SPALANIE BIOMASY AGRO I LEŚNEJ W CYRKULACYJNEJ WARSTWIE FLUIDALNEJ

Transkrypt

1 Str. 9 Rynek Energii Nr 3(124) SPALANIE BIOMASY AGRO I LEŚNEJ W CYRKULACYJNEJ WARSTWIE FLUIDALNEJ Monika Kosowska-Golachowska, Krzysztof Wolski, Władysław Gajewski, Agnieszka Kijo-Kleczkowska, Tomasz Musiał, Katarzyna Środa Słowa kluczowe: biomasa, pelety, spalanie, cyrkulacyjna warstwa fluidalna, emisje zanieczyszczeń Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych procesu spalania peletów z biomasy agro ( pszeniczna i energetyczna) oraz biomasy leśnej ( zwyczajna) w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej. Badania przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym o mocy 12 kw w Instytucie Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej. Przeanalizowano czasy i temperatury zapłonu, temperatury powierzchni i środka peletów, czasy całkowitego spalania oraz emisje zanieczyszczeń gazowych (NO, N 2 O, NO 2, SO 2, CO, HCl, HF i HCN) podczas spalania paliw biomasowych w odniesieniu do węgla kamiennego. 1. WPROWADZENIE w realizacji celu 27% udziału OZE w produkcji energii finalnej w 23 roku dla całej UE. Ponadto ustawa Zgodnie z projektem Polityki energetycznej Polski o odnawialnych źródłach energii z dnia 2 lutego do 25 roku [1], głównym czynnikiem stymulującym rozwój sektora OZE w Polsce będzie wypełnie- 215 [2] wdraża dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 29/28/WE z dnia 23 kwietnia 29 r. nie zobowiązań w zakresie OZE wynikających z pakietu klimatyczno-energetycznego i partycypacji w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Tablica 1. Analiza elementarna oraz zawartość popiołu i wartość opałowa biomasy agro i biomasy leśnej (dla suchej masy) [3] Rodzaj biomasy Popiół A, % Węgiel C, % sm Wodór H, % sm Azot, N, % sm Siarka S, % sm Chlor, Cl, % sm Tlen O, % sm Wartość opałowa, MJ/kg sm Słomy Słoma pszeniczna 5,74 45,8 6,5,53,8,17 42,35 15,82 Słoma żytnia 4,89 45,95 6,38,63,8,31 41,76 16,8 Słoma jęczmienna 4,95 46,73 5,96,58,1,52 41,16 16,83 Słoma rzepakowa 7,32 45,82 6,21,82,23,39 39,21 15,67 Ziarna zbóż Ziarno owsa 2,65 44,93 6,71 2,32,17,3 43,19 15,58 Ziarno pszenicy 2,77 42,8 6,91 2,39,12,4 44,97 15,47 Ziarno żyta 2,15 45,8 6,8 1,92,1,14 43,81 15,62 Wytłoki z roślin oleistych Wytłoki rzepaku 6,15 53,92 6,84 2,13,48,4 3,44 18,64 Łuski słonecznika 2,61 51,66 6,2 3,23,11,5 36,14 18,1 Rośliny z upraw energetycznych Wierzba wiciowa 2,64 5,33 6,39,79,3,9 39,73 17,22 Miskant olbrzymi 4,23 49,88 5,92,36,8, ,49 Ślazowiec pensylw. 4,37 49,11 6,61,2,3,2 39,67 16,51 Biomasa leśna Odpady drzewne 2,34 5,66 5,89,14,9,4 4,83 2,11 Liście mieszane 6,4 47,41 5,91,12,32,16 39,68 17,44 Kora mieszana 8,68 48,3 5,59,44,1,3 37,14 17,16 W tablicy 1 przedstawiono przykładowe właściwości biomasy pochodzenia rolniczego (tzw. agro) oraz biomasy leśnej. Można zauważyć, iż zawartość popiołu w biomasie agro wahała się w granicach od 2,15% dla ziarna żyta do 6,15% dla wytłoków rzepaku. W przypadku biomasy leśnej najwyższą zawartość popiołu (8,68%) odnotowano dla kory mieszanej. Łuski słonecznika posiadały najwyższą zawartość azotu (3,23%), natomiast najniższą (,12-,14%) biomasa leśna (liście mieszane i odpady drzewne). Zawartość siarki w biomasie agro wynosiła od,3% dla wierzby energetycznej i ślazowca pensylwańskie-

