BRYKIETOWANIE WĘGLA BRUNATNEGO Z BIOMASĄ W CELU UZYSKANIA PALIWA KOMPOZYTOWEGO

Transkrypt

1 Nr 5(114) Rynek Energii Str. 121 BRYKIETOWANIE WĘGLA BRUNATNEGO Z BIOMASĄ W CELU UZYSKANIA PALIWA KOMPOZYTOWEGO Andrzej Janewicz, Bogdan Kosturkiewicz Słowa kluczowe: węgiel brunatny, biomasa, paliwa kompozytowe, brykietowanie, termiczna utylizacja Streszczenie. Dyrektywa 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania produkcji energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych i będący jej konsekwencją załącznik do uchwały nr 202/2009 Rady Ministrów w sprawie Polityki energetycznej Polski do 2030 roku z dnia 10 listopada 2009 r. wskazują na konieczność wzrostu udziału paliw odnawialnych w bilansie energetycznym Polski. Ma się to przyczynić do wzmocnienia bezpieczeństwa energetycznego oraz zrównoważonego rozwoju kraju. Stąd, w ostatnim czasie, jednym z podstawowych kierunków polityki energetycznej Polski stał się rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym biomasy. Równocześnie konieczność dywersyfikacji struktury wytwarzania energii elektrycznej wskazuje na celowość przygotowania nowych technologii zagospodarowania tradycyjnych źródeł energii, np. węgla brunatnego. Wysoka zawartość wody (wilgotność nawet powyżej 50%) węgla brunatnego oraz jego mała gęstość nasypowa jest przyczyną niewielkiej gęstości energetycznej tego paliwa. Jedną z metod na jej polepszenie jest dodawanie do węgla brunatnego biomasy np. w postaci rozdrobnionej słomy, a następnie zagęszczanie i brykietowanie takiej mieszanki w prasach walcowych o dużych wydajnościach. Zastosowanie tej technologii jest możliwe pod warunkiem odpowiedniego przygotowania scalanych materiałów. W Katedrze Systemów Wytwarzania Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, w ramach programu CoalGas Work Package 5, opracowano koncepcję przygotowania paliwa kompozytowego z węgla brunatnego wydobywanego ze złoża Szczerców oraz rozdrobnionej słomy z owsa. W artykule przedstawiono niektóre wyniki tych badań, w tym rezultaty analizy fizykochemicznej tego paliwa. 1. WPROWADZENIE Konieczność dywersyfikacji struktury wytwarzania energii elektrycznej wskazuje na celowość przygotowania nowych technologii zagospodarowania tradycyjnych źródeł energii Polski jakim jest węgiel kamienny oraz węgiel brunatny. Wzrostu udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym kraju, stanowiący jeden z podstawowych kierunków polityki energetycznej Polski, oparty jest na szerokim wykorzystaniu różnych źródeł odnawialnych energii, w tym również biomasy wykorzystywanej przy współspalaniu w elektrowniach węglowych. Zgodnie z Rezolucją Sejmu Rzeczpospolitej Polskiej [12] wzrost wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych powinien stać się integralnym elementem zrównoważonego rozwoju państwa. Ta uchwała intencyjna, korespondująca z innymi aktami prawa wspólnotowego, zobowiązuje m. in. do osiągnięcia, w perspektywie średnioterminowej i długoterminowej, określonego udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym Polski. Udział zużycia energii elektrycznej produkowanej ze źródeł odnawialnych w zużyciu energii elektrycznej ogółem wskazuje na ogromną przepaść pomiędzy docelowymi zamierzeniami Polski w tym zakresie, a stanem obecnym. Tym bardziej zasadne wydaje się być wykorzystanie wszelkich