Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

TZB-info / Vytápění / Vytápíme pevnými palivy / Potenciál využití katalyzátorů při spalování dřeva v domácnostech

Potenciál využití katalyzátorů při spalování dřeva v domácnostech

10.6.2013
Ing. Kamil Krpec, Ph.D., Ing. Jiří Horák, Ph.D., Ing. Lubomír Martiník, Ing. Petr Kubesa, Ing. František Hopan, Ph.D., VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum, Zdeněk Kysučan, Jiří Kremer, Ing. Zuzana Jankovská, Ph.D.
Recenzovaný

Emisní limity pro emise znečišťujících látek z malých spalovacích zařízení se stále zpřísňují. Dosud, výrobci zařízení úspěšně plnily limity především pomocí primárních opatření, ale do budoucna se dá také očekávat využití sekundárních opatření (např. instalace odlučovačů a katalyzátorů). Tento článek popisuje výhody a nevýhody použití katalyzátorů a prezentuje výsledky dosažené při spalování dřeva v krbových kamnech.

1. Úvod

Při spalování dřeva dochází, stejně jako při spalování ostatních druhů tuhých paliv, k produkci znečisťujících látek, které negativně působí na životní prostředí a na lidské zdraví. Množství emisí těchto látek je ovlivněno těmito parametry [3]:

  • druh paliva,
  • typ spalovacího zařízení,
  • stav spalovacího zařízení (kvalita instalace, pravidelná údržba),
  • kvalita obsluhy spalovacího zařízení.

Všechny výše uvedené body hrají významnou roli a nelze je přehlížet. V zájmu ochrany životního prostředí a zdraví lidí byly stanoveny limity, které musí spalovací zařízení plnit. Jedná se jednak o limity vyžadované při uvádění spalovacích zařízení na trh a dále o limity, které musí spalovací zařízení plnit při provozu. Zatímco limity vyžadované při certifikačních zkouškách spalovacích zařízení jsou uplatňovány v celé EU (byť mohou mít různé hodnoty), pravidelné přezkušování těchto zařízení v reálném provozu zatím není úplně běžné. Z nám nejbližších států, kde je tato praxe vyžadována, se jedná zejména o Rakousko a Německo (pravidelná kontrola se týká jen teplovodních kotlů). Obecně lze sledovat trend, kdy jsou normativně nebo legislativně na národních (nebo regionálních) úrovních limity pro produkci znečisťujících látek stále zpřísňovány.

Zájemce o detailnější informace o současně platných a připravovaných limitech lze odkázat na články detailně se věnující problematice limitů pro teplovodní kotle [1] a limitů pro krbová kamna, krbové vložky a sporáky [2].

Zpřísňování požadavků kladených na spalovací zařízení s sebou nese hlavně vyšší tlak na výrobce těchto zařízení. Emisní parametry svých výrobků mohou zlepšit např. primárními technickými opatřeními (změna přívodu spalovacích vzduchů, změna spalovací komory, zařazení dopalovací komory, atd.) nebo se může jednat i o sekundární technická opatření, kterým může být např. zařazení katalyzátoru do spalinové cesty.

2. Katalyzátor

Katalyzátorem je v podstatě každá látka umožňující průběh chemické reakce za podmínek, při kterých by jinak tato reakce neproběhla nebo látka, která chemické reakce urychluje. Definic toho co je katalyzátor je mnoho a cílem článku není jejich pojmenování. Z pohledu spalovacích zařízení spalujících tuhá paliva je důležité, že se jedná o heterogenní systém, tzn., že katalyzátor a reaktanty nejsou přítomny ve stejné fázi. Katalyzátor je v pevné formě a reaktanty (spaliny) v plynné formě, katalyzátor vychází při správném provozu z chemické reakce nezměněn.

Z pohledu spalování tuhých paliv a emisních limitů nás nejvíce zajímá možnost snížení obsahu CO a uhlovodíků (vyjádřených jako TOC resp. OGC) ve spalinách, jde tedy o produkty nedokonalého spalování. Při oxidační reakci je CO oxidován na CO2 a uhlovodíky jsou oxidovány na H2O a CO2. V podstatě se jedná o dodatečné spalování. V praxi je běžné použití katalyzátoru v automobilech, který navíc redukuje NOX (třícestný katalyzátor).