2 Nr 3(124) Rynek Energii Str. 91 go do,48% dla wytłoków z rzepaku. Natomiast w biomasie leśnej zawartość siarki była najwyższa dla liści mieszanych (,32%), a najniższa dla odpadów drzewnych (,9%) i kory mieszanej (,1%). Duże znaczenie, biorąc pod uwagę korozję wysokotemperaturową, odgrywa zawartość chloru w biomasie i była ona najwyższa dla słomy jęczmiennej (,52%), słomy rzepakowej (,39%) i słomy żytniej (,31%). Najniższą zawartością chloru cechowały się rośliny z upraw energetycznych, wytłoki z roślin oleistych oraz odpady drzewne. Biomasa agro charakteryzowała się wartością opałową od 15,47 MJ/kg sm do 18,64 MJ/kg sm dla wytłoków z rzepaku. Natomiast najwyższą wartością opałową (około 2 MJ/kg Sm ) cechowały się odpady drzewne. W celu ułatwienia energetycznego użytkowania biomasy poddaje się ją obróbce do formy tzw. biopaliw stałych, wśród których można wyróżnić brykiety i pelety [4,5]. Biomasa może być uszlachetniana w procesie zagęszczania mechanicznego lub toryfikacji [6,7]. Pelety i brykiety są wytwarzane z suchej, rozdrobnionej biomasy stałej przez sprasowanie pod wysokim ciśnieniem z ewentualnym dodatkiem substancji wiążącej (lepiszcza) [4]. Natomiast toryfikacja polega na ogrzewaniu biomasy w temperaturze 2 3 C bez dostępu tlenu w celu przetworzenia jej w paliwo stałe o właściwościach zbliżonych do węgla [6]. Na rysunku 1 przedstawiono gęstość nasypową brykietów, peletów oraz peletów z toryfikacji biomasy. Gęstość nasypowa, kg/m baloty brykiety pelety toryfikowane pelety Rys. 1. Gęstość nasypowa produktów z wybranych technologii zagęszczania biomasy Na rysunku 2 pokazano prawdopodobieństwo wystąpienia aglomeracji, korozji i zanieczyszczeń na powierzchniach ogrzewalnych kotła podczas spalania 65 8 różnych paliw stałych w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej wg Amec Foster Wheeler [8]. Można zauważyć, iż podczas spalania węgla, torfu lub drewna istnieje małe prawdopodobieństwo wystąpienia aglomeracji warstwy fluidalnej, zanieczyszczeń lub korozji. Natomiast w przypadku spalania słomy pszenicznej istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo wystąpienia aglomeracji warstwy fluidalnej oraz korozji. Największe prawdopodobieństwo wystąpienia zanieczyszczeń na powierzchniach ogrzewalnych kotła istnieje podczas spalania łusek słonecznika oraz wytłoków z rzepaku. Wskaźnik prawdopdobieństwa Aglomeracja Zanieczyszczenie Korozja węgiel torf drewno biomasa leśna łuski słonecznika pszeniczna wytłoki rzepaku Rys. 2. Prawdopodobieństwo wystąpienia aglomeracji, korozji i zanieczyszczeń podczas spalania różnych paliw stałych w kotłach CWF [8] BARDZO WYSOKI Według danych Urzędu Regulacji Energetyki [9] w Polsce na dzień 3 czerwca 215 roku pracowało 36 kotłów dedykowanych do spalania biomasy o łącznej mocy 18,244 MW oraz 44 kotły realizujące technologie współspalania biomasy. W tablicy 2 zestawiono kotły z cyrkulacyjną i pęcherzową warstwą fluidalną dedykowane do spalania biomasy w naszym kraju. W 212 roku zostały uruchomione trzy kotły CWF, w tym największy na świecie blok o mocy elektrycznej 25 MW e w Elektrowni Połaniec. Natomiast kotły z pęcherzową warstwą fluidalną firmy METSO powstały w wyniku konwersji kotłów węglowych na kotły biomasowe (m.in. w EC Białystok, ZW Tychy, EC Czechnica oraz EC Saturn) [11,12]. Kotły fluidyzacyjne, ze względu na elastyczność paliwową i wysoką sprawność, znakomicie nadają się do spalania różnego rodzaju biomasy, zarówno w mniejszych jednostkach w elektrociepłowniach, jak i w dużych, w energetyce zawodowej. WYSOKI ŚREDNI NISKI