substytutów paliw pochodzących ze źródeł odnawialnych w celu polepszenia cytowanych wskaźników. W przypadku termicznego zagospodarowania paliw kompozytowych jednym z najważniejszych kryteriów decydujących o przydatności tej technologii jest pozytywna ocena kosztowa, zgodna ze standardami koncepcji BATNEEC, tzn. koncepcji najlepszych dostępnych technologii nie powodujących nadmiernych (nieuzasadnionych) kosztów (best available technology not entailing excessive costs). Mając na uwadze powyższe w Katedrze Systemów Wytwarzania AGH realizowano program badań, którego celem była ocena możliwości zastosowania różnych technologii scalania materiałów drobnoziarnistych dla potrzeb produkcji paliwa kompozytowego. Jego częścią było wytworzenie brykietów z węgla brunatnego z dodatkiem biomasy oraz innych składników w laboratoryjnej prasie walcowej. Do badań eksperymentalnych wytypowano węgiel brunatny ze złoża Szczerców w pobliżu Bełchatowa, którego eksploatację rozpoczęto w sierpniu 2009 r. Jego zasoby szacuje się na 620 mln ton, co przy planowanym wydobyciu na poziomie 36,5 mln ton rocznie realizowanym do , w obecnych warunkach i szacowanych potrzebach energetycznych Polski umożliwi eksploatację węgla z tego złoża do 2038 r. Analiza termograwimetryczna tego węgla przeprowadzona w Akademii Górniczo-Hutniczej wykazała na możliwość podwyższenia jego gęstości energetycznej i polepszenie efektów spalania, poprzez dodawanie biomasy oraz zagęszczanie i scalanie poprzez brykietowanie tak powstałej mieszanki.

2 Str. 122 Rynek Energii Nr 5(114) BADANIA PROCESU BRYKIETOWANIA MIESZANEK WĘGLA BRUNATNEGO, BIOMASY ORAZ INNYCH SKŁADNIKÓW W PRASIE WALCOWEJ 2.1. Przygotowanie materiałów do badań Do badań pobrano próbkę węgla brunatnego ze złoża KWB Pole Szczerców która miała rozmiary 0-90mm. Próbkę rozdrobniono wstępnie za pomocą kruszarki szczękowej o złożonym ruchu szczęki do rozmiarów 0-30mm. Następnie mielono w młynie wirnikowym wyposażonym w cztery zestawy swobodnych bijaków. Młyn wyposażono w sito o rozmiarze oczka 3mm. Po mieleniu pobrano 3 próbki w ilości po 1kg w celu wykonania pomiaru wilgotności względnej i bezwzględnej. Pomiar wykonano przy pomocy termosuszarki. Temperatura suszenia 95 o C, czas suszenia 24 godziny. Wyznaczono średnie wartości wilgotności względnej i bezwzględnej. Wilgotność względna wyniosła 39,1% a wilgotność bezwzględna 63,2 %. Charakterystykę własności paliwowych analizowanego węgla brunatnego oraz jego skład granulometryczny przedstawiono w tabeli 1 oraz na rys. 1. Wartość opałowa Q r i, kj/kg Tabela 1 Charakterystyka własności paliwowych analizowanego węgla brunatnego Wilgotność W r t, % Popiół A r, % Siarka S r t, % 8,091 51,16 11,56 1,05 Jako biomasę do badań użyto słomę owsa. Słoma w balotach o średnicy 1,2 m została wstępnie rozdrobniona w rozdrabniaczu z wirująca głowicą wielonożową do rozmiaru mniejszego od 50 mm. Kolejnym etapem rozdrobnienia było mielenie w młynie młotkowym wyposażonym był w sito o rozmiarze oczka 4 mm. Dodatkowo stosowano również rozdrobnioną w ten sam sposób makulaturę Analiza termograwimetryczna składników mieszanki W celu dokonania oceny jakości paliwa kompozytowego przeprowadzono przy użyciu analizatora NETZSCH STA Jupiter 449F3, badania termograwimetryczne węgla brunatnego ze złoża Szczerców i biomasy otrzymanej ze słomy z