Námi testované katalyzátory byly vyrobeny tak, že na nosné mřížce byla nanesena vrstva obsahující samotný materiál ovlivňující chemickou reakci. Důležitá je zejména velikost reakční plochy, proto má nosná mřížka např. tvar podobný včelím plástvím, což při malých rozměrech katalyzátoru představuje velký povrch. Často používaným reakčním materiálem je platina nebo palladium, ale používají se i jiné prvky (např. cín, měď, nikl, vanad). Kombinací reakčních materiálů lze získat požadované vlastnosti katalyzátoru – např. rozsah pracovních teplot nebo spektrum sloučenin, které chceme použitím katalyzátoru ovlivnit [8].

3. Experimentální ověření katalyzátorů

Obr. č. 1 Nástavec pro umístění katalyzátoru
Obr. č. 1 Nástavec pro umístění katalyzátoru

Na Výzkumném energetickém centru byla provedena řada spalovacích zkoušek za účelem stanovení vlivu 3 typů katalyzátorů. Jako spalovací zařízení byla použita krbová kamna s bezroštovým ohništěm, za kterými byl umístěn nástavec s katalyzátorem – viz. obr. č. 1. Ten byl umístěn cca 1 m za spalinovým hrdlem. Před a za katalyzátorem bylo analyzováno složení spalin (O2, CO, CO2, NOX) a koncentrace tuhých znečisťujících látek (TZL).

Obr. č. 2 Palladiový katalyzátor s keramickou nosnou mřížkou
Obr. č. 2 Palladiový katalyzátor s keramickou nosnou mřížkou

Obr. č. 3 Platinový katalyzátor s kovovou nosnou mřížkou
Obr. č. 3 Platinový katalyzátor s kovovou nosnou mřížkou

Při zkouškách byly použity 3 typy katalyzátorů:

  • Palladiový katalyzátor s keramickou nosnou mřížkou, výška katalyzátoru 2 cm, 10 otvorů/cm2 – obr. č. 2, tlaková ztráta cca 3 Pa, reakční plocha cca 0,386 m2, katalyzátor A.
  • Platinový katalyzátor s kovovou nosnou mřížkou, výška katalyzátoru 2 cm, 31 otvorů/cm2 – obr. č. 3, tlaková ztráta cca 9 Pa, reakční plocha cca 0,508 m2, katalyzátor B.
  • Platina/palladium katalyzátor s kovovou nosnou mřížkou, výška katalyzátoru 10 cm, 31 otvorů/cm2, poměr Pt/Pd 50/50 %, tlaková ztráta cca 23 Pa, reakční plocha cca 2,415 m2, katalyzátor C (katalyzátor vypadá stejně jako typ B, jen je vyšší – obr. č. 3).

Výše uvedené tlakové ztráty katalyzátorů byly stanoveny při průtoku spalin cca 25 m3N/h.

Výrobcem použitých katalyzátorů je firma Whitebeam (www.whitebeam.net).

Jako palivo bylo použito bukové dřevo o vlhkosti cca 10,3 %.

Výsledné naměřené a vypočítané hodnoty jsou uvedeny v tab. č. 1, tab. č. 2 a tab. č. 3.

Tab. č. 1 Naměřené a vypočtené hodnoty, A – palladiový katalyzátor

Tab. č. 1

Tab. č. 2 Naměřené a vypočtené hodnoty, B – platinový katalyzátor

Tab. č. 2

Tab. č. 3 Naměřené a vypočtené hodnoty, C – platina/palladium katalyzátor

Tab. č. 3

Z výsledků je zřejmé, že všechny použité katalyzátory dokázaly pracovat i při teplotách kolem 260 °C. Nejmenší účinnost redukce vykázal katalyzátor A a to zejména u TOC, kde se jednalo jen o 10% pokles koncentrace ve spalinách. Nejnižší účinnost redukce může být dána nejmenší reakční plochou nebo tím, že palladium není při daných teplotách tak aktivní. Katalyzátory B a C vykázaly poměrně shodné výsledky. Účinnost redukce CO byla více než 90 % a TOC více než 50 %. Žádný katalyzátor nevykázal podstatný vliv na koncentraci TZL. Hodnoty do 10% rozdílu lze vzhledem k místu a způsobu odběru vzorku spalin brát jako možnou chybu měření a vliv nestability spalovacího procesu.

