Wstęp
Obliczanie wymaganej objętości biomasy
Wstęp
W kotłowniach węglowych pomieszczenie na paliwo podlegało (w zależności od mocy kotła) osobnym obliczeniom projektowym i wymogom pod względem wykonawstwa. Podobna sytuacja ma się dla kotłów na biomasę. Nawet małe jednostki operujące peletem, ziarnem energetycznym czy zrębką posiadające własne zasobniki muszą być okresowo zasypywane paliwem nowym i trudno wyobrazić sobie, że będzie to paliwo dowożone transportem. W prawidłowo zaprojektowanej kotłowni musi zawsze istnieć możliwość składowania zapasu paliwa w ilości wystarczającej na co najmniej jeden sezon grzewczy. Poniżej zostaną omówione zasady wykonywania takich magazynów, ze szczególnym naciskiem położonym na pelet. Większość materiałów pochodzi z doświadczeń niemieckich (DEPV Lagerraumbroschuere).
Normy i rozporządzenia
Polska nie wypracowała własnych norm odnośnie peletów, dlatego posługujemy się tutaj głównie normami europejskimi, niemieckimi i austriackimi. Na dzień dzisiejszy (10.2016) obowiązują w naszym kraju następujące normy dotyczące biopaliw:
PN-EN ISO 16559:2014-09 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Terminologia, definicje i określenia
PN-EN ISO 16993:2015-05 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Przeliczanie wyników oznaczeń na różne stany
PN-EN ISO 17225-1:2014-07 Wersja polska Biopaliwa stałe — Specyfikacje paliw i klasy — Część 1: Wymagania ogólne
PN-EN ISO 17225-2:2014-07 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Specyfikacje paliw i klasy — Część 2: Klasy peletów drzewnych
PN-EN ISO 17225-3:2014-07 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Specyfikacje paliw i klasy — Część 3: Klasy brykietów drzewnych
PN-EN ISO 17225-4:2014-07 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Specyfikacje paliw i klasy — Część 4: Klasy zrębków drzewnych
PN-EN ISO 17225-5:2014-08 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Specyfikacje paliw i klasy — Część 5: Klasy drewna kominkowego
PN-EN ISO 17225-6:2014-08 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Specyfikacje paliw i klasy — Część 6: Klasy peletów niedrzewnych
PN-EN ISO 17225-7:2014-08 Wersja angielska. Biopaliwa stałe — Specyfikacje paliw i klasy — Część 7: Klasy brykietów niedrzewnych
PN-EN ISO 17828:2016-02 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Określanie gęstości nasypowej
PN-EN ISO 17831-1:2016-02 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Oznaczanie wytrzymałości mechanicznej
peletów i brykietów — Część 1: Pelety
PN-EN ISO 17831-2:2016-02 Wersja angielska Biopaliwa stałe — Oznaczanie wytrzymałości mechanicznej
peletów i brykietów — Część 2: Brykiety
Brak jest norm dotyczących składowania paliw, w przypadku peletu można posługiwać się normami austriackimi w tym:
– ÖNORM M 7135 – Drewno prasowane w postaci naturalnej lub kora w postaci naturalnej – granulat i brykiety – wymagania oraz dokumentacja testowa
– ÖNORM M 7136 – Drewno prasowane w postaci naturalnej – Zapewnienie jakości granulatu drzewnego w zakresie logistyki transportu oraz magazynowania
– ÖNORM M 7137 – Drewno prasowane w postaci naturalnej – Granulat drzewny – Wymagania dotyczące przechowywania granulatu u odbiorcy końcowego
Norma ÖNORM M 7135
Istnieje ujednolicona norma produktowa dotycząca granulatu i brykietów (ÖNORM 7135). Granulat i brykiety powinny być produkowane jedynie z czystego drewna oraz dozwolone są jedynie naturalne spoiwa do 2%. Limity parametrów chemicznych i fizycznych zostały zaprezentowane w poniższej tabeli
Proces zapewniania jakości składa się z inspekcji wewnętrznych i zewnętrznych. Wytwórcy muszą stale – co najmniej raz w tygodniu – dokonywać kontroli jakości poprzez testowanie ścierania, zawartości wody, gęstości i zawartości dodatków. Na zewnętrzną inspekcję składają się: wstępna inspekcja z ogólną kontrolą fabryki i pobraniem próbek do testów laboratoryjnych, kontrola wewnętrznego systemu zabezpieczania jakości, a także kontrola etykietowania. Okresowa niezapowiedziana kontrola powinna mieć miejsce raz w roku.