3 Str. 92 Rynek Energii Nr 3(124) Nazwa Elektrownia Połaniec GDF SUES Energia Polska S.A. Elektrownia Konin ZE PAK S.A. Elektrownia Jaworzno II TAURON Wytwarzanie S.A. Dalkia Łódź S.A. Veolia Poland Elektrownia Szczecin PGE Dolna Odra Zakład Wytwarzania Tychy TAURON Wytwarzanie S.A. Elektrociepłownia Białystok ENEA Wytwarzanie S.A Elektrociepłownia Czechnica Kogeneracja S.A. Wrocław Elektrociepłownia Saturn Mondi Świecie S.A. Tablica 2. Kotły z cyrkulacyjną (CWF) i pęcherzową () warstwą fluidalną dedykowane do spalania biomasy w Polsce [8, 1-12] Rok uruchomienia Typ kotła wydajność CWF 57 t/h CWF 215 t/h CWF 21 t/h 175 t/h 23 t/h 135 t/h 15 t/h 1 t/h 115 t/h Dostawca kotła Foster Wheeler Foster Wheeler Rafako S.A. Moc 25 MW e 447 MW t 55 MW e 154 MW t 5 MW e 139,7 MW t Rodzaj biomasy 8% leśna, 2% agro 8% leśna, 2% agro 8% leśna, 2% agro 125 MW t leśna, agro 7 MW e 183 MW t leśna, agro 4 MW e 7 MW t leśna, agro 75 MW t leśna, agro 76,5 MW t leśna, agro 82 MW t odpady leśne, kora 2. BADANIA EKSPERYMETALNE 2.1. Stanowisko badawcze Badania procesu spalania peletów z biomasy agro i leśnej oraz węgla kamiennego przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym o mocy 12 kw w Instytucie Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej. Stanowisko z cyrkulacyjną warstwą fluidalną, przedstawione na rysunku 3, składało się z kolumny fluidyzacyjnej (1), cyklonu (2), rury opadowej (3) oraz układu nawrotu (4). Rys. 3. Schemat stanowiska z cyrkulacyjną warstwą fluidalną do spalania paliw stałych; 1-kolumna fluidyzacyjna, 2-cyklon, 3-rura opadowa, 4-układ nawrotu, 5-próbka biomasy, 6-izolacja, 7-rura spustowa, 8-nagrzewnica, 9-karta pomiarowa, 1-komputer, 11-układ regulacji temperatury, 12-butle z gazami technicznymi, 13-sprężarka, 14-reduktory ciśnienia, 15-rotametry, 16-zawory regulacyjne, 17-mieszalnik gazów, 18-analizator gazu, 19-wyciąg spalin Głównym elementem stanowiska była płaska kolumna fluidyzacyjna (1) o wymiarach mm. Przednia ściana kolumny wykonana została ze szkła kwarcowego, umożliwiającego wizualizację procesu spalania biomasy. Kolumna obudowana została segmentami grzałek, następnie obłożona izolacją termiczną (6) i osłoną metalową. Czynnikiem fluidyzującym było powietrze, którego prędkość wynosiła 5 m/s. Powietrze doprowadzane było ze sprężarki (13), a pomiar strumienia objętości powietrza prowadzony był przy użyciu rotametru laboratoryjnego (15). Przed komorą spalania umieszczono nagrzewnicę gazów (8) w celu zapewnienia odpowiedniej temperatury w komorze spalania. System regulacji temperatury (11) stanowił układ oparty na czterech mikroprocesorowych regulatorach firmy LUMEL, regulujących temperaturę niezależnie w komorze spalania i w nagrzewnicy. Pomiar temperatury w komorze spalania dokonywany był na trzech poziomach (T1- T3) za pomocą termopar Pt-Rh1-Pt, natomiast w nagrzewnicy gazów za pomocą termopar NiCr- NiAl. Do wizualizacji procesu spalania paliw zastosowano kamerę cyfrową z możliwością nagrywania filmów, w jakości HD. W celu wyznaczenia kinetyki spalania paliwa, do komory paleniskowej wprowadzano pojedynczy pelet (5), który umieszczony był w specjalnie skonstruowanym układzie pomiarowym. Temperaturę powierzchni i środka peletu mierzono termoparami PtRh1-Pt z dokładnością do 2 C i rejestrowano w komputerze (1). Równocześnie z pomiarem tem-

4 Nr 3(124) Rynek Energii Str. 93 peratury próbki, mierzono czas zapłonu, czas spalania części lotnych oraz całkowity czas spalania peletu. Parametr Natomiast do analizy emisji zanieczyszczeń, pelety spalano bezpośrednio w warstwie fluidalnej w temperaturze 85 C. Do pomiarów emisji zanieczyszczeń (NO, N 2 O, NO 2, SO 2, CO, HCl, HF i HCN) zastosowano analizator gazów DX-4 firmy Gasmet, w którym pomiar oparty był na metodzie FTIR (transformata Fouriera w podczerwieni). Natomiast pomiar stężenia tlenu realizowany był analizatorem AMS OXITRACE z czujnikiem cyrkonowym. Oba urządzenia umożliwiały ciągłą rejestrację zmian koncentracji gazów w spalinach, ze