SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY W ENERGETYCE BIOMASA podatne na rozkład biologiczny (bidegradowalne) frakcje produktów, odpady i pozostałości z przemysłu rolnego (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów przemysłowych i miejskich. Podstawowe cechy biomasy: wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45÷60)% – obniża wartość opałową oraz efektywność procesu spalania – uzasadnione jest suszenie, szczególnie podsuszanie naturalne w stanie powietrzno-suchym; 20 [MJ/kg] Wr 16 12 8 Zależność wartości opałowej Wr biomasy roślinnej w funkcji wilgotności W 4 W 0 0 20 40 60 80 [%] 100 niska wartość opałowa – (6÷12) MJ/kg (odpady komunalne), (6÷16) MJ/kg (zrębki drzewne, słoma), 18 MJ/kg (pelety) oraz mała gęstości usypowa; 40 3 [GJ/m ] 1 olej opałowy 2 węgiel kamienny (energetyczny) 3 węgiel brunatny 4 torf 5 zrębki 6 wióry 7 trociny 8 kora 9 pelety 10 słoma GĘSTOŚĆ ENERGETYCZNA 35 30 25 11 brykiety ze słomy 12 ziarno roślin zbożowych 13 mączki mięsno-kostne 14 miejskie odpady stałe (MSW) 15 paliwo z odpadów (RDF) 16 papierowe odpady 17 odwodnione osady ściekowe 18 wysuszone osady ściekowe 19 rozdrobnione odpady gumowe (TDF) 20 rozdrobnione tworzywa sztuczne 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Gęstość energetyczna różnych paliw, biomasy i odpadów GZ-50 – (38/34) MJ/m3 (0,78 kg/m3) Tyre Derived Fuel; Municipal Solid Waste; Refuse Derive Fuel; wysoka zawartość części lotnych (2,5 krotnie wyższa niż w węglu) zmienia warunki zapłonu, spalania lub współspalania z węglem; mała zawartość popiołu w biomasie drzewnej (<1%) - popiół może być zagospodarowany jako nawóz w rolnictwie lub rekultywacji terenów przemysłowych; mała zawartość azotu i siarki w biomasie, natomiast duża szczególnie w słomie chloru, co stwarza podczas spalania duże ryzyko występowania korozji wyskotemperaturowej; duża zawartość związków metali alkaicznych: Na, K, Ca - dlatego większość stałych biopaliw wykazuje niskie (w porównaniu z węglem) temperatury mięknięcia i topnienia popiołu osadzającego się na powierzchniach ogrzewalnych; skłonność do samoczynnego naturalnego rozkładu z wydzielaniem się ciepła oraz łatwopalnych związków (groźba samozapłonu w dużych pryzmach); skłonność do zagniwania (wydzielanie nieprzyjemnego zapachu, obniżanie wartości opałowej). OZE FOTOSYNTEZA podstawowy proces tworzący wszelkiego rodzaju substancje biodegradowalne. W procesie fotosyntezy energia promieniowania docierająca ze Słońca na Ziemię, zostaje pochłonięta przez chlorofil i zamieniona w energię wiązań chemicznych. Z prostych substancji nieorganicznych, wody i dwutlenku węgla, powstają związki organiczne (głównie cukry). 6H2O 6CO2 energia świet ln a chlorofil C6H12 O6 6O2 Wszystkie rośliny zielone produkują związki organiczne na drodze fotosyntezy. Dla fali o długości 680 nm, w sprzyjających warunkach, potrzeba 8 fotonów do redukcji jednej cząsteczki CO2, czyli 8 x 174 kJ/mol. Energia swobodna reakcji redukcji CO2 do CH2O (1/6 cząsteczki glukozy) wynosi 479 kJ/mol. Maksymalna wydajność energetyczna fotosyntezy dla tego procesu wynosi 34%. W rzeczywistości ze względu na absorpcję kwantów energii dla długości fal świetlnych z zakresu (500680) nm oraz rozproszenie energii części fotonów, wydajność