Norma ÖNORM M 7136
W celu zapewnienia jakości granulatu drzewnego (wytwarzanego zgodnie z normą ÖNORM M 7135) w trakcie transportu i magazynowania, zostały stworzone kolejne wymogi zawarte w normie ÖNORM M 7136. Wymagania te dotyczą transportu i okresowego przechowywania. Specyfikacje te mają pomóc wytwórcom, przewoźnikom i handlowcom granulatu uniknąć błędów zapewnić klientowi satysfakcję.
Ogólne wymagania
· Dokumentacja
Etykieta paliwa zgodna z normą ÖNORM M 7135 musi być na każdym dokumencie dostawy, w tym na świadectwie dostawy i fakturze. Sprzedawca/przewoźnik musi dostarczyć dowód, że dostarczony został tylko granulat drzewny testowany zgodnie z normą ÖNORM M 7135.
· Zgodność produktu
Granulat drzewny testowany zgodnie z normą ÖNORM M 7135 musi być przechowywany i
transportowany oddzielnie od granulatu drzewnego i innych substancji nie testowanych zgodnie z tą normą. Mieszanie granulatu o różnych średnicach jest niedozwolone. Pojazd transportowy musi być gruntownie wyczyszczony po poprzednio przewożonych substancjach. Każdy sprzęt pomocniczy również musi być oczyszczony.
· Zabezpieczenie przed zawilgoceniem.
Granulat drzewny musi być suchy w trakcie przechowywania i transportu.
Wymagania dotyczące magazynowania okresowego
· Dostawa
Miejsca, do których granulat drzewny jest dostarczany (np. ciągi transportowe) muszą być przykryte.
· Przechowywanie
Granulat drzewny musi być przechowywany w zakrytych ze wszystkich stron pomieszczeniach. Podłoże musi być wyposażone w warstwę zapobiegającą zabrudzeniu (np. beton, asfalt). Suchy granulat może być również przechowywany w zamkniętych silosach. Granulat drzewny musi być zawsze chroniony przed wilgocią, a zwłaszcza przed deszczem, śniegiem, wilgotnymi ścianami czy skraplaniem pary wodnej. Przestrzegane muszą być również wymagania normy ÖNORM M 7135 dotyczące zawartości wody, ścierania i gęstości. Miejsca, do których granulat drzewny jest dostarczany i przechowywany muszą być
oczyszczone z ciał obcych (tj. żwir, ziemia, piasek). Zanim granulat drzewny znajdzie się w silosach czy pojazdach transportowych, to zarówno wyposażenie silosów jak i sprzęt transportowy muszą być dokładnie wyczyszczone lub opróżnione, jeśli wcześniej znajdowały się w nich inne substancje.
· Załadunek pojazdów transportowych – Oddzielanie drobnych cząstek
Podczas załadunku pojazdów transportowych, przed dostawą do odbiorcy końcowego, muszą zostać oddzielone drobne cząstki. Drobne cząstki mogą stanowić najwyżej 1%. Powyższy proces oddzielania nie jest wymagany, jeśli ładunek został przeładowany np. z tzw. Big Bag, lub gdy ładunek został przepompowany ze zbiornika silosowego, do którego trafił już po prawidłowej procedurze oddzielania.
Wymagania dotyczące pojazdów transportowych dostarczających granulat do odbiorców finalnych
· Ogólne wymagania
– Zabezpieczenie przed wilgotnością
Granulat drzewny musi być dostarczany w pojazdach transportowych gwarantujących zabezpieczenie przed wilgotnością zarówno w trakcie transportu jak i podczas załadunku i rozładunku.
– Naciski mechaniczne w instalacji załadowczej
Zawartość cząstek pyłu może wzrosnąć o najwyżej 1% podczas załadunku i rozładunku.