zdefiniowaną częstotliwością próbkowania 1 Hz Charakterystyka badanych paliw Do badań użyto biomasy agro ( pszeniczna i energetyczna Salix Viminalis) oraz biomasy leśnej ( zwyczajna), a także dla porównania węgla kamiennego. W tablicy 3 przedstawiono analizę techniczną i elementarną dla badanych paliw. Tablica 3. Analiza techniczna i elementarna badanych paliw stałych Biomasa agro Biomasa leśna pszeniczna energetyczna zwyczajna ANALIZA TECHNICZNA (w stanie analitycznym) Węgiel Zawartość wilgoci całkowitej, W a, %wag. 8,4 6,9 7, 8,7 Zawartość popiołu, A a, %wag. 6,1 1,4,6 18,9 Zawartość części lotnych, V a, %wag. 68,3 76,3 76,8 26,8 Stała część palna (obliczona), FC a, %wag. 17,2 15,4 15,6 45,6 Wartość opałowa, Q a, MJ/kg 15,57 16,82 17,63 21,69 ANALIZA ELEMENTARNA (w stanie suchym i bezpopiołowym) Zawartość pierwiastkowego węgla, C daf, % 5,2 49,59 5,9 73,3 Zawartość siarki całkowitej, S daf, %,8,3,1 2,3 Zawartość wodoru, H daf, % 5,8 5,99 5,7 4,3 Zawartość azotu, N daf, %,8,33,1 1,1 Zawartość tlenu (obliczona), O daf, % 43,12 44,6 43,29 19, Można zauważyć, iż badane paliwa biomasowe charakteryzowały się bardzo wysoką zawartością części lotnych oraz niższą wartością opałową w porównaniu do węgla kamiennego. W przypadku wierzby energetycznej i sosny zwyczajnej występowała bardzo niska zawartość popiołu, śladowa ilość siarki oraz niższa, w porównaniu do węgla, zawartość azotu, co niewątpliwie miało korzystny wpływ na emisję zanieczyszczeń. Natomiast pszeniczna charakteryzowała się największą zawartością popiołu, azotu i siarki spośród badanych paliw biomasowych. Tablica 4. Charakterystyczne temperatury topliwości popiołów z badanych paliw stałych w atmosferze utleniającej i redukującej Parametr Biomasa agro Biomasa leśna pszeniczna energetyczna zwyczajna Atmosfera utleniająca Węgiel Temperatura spiekania, t s Temperatura mięknienia, t A Temperatura topnienia, t B 141 > Temperatura płynięcia, t C 149 > Atmosfera redukująca Temperatura spiekania, t s Temperatura mięknienia, t A Temperatura topnienia, t B 139 > Temperatura płynięcia, t C 148 > W tablicy 4 zestawiono charakterystyczne temperatury topliwości popiołów z badanych paliw stałych w atmosferze utleniającej i redukującej, wyznaczone zgodnie z normą PN-G-4535:1982. Można zauwa-

5 Str. 94 Rynek Energii żyć, iż najniższą temperaturę spiekania odnotowano dla wierzby energetycznej. Natomiast najniższą temperaturę mięknienia popiołu zaobserwowano dla słomy pszenicznej, zarówno w atmosferze utleniającej jak i redukcyjnej. Najwyższymi wartościami temperatury mięknienia, topnienia i płynięcia popiołu charakteryzowała się energetyczna około trzykrotny wzrost gęstości paliwa. Najmniejsze różnice w gęstości odnotowano dla węgla, niemniej jednak wytwarzając pelety z miału węgla kamiennego można zwiększyć gęstość paliwa o około 3%. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Analiza procesu spalania Celem badań była analiza procesu spalania peletów z biomasy agro i leśnej w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej. Pojedynczy pelet, wprowadzony do komory paleniskowej, przechodził przez następujące etapy: gęstość w stanie zsypnym gęstość peletu 9 Gęstość, kg/m3 Nr 3(124) nagrzewanie i suszenie, zapłon części lotnych, spalanie części lotnych, spalanie karbonizatu pszeniczna energetyczna zwyczajna węgiel Rys. 4. Porównanie gęstości peletów z gęstością w stanie zsypnym dla badanych paliw stałych [14] Na rysunku 4 porównano gęstości peletów z gęstością paliw w stanie zsypnym. Przez gęstość w stanie zsypnym materiału sypkiego należy rozumieć masę jednostkowej objętości tego materiału w stanie