BIOMASA JAKO PALIWO bale pelety wierzba Pył+trociny zrębki słoma

Transkrypt

1 Stanisław KRUCZEK Ryszard Głąbik Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechnika Wrocławska BIOPALIWA

2 BIOMASA JAKO PALIWO bale pelety wierzba Pył+trociny zrębki słoma

3 Ustalenia i dokumenty: Biała Księga Energia dla przyszłości odnawialne źródła energii, rok publikacji 1977 dokument o charakterze politycznym i ekonomicznym, określający kierunek rozwoju energetyki odnawialnej dla krajów członkowskich. Cel: zwiększenie udziału odnawialnych nośników energii pierwotnej do 12% w latach , Strategia rozwoju energetyki odnawialnej z dnia 23 sierpnia 2001, dokument przyjęty przez Sejm. Cel: zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie paliwowo energetycznym kraju od 2,4% w 2001roku do 7,5% w 2010 roku i do 14% w 2020 roku

4 Technologie wykorzystania biopaliw jako paliwa energetyczne Spalanie lub współspalanie w kotłach fluidalnych Spalanie lub współspalanie w kotłach rusztowych Zgazowanie w reaktorach dobudowanych do istniejących kotłów,a następnie współspalanie w istniejących kotłach pyłowych Spalanie lub częściowe zgazowanie trocin i pyłów w wirowych ceramicznych komorach

5 PIROLITYCZNA ZGAZOWARKA BIOMAS Proces w którym drewno poddane jest działaniu energii cieplnej przy ograniczonym dostępie powietrza- tlenu jest suchą destylacją lub pirolizą. Technika zgazowania biomasy w procesie pirolizy umożliwia uzyskanie maksymalnie wysokich sprawności energetycznych przy spełnianiu norm ochrony środowiska. wytworzony gaz może być spalany bezpośrednio w kotle lub. po uprzednim przygotowaniu można zasilić silnik tłokowy generatora prądu

6 Generator gazu

7 Generator gazu to cylindryczna i stożkowa komora zamknięta od góry stropem. Ściany wewnętrzne komory wykonane są ze specjalnych materiałów odpornych na temperaturę. Zespół dyszowy powietrza jest zabudowany w dolnej części cylindra. Drzwi uchylone do komory umożliwiają dostęp do jej wnętrza celem zainicjowania procesu zgazowania lub dokonania przeglądu. Układ podwójnych klap śluza zapewnia kontrolę nad ilością dostającego się do wnętrza fałszywego powietrza i eliminuje wydobywanie się gazu z wnętrza komory.

8

9 Powstający w procesie gaz z górnej części komory zgazowarki, przechodzi do kolektora i dalej do rurociągu transportowego w kierunku palnika/ komory spalania. - Instalacje powietrza Instalacje powietrza zapewniają: - doprowadzenia powietrza do komory zgazowania; - chłodzenie generatora ; - doprowadzenie podgrzanego powietrza do palnika. Obiegi powietrza zasilane są wentylatorami. System zapewnia automatyczny cykl załadunku surowca do komory generatora, sterowanie procesem odbioru odpadów oraz sterowanie obiegami powierza. Łączna elektryczna moc zainstalowana na napędach i wentylatorach zgazowarki 14 kw.

10 W generatorze zastosowany został proces dwustopniowej generacji gazu. W pierwszym etapie drewno o wysokiej temperaturze przechodzi proces karbonizacji z wydzielaniem gazów, głównie CO, CO 2, i H 2 O. Produktem ostatecznym tego procesu jest węgiel drzewny o przeciętnym składzie C 26 H 18 O 2. Złoże węgla drzewnego jest dopalane silnym strumieniem powietrza. Temperatura w dopalanym złożu rośnie do C i wytworzony CO 2 ulega redukcji w obecności węgla C do CO. W temperaturach powyżej C para wodna rozkłada się do H 2 i O. Rozkład pary wodnej jest endotermiczny i prowadzi do utrzymywania wyższej warstwy węgla oraz gazu palnego na poziomie C.

