DAWNE ZNACZENIE ENEGETYCZNE BIOMASY

Transkrypt

1 SPALANIE BIOMASY

2 DAWNE ZNACZENIE ENEGETYCZNE BIOMASY W epoce pre-industrialnej (<1850 r.) drewno było dominującym źródłem energii wykorzystywane przede wszystkim w celach : grzewczych, w prymitywnych silnikach parowych, w metalurgii.

3 WAśNIEJSZE SPOSOBY ENERGETYCZNEGO WYKORZYSTANIA BIOMASY 1. Spalania (spalanie bezpośrednie, współspalanie) 2. Piroliza biomasy 3. Zgazowanie biomasy 4. Fermentacja beztlenowa 5. Fermentacja alkoholowa (np. bio-etanol) 6. Konwersja fizykochemiczna (np. bio-oleje)

4 Negatywne cech biomasy jako nośnika energii - róŝnorodność gatunków biomasy, - zróŝnicowanie rozmiarów i kształtów biomasy, - zawilgocenie biomasy, - mały cięŝar nasypowy biomasy, - rozproszenie biomasy i inne.

5 Paleniska do spalania biomasy Specyficzne cechy biomasy spowodowały, Ŝe naleŝało opracować wiele typów specjalizowanych palenisk do jej spalania. Najbardziej typowe to: do spalania słomy, do spalania drewna w postaci: biedron, zrębków, pelletów, granulatów i trocin, do spalania odpadów produkcji roślinnej (łusek, kaczanów i bagassy).

6 Rekomendacja róŝnych form biomasy zaleŝnie od mocy paleniska Forma biomasy Palenisko małej mocy Palenisko duŝej mocy Drewno opałowe (drwa) Zrębki Trociny, pył drzewny Granulaty Brykiety Baloty (słoma, trawa)

7 SPALANIE DREWNA

8 Wpływ dostępu tlenu na mechanizm spalania drewna Paliwo Produkty pirolizy Odmiany spalania Części lotne Płomień Biomasa Smoła Koks Tlenie Rozkład termiczny drewna zaleŝnie od charakteru spalania

9 Spalanie większych kawałków drewna Spalanie drewna T.J. Shields, G.W.H. Silcock, Buldings and Fir, Longman Scientfic and Technical, New York,1987

10 Strefy spalania drewna Mechanizm płomieniowy spalania drewna

11 Spalanie cząstek drewna

12 Spalanie drewna a spalanie węgla Proces spalania cząstek drewna jest podobny do spalania młodych węgli, a zwłaszcza węgli brunatnych. Fazy spalania cząstki drewna (biopaliwa stałego) I. Nagrzewanie i suszenie. II. Rozkład termiczny. III. Spalanie produktów rozkładu termicznego. IV. Spalanie pozostałości koksowej.

13 Etapy spalania cząstek drewna nagrzewanie suszenie spalanie cz. l. spalanie koksu popiół

14 Chemia spalania części lotnych I. Rozkład termiczny na mniejsze molekuły, np.: CH 3 COOH CH 4 + CO 2 CH 3 CHO CH 4 + CO II. Strefa spalania (generacji rodników): C 2 H 6 + M 2CH 3 + M C 2 H 6 + H C 2 H 5 + H 2 CH 3 + O 2 + M CH 3 O 2 + M CH 3 O 2 CH 2 O + OH III. Strefa dopalania (rekombinacji i utleniania CO) HCO + OH CO + H 2 O CO + OH CO 2 + H 2 H + OH H 2 O + M

15 Spalanie węgla drzewnego

16 Stała pozostałość po odgazowaniu części lotnych z biomasy Udział koksu, % 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 łuska orzecha laskow ego łuska oliw ki łupina orzecha laskow ego drewno świerkowe drewno bukowe kolby kukurydziane 20,00 15, Temperatura, K

17 Pozostałość koksowa koks węgiel drzewny Pozostałość koksowa - koks - węgiel drzewny): - węgiel drzewny ma: ok. 80% C 1-3% substancji mineralnej oraz 12-15% części lotnych. - porowaty: m 2 /g (po aktywacji 2000 m 2 /g - reaktywny.