swobodnie usypanym [13]. Można zauważyć, iż w przypadku słomy pszenicznej gęstość otrzymanych peletów była aż pięciokrotnie większa niż paliwa w stanie zsypnym. Podczas peletyzacji biomasy agro uzyskiwano W celu szczegółowej analizy poszczególnych etapów wykonano wizualizację procesu spalania peletów z badanych paliw w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej (rys. 5). Etap nagrzewania i suszenia był widoczny jedynie w przypadku peletu z węgla kamiennego. Natomiast pelety z biomasy, po wprowadzeniu do warstwy fluidalnej, bardzo szybko się nagrzewały i następował zapłon części lotnych. Spalanie części lotnych charakteryzowało się wyraźnym, długim płomieniem, co związane było z bardzo dużą zawartością części lotnych w paliwach biomasowych. Czas spalania, s węgiel Rys. 5. Wizualizacja procesu spalania peletów z badanych paliw w CWF w temperaturze 85 C 8

6 Nr 3(124) Rynek Energii Str. 95 Parametr Tablica 5. Średnie wartości parametrów zmierzonych podczas spalania badanych paliw w CWF pszeniczna Biomasa agro energetyczna Biomasa leśna zwyczajna Węgiel Czas zapłonu, s < 1 < 1 < 1 2 Temperatura zapłonu, T z, C Temperatura maksymalna na powierzchni peletu, T max p, C Temperatura maksymalna w środku peletu, T max śr, C Czas spalania części lotnych, s Czas spalania karbonizatu, s Całkowity czas spalania, s W tablicy 5 zestawiono średnie wartości parametrów zmierzonych podczas spalania peletów z paliw biomasowych i węgla kamiennego w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej w temperaturze 85 C. Można zauważyć, iż najniższe temperatury zapłonu (26 28 C) odnotowano dla peletów z biomasy agro. Średnia temperatura zapłonu dla peletów z biomasy leśnej wynosiła 35 C oraz 37 C dla węgla kamiennego. Czasy zapłonu dla peletów z biomasy agro i leśnej wynosiły poniżej 1 sekundy, co związane było z wysoką reaktywnością paliw biomasowych oraz niską zawartością wilgoci w peletach. Na rysunku 6 porównano średnie czasy spalania części lotnych i całkowite czasy spalania peletów z badanych paliw stałych w cyrkulacyjnej warstwie 6 a) czas spalania części lotnych fluidalnej. Można zauważyć, iż pomimo najniższej zawartości części lotnych w węglu m (tablica 3) odnotowano najdłuższy czas spalania części lotnych, co wynikało z największej gęstości peletów z tego paliwa (rys.4). W przypadku paliw biomasowych spalanie części lotnych stanowiło 25% czasu całkowitego spalania, natomiast w przypadku węgla kamiennego niecałe 9%. Analizując całkowity czas spalania badanych paliw można stwierdzić, iż paliwa biomasowe w porównaniu do węgla kamiennego spalały się siedmiokrotnie krócej w przypadku słomy pszenicznej, sześciokrotnie krócej w przypadku wierzby energetycznej i pięciokrotnie krócej w przypadku sosny zwyczajnej. 6 b) całkowity czas spalania Czas spalania części lotnych, s Całkowity czas spalania, s pszeniczna energetyczna zwyczajna węgiel pszeniczna energetyczna zwyczajna węgiel Rys. 6. Porównanie czasu spalania części lotnych (a) i całkowitego czasu spalania (b) peletów z różnych paliw stałych w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej w temperaturze 85 C Na rysunku 7 pokazano przykładowe przebiegi zmian temperatury na powierzchni i w środku peletów ze słomy pszenicznej oraz węgla kamiennego. Można zaobserwować wyższe temperatury powierzchni podczas spalania peletu ze słomy pszenicznej, natomiast podczas spalania peletu z węgla kamiennego odnotowano wyższe maksymalne temperatury środka podczas spalania karbonizatu. Maksymalna temperatura na powierzchni wynosiła około 115 C dla peletu ze słomy pszenicznej i 17 C dla węgla kamiennego.

