Problemy technologiczne występujące podczas realizacji procesu współspalania węgla brunatnego z biomasą

Transkrypt

1 Marek Kułażyński 1, Jan Kaczmarczyk 2, Łukasz Świątek 3, Katarzyna Pstrowska 4, Politechnika Wrocławska Sławomir Jabłoński 5, Marcin Łukaszewicz 6 Uniwersytet Wrocławski Problemy technologiczne występujące podczas realizacji procesu współspalania węgla brunatnego z biomasą Wstęp Problemy w stosowaniu energii odnawialnej wynikają z postaci występowania, dużego rozproszenia i niskiej gęstości energetycznej źródeł (mała gęstość objętościowa w przypadku biomasy oraz powierzchniowa dla energii słonecznej czy wiatrowej), zmienności strumienia energii a także uzależnienia od zmieniających się warunków klimatycznych oraz przypadkowy charakter zmian (wymagane są urządzenia do magazynowania energii i stosowanie rezerwowych źródeł). Ponadto znaczącą role odgrywają wysokie koszty stosowania. Udział energii odnawialnej w światowym bilansie energetycznym powinien być z każdym rokiem większy. Polska jako członek Unii Europejskiej zobowiązała się do zwiększenia udziału energii cieplnej i elektrycznej ze źródeł odnawialnych do poziomu 12,9% w 2017 r.[1-2]. Oznacza to, że należy przeznaczyć na cele energetyczne znaczne ilości biomasy. Biomasa może pochodzić z upraw energetycznych, drewna opałowego oraz odpadów rolniczych, przemysłowych i leśnych. Niewystarczająca podaż biomasy z tych źródeł sprawia, że energetyka sięga po inne rodzaje biomasy jak importowana łuska słonecznikowa. Współspalanie biomasy może być przeprowadzane bezpośrednio lub pośrednio. W Polsce większość biomasy jest współspalana bezpośrednio przy produkcji energii elektrycznej. Spalanie biomasy jest termodynamicznie gorsze w porównaniu z węglem [3]. Zawiera ona do 50% wilgotności pogarszającej sprawność termodynamiczną konwersji. Zazwyczaj elektrownie zawodowe dodają około 10% biomasy do spalanego węgla, w odniesieniu do masy, która stanowi 5% udziału energii. Dodatkowym utrudnieniem jest niska zdolność do mielenia spowodowane włóknistą strukturę biomasy. Typowe młyny węglowe nie nadają się do rozdrabniania biomasy. Zastosowanie biomasy w elektrowni nie jest korzystne z powodu jej dużej reaktywności i niestabilnych właściwości. Główne zagrożenia wynikają ze zdolności do rozkładu biologicznego w łańcuchu logistycznym oraz możliwość samozapłonu. Kilka elektrowni w Polsce rozpoczęło budowę lub już eksploatują specjalnie zaprojektowane kotły zasilane biomasą. Biomasa jest współspalana w postaci wiórów, brykietu i peletu o wysokiej efektywności energetycznej. Ze względu na niekorzystne właściwości, takie jak niska gęstość, niedostateczna wielkości cząstek, większa zawartość wilgoci i niejednorodność tylko kilka rodzajów biomasy jest odpowiednich dla bezpośredniego zasilania kotłów energetycznych. Najprostsze postacie biopaliw stałych to wióry drewniane o wymiarach w zakresie od 5 do 100 mm, uzyskane przez rozdrobnienie drewna. Pelety i brykiety wykonane są z suchego, zmiażdżonego przez prasowanie materiału biomasy stałej pod wysokim ciśnieniem z ewentualnym dodatkiem środka wiążącego (spoiwa) [4]. Brykiet może być formowany w postaci sześcianu lub walca o wielkości większej niż 25 mm. Peletki, zwane również mikrobrykietami lub granulki są zazwyczaj wytwarzane 1 Marek Kułażyński, Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Chemii i Technologii Paliw, ul. Gdańska 7/9, Wrocław 2 Jan Kaczmarczyk, Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Chemii i Technologii Paliw, ul. Gdańska 7/9, Wrocław 3 Łukasz Świątek, Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Chemii i Technologii Paliw, ul. Gdańska 7/9, Wrocław 4 Katarzyna Pstrowska, Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Chemii i Technologii Paliw, ul. Gdańska 7/9, Wrocław 5 Sławomir Jabłoński, Uniwersytet Wrocławski, Wydział Biotechnologii, ul. F. Joliot-Curie 14 a, Wrocław 6 Marcin Łukaszewicz, Uniwersytet Wrocławski, Wydział Biotechnologii, ul. F. Joliot-Curie 14 a, Wrocław Logistyka 5/

