SPIEKALNOŚĆ POPIOŁÓW Z BIOMASY ROŚLINNEJ W ASPEKCIE WSKAŹNIKÓW JEJ OCENY

Transkrypt

1 SPIEKALNOŚĆ POPIOŁÓW Z BIOMASY ROŚLINNEJ W ASPEKCIE WSKAŹNIKÓW JEJ OCENY Artur Kraszkiewicz 1, Magdalena Kachel-Jakubowska 1, Ignacy Niedziółka 2 1 Katedra Eksploatacji Maszyn i Zarządzania Procesami Produkcyjnymi 2 Katedra Maszynoznawstwa Rolniczego Konferencja naukowa:

2 Konferencja naukowa: Wprowadzenie Przy spalaniu biopaliw stałych tak jak i podczas spalania węgli w przemysłowych kotłach energetycznych, zachodzą procesy fizykochemiczne, w wyniku których z substancji mineralnej powstają popioły o zróżnicowanych właściwościach. Różnią się one składem chemicznym, odpornością termiczną oraz skłonnością do tworzenia żużla oraz nalepów na powierzchniach grzewczych. Problem ten szczególnie zauważalny jest przy spalaniu odpadowej biomasy pochodzenia rolniczego.

3 Konferencja naukowa: Wprowadzenie Na temperaturę topnienia popiołu i skłonność do zanieczyszczania powierzchni grzewczych istotny wpływ ma jego skład chemiczny, przedstawiany jako procentowa zawartość tlenków: krzemu (SiO 2 ), glinu (Al 2 O 3 ), żelaza (Fe 2 O 3 ), manganu (Mn 3 O 4 ), tytanu (TiO 2 ), wapnia (CaO), magnezu (MgO), siarki (SO 3 ), fosforu (P 2 O 5 ), sodu (Na 2 O), potasu (K 2 O), baru (BaO), strontu (SrO) oraz chlorków (Cl) i węglanów (CO 2 ).

4 Konferencja naukowa: Wprowadzenie Do oceny możliwości żużlowania i zanieczyszczania powierzchni grzewczych kotłów pomocne są wskaźniki bazujące na składzie chemicznym popiołu. W tabeli 1 przedstawiono definicje i zakres najczęściej wykorzystywanych wskaźników żużlowania i zanieczyszczania powierzchni grzewczych kotłów.

5 Tabela 1. Wskaźniki żużlowania i zanieczyszczania powierzchni grzewczych kotłów Nazwa wskaźnika Wzór Zakres żużlowania i zanieczyszczania Źródło Wskaźnik stosunku tlenku żelaza do tlenku wapnia (IC) IC = Fe 2O 3 CaO IC < 0,3 i IC > 3,0 małe; 0,3 < IC < 3,0 duże Bryers, [1996]; Dyjakon, [2012] Wskaźnik stosunku tlenków upłynnienia do spiekania (SI) SI = CaO+MgO+Na 2O+K 2 O+Fe 2 O 3 +P 2 O 5 SiO 2 +Al 2 O 3 +TiO 2 SI < 0,75 i SI > 2,0 małe; 0,75 < SI < 2,0 duże i bardzo duże Dyjakon, [2012]; Kupka i in., [2008] Wskaźnik lepkości żużla (SR) SR = SiO 2 SiO 2 +Fe 2 O 3 +CaO+MgO 100 SR >72 małe; 72 > SR > 65 średnie; SR < 65 duże i bardzo duże Dyjakon, [2012]; Hamala i Róg, [2004]; Ots i Żelkowski, [2000] Wskaźnik podstawy żużlowania (B/A) B/A = Fe 2O 3 +CaO+MgO+K 2 O+Na 2 O SiO 2 +TiO 2 +Al 2 O 3 B/A < 0,5 małe; 0,5 < B/A < 1,0 średnie i duże; B/A > 1,0 bardzo duże Salour i in., [1993]; Dyjakon, [2012] Wskaźnik zanieczyszczania (Fu) Fu = B/A (Na 2 O+K 2 O) Fu < 0,6 małe; 0,6 < Fu < 40 średnio i duże; Fu > 40 bardzo duże Dyjakon, [2012]; Hamala i Róg, [2004]; Tortosa-Masiá i in., [2007] Wskaźnik aglomeracji złoża Fe BAI = 2 O 3 BAI > 0,15 małe; K (BAI) 2 O+Na 2 O BAI < 0,15 duże Wskaźnik żużlowania (Rs) d Rs = B/A S t Rs < 0,6 mała; 0,6 < Rs < 2,0 średnia; 2,0 < Rs < 2,6 duża; Rs > 2,6 bardzo duża Wskaźnik stosunku krzemionki SA = SiO 2 SA < 1,87 mała; 1,87 < SA < 2,65 średnia i duża; Al do tlenku glinu (SA) 2 O 3 SA > 2,65 bardzo duża Bapat i in., [1997]; Dyjakon, [2012] Hamala i Róg, [2004]; Tortosa- Masiá i in., [2007] Basu i in., [2000]; Dyjakon, [2012] Wskaźnik (liczba) alkaliczności (Al) Al =Na 2 O+K 2 O 0,17 < Al < 0,34 mała; Al > 0,34 duża Tortosa-Masiá i in., [2007]

