Skojarzone spalanie biomasy Po zgazowaniu do kotła! prof. dr hab. Włodzimierz Kotowski

Transkrypt

1 Skojarzone spalanie biomasy Po zgazowaniu do kotła! prof. dr hab. Włodzimierz Kotowski Skojarzone spalanie biomasy (via zgazowanie) w kotłach opalanych węglem zwiększa potencjalne wykorzystanie pierwszego komponentu. Innowacyjna technologia znana pod nazwą BioCoComb została zastosowana w opalanej węglem elektrowni Zeltweg w Austrii, i daje dobre wyniki eksploatacyjno-ekonomiczne. * Firma Verbund, największy austriacki dostawca energii elektrycznej, opracowała technologię, znaną jako BioCoComb, dla równoczesnego spalania węgla i biomasy w opalanej węglem elektrowni w Zeltweg (Austria). Najbardziej oryginalnym elementem technologii BioCoComb jest reaktor zgazowania biomasy o mocy 10 MW (moc cieplna). Konwertuje on biomasę poprzez jej zgazowanie z cyrkulującym piaskiem jako złożem fluidalnym (Circulating Fluidized Bed = CFB). Produkowany gaz, który zawiera także drobne cząsteczki węgla drzewnego, jest spalany następnie w komorze paleniskowej kotła opalanego węglem. Inaczej niż ma to miejsce w przypadku innych gazów ze zgazowania, produkowany gaz o niskiej wartości opałowej (gaz LCV) jest paliwem wystarczająco dobrym dla jego równoczesnego spalania z paliwem podstawowym. Oznacza to, że biomasy nie trzeba wstępnie suszyć. Proces wspólnego spalania zapewnia także obniżenie zawartości NO x w spalinach poprzez wykorzystanie gazu LCV jako paliwa dopalającego w kotle. Elektrociepłownia demonstracyjna powstała przy współpracy sześciu partnerów europejskich: Verbund, Enel, Electrabel, ESB (Electricity Supply Board = Zarząd Sieci Energetycznych), EVS (Energieversorgung Schwaben) i Austrian Energy. Jej schemat ilustruje rys. 1. Problemy Większość kotłów opalanych węglem spala go w rozpylonej postaci. Biomasy nie można wykorzystywać w takich kotłach bez obróbki wstępnej gdyż młyny węglowe nie są w stanie zmielić dużych kawałków, występujących w biomasie, takich jak kora, wióry drzewne i inne odpady leśne. Ujawnia się także pewna liczba innych cech otrzymywanej mieszaniny węgla i biomasy, które trzeba uwzględnić zanim paliwa te będą mogły zostać spalone w tym samym kotle: Czas przebywania paliwa w komorze paleniskowej: w dużych jednostkach paliwo musi ulegać spalaniu szybko (w ciągu 2 do 3 sekund) przy minimalnej emisji. Biomasa (jako kawałki 1

2 i trociny lub wióry) wymaga znacznie dłuższego czasu spalania, który dodatkowo jest różny w zależności od wielkości cząstek i zawartości wody. Charakter fizyczny biomasy także utrudnia jej spokojne spalanie. Tworzenie się żużla popiołów z biomasy, o niskiej temperaturze mięknienia: temperatury w palenisku konwencjonalnego kotła opalanego węglem mieszczą się w zakresie od 1000 do 1250 st. C. Jednak temperatura mięknienia lub topnienia popiołu z wielu rodzajów biomasy jest znacznie niższa, co może powodować osadzanie się żużla na powierzchniach wymiany ciepła. Korozja wysokotemperaturowa wynikająca z równoczesnego spalania biomasy o wysokiej zawartości chloru: równoczesne spalanie wsadu o wysokiej zawartości słomy powoduje wysokotemperaturową korozję wymienników ciepła o wysokich temperaturach powierzchni, to jest > 400 st. C. Niszczenie katalizatorów przez substancje alkaliczne: wiele elektrowni stosuje katalizatory dla usuwania związków azotu ze spalin. Alkalia powstające w trakcie spalania biomasy mogą deaktywować katalizator. Jakość popiołu: popiół z elektrowni opalanych węglem kamiennym jest często wykorzystywany w przemyśle budowlanym. Wpływy składników popiołu powstałego ze spalania biomasy, występujących w śladowych ilościach, muszą być sprawdzane dla każdego zastosowania. Zmiany w pracy (zachowaniu się) kotła powodowane przez wyższy przepływ gazów: jest to spowodowane wyższą zawartością wody w biomasie, w porównaniu z zawartością wody w węglu. Istniejące kotły są zaprojektowane dla pewnej jakości i ilości paliwa, i w konsekwencji - dla pewnego natężenia przepływu spalin. Zmiany w przepływie gazów, które przekraczają pewne dopuszczalne granice, będą wymagały adaptacji wymienników ciepła, rekuperatorów albo wentylatorów. Ogranicza to maksymalny udział biomasy przy równoczesnym jej spalaniu w istniejących instalacjach. Elektrociepłownia w Zeltweg Moc zainstalowana elektrowni w Zeltweg wynosi 344 MW (moc cieplna) i 137 MW (moc elektryczna). Instalację wybudowano w 1962 roku, a w roku 1982 jej układ opalania zmieniono na układ opalania po stycznej dla spalania węgla kamiennego. Główne dane dotyczące pary wodnej (wysokie ciśnienie/przegrzew międzystopniowy) to 185 bar/44 bar przy 535 st. C. Układy oczyszczania spalin, służące do usuwania pyłu, NO x i SO 2, zostały także wymienione. Obecnie dla usuwania NO x stosuje się system SNCR (Selective Non Catalytic Reduction = 2