2 jako cylinderki o średnicy od 4 do 10 mm i długości 20 do 50 mm. Przetwarzana w tej postaci biomasa charakteryzuje się gęstością energii podobną lub niższą w porównaniu do węgla brunatnego oraz niska wilgotnością[5]. Energetyczna ocena biomasy na tle paliw konwencjonalnych może dotyczyć wielu ich właściwości, jednak za najważniejsze należy uznać skład elementarny, zawartość masy inertnej a przede wszystkim wilgoci. Porównanie tych właściwości przedstawia tabela 1. Tabela 1. Porównanie biomasy i węgla Składnik Oznaczenie Jedn. Biomasa Węgiel Węgiel C daf % Wodór H daf % 5,5-7,0 4,8-5,5 Tlen Od daf % ,8-10 Azot Nd daf % 0,1-0,8 1,4-2,3 Siarka S daf % 0,01-0,9 0,3-1,5 Chlor Cl d % 0,01-0,7 0,04-0,4 Części lotne V daf % Zawartość popiołu A d % 1, Ciepło spalania Q d MJ/kg Skład popiołu SiO2 - % 26,0-54,0 18,0-52,3 Al2O3 - % 1,8-9,5 10,7-33,5 CaO - % 6,8-41,7 2,9-25,0 Na2O - % 0,4-0,7 0,7-3,8 K2O - % 6,4-14,3 0,8-2.9 P2O5 - % 0,9-9,6 0,4-4.1 Skład elementarny biomasy i węgli stosowanych w energetyce jakościowo jest taki sam. Różnice występują natomiast w udziałach poszczególnych pierwiastków i związków chemicznych. Biomasa zawiera średnio około czterokrotnie więcej tlenu, dwukrotnie mniej węgla, oraz mniej siarki i azotu. Konsekwencją tego składu jest wysoka zawartość części lotnych [6-9]. Dane techniczne komercyjnie stosowanej biomasy nie zostały jeszcze określone w Unii Europejskiej. Niektóre kraje wprowadziły swoje własne charakterystyczne parametry określające specyficzne wymagania rynku; są to Szwecja, Austria, Włochy i Niemcy. Polska nie ma odpowiednich przepisów regulujących wymagania dotyczące biomasy współspalanej w elektrowniach. Aby wyjaśnić obserwowane problemy dokonano porównania właściwości węgla brunatnego i biomasy (łuska ze słonecznika), takie jak szybkość rozkładu, spalania oraz badania zdolności do degradacji biomasy. Metody badawcze Badano trzy różne materiały energetyczne dostarczone przez Elektrownię Turów: łuski słonecznika, pelet z łuski słonecznika oraz węgiel brunatny. Analiza techniczna suchej masy i popiołu została określona zgodnie z normą Nr 2540 B i 2540E (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater - 20th). Analiza techniczna i wartość opałowa węgla została przeprowadzona zgodnie z normami (PN - 80 / G , 04512, oraz PN-81 / G ). Testy beztlenowej fermentacji prowadzono w butelkach o pojemność 120 ml, zamkniętych korkami z kauczuku butylowego. W czasie testu do butelek wprowadzano 60 ml złoża metanogennego (sucha masa 35,5 g/l; zawieszone cząstki lotne 22.8 g/l; ph=7,39; jony amoniowe 103 mg/l) oraz 0,6 g rozdrobnionej próbki. Następnie pojemnik przedmuchiwano azotem w celu usunięcia tlenu. Butelki inkubowano w temperaturze 36 C przez 2 godziny. Pomiary wytwarzania gazu (metanu) dokonywano, co 24 lub 48 godzin z wykorzystaniem biurety gazowej. Całkowita produkcja gazu stanowi sumę dziennej produkcji gazu po 21 dniach fermentacji. Wszystkie próbki przygotowano w trzech powtórzeniach. Wartość suchej masy próbek osadów została ustalona zgodnie z normą 2540 B, ph szlamu mierzono za pomocą CyberScan ph5500 (EUTECH Instruments). Stężenie jonów amonowych oznaczano elektrodą jonoselektywną połączoną z CyberScan ph5500 (EUTECH Instruments). Badania termograwimetryczne węgli przeprowadzono w aparaturze termograwimetrycznej (rys. 1). 278 Logistyka 5/2015

