Z 8 mln ton biomasy wykorzystujemy poniżej 20%... Wierzba, wióry, kora nowoczesne kotły

Transkrypt

1 Z 8 mln ton biomasy wykorzystujemy poniżej 20%... Wierzba, wióry, kora nowoczesne kotły prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski (Energia Gigawat listopad 2002) Udział biomasy w tym szczególnie drewna w ogólnokrajowym bilansie użytkowania pierwotnych nośników energii nie przekracza 0,5%. Znaczenie drewna jako paliwa mogłoby jednak u nas w krótkim czasie tak szybko wzrosnąć, jak w Austrii, Szwajcarii, czy Skandynawii, gdyby wydano w Polsce identyczne rządowe przepisy prawno-ekonomiczne, regulujące rozwój lokalnej energetyki. Nie tylko polskie lasy, ale możliwe do zakładania na ugorach ogromne plantacje wierzby krzewiastej itp. roślin energetycznych, czy odpady z drewna z przemysłu już dziś stawiają do dyspozycji 7-8 milionów ton omawianego, odnawialnego nośnika energii rocznie dla lokalnych ciepłowni oraz elektrociepłowni, a one wykorzystują dziś niecałe 20% tego bogactwa narodowego. * Dla energetycznego wykorzystania drewna stosuje się na ogół paleniska rusztowe oraz fluidalne, które są najważniejszym elementem każdej ciepłowni i elektrociepłowni. Małe oraz średniej mocy ciepłownie stosują przede wszystkim paleniska rusztowe. Zapewniają one relatywnie wysokie sprawności spalania dla szerokiej palety drewna i kory różnorakiego pochodzenia. Stosuje się je nie wyłącznie do spalania drewna, ale również różnorakich odpadów, słomy, węgla oraz koksu. Dopuszczają one nie tylko duży rozrzut w rozdrobnieniu, ale również w zawilgoceniu oraz zapopieleniu. Większej mocy ciepłownie stosują ruchome ruszta, pracujące w układzie ukośnym (wg rys. 1a), lub poziome (wg rys.1b). W wersji ukośnej wg rys. 1a spalany materiał (drewno, kora, słoma, odpady, węgiel itp.) bywa przesuwany wariantowo po pochyłej płycie szczelinowo rusztowej przez hydraulicznie napędzany przenośnik zgrzebłowy. Można go jednak zastąpić rusztem schodkowym lub walcowym. Korzystnie na proces spalania oddziałuje powietrzne chłodzenie rusztu i to szczególnie podczas utylizowania zawilgoconego paliwa. Przy suchym drewnie występują nieraz problemy z przegrzewaniem rusztu. Chłodzenie rusztu wymaga oczywiście starannej regulacji, gdyż tzw. dolne nawietrzanie trzeba koniecznie zsynchronizować z optymalizacją procesu spalania, w którym faza pirolizy wsadu stanowi ważny element w kompleksowej - 1 -