11 Utarła się opinia, że kotły na biomasę są droższe od kotłów na węgiel kamienny. Istnieje możliwość modernizacji istniejących kotłów rusztowych przechodząc z węgla na odpady drzewne, względnie słomę przy niskich nakładach inwestycyjnych. Modernizacja taka polega na usunięciu rusztu i dobudowie ceramicznej komory spalania, gdzie spalanie może zachodzić w objętości komory, względnie na ruszcie posuwisto zwrotnym. Od pewnego czasu lansuje się tzw. współspalanie tj. biomasa+węgiel. Współ spalanie może zachodzić na ruszcie klasycznego kotła, względnie w kotłach fluidalnych.

12 Czas przebywania w komorze surowca energetycznego na poziomie 2 3h drewno z zawartością wody większej niż 15% zwiększa czas jego przebywania w komorze. Temperatura procesu zgazowania waha się w granicach od C. z jednej tony suchego drewna powstaje 2000m 3 gazu palnego o przeciętnym składzie: CO 17 25%, H 2 3 5%, CH 4 2 4%, : CO % N %, H 2 O 10 15% O Podgrzewacz wody Podgrzewacz powietrza AH 41x75= Podgrzewacz wody ECO O O219 O Przykład zastosowania do kotła OR-10

13 Przykład zgazowania lub odgazowania i produkcji węgla drzewnego

14

15 główną zaletą tego rozwiązania jest możliwość przetworzenia biomasy i innych paliw pochodzenia odpadowego w palny, niskokaloryczny gaz który może być współspalany w istniejących kotłach energetycznych czy innych paleniskach przemysłowych. zmniejszenie poziomu emisji SO 2 i NOx w kotle podstawowym, ograniczenie dodatkowej emisji CO 2, wykorzystanie istniejącego potencjału wytwórczego, relatywnie niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Przykładem praktycznego zastosowania w skali przemysłowej idei zastępowania paliw kopalnych paliwami pochodzenia odpadowego i biologicznego jest Elektrociepłownia w Lahti, w Finlandii, gdzie przy parowym kotle pyłowym ( typu Bensona,140 MWe) w roku 1998 uruchomiono zgazowywacz Foster Wheeler CFB o mocy MW. Temperatura robocza procesu utrzymywana jest w zakresie ºC, a wydajność cieplna wytwarzanego gazu waha się przeważnie pomiędzy 40 a 70 MW i zależy od składu i wilgotności podawanej mieszaniny paliwowej. Znaczna wilgotność materiałów poddawanych zgazowaniu powoduje relatywnie niską wartość opałową produkowanego gazu w granicach 2 4 MJ / m 3.

16 Produkcja energii w procesie fermentacji biomasy Powstają kolejne instalacje, wykorzystujące zrębki, odpady drzewne, realizuje się projekty budowy lokalnych biorafinerii. Jedną z technologii możliwych do wykorzystania w produkcji czystej energii jest beztlenowa fermentacja masy organicznej. materiałem do produkcji biogazu w procesie beztlenowej fermentacji, mogą być odpady organiczne zarówno z przemysłu spożywczego, jak i rolnictwa: kukurydza, trawa, odchody zwierzęce z chlewni, ferm drobiu oraz hodowli krów. poprzez beztlenowy rozkład bakteryjny odpadów organicznych, w zbiorniku fermentacyjnym otrzymujemy biogaz. Produkcja biomasy na hektar uprawy : Z podanej produkcji biomasy można uzyskać: W przeliczeniu na gaz Gz-50(z hektara) : min. 10 ton suchej masy/rok z hektara 6000 m 3 biogazu 3600 m 3 /hektar uprawy

17 MATERIAŁ wydajność z kg (m 3 ) Czas fermentacji dni słoma 0, liście buraków łęty ziemniaczane 0, , łodygi kukurydzy 0, koniczyna 0, trawa 0, Tabela Ilość biogazu i czas fermentacji

18 W zbiorniku o objętości 1100 m 3 można zdeponować w ciągu roku ok ton odchodów zwierzęcych oraz odpadów organicznych. Zakładając, że instalacja będzie zasilana biomasą 3000 ton/rok oraz odchodami zwierzęcymi ton/rok, możemy wyprodukować m 3 /rok biogazu, co odpowiada m 3 gazu ziemnego. Koszt instalacji wynosi ok. 1 mln zł Fot. 1. Zbiornik gromadzenia odpadów