18 Mechanizm spalania pozostałości koksowej (koksu, węgla drzewnego) 2C + O 2 2C(O) C(O) CO C(O) + C(O) CO 2 + C E = 125 kj/mol Temperatura zapłonu koksu: Temperatura spalania w warstwie: Temperatura spalania w płomieniu: o C o C o C

19 PIROLIZA DREWNA

20 Temperatura rozkładu termicznego drewna Główne składniki drewna rozkładają się w temperaturze: hemicelulozy K, celuloza K, lignina K

21 Stopień odgazowania drewna i słomy Rodzaj biomasy Słoma pszenicz na Słoma owsian a Słoma jęczmie nna Drewno olchy Drewno buku Drewno sosny Odgazowani e, % mas. 85,9 83,7 85,1 85,2 86,1 85,7

22 Produkty rozkładu termicznego drewna Gazowe (CO, CO 2, CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6 i H 2 ) Ciekłe/kondensujące (woda, metanol, kwas octowy, aldehyd octowy i smoła), Stałe pozostałość koksowa (koks, węgiel drzewny)

23 Wpływ temperatury na produkty pirolizy drewna Ilość i skład gazów, smoły i karbonizatu zaleŝy od szybkości nagrzewania, temperatury końcowej i czasu trwania. Temperatura, C Składniki gazu, % obj. H 2 CO CO 2 HC

24 Wpływ szybkości nagrzewania drewna na produkty pirolizy Rodzaj pirolizy Szybkość nagrzewania, C/s Temperatu ra, C Czas trwania Główny produkty Wolna (karbonizacja) << dni węgiel drzewny Konwencjonal na min. gaz, olej, koks Szybka (flash) deg/s 650 < 1 s bio-olej

25 Produkty szybkiej pirolizy drewna gazy biomasa bio-olej smoła koks

26 PALENISKA DO SPALANIA DREWNA Wybór paleniska zaleŝy od - postaci drewna (drwa, zrębki,trociny, pył) - mocy cieplnej kotła.

27 Typy palenisk stosownych do spalania drewna Najczęściej stosowane typy palenisk: - rusztowe z rusztem: stałym przesuwnym (pochyłe, schodkowe, posuwisto-zwrotne) - fluidalne (pęcherzykowe, cyrkulujące), - retortowe - cyklonowe (pyłowe).

28 Kocioł z rusztem stałym na drewno Moc cieplna kw polana

29 Kocioł z rusztem stałym na drewno Moc cieplna 2 MW Ruszt przesuwny

30 Funkcje prawidłowo działającego rusztu

31 Paleniska rusztowe na drewno MoŜliwość spalania: - róŝne rozmiary, - zawartość do wody 60%, - nieduŝa emisja popiołu, Znaczna emisja: NO x i CO Ze względu na duŝy udział części lotnych i zawilgocenie zwykle wymagane jest przedpalenisko.

32 Przykład paleniska rusztowego do spalania biomasy (i odpadów) Ruszt posuwisto-zwrotny

33 Palnik retortowy do spalania granulatów (pelletów)

34 Kocioł z paleniskiem retortowym do spalania granulatów (pelletów)

35 Spalanie peletów na ruszcie ruchomym

36 Kocioł z paleniskiem retortowym do spalania granulatów (pelletów) WydłuŜony czas przebywania płomienia Podajnik ślimakowy

37 Paleniska fluidalne na drewno MoŜliwość spalania: - ograniczone rozmiary, - zawartość wody do 60%, - zmienne obciąŝenie, - mała emisja NO x Problemy: niebezpieczeństwo defluidyzacji Kocioł w EC Ostrołęka

38 Przykład paleniska fluidalnego Konstrukcja kotła fluidalnego na biomasę firmy Babcock Dane techniczne: - moc: MWt - wartość opałowa: 3-20 MJ/kg

39 Przedpalenisko cyklonowe na drewno

40 SPALANIE SŁOMY

41 Przygotowanie słomy do spalania Słoma moŝe być spalania w następujących postaciach: w belach lub balotach, pocięta (sieczka, dłuŝsze włókna) jako brykiety lub granulat (pelety).

42 Typy palenisk do spalania słomy Ze względu na sposób podawania paliwa moŝna wyróŝnić trzy typy kotłów do spalania słomy: kotły wsadowe do okresowego spalania bel/balotów słomy (ok kw), kotły do spalania rozdrobnionej słomy (sieczka, dłuŝsze włókna) (do 50 MW) kotły do cygarowego spalania balotów (do 30 MW).

43 Kotły wsadowe na słomę

44 Systemy spalania wsadowego słomy

45 Palenisko ze stałym rusztem do wsadowego spalania słomy w balotach (Dania)

46 Załadunek balotów do paleniska Kocioł wsadowy EKOPAL RM 20

47 Charakterystyka kotłów wsadowych Kotły przepływowe sprawność: 35-40% duŝa emisja CO i pyłów Kotły przeciwprądowe sprawność: 70-75% emisja CO: mg/m 3 nadmiar powietrza: 25-50%

48 Cygarowy system spalania balotów Palenisko cygarowe do ciągłego spalania balotów (Dania), stosowane do kotłów o mocy do 30 MW.