2 sprawności paleniska. Bywają przypadki, że ze względu na minimalizację tworzenia się tlenków azotu w spalinach, trzeba w niektórych konstrukcjach paleniskowych zastąpić chłodzenie powietrzne wodnym. Przy zastosowaniu ruchomego rusztu wg rys. 1b, rusztowiny są przytwierdzone do bocznych łańcuchów (lub ogniw, wąskiego, pionowo ustawionego taśmociągu obu stron rusztowin). W czasie zawrotu rusztowin na dwóch parach kół zębatych i po zrzuceniu z nich żużla z popiołem do specjalnego transportera, zachodzi chłodzenie powyższych pierwotnym powietrzem spalania. Dzięki temu unika się przegrzewania rusztu. Tempo jego przesuwu jest oczywiście regulowane automatycznie w zależności od aktualnego (chwilowego) zapotrzebowania mocy ciepłowni lub elektrociepłowni, a co dotyczy również natężenia dopływu powietrza do różnych stref spalania najpierw wsadu, a potem produktów jego pirolizy (określanej również jako zgazowanie). Spalanie na ruszcie może odbywać się ze względu na posuw drewna, odpadów itp. oraz kierunek przepływu spalin współprądowo, przeciwprądowo i w systemie mieszanym. Na ruszcie odbywa się suszenie, transport oraz równomierne spalanie wsadu, przy ściśle regulowanym dopływie powietrza. Bardzo ważnym elementem, decydującym o efektywności spalania i ilości tworzących się NO x, jest geometria komory paleniskowej oraz technika doprowadzania powietrza wtórnego. W największym przekroju strefy spalania i dopalania gazów oraz opar z pirolizy wsadu znajdują się dysze doprowadzania wtórnego powietrza. Są konstrukcje paleniskowe (rys. 1a) z trzema strefami spalania. Procesy, przebiegające w klasycznym piecu, obejmują następujące operacje: przygotowanie wsadu i jego doprowadzenie do paleniska, spalanie (na ogół wielostrefowe), odzysk ciepła, oczyszczanie spalin, obróbka pozostałości oraz procesy końcowe, co ilustruje rys. 2. Sercem tego typu pieca jest oczywiście komora spalania, w której wsad wg różnych technologii ulega spaleniu. W kotłowniach oraz elektrociepłowniach utylizujących drewno, korę i trociny stosuje się również piece fluidalne, pracujące w systemie cyrkulacyjnym (rys. 1c) lub stacjonarnym (rys. 1d). Ten typ pieców ma zastosowanie dla dużych mocy praktycznie powyżej 10 MW. Cyrkulująca warstwa fluidalna (rys. 1c) zapewnia bardziej równomierne a zatem i efektywniejsze spalanie wsadu. Tu bowiem rozdrobnione paliwo, jest lepiej rozprowadzane w strefie spalania, a przez to cały piec charakteryzuje bardziej zwarta budowa mimo dwóch (a nieraz nawet trzech) poziomów doprowadzania powietrza. Do cech charakterystycznych palenisk fluidalnych należą: - 2 -

3 - wysoka dyspozycyjność, - odsiarczanie spalin (łącznie z odchlorowaniem i odfluorowaniem) przebiega wprost w strefie spalania, do której wprowadza się rozpylony węglan wapnia (mączkę skalną). - nie ma problemów ze szlakowaniem składników mineralnych, gdyż temperatura spalania utrzymuje się w granicach st. C, - relatywnie niskie są zawartości tlenków azotu w spalinach. W piecach fluidalnych spala się nie tylko drewno, trociny, słomę, korę, węgiel czy koks, ale również ziemię zaoliwioną, smółki porafinacyjne, szlamy z oczyszczalni ścieków, odpady komunalne, ługi posulfitowe itp. odpady z przemysłu. Piec fluidalnego spalania różnorakich wsadów ma postać cylindrycznej komory, wyłożonej materiałem ogniotrwałym. W dolnej części pieca strumień powietrza wprawia warstwę rozdrobnionego paliwa (często z dodatkiem piasku lub innego rozdrobnionego materiału mineralnego) w stan fluidyzacyjny. Rozdrobnione paliwo ulega w piecu wysuszeniu, pirolizie i spaleniu. W piecu fluidalnym szybko osiąga się całkowite spalenie wsadu, co zapewnia odpowiedni czas przebywania jego cząstek w temperaturze st. C. Wadą tego pieca jest relatywnie wysoka zawartość pyłu w spalinach. Oczyszczanie spalin Niezależnie od konieczności oczyszczania spalin w przypadku spalania odpadowego dla drewna, które wcześniej impregnowano, trzeba zapewnić warunki optymalnego spalania przez: - pełne wypalenie się biomasy; - utrzymanie parametrów oraz dobór geometrii komory spalania dla minimalizacji tlenków azotu w spalinach; - dobór filtrów minimalizujących zawartość pyłu w emitowanych spalinach. Dla zneutralizowania względnie usunięcia ze spalin składników szkodliwych dla środowiska dodaje się do nich pakiet komponentów absorbcyjnych i adsorbcyjnych, wyszczególnionych w tabeli 1, a sposób ich dozowania oraz usuwania zanieczyszczeń ilustruje rys. 3. Miernikiem stopnia spalania wsadu jest zawartość tlenku węgla oraz węglowodorów w spalinach. Aby zapewnić pełne spalenie biomasy należy: - utrzymać w palenisku temperaturę powyżej 800 st. C, - zapewnić czas spalania opar i gazu z pirolizy wsadu w ciągu powyżej 2 sek. przy 800 st. C, - zabezpieczyć niezbędną ilość dopływającego powietrza do poszczególnych stref spalania, - poprawnie wymieszać palne opary i gazy z pirolizy drewna z powietrzem