3 Rys.1. Schemat aparatury termograwimetrycznej: piec rurowy (1), rura kwarcowa (2), regulator temperatury (3), naczynko z badaną próbką (4), ramię wagi analitycznej (5), fotoelektryczno-elektromagnetyczna przystawka (6), termoelement (7), wielopunktowy kompensator elektroniczny (8), rotametr (9) Omówienie wyników badań Problemy technologiczne występujące podczas współspalania biomasy i węgla brunatnego (lignitu) były powodem realizacji prezentowanych badań. Podczas przygotowywania paliwa miały miejsce w elektrowni przypadki samozapłonu i eksplozje. Ponadto podczas współspalania biomasy i węgla brunatnego kotły fluidalne ulegały awarii na skutek powstawania spieków z popiołem pochodzącym z biomasy. W elektrowni TURÓW biomasa spalana jest w ilości 8% w stosunku do ilości spalanego węgla (200 do 210 ton/godz.) Aby znaleźć przyczynę obserwowanych problemów wykonano: oznaczenie składu biomasy, węgla brunatnego, popiołu z biomasy oraz z węgla, analizę termograwimetryczną węgla brunatnego i biomasy (karbonizacja i spalanie), badania biodegradacji beztlenowej biomasy. Z węgla brunatnego przygotowano próbkę analityczną, wcześniej doprowadzając węgiel do stanu zbliżonego do stanu powietrzno suchego a następnie zachowawczo rozdrabniając go do ziarna poniżej 0,2 mm. Wyniki analizy technicznej węgla zawiera tabela 1. Z próbki analitycznej węgla otrzymano niskotemperaturowy popiół, spalając węgiel w temperaturze 550oC i wygrzewając uzyskany popiół przez 5 godzin. Tabela 1. Analiza techniczna i elementarna węgla brunatnego TURÓW Oznaczenie Wilgoć [%] Popiół [%] Części lotne [%] Ciepło spalania [MJ/kg] Węgiel Turów W a A a A d V a V daf Qs a Qs daf 4,98 19,26 20,27 43,30 57,15 21,86 28,85 Wyniki analizy węgla i popiołu zestawiono w tabeli 2. Logistyka 5/

4 Lp. Oznaczany składnik [%] Logistyka - nauka Tabela 2. Analiza pierwiastków w węglu i popiołach Węgiel Turów Popiół z węgla Turów Popiół z łuski słonecznika Popiół z peletu łuski słonecznika 1 SiO2 15,3 51,3 6,75 6,80 2 Al2O3 10,6 35,4 0,46 0,49 3 Fe2O3 1,80 4,46 0,51 0,58 4 CaO 0,49 0,82 21,98 21,98 5 MgO 0,45 1,17 1,06 1,17 6 Na2O 0,30 0,84 1,75 1,76 7 K2O 0,52 1,12 62,15 63,02 8 SO3 0,21 0,17 1,85 1,83 9 BaO 0,02 0,05 0,04 0,05 10 Mn3O4 0,01 0,04 0,05 0,08 11 Suma 29,7 95,37 96,6 97,76 Zmiany masy węgla brunatnego podczas ogrzewania w powietrzu przedstawia rysunek 2 Rys. 2. Zmiany masy węgla brunatnego Turów podczas ogrzewania w powietrzu W spalaniu węgla brunatnego można wyróżnić dwa zasadnicze zakresy: od oC spalanie przebiega szybciej a następnie po przekroczeniu temperatury 525oC szybkość reakcji węgla z powietrzem maleje. Proces spalania węgla w powietrzu kończy się w temperaturze ok. 750oC. W charakterystycznej temperaturze 500oC spaleniu ulega ok. 71% substancji organicznej węgla. W tabeli 4 przedstawiono wyniki analiza technicznej łusek słonecznika. Tabela 4. Analiza techniczna łusek słonecznika (próbka 10- pelet, próbka-0 łuski) Łuski Wilgoć [%] Popiół [%] Części lotne [%] Ciepło spalania [kj/kg] słonecznika W a A a A d V a V daf Q i r Próbka 10 7,99 2,19 2,38 69,16 77,00 17,372 Próbka 0 1,25 1,93 1,95 75,25 77,72 15, Logistyka 5/2015