fotosyntezy nie przekracza 5%. BIOMASA POCHODZENIA ROŚLINNEGO BEZPOŚREDNI PRODUKT FOTOSYNTEZY Dla energetycznego wykorzystania jest ważna ilość biomasy możliwa do uzyskania na określonym terenie w określonych czasie. Dlatego też istotną cechą biomasy przeznaczonej do energetycznego wykorzystania jest jej okres wzrostu: biomasę pochodzącą od roślin o okresie wzrostu – ≤1 rok, biomasę pochodzącą od roślin o okresie wzrostu – (1÷3) lat, biomasę pochodzącą od roślin o okresie wzrostu – >3 lat. GRUPA I ≤1 roku olej rośliny zbożowe; len, rośliny strączkowe; rośliny oleiste – rzepak, słonecznik, soja; melasa i wysłodki z buraków cukrowych; odpady z produkcji owocowo warzywnej; słoma – żółta, szara (po więdnięciu) baloty ze słomy brykiety ze słomy ziarno zboża słoma rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa – cenna energetycznie, nie przydatna w rolnictwie; SŁOMA – dojrzałe lub wysuszone źdźbła roślin: zbożowych i strączkowych oraz lnu, rzepaku, słonecznika. W Polsce ok. 26 mln ton/rok, ok. 15 mln ton przeznaczana jest na: paszę, ściółkę oraz przyoranie, pozostałe 11 mln ton można przeznaczyć na cele energetyczne. Słoma żółta – świeża, zawiera metale alkaiczne i związki chloru wpływające na procesy korozji i żużlowania elementów kotła, ok. 14 MJ/kg (wilg. 15%, popiół 4% s.m.). Słoma szara – „wypłukana” na polu przez deszcz, a następnie wysuszona, ok. 15 MJ/kg (wilg. 15%, popiół 3% s.m.). ZIARNO – zwłaszcza roślin zbożowych, jest przede wszystkim wykorzystywane w celach konsumpcyjnych oraz jako pasza dla zwierząt. Można hodować rośliny zbożowe, głównie owies i kukurydzę, jedynie dla energetycznego wykorzystania, ok. 17 MJ/kg. Łatwe w transporcie, magazynowaniu i dostarczaniu jako paliwo do kotła. OLEJ RZEPAKOWY . GRUPA II (1÷3) lat ROŚLINY ENERGETYCZNE wierzba wiciowa; ślazowiec pensylwański; topinambur; miskant olbrzymi; róża wielokwiatowa; rdest sachaliński; zbiór wierzby krzewiastej wierzba krzewiasta miskant cukrowy; spartina preriowa; topinambur topinambur miskant trociny GRUPA III >3 lat drewno kawałkowe; zrębki trociny; wióry; wióry zrębki; kora; brykiety; pelety; brykiety z drewna pelety drewno kawałkowe BIOMASA POCHODZENIA ZWIERZĘCEGO tłuszcze oraz mączki: kostne, mięsne, drobiowe, rybne; fosfor: wartość opałowa 24,3 MJ/kg; odpady niskiego ryzyka (LRM – low risk material), odpady i produkty zwierzęce, które nie stanowią zagrożenia dla zdrowia ludzi lub zwierząt, odpady zwierząt rzeźnych pochodzące od zwierząt uznanych za zdatne do spożycia; odpady wysokiego ryzyka (HRM – high risk material), które po przetworzeniu mogą być wykorzystywane jako nawóz, materiał opałowy, surowiec do produkcji biogazu; odpady szczególnego ryzyka (SRM – specified risk material) podlegają one wyłącznie spaleniu; KOTŁY DO SPALANIA BIOMASY PODZIAŁ ze względu na moc: małej mocy – do 150 kWt ; średniej mocy – (150÷1000) kWt ; dużej mocy – (1÷10) MWt ; bardzo dużej mocy – powyżej 10 MWt . ze względu na ich wykorzystanie: do zastosowań domowych (komunalnych) - <150 kW; do zastosowań przemysłowych - >150 kW. Porównując spalanie biomasy ze spalaniem węgla, należy zaznaczyć, że ze względu na: znaczny udział substancji lotnych w biomasie i związany z tym objętościowy charakter jej spalania oraz zwiększony strumień