BADANIA JAKOŚCI SPALANIA GRANULOWANYCH MIESZANEK PALIW MINERALNYCH (WĘGLA BRUNATNEGO) Z WYBRANYMI PALIWAMI ODNAWIALNYMI.

Transkrypt

1 BADANIA JAKOŚCI SPALANIA GRANULOWANYCH MIESZANEK PALIW MINERALNYCH (WĘGLA BRUNATNEGO) Z WYBRANYMI PALIWAMI ODNAWIALNYMI. Pracę wykonano w ramach działalności statutowej Instytutu w 2012 r. Pracę zrealizował zespół pracowników Zakładu Kotłów i Urządzeń Grzewczych.

2 ROZPOZNANIE ZAPOTRZEBOWANIA W związku z odkryciem i udokumentowaniem w kraju nowych, dużych złóż pokładów węgla brunatnego oraz relatywnie niską ceną tego surowca celowym będzie wykorzystywanie tego paliwa do celów grzewczych. Jednocześnie rosnąca potrzeba zwiększania energii odnawialnej w produkcji energii wymusza na krajach należących do Unii Europejskiej działania zmierzające ku wdrożeniu innowacyjnych rozwiązań technologicznych. Spośród wszystkich rodzajów energii odnawialnej, biomasa stanowi dominujące źródło w produkcji ciepła w UE.

3 Należy podjąć działania zmierzające do uruchomienia produkcji kotłów grzewczych małej mocy odpowiadających coraz bardziej restrykcyjnym standardom zawartym w prawodawstwie Wspólnoty Europejskiej. Kotły te mogłyby paliw odnawialnych. być opalane peletami z węgla brunatnego z domieszką Krajowi producenci kotłów grzewczych nie dysponują środkami finansowymi, które mogłyby być przeznaczone na finansowanie prac koncepcyjnych dotyczących tego typu kotłów i ich badań.

4 CEL PRACY: ZAPROPONOWANIE I PODDANIE BADANIOM NOWYCH ROZWIĄZAŃ POLEGAJĄCYCH M.IN. NA WSPÓŁSPALANIU WĘGLA BRUNATNEGO Z ODPADAMI POCHODZENIA BIOMASOWEGO.

5 Opracowanie wytycznych dla projektowania komór paleniskowych kotła w ramach działalności statutowej pozwoli zainteresowanemu producentowi na opracowanie projektu roboczego kotła oraz wykonanie prototypu kotła przy niewielkim nakładzie finansowym. Kotły te będą mogły znaleźć swych odbiorców w kraju oraz za zagranicą, gdzie w takich krajach jak Szwecja, Finlandia, Francja, Austria, Szwajcaria, Niemcy odnotowuje się rosnącą potrzebę takich urządzeń (small scale biomass heating systems BHS). [Verma i in 2009, Miguez i in. 2012]. W 2008 r. w Niemczech użytkowanych było , a w Austrii urządzeń przystosowanych do spalania granulatu typu pellet. Uznaje się, że oferta rynkowa kotłów i ogrzewaczy opalanych paliwami biomasowymi w w/w krajach może już w pełni konkurować z urządzeniami opalanymi paliwami ciekłymi i gazowymi [Verma i in 2009].

6 Etap I: ANALIZA KONSTRUKCJI KOMÓR PALENISKOWYCH KOTŁÓW GRZEWCZYCH OPALANYCH PALIWAMI NISKOKALORYCZNYMI Redukcja gazowych produktów spalania stała się głównym celem rozwoju systemów ogrzewania opartych na biomasie. Wartości emisji są zaś uzależnione w głównej mierze od warunków panujących w komorze paleniskowej oraz parametrów paliwa [Zhang i in. 2010].

