Projects

Enviromentální aspekty provozu energetických zařízení

SP2014/160

Cílem řešení tohoto projektu je řešení několika dílčích zaměření - modulů, jejichž společným jmenovatelem jsou energetická zařízení, jejich provozní parametry a jejich vliv na životní prostřední, ať už přímý nebo druhotný. Na každém tématu bude pracovat samostatná skupina studentů, v plánu jsou však společná pracovní setkání a výměna informací. Projekt se skládá z těchto modulů: 1. Kondicionace energoplynu 2. Analýza životního cyklu nanomateriálů s možným výskytem v emisích 3. Efektivita využívání odpadních tepel ze zvlňovacího stroje v papírenském průmyslu 4. Specifika provozu soustrojí spalovací turbíny a kotle 1. MODUL: Kondicionace energoplynu Předmětem výzkumu bude sledování vlivu parametrů provozu vodního scrubberu energoplynu na účinnost odstraňování TZL (tuhých znečišťujících látek) a vysokomolekulárních látek (dehtů). Během zplyňování pevných paliv vznikají vedle žádoucích složek energoplynu (oxid uhelnatý, vodík, methan, vyšší uhlovodíky) a balastních složek (vodní pára, oxid uhličitý) také nežádoucí složky (TZL, dehty, alkalické složky, sloučeniny síry a halogenů). Díky nim nelze surový plyn bez dalších úprav využívat pro výrobu elektrické energie a tepla. Existuje více způsobů, kterými lze upravit kvalitu plynu požadovanou výrobci koncových zařízení. Suché procesy (vysokoteplotní filtrace, cyklonové odlučování) jsou většinou používány jako první stupeň, neboť jsou účinné zejména pro část TZL. Dehtovité látky těmito zařízeními prostupují a nejsou zachycovány. Výhodou těchto postupů je zejména absence znečištěných odpadních vod. Je však nutno je doplnit odstraňováním dehtů, pro něž se jako zatím nejvhodnější jeví metoda odstraňování pomocí prací kapaliny. Pro tyto účely se nejvíce používá z důvodu dostupnosti a ceny. V některých zařízeních jsou užívány také organické kapaliny (nafta, bionafta). Při tomto procesu dochází nejen k zachycování vysokomolekulárních látek (dehtů), ale také zbylé části TZL, které prošly první fází čištění. Díky intenzivnímu styku prací kapaliny s plynem dochází také k výraznému přestupu tepla, kdy kapalina odebírá energii plynu. Vodní pračka je součástí technologie zplyňování biomasy umístěné na Výzkumném energetickém centru. Experimentální testovací zařízení je určeno pro zplyňování pelet. Pro testování budou používány dřevěné pelety. Hlavní fází výzkumu bude sledování vlivu průtoku a teploty čistící kapaliny na účinnost odstraňování dehtovitých látek a TZL z energoplynu vyráběného zplyňováním biomasy. Ze získaných dat bude možno nejen optimalizovat provoz zkušebního zařízení, ale také navrhovat následné čištění prací kapaliny pro opětovné použití v technologii či přípravu pro odstranění. 2. MODUL: Analýza životního cyklu nanomateriálů s možným výskytem v emisích Nanotechnologie je považována za jednu z klíčových technologií 21. století, která již nyní významně mění ekonomiku ve všech odvětvích průmyslu [1]. Využití nanotechnologií a nanomateriálů je velmi rozsáhlé. V současnosti nalézají uplatnění v mnoha oblastech běžného života jako je elektronika (paměťová média, kvantová elektronika), zdravotnictví (cílená doprava léčiv, umělé klouby, chlopně…), strojírenství (supertvrdé povrchy s nízkým třením), chemický průmysl (nanotrubice, nanokompozity, selektivní katalýza, aerogely), automobilový průmysl (nesmáčivé povrchy, filtry čelních skel), životní prostředí (odstraňování nečistot, biodegradace, značkování potravin) atd [2]. Nanotechnologie je důležitá také pro rozvoj společnosti, proto se jí přikládá stále větší význam. Celkové množství nanomateriálů, které jsou každý rok dodány na světový trh, se odhaduje přibližně na 11 milionů tun a jejich tržní hodnota dosahuje zhruba 20 miliard EUR [3]. Evropská komise v roce 2012 