spalanie biomasy

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 (500680) 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/)