7 Etap I: ANALIZA KONSTRUKCJI KOMÓR PALENISKOWYCH KOTŁÓW GRZEWCZYCH OPALANYCH PALIWAMI NISKOKALORYCZNYMI Niniejszą analizą objęto trzy konstrukcje kotłów wraz z wynikami ich badań cieplnych: - kocioł typu PELLETS PLUS firmy PPH Kostrzewa w Giżycku wyposażony w palnik retortowy i opalany peletami drzewnymi; - kocioł typu KLIMOSZ MULTDUO firmy KLIMOSZ sp. z o.o. w Pawłowicach wyposażony jest w palnik rynnowy z podajnikiem ślimakowym. Kocioł może być opalany peletami drzewnymi oraz węglem brunatnym; - kocioł typu WATT Brennt Quattro produkowany przez firmę Watt S.A z Sosnowca. Kocioł jest przeznaczony do spalania paliw niskokalorycznych, w tym węgla brunatnego na ruszcie stałym. Stałopalne palenisko jest zasilane paliwem ręcznie.

8 6 powietrze wtórne 4 powietrze pierwotne powietrze wtórne Legenda: 1 Ruszt podstawowy 2 Ceramiczny ruszt dopalający 3 Wykądziny ceramiczne 4 Ceramiczna pokrywa wyczystki górnej 5 Wentylator spalin 6 Miarkownik temperatury kocioł Pellets Plus z zasobnikiem i podajnikiem paliwa 2 Schemat konstrukcyjny kotła WATT Brennt Quattro kocioł Multi Duo z zasobnikiem i podajnikiem paliwa

9

10

11 Etap II a: KONCEPCJA KONSTRUKCYJNA KOMORY PALENISKOWEJ I KOTŁA DOŚWIADCZALNEGO PRZEZNACZONEGO DO BADAŃ SPALANIA PELETÓW WYKONANYCH Z WĘGLA BRUNATNEGO I WYBRANYCH PALIW ODNAWIALNYCH. Na podstawie analizy wyników badań kotłów opalanych paliwami niskokalorycznymi stanowiącej Etap I i po decyzji o wykonaniu badań spalania peletów wykonanych z mieszanek węgla brunatnego i wybranych paliw odnawialnych w palniku rynnowym, postanowiono wykorzystać do tych badań komorę paleniskową produkowanego seryjnie kotła DRACO VERSA 25 (producent: ZPH TEKLA ). Kocioł jest wyposażany fabrycznie w palnik rynnowy o wielkości oznaczonej 30. Wykonane będą również pomiary porównawcze na kotle typu DRACO DUO 15 wyposażonym w firmowy palnik retortowy Tekla 15.

12 Płyta 20x225x425 Wermikulit 2 0 Płaskowniki #10 a) b) Wykładziny ceramiczne Przekrój poprzeczny korpusu kotła DRACO VERSA 25 a) Model fabryczny b) Model uzupełniony o wykładziny ceramiczne

13 Etap II b:. TECHNOLOGIA PRODUKCJI DO BADAŃ PELETÓW PRZEZNACZONYCH Pelety do badań wyprodukowano w firmie Sumara sp. z o.o. w Reczu. Wysuszone materiały przeznaczone do peletowania (węgiel brunatny i odpady leśne) rozdrabniano wstępnie na granulatorze do tworzyw sztucznych. Próby pelletowania przeprowadzono na granulatorze typu KL- 150B chińskiej firmy Laizhou Chengda Machinery, charakteryzującym się średnicą tarczy wynoszącą 150 mm, średnicą rolek dogniatających 74 mm.

14 Wykonane próby wykazały, że wzrost udziału masy rozdrobnionego węgla brunatnego w mieszance z odpadami leśnymi do wartości powyżej 30 % powoduje zmniejszenie podatności materiału na zgniatanie, a materiał w granulatorze jest kruszony przez rolkę dogniatającą a nie wygniatany. Po wyprodukowaniu partii wstępnej peletów o składzie 30% węgla brunatnego i 70% odpadów leśnych (gałązki drzew iglastych - głównie świerku) okazało się, że uszkodzeniu uległy pewne elementy konstrukcyjne granulatora. Po wykonaniu modernizacji granulatora uzyskano pelety o następującym składzie masowym: - pelety o zawartości 30% węgla brunatnego i 70% odpadów leśnych - pelety o zawartości 50 % węgla brunatnego i 50% wierzby energetycznej.