49 Kotły na słomę rozdrobnioną kotły zmechanizowane

50 Charakterystyka kotłów na słomę Podstawowe wyposaŝenie: rozdrobnioną 1. Linia podawania słomy (stół podawczy) 2. Rozdrabniacz słomy 3. Linia transportu słomy rozdrobnionej (mechaniczny, pneumatyczny) 4. Zabezpieczenie przeciwpoŝarowe (śluza mechaniczna oddzielająca układ transportu słomy od podajnika) 5. Podajnik słomy do kotła (slimakowy) 6. Kocioł z paleniskiem (ruszt schodkowy)

51 Rozdrabniacze słomy Rozdrabniacze wolnoobrotowe tnące słomę na sieczkę o długości 6-10 mm. Moc kotłów : do 50 MW

52 Kocioł rusztowy na słomę w postaci sieczki Spalanie słomy w kotle rusztowym

53 Spalania słomy w formie krótkich włókien PEC LubańŚl. Typ kotła: WCO 80S Moc: 1,0 MW Wartość opał: 12-14,5 MJ/kg ZuŜycie: 300 kg/h Roczne zapotrz: t/a

54 Spalania słomy LubańŚl.

55 Charakterystyka emisji zanieczyszczeń podczas spalania słomy Rodzaj zanieczyszczenia Kotły zmechanizowane na słomę rozdrobnioną mg/m 3 Kotły z załadunkiem wsadowym SO 2 NOx CO CO Pył

56 Emisja NO x i SO 2 przy współspalaniu biomasy z węglem w kotle pyłowym NOx- [ ppm, 3% O2 ] SO2-[ ppm, 3% O2 ] NOx SO udział słomy [ % ] 0 Wpływ udziały słomy w strumieniu paliwa na emisję zanieczyszczeń z kotła pyłowego

57 Emisje innych zanieczyszczeń przy współspalaniu węgla i biomasy Przy współspalaniu biomasy z węglem w małych kotłach (rusztowe) problemem jest emisja: - tlenku węgla (ponad 10 tys. ppm co odpowiada 1% obj. CO) - WWA (wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych DuŜa emisja tlenku węgla wynika z duŝej zawartości części lotnych w biomasie typu: drewno i słoma. Znaczenie ma teŝ zawilgocenie węgla. Spalanie drewna charakteryzuje się duŝą emisją WWA.

58 NEGATYWNE SKUTKI SPALANIA BIOMASY

59 Problemy związane ze spalaniem biomasy w kotłach - korozja chlorkowa (słoma), - spiekanie i aglomeracja popiołów (defluidyzacja złoŝa fluidalnego) - tworzenie się osadów na powierzchniach konwekcyjnych - zagroŝenia poŝarowo-wybuchowe.

60 Składniki biomasy powodujące problemy spalania i współspalania biomasy w kotłach Składniki biomasy stwarzające problemy eksploatacyjne: - znaczny udział chloru (słoma, trawa) - znaczny udział metali alkalicznych (drewno, słoma, trawa)

61 Porównanie właściwości popiołów ze spalania biomasy i węgla Paliwo Udział K 2 O, % Temperatura mięknięcia, C płynięcia, C Słoma jęczmienna Węgiel kamienny 40, ,

62 Korozja chlorowa podczas spalania biomasy Metal Szlaka Faza gazowa Fe Cl 2 FeCl 2 Fe O 2 3 O 2 Mechanizm chemiczny korozji chlorowej powierzchni stalowych Cr CrCl 2 Cr O 2 3 Cl 2 Zachodząca w osadzie reakcja siarkowania chlorku potasu z udziałem SO 2 ze spalin powoduje wyzwolenie gazowego chloru, który atakuje Ŝelazo i chrom w stali 2KCl(s) + SO 2 (g) + ½O 2 + H 2 O K 2 SO 4 (s) + 2HCl(g)

63 Defluidyzacja złoŝa fluidalnego Kwarc Kwarc Aglomeracja materiału złoŝa z udziałem popiołu ze spalania biomasy Stop K-krzemianu Spiek (Ca, P) Eutektyki Piasek kwarcowy (SiO 2 ): temperatura topnienia 1450 C temperatura złoŝa C, ale obecne w popiele ze spalania biomasy tlenki i sole metali alkalicznych reagują z SiO 2 2SiO 2 + Na 2 CO 3 Na 2 O.2SiO 2 + CO 2 4SiO 2 + K 2 CO 3 K 2 O.4SiO 2 + CO 2