5 Biomasa, próbka nr 0 Biomasa, próbka nr 10 Uytek masy U a [%] Temperatura T [ C] Uytek masy U a [%] Temperatura T [ C] Rys. 3. Zmiany masy łusek słonecznika (0) oraz peletu z łusek słonecznika (10) podczas ogrzewania w atmosferze powietrza Przebieg krzywych TG, wskazuje, że próbki biomasy z łusek słonecznika (przemysłowej 10 i laboratoryjnej 0 w atmosferze powietrza spalają się bardzo gwałtownie w bardzo wąskim przedziale temperaturowym oC. W tym przedziale temperaturowym już ponad połowy masy organicznej biomasy ulega spaleniu. Przebiegi krzywych TG, dla obydwu próbek biomasy są zróżnicowane jedynie w początkowym etapie spalania w zakresie temperatur oC, co ma bezpośredni związek z różną zawartością wilgoci. Po przekroczeniu temperatury 250oC obie biomasy spalają się ze zbliżoną reaktywnością. Pelet z łuski słonecznika wykazywał nieco inny skład i właściwości spalania w porównaniu do łusek. Te różnice mogą wynikać z obecności dodatków stosowanych w procesie granulowania. Aby scharakteryzować naturę dodatku przeprowadzono testy biodegradowalności beztlenowej biomasy. Krzywe uzysku biogazu dla badanych próbek przedstawiono na rysunku 4. Pelet wykazywał mniejszą podatność na biodegradację w porównaniu do próby kontrolnej. Obserwowana różnica była istotna statystycznie (wartość testu studenta wynosiła Wynik ten sugeruje, że dodatek może pochodzić z tworzywa sztucznego, ponieważ większość materiałów syntetycznych nie ulega degradacji biologicznej w warunkach anaerobowych. Rysunek 4. Wyniki testu biodegradowalności biomasy z łuski słonecznika Wnioski Badania dowiodły, że współspalanie węgla i biomasy nie jest spójne, gdyż temperatura spalania biomasy jest znacznie niższa, zaś spalanie biomasy jest procesem bardzo szybkim. Tworzenie wysoce alkalicznego popiołu z biomasy zachodzi w niskich temperaturach w przeciwieństwie do tworzenia popiołu ze spalania węgla, który powstaje tylko w wyższych temperaturach. Popiół z węgla brunatnego może być otaczany przez cząstki popiołu z biomasy, co może prowadzić do powstawania większych aglomeratów popiołu o szklistych powierzchniach. Pelet ze słonecznika może zawierać dodatki substancji syntetycznych, które są trudne do określenia i oddzielenia. Obecność w próbkach biomasy, materiału syntetycznego, powoduje, że na jego powierzchni w momencie transportu jest generowany ładunek, który może inicjować zapłon. W połączeniu z metanem wydzielanym przez biomasę oraz węgiel może to stanowić potencjalne źródło powstawania lokalnych zapłonów. Logistyka 5/

6 Badania fermentacji metanowej, pokazały bardzo wyraźnie różnice w składzie dostarczanej do Elektrowni biomasy. Różnice w produkcji biogazu wynikają z niejednolitego składu substancji organicznej i z różnej jej ilości. Ponadto widać, że proces fermentacji przebiega bardzo szybko a wydzielający się metan tlenek węgla i siarkowodór może stanowić źródło zagrożenia. Biomasa nie powinna być długo magazynowana przed współspalaniem. Praca finansowana z dotacji Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność statutową Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej oraz Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu wrocławskiego. Streszczenie Porównano właściwości węgla brunatnego, łuski słonecznika i peletu z łuski słonecznika, jako paliw do współspalania w kotłach energetycznych. Reaktywność paliw mierzono testem spalania powietrza i analizy termograwimetrycznej oraz biologicznej fermentacji beztlenowej. Stwierdzono istotne różnice we właściwościach łuski słonecznika oraz peletu z łuski słonecznika. Zastosowanie dodatkowych czynników w procesie granulacji silnie wpływa na charakterystykę spalania materiałów opartych na łusce słonecznika, takich jak skład, reaktywności, zawartości popiołu i wartości kalorycznej. TECHNOLOGICAL PROBLEMS OCCURRING DURING THE IMPLEMENTATION PRO- CESS OF CO-FIRING BROWN COAL WITH BIOMASS Abstract The aim of this study was to evaluate and compare the properties of brown coal, sunflower husks and sunflower husk pellets as a fuel for co-firing in energetic boilers. Reactivity of fuels was measured with air combustion test and with thermogravimetric analysis as well biological anaerobic digestion. Significant properties differences of sunflower husk and sunflower husk pellets were noticed. The use of additional agents in pelletizing process highly influences characterization of combustion of the materials based on sunflower husks such as composition, reactivity, ash content and caloric value. Bibliografia [1] Morthorst, P. Energy Policy 2000, 28, [2] Van Dam, J., Junginger, M., Faaij, A., Jürgens, I., Best, G., Fritsche, U. Biomass Bioenergy 2008, 32, [3] Jenkins, B.M., Baxter, L.., Miles, T. Fuel Process. Technol. 1998, 54, [4] Kaliyan, N., Morey, R.V. Bioresour. Technol. 2010, 101, [5] Narra, S., Tao, Y., Glaser, C., Gusovius, H.-J., Ay, P. Energy Fuels 2010, 24, [6] Janecka L., Kalinowski W.: Wpływ stosowania paliw alternatywnych na obieg składników lotnych w procesie wypalania klinkieru; IV Międzynarodowa Konferencja Naukowa Energia i Środowisko w technologiach materiałów budowlanych, ceramicznych, szklarskich i ogniotrwałych, Instytut Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych, Karpacz [7] Kubica K., Ściążko M., Raińczak J.: Współspalanie biomasy z węglem [8] Rybak W.: Spalanie i współspalanie biopaliw stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006 [9] Pronobis M.: Evaluation of the influenceofbiomassco-combustion on boiler furnace slagging by means of fusibility correlations. Biomass & Bioenergy 2005, Vol. 28, Issue 4, (April), Logistyka 5/2015