– Pomiary na środkach transportowych
Jeśli dozwolona wielkość ładunku przekracza 8000 kg, pojazd transportowy musi być wyposażony w skalibrowany pokładowy system wagowy.
· Ciężarówka ze zbiornikiem
– Instalacja odprężająca
Powinna znajdować się instalacja odprowadzająca wdmuchiwane powietrze z pomieszczenia, w którym znajduje się ładunek. Wydajność instalacji odprężającej musi być większa niż wydajność sprężarki pojazdu. W pomieszczeniu, w którym znajduje się ładunek nie może pojawić się nadmierne ciśnienie.
– Minimalna długość giętkiego przewodu zasilającego
W standardowym wyposażeniu ciężarówki wymagany jest co najmniej 30-metrowy przewód zasilający. W ciężarówce muszą się również znajdować połączenia redukcyjne i złączki.
· Inne pojazdy
Mogą być używane ekwiwalentne pojazdy transportowe.
Norma ÖNORM M 7137
Norma ta odnosi się do różnych rodzajów miejsc przechowywania paliwa, takich jak
– Piwnice
– Silosy
– zbiorniki podziemne
– zbiorniki wolnostojące
Kryteria standaryzacji odnoszą się do
– Rozmiaru
– Zabezpieczenia przed zawilgoceniem (skraplanie, ściany)
– Pyłu
– Instalacji (woda, elektryczność,..)
– Przepisów przeciwpożarowych
– Złącza zasilające A/110, 4 cale
– złącza rozprężające A/110, 4 cale lub F/150 6 cali
– Po napełnieniu złącza muszą być zamknięte
Zdefiniowane zostały również kryteria dotyczące różnych rodzajów magazynowania, takie jak
umiejscowienie przyłączy w piwnicach, rur napełniających, drzwi, ścian, połączeń z ziemią i sufitem oraz zabezpieczenie przed odbijaniem (granulat nie może uderzać w ścianę).
5.6.2 Obliczanie wymaganej objętości biomasy
Pierwszą czynnością przy projektowaniu magazynu jest obliczenie minimalnej objętości paliwa dla rocznego zapotrzebowania ciepła w budynku. Obliczenia takie są zawsze przybliżone z uwagi na wiele czynników jak:
– wilgotność paliw
– stopień ich rozdrobnienia
– kształt poszczególnych cząstek, itp.
Paliwa charakteryzują się tutaj bardzo zmienną wartością opałową. Najdokładniejsze obliczenia tak naprawdę uzyskamy tylko w przypadku peletu i brykietu. Obliczenie objętości drewna jest mało dokładne. Warto zapoznać sie w tym wypadku z poniższymi tabelami i określeniami. Wielu inwestorów nie rozumie bowiem pojęcia metra sześciennego, czy przestrzennego, jak też nie odróżnia gęstości względnej od nasypowej.
Objętość
Jednostka metra sześciennego (kubicznego) jest używana w odniesieniu do objętości, która jest całkowicie wypełniona drewnem. Jednostka ta jest powszechnie używana do pomiaru drewna użytkowego (budowlanego).
Jednostka metra przestrzennego odnosi się do objętości zajmowanej przez drewno, jak również powietrza wypełniającego przestrzeń pomiędzy jego partiami i jest ona powszechnie używana w odniesieniu do paliw drzewnych.
Jednostka metra sześciennego złożonego drewna używana do mierzenia objętości kloców i bali drewna dokładnie złożonego w stosie.
Jednostka metra sześciennego nasypowego (luzem) jest jednostką objętości używaną do pomiaru objętości kloców i bali drewna oraz najczęściej zrębków drewna.
Objętość paliw drzewnych, niezależnie czy są one ubite czy nie, różni się w zależnoci od kształtu, wielkości i ułożenia poszczególnych fragmentów drewna. Objętość metra przestrzennego, tj. stosunek pomiędzy objętością wypełnioną a pustą przestrzenią, zależy od tych czynników.
Masa
Jednostkami masy używanymi w relacji do paliw drzewnych są kilogram i tona metryczna. Poniżej podano listę jednostek miary objętości i masy, które są powszechnie używane w handlu paliwami drzewnymi.
Stosunek objętości do masy
Do wyrażenia stosunku objętości do masy paliw drzewnych używane są trzy różne
jednostki miary.