spalin, niższą wartość opałową, a więc konieczność spalenia większej ilości biomasy, skład chemiczny spalin, inne właściwości radiacyjne (emisyjność, absorpcyjność), a także prędkość i lepkość spalin, a zatem inne warunki przejmowania ciepła przez powierzchnie ogrzewalne (inny rozkład temperatur w ciągu spalinowym), kocioł opalany biomasą będzie kotłem znacznie większym i znacznie droższym od analogicznego (o podobnej wydajności) kotła na węgiel kamienny. Dla prawidłowego przeprowadzenia procesu spalania, należy w pierwszej kolejności zwrócić uwagę na: odpowiednie, dla konstrukcji kotła: rodzaj i uziarnienie paliwa oraz jego przygotowanie; właściwą konstrukcję kotła, zapewniającą: - optymalną temperaturę spalania; - optymalny stosunek ilości powietrza do spalanego paliwa (spalenie całkowite i zupełne); - jednorodność mieszanki paliwowej i powietrza; - jednorodność lotnych produktów niezupełnego spalania z powietrzem dla ich dopalenia; - maksymalną sprawność wymiany ciepła między spalinami a wodą lub parą wodną. PRZYGOTOWANIE BIOMASY DO SPALENIA ROZDRABNIANIE RE-TH 1000/1250/15 rębak tarczowy krajarki, rębaki, rozdrabniarki, młyny młotkowe, przesiewacze rębak bębnowy SUSZENIE Suszenie biomasy ciepłem skraplania wilgoci w spalinach Suszenie biomasy z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego ZASOBNIK PRZYKOTŁOWY zbiornik bezpośrednio przy kotle – lej zasypowy; wolnostojący silos; oddzielne pomieszczenie; PODAWANIE BIOMASY DO KOTŁA taśmociągi transportowe; przenośniki: ślimakowe, łańcuchowe, taśmowe, zgrzebłowe; rynny wibracyjne; ruchome podłogi; Instalacja dostarczania biomasy do kotła SPALANIE BIOMASY W KOTLE INSTALACJE MAŁEJ MOCY spalanie w warstwie stacjonarnej na stałym ruszcie lub w retorcie; różnice w sposobie dostarczania paliwa w stosunku do przepływu niezbędnego do spalania powietrza – wyraźny podział na powietrze pierwotne i wtórne. KOTŁY Z GÓRNYM I DOLNYM SPALANIEM KOTŁY ZGAZOWUJĄCE DREWNO: z naturalnym przepływem powietrza oraz z przepływem powietrza wymuszonym wentylatorem wyciągowym (spalin) KOCIOŁ RETORTOWY INSTALACJE PRZEMYSŁOWE ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY spalanie w warstwie rozdrobnionej biomasy na ruchomym ruszcie – część rusztowin wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne; biomasa o małej wilgotności (do 25%) – ruszty poziome; biomasa wilgotna (do 60%) – ruszty schodkowe; biomasa o bardzo drobnych frakcjach – ruszty wibracyjne. ruszt posuwisto-zwrotny ruszt wibracyjny Przykłady rusztów mechanicznych a) taśmowy łuskowy; b) posuwowo-schodkowy; c) posuwowo-pochyły 1 — elementy rusztowin; 2 — warstwa węgla; 3 — powietrze; 4 — spaliny. Sposoby odprowadzania spalin z komory spalania nad rusztem Rusztowy kocioł dużej mocy do spalania biomasy; I – komora spalania nad rusztem, II – komora spalania części lotnych, 1 – strefa suszenia, 2 – strefa odgazowania, 3 – strefa spalania części stałych. UTSK (0,18÷2) MW UTSR (0,1÷5,5) MW INSTALACJE PRZEMYSŁOWE BARDZO DUŻEJ MOCY Komora paleniskowa kotłą z rusztem posuwisto-zwrotnymi Komory paleniskowe kotłów z narzutem paliwa, z rusztami: wibracyjnym i taśmowym ELEKTROCIEPŁOWNIA B – biomasa, W – węgiel, KB – kocioł spalający biomasę, KW – kocioł spalający węgiel, TUP – turbina upustowo-przeciwprężna, TP – turbina przeciwprężna, G – turbogenerator, WP – wymiennik podstawowy, WS – wymiennik szczytowy, PWZ – pompa wody zasilającej, PWS – pompa wody sieciowej, PWC – potrzeby własne cieplne, SC – sieć cieplna, TB – transformator blokowy, TPW – transformator potrzeb własnych, PWE – potrzeby własne elektryczne, SE – sieć elektryczna, SRS – stacja redukcyjno-schładzająca, Elektrociepłownia KIELCE kocioł węglowy OR-50 – 50 t/h/ 5,6 MPa/ 485°C, kocioł na biomasę OS-20 – 20 t/h/ 5,6 MPa/ 485°C, turbozespół przeciwprężny – 10,5 MWe/ 5 MPa/ 480°C. biomasa – zrębki o granulacji (1÷5)cm, wartość opałowa – (7,3÷11,5)MJ/kg, wilgotności – (42÷51)%, zużycie – (7,5÷12,5)t/h; węgiel – energetyczny (miał), wartość opałowa – 23 MJ/kg, popiół/siarka – (20/0,5)%, zużycie – 7,5 t/h; wysokość – 20m wysokość – 26m Elektrociepłownia SATURN Świecie kocioł fluidalny CFB-234 paliwo: węgiel kamienny, kora, trociny, szlam, LFO; wartość opałowa: (6,3÷27) MJ/kg; wydajność: 234 t/h (89÷180 t/h); ciśnienie: 9,6 MPa; temperatura: 510ºC; SPALANIE SŁOMY PEC Lubań (3,5 MWt) Hjordkær (3,15 MWt) UKŁADY ORC m1 – paliwo (biomasa), m2 – powietrze, m3 – spaliny, Q1, Q2 – ciepło użytkowe (podstawowe, dodatkowe), P – moc elektryczna, 1 – kocioł z olejem termalnym opalany biomasą, 2 – podgrzewacz wody sieciowej, 3 – parownik, 4 – turbina, 5 – generator, 6 – podgrzewacz regeneracyjny, 7 – skraplacz, 8 – pompy, 9 – zawory regulacyjne, P0 = 335 kWe (Pn = 300 kWe), Q2 = 1440 kWt, Q1 = 460 kWt, przyjmując sprawność (1) i (2) ok. 80%, sprawność całkowita ok. 78% (elektryczna ok. 11%, cieplna ok. 67%) 600 kW 5-10 kW WSPÓŁSPALANIE BIOMASY • bezpośrednie - biomasa nie podlega żadnym przemianom chemicznym, a jedynie rozdrobnieniu, ewentualnie wstępnemu suszeniu i następnie jest mieszana z węglem lub bezpośrednio dostarczana do komory paleniskowej kotła; • pośrednie - biomasa jest przetwarzana najczęściej w procesie termicznym, do postaci gazowej, oleju opałowego, a następnie dostarczana do kotła; • równoległe - paliwo podstawowe oraz biomasa są spalane w oddzielnych kotłach, a uzyskana energia w postaci entalpii wody lub pary wodnej jest wspólnie przetwarzana na ciepło użytkowe i/lub energię elektryczną. WSPÓŁSPALANIE BEZPOŚREDNIE a) para, woda spaliny paliwo dodatkowe 2B I paliwo podstawowe III układ mieszania KOCIOŁ biomasa I IV II a1) 1A węgiel 2A woda zasilająca 1A – kocioł energetyczny, 2A, 2B – układy przygotowania paliwa: podstawowego, dodatkowego, I...V – sposoby doprowadzenia paliwa dodatkowego; a2) młyn węglowy układ rozdrabniania IV biomasa węgiel KOCIOŁ młyn wstępne doprowadzenie paliwa dodatkowego do postaci zbliżonej do paliwa podstawowego WSPÓŁSPALANIE POŚREDNIE b) para, woda b1) spaliny paliwo dodatkowe 3 paliwo podstawowe IV węgiel GAZOGENERATOR IV gaz 1A biomasa 2A KOCIOŁ młyn V woda zasilająca b2) 1A – kocioł energetyczny, 2A – układy przygotowania podstawowego paliwa, 3 – przedpalenisko lub gazogenerator paliwa dodatkowego, I...V – sposoby doprowadzenia paliwa lub spalin z paliwa dodatkowego; węgiel KOCIOŁ biomasa PRZEDPALENISKO młyn spaliny V układy energetyczne wykorzystujące przedpaleniska oraz instalacje zgazowania lub pirolizy WSPÓŁSPALANIE RÓWNOLEGŁE 1A, 1B – kotły energetyczne: podstawowy, dodatkowy, 2A, 2B – układy przygotowania paliwa: podstawowego, dodatkowego. KOCIOŁ RUSZTOWY 1. 