4 Powyższe wymagania zostają wówczas spełnione, gdy emisja w spalinach CO wynosi poniżej 100 mg/m sześc., a węglowodorów poniżej 5 mg C/m sześc. Dla drewna odpadowego emisja pyłu nie może przewyższać 10 mg/m sześc. Tabela 1 Komponenty spalin, usuwające metale Hg, Cd, As i HCl, HF Absorbenty i adsorbenty Powierzchnia; m 2 /g Węglan wapna; Ca CO 3 około 1 Wapno palone; CaO 1 3 Wapno gaszone; Ca(OH) Koksik; C około 300 Węgiel aktywny; C Tabela 2 Zanieczyszczenie spalin ze spalania drewna odpadowego, ich neutralizatory i dopuszczalne emisje Zanieczyszczenia Zawartość w surowych spalinach; mg/m 3 Neutralizator Dopuszczalne emisje; mg/m 3 HCl <800 Ca(OH) 2 +CaO 10 HF <1000 Ca(OH) 2 +CaO 0,25 Dioksyny <1000 Węg. akt.+koksik 10 As <200 Ca(OH) 2 +koks 0,5 Hg <50 Węg. akt. 0,5 Cd <30 Węg. akt. 0,5 Pominięto obecność tlenków azotu, gdyż te tworzą się w temperaturach powyżej 1250 st. C, które przy spalaniu drewna odpadowego nie bywają na ogół przekraczane. Ewentualne, tworzone dioksyny podczas spalania drewna odpadowego adsorbują się na koksiku i węglu aktywnym. Tkaninowe filtry rękawowe są wykonywane z tworzyw syntetycznych wzgl. z włókna węglowego. Aby sprawnie oraz efektywnie przebiegało usuwanie z nich nagromadzonego pyłu, ten musi być suchy. Dlatego część dozowanego wapna palonego przeznaczona jest na chemisorbcję wilgoci

5 Kotłownie domowe Wśród różnorakich konstrukcji na zainteresowanie zasługuje typ HDG-Compact, niemieckiej firmy HDG - Bawaria, zilustrowany rys. 4. Obecnie firma wytwarza je o mocy: 49 kw, 100 kw, 150 kw i 200 kw. Kotłownia jest bezobsługowa, gdyż zrębki drewna podaje automatycznie działający zgarniacz do transportera ślimakowego, co jest wyraźnie widoczne na fotografii. Podajnik komorowy, napędzany odrębnym silnikiem elektrycznym załadowuje ruszt kotła zrębkami drewna i jednocześnie zabezpiecza przed ewentualnym cofnięciem się płomienia w kierunku magazynu paliwa. Kocioł jest wyposażony w ruszt schodkowy, napędzany silnikiem elektrycznym. Rozwiązanie to, ujęte również rys. 1a, zapewnia czyste i efektywne spalanie w myśl zasady: time, temperature, turbulence. Wymiana ciepła (z cyrkulującą wodą grzewczą) następuje w sekcji wymiennika płytowego w układzie pionowym. Takie rozwiązanie zapewnia samoczynne oczyszczanie się powierzchni z pyłów, które opadają do specjalnego popielnika. Szerokie, płaskie powierzchnie łatwo jest utrzymać w czystości. Specjalna geometria komory spalania zapewnia zawirowania reagentów oraz relatywnie długie przetrzymanie spalin w temperaturze przewyższającej 1250 st. C. Korpusy zbudowano z wysokogatunkowej stali kotłowej, co umożliwia firmie HDG-Bawaria udzielenie 5-letniej gwarancji. Wmontowany kocioł może pracować pod ciśnieniem 3 barów. Silnik elektryczny, napędzający ruszt schodkowy, napędza również ślimacznicę, wygarniającą popiół z komory spalania i komory wymiennika ciepła do 2 pojemników o pojemności 60 m sześc. każdy. Jako podstawowe paliwo, prezentowana kotłownia stosuje zrębki drewna. Uwzględnia ona jednak możliwość spalania trocin, wiórów oraz brykietów z drewna. Nawet kora zmieszana z drewnem w dowolnym stosunku nie jest w stanie ograniczyć sprawności kotłowni HDG Compact. Najefektywniejsze jest opalanie tego kotła zrębkami wierzby krzewiastej. Przemyślana konstrukcja umożliwia szybki i wygodny dostęp do wszystkich elementów