Gęstość względna jest to wartość niewymiarowa pochodząca ze stosunku pomiędzy wagą i objętością wody (przy temperaturze 4°C) a substancji drzewnej. Odnosi się ona do wagi substancji drzewnej w stanie suchym (z suszarni piecowej), głównie celulozy, hemicelulozy oraz lignin, które stanowią budulec ścianek włókien drewna. Gęstość względna takiej substancji wynosi 1,5 i taka wartość ma zastosowanie do różnych gatunków drewna.
Gęstość masy odnosi się do stosunku pomiędzy wagą a objętością masy drzewnej (masy porowatej) składającej się z różnych substancji oraz wypełniającej jej próżni (naczyń włosowatych) wypełnionych powietrzem i/lub wodą. Miara ta wyrażana jest w jednostkach g/cm3 lub kg/m3. Gęstość masy jest często utożsamiana z pozorną gęstością względną lub też podawana jest błędnie jako gęstość względna.
W odniesieniu do peletów drzewnych, gęstość masy oznacza wagę jednego fragmentu drewna, która musi przekraczać 1,15 g/cm3. W takim przypadku, kiedy wrzuci się pelety do zbiornika z wodą, szybko toną.
Gęstość nasypowa– używa się tej miary w odniesieniu do pryzm paliw drzewnych (k‡ód, kloców oraz zrębek), które tworzą próżnię pomiędzy fragmentami drewna, których wielkoæ zależy od kształtu i wielkości tych fragmentów.
W różnych krajach powyższe parametry mają swoje nazwy i symbole, które warto znać
Tabela. Drzewa iglaste średnia wartość zawartoci wilgoci (M) 13%
Tabela. Drzewa liściaste średnia wartość zawartoci wilgoci (M) 13%
Tabela. Średnia gęstość drewna suszonego piecowo
GĘSTOŚĆ NASYPOWA BIOPALIW
TABELA. Gęstość nasypowa biomasy ułożonej i luzem
Tabela. Przelicznik objętościowy dla bali i zrębek
Tabela. Przeliczniki dla drewna z korą
Tabela. Gęstość nasypowa i przestrzenna głównych gatunków drewna
Jednostki miar energii
Przeliczniki które warto znać
Tona ekwiwalentu ropy naftowej (ton of oil equivalent toe) jest przyjętą jednostką miar używaną do celów statystycznych i porównawczych. Odpowiada ona ilości energii otrzymywanej ze spalenia 1 tony nierafinowanej ropy naftowej
Do naszych obliczeń może się też przydać przelicznik ekwiwalentny
Przy pominięciu sprawności kotła można stosować następujące przeliczniki
Możemy się też tutaj posłużyć wzorem:
Gdzie:
V – objętość paliwa w [m3]
Qco – roczne zapotrzebowanie ciepła w budynku w [kWh/a]
Qcwu – roczne zapotrzebowanie z tytułu przygotowania ciepłej wody [kWh/a]
ρn – gęstość nasypowa paliwa w [kg/m3]
Wu – wartość opałowa paliwa w [kWh/kg]
η – sprawność kotła
Obliczyć zapotrzebowanie na pelet w budynku o powierzchni ogrzewalnej 150m2 i rocznym współczynniku zapotrzebowania na ciepło 80 kWh/m2/rok. W budynku mieszka 6 osób, dzienne zapotrzebowanie na cwu o temp. 50C wynosi 60 litrów na osobę/dobę.
zapotrzebowanie dobowe na ciepłą wodę możemy obliczyć ze wzoru:
gdzie:
1,15 przelicznik zwiększający z tytułu strat ciepła (przyjęto 15%)
n – liczba osób w mieszkaniu
m – wielkość zużycia ciepłej wody w kg/osobę/dobę
cp – ciepło właściwe wody = 0,00116 kWh/kgK
Δt – różnica temperatur między wodą ciepłą i zimną z wodociągu (przyjęto tz = 10C)
zapotrzebowanie z tytułu ogrzewania wyniesie
Wymagana objętość peletu wyniesie
Do obliczeń przyjęto wartość opałową peletu 4kWh/kg i sprawność kotła 80%.