6 Konferencja naukowa: nt. Cel badań Celem badań było oznaczenie ilości i składu chemicznego popiołu zawartego w biomasie słomy zbóż, jak również ocena ich żużlowania i zanieczyszczania powierzchni grzewczych kotłów energetycznych w aspekcie wskaźników stosowanych dla oznaczania tych parametrów dla węgli.

7 Metodyka badań W toku badań dla każdej próbki pozyskanej biomasy oznaczono: zawartość popiołu w stanie suchym A d metodą PN-EN 14775:2010; zawartość siarki całkowitej w stanie suchym S t pomiar automatycznym analizatorem IR według normy PN-G-04584:2001; skład chemiczny popiołu metodą spektrometrii plazmowej aparatem Thermo icap 6500 Duo ICP; zawartość chlorków metodą miareczkową według PN-EN 196-2:2006; zawartość węglanów metodą IB_TL_08_07:2011 z dnia

8 Metodyka badań Wykorzystując uzyskane wyniki badań wykonano obliczenia następujących wskaźników żużlowania i zanieczyszczania powierzchni grzewczych: stosunku tlenku żelaza do tlenku wapnia (IC), stosunku tlenków upłynnienia do tlenków spiekania (SI), lepkości żużla (SR), podstawy żużlowania (B/A), zanieczyszczania (Fu), aglomeracji złoża (BAI), żużlowania (Rs), stosunku krzemionki do tlenku glinu (SA), alkaliczności (Al).

9 Metodyka badań Rozpatrywany popiół przez 60 minut wygrzewano również w piecu laboratoryjnym w temperaturach 550, 850 i 1050 ºC obserwując zmiany zachodzące w próbkach pod kątem spiekania się ich cząstek i przywierania do ścian tygla, a zaistniałe zmiany utrwalono na fotografiach.

10 Wyniki badań Tabela 2. Skład chemiczny popiołów z badanych roślin energetycznych Udziały [%] Słoma pszenżytnia Słoma żytnia Słoma pszenna Słoma owsiana Słoma kukurydziana Zawartość popiołu 4,19 1,88 3,38 3,38 6,70 Zawartość siarki 0,12 0,07 0,12 0,12 0,12 Ditlenek krzemu, SiO ,2 41,8 28,9 58 Tlenek fosforu (V), P 2 O 5 5,87 5,11 6,36 17,42 3,72 Tlenek potasu, K 2 O 28,8 14, ,8 Tlenek wapnia, CaO 13,2 10,3 12,4 10,8 5,84 Tlenek magnezu, MgO 1,66 3,25 5,49 5,07 1,68 Tlenek sodu, Na 2 O 1,01 0,72 0,57 0,18 0,32 Tritlenek siarki, SO 3 4,68 2,19 2,75 4,97 1,56 Tlenek żelaza (III), Fe 2 O 3 0,65 1,34 0,72 0,34 1,27 Tlenek glinu (III), Al 2 O 3 0,98 4,82 1,03 0,22 2,3 Tlenek manganu (IV), Mn 3 O 4 0,08 0,14 0,19 0,1 0,09 Tlenek baru, BaO 0,06 0,07 0,08 0,01 0,02 Tlenek tytanu, TiO 2 0,09 0,29 0,09 0,02 0,22 Tlenek strontu, SrO 0,05 0,04 0,04 0,03 0,02 Chlorki, Cl 1,43 0,38 0,64 3,07 1,81 Węglany, CO 2 3,74 4,12 3,81 3,2 5,27 Suma % wszystkich pierwiastków, składowych popiołu 99,33 99,64 99,97 99,35 99,9