15 Badania wstępne wykonano przy spalaniu granulatu o zawartości 50 % węgla brunatnego i 50% wierzby energetycznej. Próba spalania w palniku retortowym kotła DRACO DUO 15 nie powiodła się. Maksymalne parametry spalin jakie udało się uzyskać wynosiły CO 2 ok. 6 %, CO ok. 0,5 %. W czasie palenia następowało intensywne zanieczyszczenia paleniska żużlem z duża zawartością części palnych i spadek mocy paleniska o ok. 50%. Po trzech godzinach palenia nastąpił zanik procesu spalania. Próba spalania w palniku rynnowym kotła DRACO VERSA 25 również nie powiodła się. Parametry spalin jakie udało się uzyskać w czasie 1,5 godzinnego pomiaru wynosiły CO 2 7,5 %, CO - 0,07 %. W czasie palenie następowało intensywne zanieczyszczenia paleniska skorupą żużla z dużą zawartością nie spalonych części palnych blokującą dostarczanie do paleniska nowych porcji paliwa. Po trzech godzinach palenia nastąpił zanik procesu spalania.

16 Niska sprawność kotła jest wynikiem dużych strat 38,2 % niecałkowitego spalania paliwa. Jedną z przyczyn niezadawalających wyników była słaba jakość węgla brunatnego o zawartości popiołu 22 %, wilgotności 21 % i wartości opałowej kj/kg zastosowanego w granulacie. W związku z powyższym oraz opisanymi wcześniej problemami występującymi przy produkcji granulatu zrezygnowano z dalszych prób spalania tego paliwa. Palniki rynnowe i palniki retortowe stosowane w kotłach grzewczych są przystosowane do spalania peletów zawierających niewielkie ilości popiołu.

17 Do dalszych badań przygotowano mieszanki węgla kamiennego sortymentu groszek z granulatem drewna iglastego pelet w dwóch proporcjach masowych 30% / 70% oraz 50% / 50%. Dodatkowo dla porównania osiąganych parametrów wykonano badania przy spalaniu węgla kamiennego sortymentu groszek oraz granulatu drewna iglastego pelet.

18 EMISJA CO

19 EMISJA OGC

20 EMISJA PYŁU

21 STRATA NIECAŁKOWITEGO SPALANIA

22 SPRAWNOŚĆ CIEPLNA

23 KLASY SPRAWNOŚCI I EMISJI GAZÓW SPALINOWYCH WG PN-EN 303-5:2012 Klasa kotła Sprawność w % Emisje w mg/m 3 przy O2=10%; 0 o C; 1013 mbar log Q N 75, log Q N 82, log Q N 88,4 CO OGC PYŁ biopaliwa kopalne