64 Spiekanie się złoŝa fluidalnego Spalanie węgla brunatnego ze słomą rzepakową

65 Osady na ścianach kotła rusztowego opalanego biomasą

66 Przepalenia rusztu łuskowego podczas spalania biomasy

67 ZagroŜenia wybuchowe stwarzane przez pyły biomasy Nazwa pyłu Maksymalne ciśnienie wybuchu, MPa Dolna granica wybuchowości, kg/m 3 Wskaźnik wybuchowości K st, MPa*m/s Wióry 0,67 0,1 2,82 Pył polerski 0,59 0,1 6,83 Pył drzewny 0,50 0,06 2,3 Pył z płyty lamin. 0,74 0,03 3,35 Pył szlifierski 0,92 0,025 3,74 Pył węgla brunatn. 0,47 0,062 1,91

68 ZGAZOWANIE BIOMASY

69 WaŜniejsze czynniki dla zgazowania biomasy Temperatura Gaz Ciśnienie Substancja organiczna Czynnik zgazowujący Karbonizat

70 Produkty zgazowana biomasy Produkty zgazowania biomasy: gazowe (główne), ciekłe (kondensujące, para wodna, alkohole, kwasy), smoła (cięŝkie węglowodory kondensujące do stałej postaci), stałe (popiół).

71 Technologie zgazowania biomasy 1 Gazogenerator przeciwprądowy ze złoŝem stałym

72 Technologie zgazowania biomasy 2 Gazogenerator fluidalny

73 Parametry procesu zgazowania drewna w złoŝu fluidalnym Parametr Jednostka Wartość Strumień drewna kg/s 1,6 Strumień powietrza m 3 /s 1,8 λ 0,3 Temperatura powietrza C 415 Temperatura gazu C Wartość opał. drewna MJ/kg (daf) 16,6 Wartość opałowa gazu MJ/m 3 4,8 Wydajność gazu m 3 /kg drewna 2

74 Porównanie gazu procesowego otrzymanego ze zgazowania słomy i węgla Parametr Węgiel Słoma CO, % CO 2, % H 2, %% CH 4, % C 2 H x, % H 2 O, % NH 3, ppm HCN, ppm H 2 S, ppm COS, ppm N 2, % Smoła, mg/m 3 Gęstość, kg/m 3 Ciepło spalania, MJ/m 3 9,60 11,7 9,37 0,74 0,0 16, ,3 65 1,15 2,7 8,9 15,6 7,4 5,2 1,1 24, NA , ,15 4,9

75 Zgazowanie drewna w małej skali: kocioł do zgazowania i spalania drewna

76 Kocioł do zgazowania i spalania drewna 1. Regulacja AK Drzwiczki górne 3. Dźwignia klapy kominowej 4. Komora załadowcza (zgazowania) 5. Przepływ powietrza pierwotnego 6. Klapka wentylatora 7. Wentylator 8. Obudowa wentylatora 9. Dysza z betonu ogniotrwałego 10. Regulowana przesłona powietrza wtórnego 11. Uchwyt zamykania/otwierania drzwiczek 12. Koryto ceramiczne 13. Drzwiczki dolne 14. Czopuch kominowy 15. Wieko wymiennika 16. Klapa kominowa 17. Pokrywa tylna górna 18. Wyjście wody grzewczej 19. Termostat awaryjny 20. Termometr Ujście spalin 21. Pokrywa tylna górna 22. Wymiennik płomieniówkowy 23. Wymurówka z betonu ogniotrwałego 24. Przepływ powietrza wtórnego 25. Komora spalania Izolacja 26. Wylot spalin 27. Wejście wody grzewczej 28. Zawór spustowy 29. Tarcza czyszcząca 30. Skrobak 31. Pogrzebacz

77 YUGO RUNS BY WOOD-GAS

78 PRZYKŁADY ENERGETYCZNEGO WYKORZYSTANIA BIOMASY

79 Ciepłownia opalana drewnem

80 Schemat elektrociepłowni

81 Kocioł pyłowy 400 t/h opalany słomą Opis obiektu Opis paliwa

82 Efekt szlakowania wywołany spiekanie popiołu

83 Jednostkowe ceny ciepła w Polsce w latach w indywidualnych systemach grzejnych przy uŝyciu róŝnych nośników energii