3 selektywna redukcja niekatalityczna) z wtryskiem amoniaku. Wykorzystanie technologii złoża fluidalnego z cyrkulacją (Circulating Fluidized Bed = CFB) utrzymuje SO 2 na minimalnym poziomie, gdyż do węgla dodaje się pył węglanu wapnia, który przereagowuje do gipsu. Tabela 1. Charakterystyka elektrociepłowni Węgiel Biopaliwo Wprowadzane ciepło (MW) paliw 330 (97%) 10 (3%) Pochodzenie Węgiel z Polski Wióry, kora, trociny Moc wytwarzana (elektryczna) (MW) 137 Zużycie paliwa (t/h) 47 3% wsadu ciepła Wartość opałowa węgla (MJ/kg) 27 Wartość opałowa gazu (MJ/m 3 ) 2,5 5 Zużycie wewnętrzne (kw/mw ciepła) 7 14 Nie skonwertowany węgiel do kotła (% mol) 10 Wielkość cząsteczek węgla drzewnego do kotła 200 (µm) Zużycie powietrza, 270 C (m 3 /h) Tabela 2. Skład paliwa: drewno świerkowe (% mas.) Węgiel 19,65 Wodór 2,40 Tlen 16,55 Azot 0,2 Siarka 0,00 Zawartość popiołu 1,20 Wilgoć, H 2 O 60,00 Suma 100,00 Dolna wartość opałowa (kj/kg mokrego wsadu) Górna wartość opałowa (kj/kg mokrego wsadu) 6 066, ,00 Konwersja węgla (% mas.) 91 Instalacja jest zlokalizowana w regionie wiejskim, w Styrii, o dobrze zorganizowanym przemyśle leśnym. Jest to idealne miejsce dla przedsięwzięcia związanego z utylizacją biomasy. Firma Verbund ukończyła prace projektowe w 1993 roku i zorganizowała partnerów, którzy uczestniczyli w finansowaniu i zrealizowaniu tej inwestycji. To przedsiębiorstwo odpowiadało za koordynację przedsięwzięcia, prace ogólne, eksploatację jednostki i wykonywanie wszelkich analiz dotyczących instalacji. Electrabel wykonał analizę technologii dla procesu zgazowania i porównanie z wynikami ze stanowiska do prób. Enel przeprowadziła charakterystykę pracy reaktora, dokonując pomiarów wlotu paliwa, wylotu gazów i odpadów stałych. Prace prowadzono na instalacji pilotowej pobierano próbki i wykonywano analizy. Poza tym przeprowadzono termodynamiczne testy działania reaktora 3