předložila strategii usilující o zvýšení průmyslové výroby výrobků založených na klíčových technologiích, např. inovačních výrobcích a aplikacích budoucnosti. Strategie má za cíl udržet krok s hlavními mezinárodními konkurenty EU, obnovit růst v Evropě a také navýšit počet pracovních míst minimálně o 25% [4]. Mimo to upozorňuje také na možné problémy s bezpečností. Nanomateriály se používají z toho důvodu, že mají odlišné vlastnosti oproti chemickým sloučeninám nebo materiálům téhož složení v „klasické“ podobě (jako rozpuštěné nebo jako kompaktní materiály) a proto je charakterizace nanomateriálů velice důležitá. Zatímco u klasických látek je základním metrologickým parametrem jejich koncentrace, u nanomateriálů jsou klíčovými parametry přinejmenším velikost částic, jejich tvar, velikost povrchu, apod. Tyto vlastnosti mohou hrát důležitou roli v otázce toxicity [5]. S tím vystává problém, že se toxické vlastnosti mohou projevovat jako nové, doposud neznámé, nebo špatně prozkoumané. Tento fakt může přinášet problémy při identifikaci nebezpečí a hodnocení rizik. Selhání bezpečnosti může vést k tomu, že společnost z důvodů obav o vlastní bezpečnost ztratí důvěru v nanotechnologie. Tím může být významně ovlivněna celá ekonomická a technologická disciplína tohoto oboru. Tuto myšlenku potvrzují názory jak EU, tak ostatních rozvinutých států (USA), a proto celosvětově roste zájem o bezpečnost nanotechnologií [6]. Výše uvedené důvody nás vedou k tomu, abychom zhodnotili možné dopady nanomateriálů na lidské zdraví a na životní prostředí v průběhu celého životního cyklu. Zásadní je však otázka, zda klasický způsob posuzování životního cyklu tzv. LCA (z angl. Life Cycle Assessment) lze použít také pro nanomateriály, nebo zda bude nutné některé jeho kroky nebo metody významným způsobem změnit nebo doplnit. Jelikož je rozsah analýzy životního cyklu velice rozsáhlý, bylo by velice náročné zhodnotit všechny kroky analýzy životního cyklu detailně. Projekt bude proto rozdělen do dvou částí, teoretické a experimentální. Teoretická část bude věnována analýze životního cyklu „klasického“ materiálu a popisu jednotlivých kroků a metod (např. analytická metoda, metoda sledování osudu v životním prostředí, metoda sledování nebezpečných účinků) od vzniku příslušného materiálu po jeho likvidaci (zneškodnění). Právě moment zneškodnění je pro projekt velice důležitý, jelikož není jednouché stanovit, co můžeme považovat za konec životního cyklu, tzn., zda to bude opravdu jeho spálení. Teoretická část projektu se bude také týkat otázky hmotnostních bilancí vstupů a výstupů, způsobu zjišťování úniku látek do pracovního a do životního prostředí a metody stanovení koncentrací těchto unikajících látek. Dále bude sledován osud příslušných látek jak ve výrobcích, tak při úniku do životního prostředí spalováním. V obou případech bude stanovena expozice lidí daným látkám a jejich ohrožení případnými škodlivými účinky. Tato situace bude porovnána pro „klasické“ materiály a pro nanomateriály V současné době jsme schopni provést analýzu životního cyklu „klasických“ látek ať s malými, nebo s většími problémy. V oblasti nanomateriálů se však objevuje mnoho problémů. V rámci projektu bude provedeno srovnání, zda je možné použít stejné kroky a metody LCA pro klasické látky také pro nanomateriály s tím, že už nyní existují důkazy o tom, že v některých případech bude třeba metody a postupy změnit. Takovým případem je např. metrologie, která bude používána při měření úniku nanočástic, kdy bude hmotnostní koncentrace, používaná u chemických látek, pravděpodobně přecházet na početní koncentrace nebo na hodnocení aktivního povrchu nanočástic. Kvůli složitosti určení konce životního cyklu (zneškodnění) bude proveden rozbor zpracování různých typů odpadů s nanomateriály a problém jejich