7 Str. 96 Rynek Energii Nr 3(124) Natomiast przykładowe przebiegi temperatury na powierzchni i w środku peletów z biomasy agro i leśnej pokazano na rysunku 8. W przypadku peletów z biomasy można zaobserwować bardzo zbliżone przebiegi temperatury. Ponadto z wykresów temperatury można odczytać całkowity czas spalania peletów z biomasy i był on najdłuższy w przypadku biomasy leśnej. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, iż dla badanych paliw stałych nie zostały przekroczone temperatury mięknienia, topnienia i płynięcia popiołu (tablica 4) podczas spalania w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej. Temperatura, C Temperatura, C Rys. 7. Przykładowe przebiegi zmian temperatury na powierzchni i w środku peletów z biomasy i węgla kamiennego podczas spalania w CWF w temperaturze 85 C Rys. 8. Przykładowe przebiegi zmian temperatury na powierzchni i w środku peletów z biomasy podczas spalania w CWF w temperaturze 85 C 3.2. Analiza emisji zanieczyszczeń węgiel - temperatura powierzchni węgiel - temperatura środka - temperatura powierzchni - temperatura środka - temperatura powierzchni - temperatura środka - temperatura powierzchni - temperatura środka - temperatura powierzchni - temperatura środka Na rysunku 9 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów emisji tlenku azotu podczas spalania badanych paliw w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej w temperaturze 85 C. NO, ppm węgiel Rys. 9. Wyniki pomiarów emisji NO podczas spalania paliw biomasowych i węgla kamiennego w CWF w temperaturze 85 C Można zauważyć, iż maksymalne chwilowe wartości NO występowały podczas spalania części lotnych i były dwukrotnie wyższe dla słomy pszenicznej niż dla węgla kamiennego. Natomiast całkowita emisja NO wynosiła około 37 ppm dla słomy pszenicznej, 34 ppm dla wierzby energetycznej, 21 ppm dla sosny zwyczajnej oraz 26 ppm dla węgla kamiennego. Można zatem wnioskować, iż całkowita emisja NO dla biomasy agro ( pszeniczna i energetyczna) była wyższa o około 3% w porównaniu do węgla kamiennego. Przykładowe wyniki pomiarów emisji podtlenku azotu podczas spalania badanych paliw pokazano na rysunku 1. W przypadku paliw biomasowych można zauważyć dwa charakterystyczne piki przypadające na spalanie części lotnych oraz początek spalania karbonizatu. Najwyższe chwilowe wartości N 2 O odnotowano dla słomy pszenicznej, a najniższe dla sosny zwyczajnej. Natomiast całkowita emisja N 2 O była najwyższa dla węgla kamiennego i wynosiła około 16 ppm, następnie 112 ppm dla słomy pszenicznej, 75 ppm dla wierzby energetycznej i najniższa 42 ppm dla sosny zwyczajnej. Można stwierdzić, iż podczas spalania węgla kamiennego powstaje więcej podtlenku azotu niż podczas spalania biomasy. Zarówno podczas spalania paliw biomasowych jak i węgla kamiennego nie odnotowano emisji NO 2. Powszechnie wiadomo, iż spalanie biomasy charakteryzuje się niską emisją SO 2 ze względu na małą zawartość siarki w tym paliwie. Przykładowe przebiegi zmian SO 2, podczas spalania biomasy i węgla kamiennego w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej w temperaturze 85 C, pokazano na rysunku 11. Inaczej niż w przypadku NO x, zaobserwować można emisję dwutlenku siarki przez całą długość procesu spalania, choć intensyfikacja emisji przypadała na czas spalania części lotnych. Można zauważyć, iż emisje SO 2 były

8 Nr 3(124) Rynek Energii Str. 97 najwyższe podczas spalania węgla kamiennego, co związane było z największą zawartością siarki w tym paliwie (tablica 3). Najwyższą chwilową wartość SO 2, na poziomie 7 ppm, odnotowano po około 4 s przebywania węgla kamiennego w warstwie fluidalnej. Natomiast w przypadku spalania paliw biomasowych maksymalne chwilowe emisje wahały się w granicach 1-18 ppm. Podobne wyniki otrzymano w pracy [15]. N 2 O, ppm SO 2, ppm Rys. 1. Wyniki pomiarów emisji N 2 O podczas spalania paliw biomasowych i węgla kamiennego w CWF w temperaturze 85 C węgiel węgiel Rys. 11. Wyniki pomiarów emisji SO 2 podczas spalania paliw biomasowych i węgla kamiennego w CWF w temperaturze 85 C Na rysunku 12 pokazano emisje tlenku węgla podczas spalania biomasy i węgla kamiennego w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej. Najwyższe chwilowe wartości emisji CO można było obserwować podczas spalania karbonizatu. W przypadku węgla kamiennego całkowita emisja tlenku węgla była niemalże dziesięciokrotnie wyższa niż w przypadku paliw biomasowych. Oprócz standardowych pomiarów emisji zanieczyszczeń, wykonano jeszcze pomiary dodatkowych substancji, takich