Graf č. 1 Průběh koncentrací CO a TOC během spalovací zkoušky
Graf č. 1 Průběh koncentrací CO a TOC během spalovací zkoušky

Průběhy koncentrací CO a TOC během typické spalovací zkoušky jsou uvedeny jako graf č. 1. V tomto případě byl použit katalyzátor B. Z grafu je vidět, že špička koncentrace CO (před katalyzátorem – hodnota v rámečku nad grafem) po přiložení paliva byla cca 11 000 mg/m3N, zatímco za katalyzátorem bylo naměřeno cca 1 300 mg/m3N. Přibližně 7 min po přiložení paliva (10:20) došlo k poklesu koncentrace CO na hodnoty cca 300–600 mg/m3N (před katalyzátorem). Koncentrace CO za katalyzátorem se pohybovala v rozmezí 2 až 0 mg/m3N. Tento stav trval cca 25 min. V poslední třetině zkoušky docházelo k nárůstu koncentrace CO až na hodnotu 4 600 mg/m3N (před katalyzátorem), resp. 44 mg/m3N (za katalyzátorem). Průběh koncentrace TOC byl podobný průběhu koncentrace CO.

Graf č. 2 Průběh účinností katalyzátoru
Graf č. 2 Průběh účinností katalyzátoru

Jako graf č. 2 jsou uvedeny průběhy účinností katalyzátoru a teploty spalin během spalovací zkoušky. Je vidět, že katalyzátor má během celé spalovací zkoušky více než 95% účinnost redukce koncentrace CO bez ohledu na teplotu spalin. U TOC byla účinnost redukce katalyzátoru více než 50% po více než ½ spalovací zkoušky. V čase 10:45 ale došlo ke snížení účinnosti na cca 25 %. Důvod není zcela zřejmý, k zásadnímu poklesu teploty spalin nedošlo. Navíc po přiložení paliva do spalovací komory byla teplota spalin nižší o cca 60 °C a účinnost redukce TOC byla větší než 60 %. Teoreticky mohly být ke konci zkoušky produkovány jiné typy uhlovodíků, na které nemá katalyzátor vliv. Toto však není možno zpětně vyhodnotit.

4. Závěry

Obr. č. 4 Ucpaný katalyzátor
Obr. č. 4 Ucpaný katalyzátor

Z výše popsaného je zřejmé, že katalyzátory napomohly ke zcela zásadní redukci koncentrací CO (73–96 %), ale i TOC (10–61 %) ve spalinách. Výrazný vliv na koncentraci TZL nebyl pozorován (−5 až 10 %). I když byly katalyzátory zkoušeny za krbovými kamny, lze předpokládat, že podobných výsledků by bylo možno dosáhnout i např. u kotlů – toto bude nutno experimentálně ověřit. Pro výrobce spalovacích zařízení spalujících dřevo se tedy může jednat o velice zajímavý a relativně levný prostředek pro zásadní zlepšení emisních parametrů jejich zařízení. Cena testovaných vzorků katalyzátorů se pohybuje od cca 1000 do 2000 Kč v závislosti na počtu odebraných kusů. Při delším používání katalyzátoru A za krbovými kamny (cca 2 týdny) bylo pozorováno ucpávání mřížky katalyzátoru, které zcela znemožnilo další provoz spalovacího zařízení – obr. č. 4. Rozbor usazenin z katalyzátoru provedený pomocí termické analýzy ukázal, že z cca 56 % byly tvořeny popelem, zbytek byla prchavá hořlavina. Je zřejmé, že je nutno katalyzátor pravidelně čistit – interval je závislý na kvalitě spalovacího procesu a na typu spalovaného paliva. Rychlé zanášení katalyzátoru bylo zřejmě způsobeno nevhodným umístěním katalyzátoru do komína, ve kterém byly teploty – cca 250 °C. Pro snížení tvorby usazenin by bylo vhodné katalyzátor instalovat přímo za první reflektor spalovací komory krbových kamen, kde jsou teploty mnohem vyšší – cca 500 až 600 °C, a umístit jej tak, aby bylo snadné jej mechanicky vyčistit. Dále by mělo být možné při zátopu vést spaliny bypassem a teprve po dostatečném zahřátí spotřebiče vést spaliny přes katalyzátor.