19 Bilans kosztów i oszczędności Wartość uzyskanego gazu: 0,86 zł za 1m 3 gazu ziemnego m 3 x 0,86 zł = Koszt : Odchody zwierzęce 0 zł/r zł/r Biomasa 120 zł/tonę suchej masy 1000 ton x 120zł = zł/r Nadzór eksploatacji zł/r Amortyzacja * zł/r Zużycie energii zł/r Roczny koszt eksploatacji : zł/r Oszczędność : zł/r

20 Głównymi surowcami podlegającymi fermentacji beztlenowej są: Odchody zwierzęce Osady ściekowe z oczyszczalni ścieków Odpady organiczna W czasie procesu fermentacji beztlenowej do 60% substancji Organicznej jest zmieniona w biogaz. Biogaz składa się głównie z Metanu 55-70%, 32-37% CO 2, 0,2-0,4% N. Z 1 m 3 odpadów organicznych można uzyskać średnio m 3 biogazu o wartości opałowej 23MJ/m 3. Koszt budowy instalacji biogazowej o pojemności 200 m 3 wynosi w zależności od warunków złotych. Okres zwrotu nakładów inwestycyjnych na budowę biogazowni połączonej z produkcją kompostu wynosi minimum kilka lat. Przykładowa instalacja o oczyszczalni ścieków w Olsztynie kosztowała w 1995 Roku złotych, przy średniej ilości ścieków m 3 dziennie i produkcji biogazu m 3 rocznie. W Polsce zainstalowanych jest około 20 biogazowni w komunalnych Oczyszczalniach ścieków.

21 Decydujący wpływ na ilość wyprodukowanego biogazu ma skład chemiczny materiału. Szczególnie pożądanymi związkami w procesie, mają tłuszcze oraz skrobia, gdyż efektywnie podnoszą produkcję biogazu, nawet do 90 m 3 /tonę biomasy. Przy systemie o mocy 250 kwe, koszt budowy instalacji wynosi ok. 2 mln zł (8000 zł/kwe). Stosując standardowe kotły do spalania biomasy, instalacje stają się opłacalne, począwszy od 0,8 MWe, a koszty sięgają wówczas zł/kwe. Korzyści stosowania systemu beztlenowej fermentacji: - Pozostały materiał z procesu doskonale nadaje się do nawożenia gleby Wykorzystanie nieużytków na plantacje produkujące biomasę - zmniejszenie bezrobocia na szczególnie zagrożonych obszarach wiejskich. - Produkcja czystego gazu (porównywalnego z gazem ziemnym), który może być spalany w instalacjach kogeneracyjnych z silnikami gazowymi, (silniki gazowe są tańsze od podobnych instalacji do spalania odpadów drzewnych z obiegiem parowym i turbiną). Ciekawa alternatywa dla małych ciepłowni, relatywnie niskie koszty inwestycyjne.

22 - Łatwy transport oraz stosunkowo niskie koszty gazociągu. - Otrzymany biogaz może być wykorzystany do: produkcji energii elektrycznej w układzie kogeneracyjnym, do ogrzewanie domów, budynków użyteczności publicznej oraz napędu sprzętu ciężkiego. Jedną z firm wyspecjalizowanych w produkcji energii z biomasy jest holenderska firma HoSt, która wykonuje analizy wykonalności projektów, rozwoju technologii oraz dostarcza technologie beztlenowej fermentacji i zgazowania biomasy.

23

24 Przykłady konstrukcyjne kotłów

25

26

27 Uwaga Na przykładzie Elektrowni Opole Elektrownia Opole o mocy 4x360MW spala w ciągu godziny 600 ton miału energetycznego węgla kamiennego. W 2010 roku elektrownia powinna wytwarzać 7,5% na bazie energii odnawialnej, czyli powinna spalać około 50 ton/h biopaliw. Powstaje pytanie gdzie pozyskać takie ilości biopaliw?