jak: chlorowodór (HCl), fluorowodór (HF) i cyjanowodór (HCN). Na rysunku 13 pokazano przebieg zmian stężenia chlorowodoru w spalinach podczas spalania badanych paliw. Można zauważyć, iż najwyższe emisje HCl występowały podczas spalania węgla kamiennego, dla którego maksymalne chwilowe emisje wynosiły około 16 ppm, natomiast całkowita emisja około 5 ppm. W przypadku słomy pszenicznej całkowita emisja HCl była pięciokrotnie niższa niż dla węgla kamiennego i wynosiła około 1 ppm. Natomiast dla wierzby energetycznej i sosny zwyczajnej całkowita emisja HCl była dziesięciokrotnie niższa niż dla węgla kamiennego i wynosiła około 5 ppm. CO, ppm węgiel Rys. 12. Wyniki pomiarów emisji CO podczas spalania paliw biomasowych i węgla kamiennego w CWF w temperaturze 85 C HCl, ppm węgiel Rys. 13. Wyniki pomiarów emisji HCl podczas spalania paliw biomasowych i węgla kamiennego w CWF w temperaturze 85 C W tablicy 6 zestawiono średnie wartości (z trzech pomiarów) całkowitych i maksymalnych chwilowych emisji zanieczyszczeń zmierzonych podczas spalania biomasy agro ( pszeniczna i energetyczna), biomasy leśnej ( zwyczajna) oraz węgla kamiennego w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej. Najwyższe emisje NO x (47 ppm) odnotowano podczas spalania słomy pszenicznej, która charakteryzowała się najwyższą zawartością azotu spośród badanych paliw biomasowych, natomiast najniższe zaob-

9 Str. 98 Rynek Energii Nr 3(124) serwowano dla sosny zwyczajnej (27 ppm). Stwierdzono, iż w przypadku spalania paliw biomasowych spaliny zawierały około 82-88% tlenku azotu i 12-18% podtlenku azotu w stosunku do całej objętości NO x. Najwyższe chwilowe wartości NO i N 2 O obserwowano dla biomasy agro podczas spalania części lotnych, co prawdopodobnie związane było z obecnością płomienia i najwyższymi temperaturami na powierzchni paliwa. W przypadku węgla kamiennego całkowita emisja NO x wynosiła 4 ppm, z czego 63% stanowił NO oraz 37% N 2 O. Zarówno podczas spalania paliw biomasowych jak i węgla kamiennego nie odnotowano emisji NO 2. Najwyższe całkowite emisje SO 2, CO i HCl odnotowano podczas spalania węgla kamiennego, natomiast najniższe dla biomasy leśnej (sosny zwyczajnej). Zarówno podczas spalania węgla kamiennego jak i paliw biomasowych całkowita emisja fluorowodoru (HF) była niewielka i wynosiła 2-4 ppm. Całkowita emisja cyjanowodoru była najwyższa dla węgla kamiennego i wynosiła 12 ppm. W przypadku paliw biomasowych emisja HCN była trzy lub czterokrotnie niższa. Tablica 6. Zestawienie średnich wartości całkowitych i maksymalnych chwilowych emisji zanieczyszczeń zmierzonych podczas spalania paliw w CWF w temperaturze 85 C Słoma pszeniczna Biomasa agro Wierzba energetyczna Biomasa leśna Sosna zwyczajna Węgiel Całkowita emisja, ppm NO N 2 O SO CO HCl HF HCN Maksymalna chwilowa emisja, ppm NO N 2 O SO CO HCl Na rysunku 14 pokazano względną emisję zanieczyszczeń ze spalania paliw biomasowych w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej. Spalanie biomasy agro w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej w porównaniu do węgla kamiennego charakteryzuje się znacznie mniejszymi emisjami dwutlenku siarki, tlenku węgla, podtlenku azotu oraz chlorowodoru i cyjanowodoru. Z drugiej jednak strony powoduje wyższą emisję tlenku azotu o około 5% w przypadku słomy pszenicznej i 35% w przypadku wierzby energetycznej. Najniższe emisje zanieczyszczeń gazowych obserwowano podczas spalania biomasy leśnej (sosny zwyczajnej). Względna emisja, % SO2 2 CO N2O N 2 O NO HCl węgiel Rys. 14. Względna emisja zanieczyszczeń ze spalania biomasy agro i leśnej w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej w odniesieniu do węgla kamiennego 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych oraz przeglądu literatury można stwierdzić, iż biomasę agro z powodzeniem można stosować w kotłach z cyrkulacyjną warstwą fluidalną pod kilkoma warunkami. Ze względu na skład chemiczny biomasy rolniczej (wysoka zawartość chloru i pierwiastków alkalicznych) oraz niskie temperatury mięknięcia i topnienia popiołu, powinna być spalana w kotłach zaprojektowanych do spalania biomasy agro. Ze względu na znaczne różnice w jakości biomasy, należy przede wszystkim monitorować jakość dostarczanego do paleniska paliwa. Praca zrealizowana w ramach projektu finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-212/7/B/ST8/373 LITERATURA [1] Projekt Polityki energetycznej Polski do 25 roku, [Dostęp: ]. [2] Ustawa z dnia 2 lutego 215 r. o odnawialnych źródłach energii, Dz.U. 215 poz. 478.