4 zgazowania i, poprzez modelowanie, zdefiniowała optymalny punkt wtrysku gazu z biomasy pod kątem obniżenia emisji NO x. Firma Austrian Energy zaprojektowała, zbudowała i uruchomiła reaktor CFB. ESB odpowiadał z kolei za opracowanie inżynieryjne sprzętu pomiarowego i sterującego. Firma ESV wykorzystała wyniki z testów przeprowadzonych przez pozostałych partnerów do przeanalizowania długoterminowego wpływu równoczesnego spalania na usuwanie NO x przy pomocy selektywnej redukcji katalitycznej (Selective Catalytic Reduction = SCR). Pomoc naukową zapewniła politechnika w Grazu. Całkowity budżet przedsięwzięcia wyniósł 5,61 mln USD. Poza finansowaniem przez firmypartnerów, 42% kosztów pokryły fundusze krajowe i międzynarodowe, włączając 1,34 miliona ECU z Programu Cieplnego Unii Europejskiej. BioCoComb Innowacyjność technologii BioCoComb polega na tym, jak pracuje reaktor z cyrkulującym złożem fluidalnym biomasy i jak połączono go z kotłem opalanym węglem. Nazwa BioCo- Comb jest akronimem, pochodzącym od przygotowania Biopaliwa do Co-Combustion, czyli do równoczesnego (wspólnego) spalania. Przygotowanie oznacza tutaj spełnienie minimum wymagań dla zgazowania biomasy równocześnie ze spalaniem rozpylonego węgla. Energia z biomasy jest transportowana z reaktora zgazowania do kotła węglowego w trzech postaciach: jako ciepło jawne (odczuwalne), jako gaz LCV i jako drobne, palne cząsteczki węgla. Poza obniżeniem emisji CO 2 w wyniku spalania mniejszych ilości węgla, koncepcja ta zmniejsza także emisję NO x poprzez wykorzystanie gazu LCV jako paliwa dopalającego. Choć głównym paliwem jest kora, dla zapewnienia elastyczności reaktor zgazowania oraz jego urządzenia pomocnicze są w stanie radzić sobie z szerokim zakresem biomasy, takim jak stare drewno, trociny i wióry. Przedsięwzięcie posiada elementy innowacyjne. Są to: Wykorzystanie reaktora zgazowania z cyrkulującym złożem fluidalnym dla przygotowania biomasy tak, aby spełnione zostały minimalne wymagania dla równoczesnego spalania produktów jej zgazowania w kotle opalanym węglem. Reaktor jest wystarczająco elastyczny aby mógł przerabiać szeroki zakres biopaliw. Uniknięcie mielenia i wstępnego suszenia biomasy. Konieczne jest częściowe zgazowanie biomasy z maksymalnym transportem drobnych cząsteczek węgla wraz z gazem, zawierającym CO, H 2 i węglowodory obok azotu i pary wodnej. 4

5 Częściowe zgazowanie wymaga krótszych czasów przebywania, co prowadzi do mniejszych rozmiarów reaktora zgazowania. Gaz przepływa w wysokiej temperaturze z reaktora zgazowania biomasy do paleniska (nie ma chłodzenia gazu). Oznacza to, że nie ma kondensacji węglowodorów. Nie ma potrzeby stosowania aparatury oczyszczającej gorący gaz, gdyż cząsteczki pyłu węglowego są wystarczająco małe, aby ulegać całkowitemu spaleniu. Można wykorzystywać gaz dla dopalania na skalę większą, niż kiedykolwiek przedtem. Sprawność konwertowania biomasy do energii elektrycznej jest prawie tak wysoka jak w jednostkach opalanych węglem. Prosta koncepcja techniczna i niewielki reaktor zgazowania dają niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Szczegóły projektu Skoro reaktor zgazowania biomasy z cyrkulującym złożem fluidalnym pracuje z wentylatorem, to zaprojektowano go na niewielkie nadciśnienie, co wymaga gazoszczelnych elementów składowych. Podwójny zasilacz obrotowy z mechanizmem nurnikowym zapobiega ucieczce gazu na wejściu paliwa. Podajnik ten ogranicza wielkość cząstek paliwa do 30 x 30 x 100 mm. Specjalny separator wyłapuje cząsteczki o zbyt dużych rozmiarach, a rozdrabniacz tnie je na mniejsze kawałki i zawraca do kanału zasilającego. Reaktor zgazowania z cyrkulującym złożem fluidalnym ma konstrukcję stalową, z wykładziną z cegły i zaprawy ognioodpornej. Komora zgazowania jest pionową rurą bez elementów wewnętrznych oraz wymienników ciepła. Całe powietrze potrzebne do fluidyzacji i do zgazowania jest wprowadzane przez układ dysz rozmieszczonych w dnie. Powietrze pochodzi z rekuperatora i ma temperaturę 270 st. C. Jako materiał stanowiący złoże stosowany jest drobnoziarnisty piasek. Gorący gaz wchodzi do kotła poprzez specjalnie zaprojektowany króciec-palnik, który gwarantuje szybki zapłon, stabilny płomień, głęboką penetrację do wnętrza płomienia węglowego oraz dobre mieszanie. Przebieg spalania modelowała firma Enel przy pomocy programu CFD. Dla tych kalkulacji firma zdefiniowała optymalny punkt wtryskiwania gazu-produktu do paleniska węgla w kotle. Gaz, będący produktem z reaktora, jest wykorzystywany w kotle opalanym węglem jako paliwo dopalające dla obniżania emisji NO x poprzez konwersję NO x do azotu. Biomasa spala się do CO 2 tylko w niewielkim stopniu podnosząc temperaturę do 850 st. C, a głównie ulega zgazowaniu z powodu braku tlenu w górnej części reaktora. 5