24 ZESTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ UZYSKANYCH W PODCZAS SPALANIA PALIW W PALNIKU RYNNOWYM 30 ZAINSTALOWANYM W KOTLE DRACO VERSA 25 MOCY NOMINALNEJ 25 kw. PALIWO Lp. Wielkość mierzona Ozn. Miano w. brunatny pellet 30% pellet 70% 50% pellet 50% w. brunatny w. brunatny Skład fizyko chemiczny paliwa 1 Zawartość S S % 1,0 0,0 0,3 0,5 2 Zawartość C C % 58,1 49,0 51,7 53,6 3 Zawartość H2 H2 % 4,3 5,9 5,4 5,1 4 Zawartość N2 N2 % 0,7 0,1 0,3 0,4 5 Zawartość O2 O2 % 10,5 39,5 30,8 25,0 6 Zawartość wilgoci W W % 17,7 5,1 8,9 11,4 7 Zawartość popiołu Ap Ap % 7,7 0,3 2,5 4,0 8 Wartość opałowa Qi kj/kg Zużycie paliwa B kg/h 5,01 5,72 4,82 4,48 Spaliny 10 Temperatura tsp o C 164, Zawartość CO2 CO2 % 12,7 11,9 11,8 11,7 12 Zawartość CO CO % 0,06 0,07 0,02 0,05 13 Zawartość OGC OGC % 0,0010 0, ,0012 0, Współ. nadmiaru powiet. λ % 1,38 1,66 1,64 1,61 Bilans 15 Moc cieplna paleniska Q1 kw 31,5 29,1 26,3 25,5 16 Moc cieplna kotła Q2 kw 27,0 25,8 23,2 22,3 17 Sprawność cieplna kotła η % 85,5 88,7 88,2 87,4 18 Klasa sprawności kotła Strata kominowa Sk % 7,8 8,6 9,2 9,7 20 Strata niezupeł. spalania Sco % 0,3 0,4 0,1 0,3 21 Strata niecałkow. spalania Sp % 4,3 0,4 0,1 0,7 Emisje 22 Emisja CO (O2 = 10%) eco mg/m (kl 4) 772 (kl 4) 217 (kl 5) 538 (kl 4) 23 Emisja OGC (O2 = 10%) eogc mg/m 3 13 (kl 5) 5 (kl 5) 17 (kl 5) 23 (kl 4) 24 Emisja pyłu (O2 = 10%) ep mg/m 3 50 (kl 4) 22 (kl 5) 29 (kl 5) 47 (kl 4) 25 Klasa emisji

25 ZESTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ UZYSKANYCH W PODCZAS SPALANIA PALIW PALNIKU RETORTOWYM ZAINSTALOWANYM W KOTLE DRACO DUO 15 MOCY NOMINALNEJ 15 kw. Lp. Wielkość mierzona Ozn. Miano PALIWO w. brunatny pellet 30% pellet 70% w. brunatny 50% pellet 50% w. brunatny Skład fizyko chemiczny paliwa 1 Zawartość S S % 1,0 0,0 0,3 0,5 2 Zawartość C C % 58,1 49,0 51,7 53,6 3 Zawartość H2 H2 % 4,3 5,9 5,4 5,1 4 Zawartość N2 N2 % 0,7 0,1 0,3 0,4 5 Zawartość O2 O2 % 10,5 39,5 30,8 25,0 6 Zawartość wilgoci W W % 17,7 5,1 8,9 11,4 7 Zawartość popiołu Ap Ap % 7,7 0,3 2,5 4,0 8 Wartość opałowa Qi kj/kg Zużycie paliwa B kg/h 3,09 3,67 3,31 3,35 Spaliny 10 Temperatura tsp o C 215,6 210,2 203,4 219,1 11 Zawartość CO2 CO2 % 8,7 10,6 11,9 11,6 12 Zawartość CO CO % 0,0500 0,0150 0,1099 0, Zawartość OGC OGC % 0,0003 0,0003 0,0017 0, Współ. nadmiaru powietrza λ % 1,98 1,82 1,61 1,62 Bilans 15 Moc cieplna paleniska Q1 kw 19,4 18,6 18,0 19,1 16 Moc cieplna kotła Q2 kw 15,3 15,3 15,4 15,8 17 Sprawność cieplna kotła η % 78,6 82,0 85,4 82,9 18 Klasa sprawności kotła Strata kominowa Sk % 14,9 13,1 11,4 12,5 20 Strata niezupeł. spalania Sco % 0,3 0,1 0,6 0,5 21 Strata niecałkow. spalania Sp % 5,0 2,9 0,4 1,1 Emisje 22 Emisja CO (O2 = 10%) eco mg/m (kl 4) 186 (kl 5) 1179 (kl 3) 967 (kl 4) 23 Emisja OGC (O2 = 10%) eogc mg/m 3 6 (kl 5) 5 (kl 5) 24 (kl 4) 20 (kl 5) 24 Emisja pyłu (O2 = 10%) ep mg/m (kl 3) 34 (kl 5) 83 (kl 3) 79 (kl 4) 25 Klasa emisji