Dalším problémem je samotná tlaková ztráta katalyzátoru, která může být zejména při vysoké hustotě a délce katalyzátoru značná (desítky Pa). Při uvažování o nasazení katalyzátoru do provozu je tedy třeba zvažovat i to, zda se jedná o spalovací zařízení pracující s přirozeným tahem komína nebo zda je zařízení vybaveno spalinovým ventilátorem a na základě toho vybrat odpovídající typ katalyzátoru.

V neposlední řadě je třeba zdůraznit, že katalyzátory vhodné pro použití při spalování dřeva nemusí být vhodné pro spalování uhlí nebo jiných paliv s vyšším obsahem síry, protože může dojít k „otravě“ katalyzátoru. Na trhu lze však nalézt i katalyzátory vhodné pro sirnatá paliva.

V současné době není v Evropě používání katalyzátorů v krbových kamnech a krbových vložkách vůbec běžné. Pouze v Norsku existují rozdílné emisní limity pro produkci prachu ze zařízení osazených katalyzátorem a neosazených katalyzátorem [4], [7]. Na trhu se však zařízení s katalyzátory reálně nevyskytují. Naproti tomu v USA je použití katalyzátorů v krbových kamnech a krbových vložkách poměrně běžnou záležitostí. Na stránkách EPA je uveden seznam všech spalovacích zařízení certifikovaných dle EPA, ze kterého vyplývá, že cca 30–40 % těchto zařízení je vybaveno katalyzátorem [5]. I zde jsou limity prachu rozdílné pro zařízení s katalyzátorem a bez něj. Z průzkumu návodu k obsluze těchto zařízení vyplývá, že jsou katalyzátory montovány přímo za spalovací komoru. Spotřebič je vybaven regulačním prvkem, kterým jsou při zátopu spaliny vedeny mimo katalyzátor a až po částečném nahřátí spotřebiče jsou vedeny přes katalyzátor. Výrobci uvádějí, že během topné sezóny je nutno katalyzátor čistit jen cca 1× za měsíc. Udávaná životnost katalyzátorů je cca 6 let.

Katalyzátory mohou sloužit také k redukci jiných látek produkovaných spalovacím zařízením. Byly provedeny testy katalyzátoru, během kterých byla prokázána schopnost redukce PAU, zároveň však došlo k nárůstu koncentrací PCDD/F a chlorfenolu [6].

Z výše uvedeného je zřejmé, že katalyzátory mohou při vhodném instalaci a údržbě představovat zajímavý technický prostředek k redukci znečišťujících látek produkovaných spalovacími zařízeními. Lze předpokládat, že se s instalací katalyzátorů budeme v budoucnu setkávat stále častěji a je tedy vhodné znát jejich výhody i nevýhody.

5. Seznam použitých zkratek

TZL – tuhé znečišťující látky
CO – oxid uhelnatý
TOC, OGC – celkový organický uhlík
CO2 – oxid uhličitý
NOX – oxidy dusíku
H2O – voda
PAU – polycyklické aromatické uhlovodíky
PCDD/F – polychlorované dibenzo-p-dioxiny / dibenzofurany
EPA – U.S. Environmental Protection Agency

6. Poděkování

Tento článek vznikl za podpory MŠMT v rámci řešení projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0036 Inovace pro efektivitu a životní prostředí, MPO v rámci řešení projektu FR-TI1/178 Krbová kamna se sníženou produkcí prachu, TAČR v rámci řešení projektu Centra kompetence TE01020036 a Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci řešení projektu Příležitost pro mladé výzkumníky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/30.0016.

7. Literatura

English Synopsis
Utilisation of catalytic converters at wood combustion in small combustion appliances

Emission limits for small combustion devices are becoming stricter. So far, the manufacturers of these devices successfully meet these limits by primary measures, but in the future we can expect greater use of secondary measures. The article describes the advantages and disadvantages of the use of catalytic converters and results obtained on a real combustion device.

 
 
Reklama