2. 3. 4. zrębki drewna; miał węglowy; bębny dozujące; osłona termiczna; ELEKTROWNIA OSTROŁĘKA B PRÓBY Biomasa: pochodzenia leśnego, z przemysłu tartacznego, produkty rolne, pozostałości z przemysłu spożywczego, W postaci: trocin, brykietów, peletów, susz owocowy, pestki owocowe, łupiny słonecznika. Udział biomasy w mieszance paliwowej – do 10%. ELEKTROCIEPŁOWNIA AVEDØRE 2 TP słoma brykiet 450 MWe (365 MWe) KR gaz olej 30 MPa/560ºC/6 MPa/600ºC/2,4 kPa η=48,3%/95% mokre odsiarczanie, SCR KG brykiet (węgiel) (570 MWt) KO spaliny woda zasilająca TG gaz 2x60 MWe powietrze PODSUMOWANIE W technologiach spalania biomasy, szczególnie biomasy pochodzenia roślinnego, można zauważyć wyraźne zmiany w sposobie organizacji procesu spalania oraz tendencje zmierzające do: spalania biomasy w możliwie jak najmniejszej warstwie – dolne spalanie (głównie poprzez zgazowanie), palnik retortowy, ruszt posuwisto zwrotny lub wibracyjny; coraz powszechniejsze stosowanie wentylatorów wyciągowych spalin, w kotłach małej mocy; obniżenia emisji zanieczyszczeń – w małych kotłach przede wszystkim metodami pierwotnymi, poprzez odpowiednią organizację procesu spalania, w większych stosując dodatkowo multicyklony oraz recyrkulację spalin, a w największych również SNCR; zwiększanie sprawności przetwarzania energii chemicznej biomasy w energię ciepłej wody lub pary wodnej – osiąganie sprawności w zakresie (85÷92)%, stosowanie odpowiedniej konstrukcji współpracujących z kotłem zewnętrznych układów wymiany ciepła (skraplacze wilgoci w spalinach, zbiorniki akumulacyjne, kolektory słoneczne, pompy ciepła itp.); dla kotłów o mocach powyżej 20 MWt stosowania również spalania fluidalnego. Biomasa, szczególnie ta, która nie jest odpadem, powinna być wykorzystywana lokalnie w pobliżu miejsca jej powstawania (generacja rozproszona), w kotłach zbudowanych do spalania biomasy: – mniejsze koszty transportu, – obniżenie strat przesyłu energii, – uniknięcie emisji z niespalonego węgla (mniejsza tzw. niska emisja), – rozwój lokalnych rynków pracy, – samowystarczalność energetyczna obszarów o małej gęstości zaludnienia, – podwyższenie bezpieczeństwa energetycznego. W technologiach bezpośredniego współspalania biomasy z węglem zdecydowanie najbardziej efektywną jest technologia współspalania w kotłach fluidalnych. Istotną jej wadą jest mieszanie, cennego jako nawóz, popiołu z biomasy z popiołem z węgla, który w czystej postaci jest często wykorzystywany jako kruszywo budulcowe. Mieszanka tych dwóch popiołów staje się bezużytecznym odpadem. Technologie współspalania pośredniego są ciągle stosunkowo rzadko realizowane i w wielu wypadkach są to instalacje doświadczalne lub półkomercyjne. Wydaje się, że zdecydowanie największe szanse na rozwój mają technologie równoległego wspólspalania. Istotną barierą jest ciągle jeszcze wysoka cena kotłów na biomasę. LITERATURA www.aee-lentjes.de www.aee-vonrollinova.ch www.biomasstechnology.info www.froeling.com www.fwc.com www.holzfeuerung.ch www.iea.org www.ieabcc.nl/database/ash.php, www.ieabcc.nl/database/biomass.php, www.ieabcc.nl/database/cofiring.php www.martingmbh.de www.petroett.se www.rafako.com.pl www.volund.dk www.zusok.com.pl (http://books.google.pl/)