6 Temperaturę reakcji zgazowania biomasy w reaktorze reguluje się zmianą przepływu powietrza. Cząsteczki biomasy utrzymują się w złożu fluidalnym do momentu, kiedy (w wyniku zgazowania i ścierania się) będą wystarczająco małe, aby mogły przejść przez gorący cyklon. Wszystkie drobne cząsteczki, głównie pył węgla drzewnego i popiół, opuszczają reaktor zgazowania wraz z gazem przez przewód gazu gorącego i są kierowane do paleniska kotła. Większe cząsteczki są zawracane i wchodzą do reaktora w pobliżu dysz doprowadzających powietrze, gdzie istnieje nadmiar tlenu. Chłodzony wodą przenośnik ślimakowy na dnie reaktora zgazowania umożliwia wyładunek piasku stanowiącego złoże i części niepalnych (mineralnych i metalicznych). Nie stwierdza się obecności popiołu w piasku odprowadzanym z dna gdyż jest on w gazie opuszczającym reaktor. Układy sterowania i opomiarowania dla całej instalacji zgazowania zostały opracowane przez ESB we współpracy z Verbund i Austrian Energy. Skomplikowany system pozwala na ręczne lub automatyczne sterowanie węzłów procesowych. Głównym wyzwaniem w takim okresie przełączania reaktora zgazowania biomasy jest ogromna zmiana w jednostkowym (właściwym) zapotrzebowaniu na powietrze. Przepływ biomasy i przepływ powietrza muszą być tak zmieniane aby utrzymać złoże w stanie stabilnym. Ponieważ logika sterowania jest przeciwna dla tych dwóch trybów pracy, należy szybko przechodzić ze sterowania przepływem powietrza na sterowanie przepływem paliwa. Eksploatacja Gorący odbiór instalacji demonstracyjnej nastąpił w listopadzie, a pierwsze zgazowanie osiągnięto 10 grudnia 1997 roku. Kompleksowy program pomiarów i testowania przeprowadzono w styczniu 1998 roku. Testy, pomiary i fazy monitorowania zostały zaplanowane na trzy lata. Głównym paliwem jest kora świerkowa o zawartości wody około 55%. Stosuje się także porąbane drewno i trociny modrzewiowe. Doświadczenia eksploatacyjne są obiecujące. Zapalanie się biomasy i przebieg procesu zgazowania w reaktorze przebiegają bezproblemowo. Krytyczne przełączanie ze zgazowania na spalanie i z powrotem przebiega bez zakłóceń, z niewielkim, ale możliwym do zaakceptowania wzrostem temperatury do około 900 st. C. Zakres mocy reaktora zgazowania zmieniano pomiędzy 5 a 13 MW (moc cieplna), zależnie od wilgotności paliwa. Jakość produkowanego gazu jest podobna do wartości obliczonych wcześniej (patrz Tabela 3). Wartość opałową gazu optymalizuje się zmieniając wloty i dystrybucję powietrza. Wypalanie węgla jest bardzo dobre, a w wyładowywanym piasku prawie nie znajduje się węgla. Tabela 3. Skład gazu po zgazowaniu biomasy;% mol 6

7 O 2 0,00 N 2 37,08 CO 2,76 CO 2 12,45 węglowodory 1,04 H 2 9,03 H 2 O 37,64 Suma 100,00 Dolna wartość opałowa (kj/kg mokrego wsadu) Górna wartość opałowa (kj/kg mokrego wsadu) 1 732, ,78 Dopalanie gazu z biomasy ma znaczny wpływ na pracę kotła. Użycie wystarczającej ilości biomasy dla zapewnienia 3% całkowitego dostarczanego ciepła daje w efekcie obniżenie zużycia amoniaku o 10 do 15%. Kontynuowane są prace badawcze nad lepszym poznaniem wpływu dopalania wytwarzanego gazu w strefie spalania z węglem w kotle wodno - parowym. Trwające pomiary poszerzą doświadczenie mogące doprowadzić do zwiększenia udziału biopaliwa do 15-20% całkowitego wprowadzanego paliwa. Oryginalna konstrukcja instalacji zgazowania biomasy w systemie fluidalnym z cyrkulacją piasku ilustruje rys. 2. Na rysunku 3 przedstawiono inne warianty technologiczne wykorzystania biomasy. Zaprezentowany proces równoczesnego, skojarzonego spalania biomasy (via jej zgazowanie) i węgla w lokalnej elektrociepłowni okazuje się na tyle ekonomicznie konkurencyjnym do innych wariantów technologicznych, że winien wzbudzić zainteresowanie w naszym kraju. 7