního prostředí nanomateriály ať už v původní formě, nebo transformované v průběhu tepelné, mechanické nebo biologické degradace původního kompozitu nebo produktu, do nějž byl nanomateriál přidán. Vzhledem k tomu, že environmentální zákony preferují kromě recyklace také energetické využití odpadů, je nasnadě, že značná část produktů s nanomateriály bude spalována, a proto vyvstává potřeba zkoumat, zda a nakolik můžeme při spalování odpadů s nanomateriály očekávat jejich únik do životního prostředí. Z hlediska spalovacích procesů jsou zajímavou skupinou nanomateriály ty, které jsou tvořeny převážně nebo zcela uhlíkem, tedy různé fullereny, jedno- i vícestěnné nanotrubičky a nejrůznější formy grafenu, ale také víceméně amorfní formy nanouhlíku obsažené v uhlíkové černi. I když se u těchto materiálů předpokládá, že při dokonale vedeném spalovacím procesu budou zcela zoxidovány na oxid uhličitý, tato situace ani zdaleka není tak jednoznačná v reálných podmínkách, tedy při nedokonalém spalování. Zmíněná skutečnost nabývá na významu tehdy, když si uvědomíme, že nedokonalé spalování je typickým procesem při přípravě uhlíkové černi a že také fullereny jsou připravovány ve velkých množstvích nedokonalým spalováním. Znamená to totiž také, že při nedokonalém spalování mohou být tyto částice relativně stabilní a tak ke spálení nedojde. Odtud se také odvíjí cíl této části SGS, a to je: Stanovení vlivu teplotního režimu a oxidačně-redukčních podmínek na tepelně-oxidační degradaci uhlíkatých nanomateriálů z pohledu možnosti spalování odpadů s nimi. Práce bude mít následující části (postup): a. Literární rešerše shrnující a hodnotící současný stav vědění v oblasti spalování a tepelně-oxidační degradace uhlíkatých nanomateriálů; rešerše započne jejich definicí a popisem, bude pokračovat nalezenými a vyhodnocenými informacemi o v literatuře popsaných experimentů s jejich spalováním nebo jinou formou oxidace v plynném médiu, a bude ukončena souhrnnou analýzou b. Zvládnutí techniky termické analýzy na moderních přístrojích, a to tak, aby bylo možno zkoumat hmotnostní změny a entalpické efekty u malých vzorků pod 1 g (to je motivováno malou dostupností a vysokou cenou některých nanomateriálů), a to při různých režimech ohřevu včetně stacionárních prodlev a v kontrolované atmosféře obsahující různá množství kyslíku. Preferovány budou techniky umožňující nejen TG a TA, ale také DTG a DTA a součástí projektu může být i specializované školení. c. Získání vzorků uhlíkatých nanomateriálů; získány budou nejméně čtyři různé vzorky z kategorií uhlíková čerň, fulleren, uhlíkové nanovlákno a grafen. d. Provedení experimentů termické analýzy za různých teplotních režimů, tedy různé rychlosti nárůstu teploty a její maximální hodnoty a případné setrvání na konkrétní teplotě a za různých složení atmosféry, ve které budou reakce sledovány; měněn bude obsah kyslíku směrem k redukční atmosféře. e. Vybrané vzorky po dokončení experimentů budou charakterizovány metodami vhodnými pro mikroskop - bude provedena jako služba. f. Vyhodnocení experimentů, zpracování výsledků a sepsání závěrečné zprávy a publikací 3. Vliv oxidu uhličitého jako zplyňovacího média na obsah znečišťujících látek v energoplynu Vzduch jakožto zplyňovací médium se nejčastěji uplatňuje při autotermním provozu zplyňovacích zařízení. Alternativně je užíván kyslík či kyslíko-parní směs.Teplo nezbytné pro zplyňovací reakce je dodáváno spalováním části paliva ve spalovací zóně generátoru pomocí kyslíku obsaženého v použitém zplyňovacím médiu. V případě volby vzduchu obsahuje vyprodukovaný energoplyn cca 50 objemových % dusíku, což snižuje jeho energetické parametry. Užití kyslíku či kyslíko-parní směsi je zase obvykle spojeno s určitým zvýšením nákladů (energetických, provozních) pro zajištění požadovaného množství zplyňovacího média. Naproti tomu u alotermního zplyňování pevných paliv se teplo potřebné pro udržení chemické reakce odebírá z vnějšího zdroje (prostup stěnou generátoru, přenos materiálem fluidního lože). To umožňuje jako zplyňovací médium využívat sloučeniny, které obsahují vodík vázaný ve své molekule (voda, oxid uhličitý). Využívání oxidu uhličitého jako zplyňovacího média představuje zajímavou alternativu k metodám post-procesním, které mají za cíl snížit obsah této látky ve spalinách (elektrárny, teplárny na fosilní i obnovitelná paliva). Bohužel pro separaci a následné uložení vzniklého oxidu uhličitého je nutné velké množství energie, které výrazně snižuje celkovou účinnost těchto zařízení. V případě využití části oxidu uhličitého pro zplyňování (tzv. metoda pre-procesní) se část vzniklého oxidu uhličitého recirkuluje. Hlavním cílem výzkumného projektu bude posouzení vlivu složení obsahu oxidu uhličitého na změnu provozních parametrů zplyňovacího zařízení v alotermním režimu. Sledováno bude výsledné složení energoplynu a především jeho kvalita určená obsahem tuhých znečišťujících látek (prachu) a vysokomolekulárních látek (dehtů). Experimentální šetření bude realizováno na technologii zplyňování biomasy, která se nachází v prostorách nové zkušebny Výzkumného energetického centra. Zplyňovací jednotka je určena pro zplyňování pelet. Jako palivo budou v rámci testování použity dřevěné pelety, zatímco oxid uhličitý bude odebírán ze svazku tlakových lahví. Výstupem výzkumu bude zhodnocení potenciálu oxidu uhličitého pro zplyňovací proces a možné důsledky na kvalitativní parametry vznikajícího energoplynu.

2015

2015

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Koloničný Jan Ing., Ph.D.