14 Wyniki badań Tabela 3. Wyniki wskaźników żużlowania i osadzania zanieczyszczeń na powierzchniach grzewczych kotłów Wskaźniki żużlowania i osadzania zanieczyszczeń na powierzchniach grzewczych kotłów Surowce IC SI SR B/A Fu BAI Rs SA Al Słoma pszenżytnia 0,05 1,34 70,46 1,19 35,49 0,02 0,14 37,76 1,21 Słoma żytnia 0,13 0,62 77,81 0,53 8,16 0,09 0,04 10,83 0,28 Słoma pszenna 0,06 1,15 69,19 1,01 24,72 0,03 0,12 40,58 0,80 Słoma owsiana 0,03 2,02 64,07 1,42 35,77 0,01 0,17 131,36 0,82 Słoma kukurydziana 0,22 0,51 86,84 0,44 8,06 0,07 0,05 25,22 0,01 Zależność: mała średnia wysoka bardzo duża (silna)

15 Wyniki badań Słoma pszenżytnia Słoma żytnia Słoma pszenna Słoma owsiana Słoma kukurydziana 550 ºC 850 ºC 1050 ºC Rys. 1. Popioły ze słomy pszenżytniej, żytniej, pszennej, owsianej i kukurydzianej wygrzewane w temperaturach: 550 ºC, 850 ºC i 1050 ºC Konferencja naukowa nt.

16 Wnioski Uzyskane wyniki badań pozwoliły na sformułowanie następujących spostrzeżeń i wniosków: 1. W warunkach badań zawartość popiołu, otrzymanego przy spalaniu analizowanej słomy zbóż, była zróżnicowana i zawierała się w przedziale od niespełna 2 (słoma żytnia) do niespełna 7% (słoma kukurydziana). 2. Wśród analizowanych popiołów ze słomy zbóż, pod względem składu chemicznego, charakterystyczny był popiół ze słomy owsianej, która zawierała najmniej krzemionki ale prawie 4-krotnie więcej fosforu niż popiół z pozostałej biomasy roślinnej.

17 Wnioski 3. Z reguły wskaźniki spiekalności i żużlowania zastosowane do oceny rozpatrywanych popiołów ze słomy zbóż wykazały małe zróżnicowanie pomiędzy gatunkami tych surowców, wskazując na ich średnią lub wysoką podatność do wywoływania utrudnień w eksploatacji urządzeń grzewczych. Przy czym, wykazano największe różnice pomiędzy wskazaniami wskaźnika lepkości żużla (SR), które odpowiadały zachowaniu się analizowanych popiołów w temperaturze 850ºC. 4. Celowym byłoby podjęcie badań uwzględniających pozostałe gatunki biomasy roślinnej w aspekcie składu chemicznego ich popiołów oraz wykorzystania do oceny ich spiekalności i żużlowania analizowanych wskaźników.

18 Bibliografia Hamala, K.; Róg, L. Prace Naukowe GIG Górnictwo i Środowisko 2004, 3, Bapat, D.W.; Kulkarni, S.V.; Bhandarkar V.P. Proceedings of the 14th international conference on fluidized bed combustion. Vancouver; 1997, New York, Basu, P.; Kefa, C.; Jestin L. Boilers and burners, design and theory 2000, Springer- Verlag New York. Bryers, R.W. Progress in Energy and Combustion Science 1996, 22, Dyjakon, A. Inżynieria Rolnicza 2012, 4(140), Kupka, T.; Mancini M.; Irmer M.; Weber R. Fuel 2008, 87, Ots, A.; Żelkowski, J. Evaluation of coal ten-dency to slagging and fouling basing on coal data and laboratory investigation. XXXII Kraftwerkstechnisches Kolloquium , Dresden, Salour, D.; Jenkins B. M.; Vafei, M.; Kayhanian M. Biomass and Bioenergy 1993, 4(2), Tortosa-Masiá, A.A.; Buhre B.J.P.; Gupta R.P.; Wall T.F. Fuel Processing Technology 2007, 88,

19 13-14 września 2016 Dziękujemy za uwagę