10 Nr 3(124) Rynek Energii Str. 99 [3] Król D.: Biomasa i paliwa formowane z odpadów w niskoemisyjnych technologiach spalania. Monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 213. [4] Jakubiak M., Kordylewski W.: Pelety podstawowym paliwem dla energetyki. Archiwum Spalania, vol.8, nr 3-4, 28. [5] Kijo-Kleczkowska A., Środa K., Kosowska-Golachowska M., Musiał T., Wolski K.: Combustion of pelleted sewage sludge with reference to coal and biomass. Fuel 17, pp , 216. [6] Jakubiak M., Kordylewski W.: Toryfikacja biomasy. Archiwum Spalania, vol.1, nr 1-2, 21. [7] Zuwała J., Kopczyński M., Robak J.: Ocena efektywności techniczno-ekonomicznej sprzężonego układu toryfikacja peletyzacja współspalanie biomasy. Polityka Energetyczna, tom 17, z.4, s , 214. [8] Ćwieląg J.: Kotły Foster Wheeler a do spalania biomasy - aktualny stan i perspektywy rozwojowe, Forum Technologii w Energetyce - Spalanie Biomasy, Bełchatów, 211. [9] Urząd Regulacji Energetyki: [Dostęp: 9.215]. [1] Walas J.: Doświadczenia TAURON Wytwarzanie S.A. - Oddział Elektrownia Jaworzno III w Jaworznie ze spalania oraz współspalania biomasy w Elektrowni II. Forum Technologii w Energetyce Spalanie Biomasy, Bełchatów 214. [11] Szerszeń R.: Konwersje kotłów opalanych biomasą na OZE. Forum Technologii w Energetyce Spalanie Biomasy, Bełchatów 211. [12] Warchoł B.: Spalanie 1% biomasy - doświadczenia eksploatacyjne EC SATURN położonej na terenie Mondi Świecie S.A., 211. [13] Borowski G.: Określenie właściwości fizyczno-mechanicznych materiałów drobnoziarnistych w celu ich zagospodarowania. Postępy Nauki i Techniki nr 3, s.67-82, 29. [14] Kosowska-Golachowska M., Wolski K., Sieradzka M., Skrzypczyk D., Musiał T.: Analiza właściwości fizyko-chemicznych brykietów z biomasy agro. Aktualne zagadnienia energetyki. T.2. (Praca zbior. pod red. Kazimierza Wójsa, Piotra Szulca). Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 214. [15] Górecka-Zbrońska A., Kijo-Kleczkowska A.: Aspekty ekologiczne współspalania paliw w postaci brykietów. Rynek Energii nr 6(115), s , 214. COMBUSTION OF AGRO AND WOOD BIOMASS IN A CIRCULATING FLUIDIZED-BED Key words: biomass, pellet, combustion, circulating fluidized-bed, emissions of pollutants Summary. In this paper the advantages and disadvantages of biomass combustion in fluidized-bed boilers were discussed. Results of experimental research of combustion process of agro biomass pellets (wheat straw and willow) and wood biomass pellets (Scots pine) in a circulating fluidized bed were presented. Biomass combustion tests were conducted in a 12-kW bench-scale CFB combustor. The main objective of this study was to investigate the combustion behaviour of biomass fuels in terms of particle temperature profiles, ignition time, devolatilization time, the total combustion time and emissions of pollutants (NO, N 2 O, NO 2, SO 2, CO, HCl, HF and HCN). Monika Kosowska-Golachowska, dr inż., adiunkt, pracownik Instytutu Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej; kosowska@imc.pcz.czest.pl; Zainteresowania naukowe: spalanie paliw kopalnych i alternatywnych. Krzysztof Wolski, mgr inż., doktorant w Instytucie Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej; wolski@imc.pcz.czest.pl; Zainteresowania naukowe: spalanie biomasy. Władysław Gajewski, prof. dr hab. inż., profesor zwyczajny, Przewodniczący Komitetu Termodynamiki i Spalania PAN, wladysław.gajewski@gmail.com; Zainteresowania naukowe: paleniska fluidyzacyjne. Agnieszka Kijo-Kleczkowska, dr hab. inż., profesor nadzwyczajny, pracownik Instytutu Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej; kijo@imc.pcz.czest.pl; Zainteresowania naukowe: spalanie paliw kopalnych i alternatywnych. Tomasz Musiał, mgr inż., doktorant w Instytucie Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej; musial@imc.pcz.czest.pl; Zainteresowania naukowe: spalanie paliw kopalnych i alternatywnych. Katarzyna Środa, mgr inż., doktorantka w Instytucie Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej; sroda@imc.pcz.czest.pl; Zainteresowania naukowe: spalanie paliw alternatywnych.