26 PODSUMOWANIE I ZALECENIA W związku z oszacowaniem w kraju nowych, dużych złóż pokładów węgla brunatnego celowym jest uruchomienie w kraju produkcji kotłów grzewczych małej mocy opalanych węglem brunatnym oraz mieszanek węgla brunatnego, przeznaczonych głównie dla potrzeb gospodarstw wiejskich. Umożliwi to wykorzystywanie lokalnych zasobów tego paliwa. Bardzo dobre wyniki jakości spalania i obniżenie kosztów paliwa uzasadniają stosowanie do spalania w palnikach retortowych i rynnowych mieszanek węgla brunatnego sortymentu groszek z granulatem biopaliw.

27 W konstrukcjach kotłów przeznaczonych do spalania mieszanek węgla brunatnego z peletami paliw odnawialnych nie zaleca się stosować nad palnikiem retortowym rusztów chłodzonych wodą. Stosowanie tych rusztów jest przyczyną schładzania spalin co powoduje zwiększoną zawartość pyłów w gazach spalinowych. Komory paleniskowe kotłów spalających mieszanki węgla brunatnego z peletami paliw odnawialnych powinny mieć wymiary w świetle takie, by korona retorty była oddalona od nich co najmniej 10 cm na całym obwodzie. Takie odległości retorty od ścian komory paleniskowej zabezpieczają przed wychładzaniem gazów spalinowych w strefie spalania. Ułatwia to również proces samooczyszczania się retorty z żużla i popiołu powstających podczas pracy urządzenia.

28 Wdrożenie do produkcji i użytkowanie urządzeń grzewczych, w tym kotłów C.O. małej mocy przeznaczonych do spalania/współspalania węgla brunatnego z biomasą przyczyni się do zwiększenia udziału produkcji energii z OZE co stanowi cel realizacji postanowień Dyrektywy UE 2009/28/WE z dn. 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych.

29 LITERATURA I DOKUMENTY 1. Orłowski P., Dobrzański W., Szwarc E.: Kotły parowe. Konstrukcja obliczenia. Wydanie 3 rozszerzone i zmienione. WNT, Warszawa Teplovoj rascet kotelnych agregatov. Normativnyj metod. Moskva Praca zbiorowa 3. Tablice cieplne z wykresami. Dane liczbowe w układzie technicznym i międzynarodowym. WNT, Warszawa Kruczek S.: Kotły konstrukcja i obliczenia. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Lewandowski W.M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej. WNT, Warszawa Angierman M., Zygadlewicz K.: Opracowanie projektu doświadczalnej komory spalania o mocy 200 kw do badań procesów spalania wybranych biopaliw stałych. Praca ITG i S Oddział Kotłów Grzewczych nr ewid. 966/05 (niepublikowana). Łódź 2004 R. 7. PN EN 303-5:2012 Kotły grzewcze -- Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kw -- Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie 8. Bogusław Seredyński Produkcja granulatu paliwowego pelet z odpadów biomasy. Opracowanie przygotowano w firmie Syriusz Michał Seredyński, ul. Czereńczycka 3, Mirosławice (Wrocław 2003 r.). 9. Verma V.K., Bram. S., De Ruyck J. Small scale biomass heating systems: Standards, quality labelling and market driving factors An EU outlook. Biomass and Bioenergy 33 (2009) Miguez J.L., Moran J.C., Granada E., Porteiro J. Review of technology in small-scale biomass combustion systems in the European market. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) Zhang X., Chen Q., Bradford R., Sharifi V., Swithenbank J. Experimental investigation and mathematical modelling of wood combustion in a moving grate boiler. Fuel Processing Technology 91 (2010)