spalování. V procesu spalování se mohou nanočástice buď zcela zneškodnit (tj. rozložit nebo změnit na materiál, který již nebude škodlivý) nebo uvolnit do životního prostředí buď v původní formě, nespálené podobě nebo transformované na jiné nanočástice (např. z nanočástic kovu na nanočástice jejich oxidu). V případě zjištěného uvolnění v podobě emisí by bylo nezbytné životní cyklus původního nanomateriálu doplnit také o část obsahující osud nanomateriálů v životním prostředí a následně jeho dopad na životní prostředí a lidské zdraví. Cílem experimentální části bude navržení postupu, jak předběžně testovat uvolňování nanomateriálů v podobě emisí při spalování materiálu obsahujícího nanočástice. Bude zvoleno vhodné spalovací a odběrové zařízení, navržen způsob provedení experimentu, a na modelovém případě proveden odběr emisí a vyhodnocena přítomnost nanočástic. Bude se tak jednat o způsob zjišťování, zda se nanočástice uvolňují do emisí, v jaké míře a zda jsou transformovány. 3. MODUL: Efektivita využívání odpadních tepel ze zvlňovacího stroje v papírenském průmyslu Vlnitá lepenka se vyrábí ve velice přesných výrobních linkách, které běžně vyrobí cca 2,5 m a více vlnité lepenky za sekundu. Tyto stroje se postupem času staly velice složité, s cílem vyhnout se běžným problémům při výrobě vlnité lepenky, jako je např. zkroucení. V klasickém stroji na výrobu vlnité lepenky je papír změkčován pomocí vysokotlaké páry 1,6MPa. Poté, co je zformována, je následně vysušena. Následně je čerstvě vyrobený karton zespoda zahříván pomocí horkých desek a lepenka je zatížena na pásu. Zde dochází k zahřátí, následném navlhčení a zformování do vlnité podoby na ozubených kolech. Poté se tato vlnitá část spojí s hladkou vrstvou pomocí škrobového lepidla pro vytvoření dvouvrstvé lepenky, která může být následně modifikována do 3 nebo 5 vrstvé lepenky, přičemž je následně ještě přidána hladká vrstva z druhé strany vlnité vrstvy. Při této výrobě uniká velké množství nízkopotenciálního tepla z různých výš popsaných technologických procesů, které je bez dalšího využití odsáváno a vypouštěno do okolí. Cílem je kompletní analýza energetického potenciálu skládající se z provedení měření pro stanovení reálných tepelných ztrát u dílčích celků technologie, zpracování bilančních výpočtů a návrhu možností nasazení nových technologií pro efektivní využití odpadního tepla ze zvlňovacího stroje. 4. MODUL: Specifika provozu soustrojí plynové turbíny a kotle Aktuální situace nás nutí hledat nové energetické zdroje včetně jejich co nejefektivnějšího způsobu transformace energie paliva především v elektřinu a teplo. Mezi takové zdroje se řadí spalovací turbína, která se vyznačuje tichým chodem, relativně nízkými provozními náklady, a v současné době již konkurenceschopnou účinností výroby. V případě zapojení soustrojí spalovací turbíny a kotle s plynovým hořákem se jedná o dva spalovací zdroje na zemní plyn, jejichž spaliny se mísí ve společném komíně. Základní myšlenkou je zařazení plynové turbíny do systému energetického hospodářství, což představuje zavedení kombinované výroby tepla a elektrické energie. Tepelná energie vznikající spalováním plynu v plynové turbíně (horké spaliny) bude dále využita v plynovém kotli pro výrobu páry (teplé vody). Kromě tepelné energie tato plynová turbína produkuje také energii elektrickou. Popsaná koncepce obecně dosahuje vysoké účinnosti využití energie z paliva. Předmětem modulu je vývoj metodiky vyhodnocení přínosu plynoucího s nasazení plynové turbíny, včetně stanovení optimální účinnosti, u sériového zapojení plynové turbíny a kotle a zpracování návrhu měřící trasy. Součástí budou bilanční výpočty možností optimalizace účinnosti uvažovaného soustrojí.

2014

2014

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Koloničný Jan Ing., Ph.D.