owsa (udział masowy 95 %) oraz rozdrobnionej makulatury (udział masowy 5 %). Poprzez zbadanie charakteru przemian fizycznych i chemicznych przy pomocy tej metody można uzyskać informacje o mechanizmie rozkładu termicznego [9,10]. Wyniki badań termograwimetrycznych przedstawiono na rys. 2 i 3. Rys.2. Krzywe TG ogrzewania węgla brunatnego ze złoża Szczerców z szybkością 10 0 C/min oraz 40 0 C/min w atmosferze powietrza Przepad, % y = 5 7, L n ( x ) + 0, 6 R 2 = 0, , 2 0, , 5 R o z m i a r o c z k a s i t a, m m Rys.1. Skład granulometryczny zmielonego węgla brunatnego Rys.3. Krzywe TG ogrzewania biomasy z szybkością 10 0 C/min oraz 40 0 C/min w atmosferze powietrza

3 Nr 5(114) Rynek Energii Str. 123 Wyniki badań termograwimetrycznych wykazały, że dodawanie do węgla brunatnego biomasy może przyczynić się do obniżenia temperatury rozkładu paliwa oraz zmniejszenia ilości powstającego popiołu. Mając powyższe na uwadze, opracowano technologię przygotowania mieszanki węgla brunatnego i biomasy do brykietowania Przygotowanie mieszanek do brykietowania Poprzez ciągłe mieszanie w mieszarce zetowej z podgrzewanym płaszczem wodnym ujednorodniono skład węgla brunatnego pod względem fizykochemicznym. Następnie dodawano do niego biomasę w postaci rozdrobnionej słomy z owsa oraz rozdrobnionej makulatury. Czas mieszania materiału przed brykietowaniem ustalono na podstawie badania zmiany poziomu jego wilgotności. Masowy udział procentowy poszczególnych składników mieszanek oraz ich wilgotność przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2 Masowy udział procentowy poszczególnych składników mieszanek oraz ich wilgotność Nazwa mieszanki Mieszanka A Mieszanka B Mieszanka C Mieszanka D Węgiel Biomasa brunatny % % % Wilgotność mieszanki , , , ,4 Wybór rodzaju zasilania układu zagęszczania określono na podstawie otrzymanych charakterystyk zagęszczania węgla brunatnego oraz mieszanki węgla brunatnego i biomasy (rys. 4) Brykietowanie w prasie walcowej Scalanie mieszanki przeprowadzono w laboratoryjnej prasie walcowej LPW 450 wyposażonej w zasilacz grawitacyjny oraz oryginalny niesymetryczny układ zagęszczania. Nowa koncepcja niesymetrycznego układu zagęszczania, którą przedstawiono na rys. 5. stanowi przedmiot zgłoszenia patentowego [7]. Oryginalność tego układu polega ona na tym, że na pobocznicach pierścieni formujących wykonane są wzdłuż tworzących 54 rowki oraz wręby usytuowane w występach. Każdy z występów posiada 2 wręby. Rowki i wręby znajdują się naprzeciw siebie tworząc dwudzielną formę. Profil poprzeczny rowka i występu jest taki sam i umożliwia otrzymanie brykietów o objętości 5 cm 3 w kształcie siodła. Taki kształt powierzchni roboczej pierścieni formujących sprzyja lepszemu (jednolitemu) podawaniu nadawy w strefę zagęszczania prasy oraz umożliwia w większym stopniu otrzymanie brykietów o równomiernej gęstość w całej objętości. Jako zmienne niezależne sterowalne wytypowano: n w m w - prędkość obrotową walców prasy, - udział masowy mieszanek, - wilgotność mieszanek. Jako zmienne zależne wybrano: M w P n K 0 - moment skręcający na wale prasy, - nacisk jednostkowy we wgłębieniu formującym, - wytrzymałość brykietów na zrzut po próbie, D wytrzymałość brykietów na ściskanie po 168 h. Rys.4. Przykładowa charakterystyka zagęszczania węgla brunatnego oraz mieszanki węgla brunatnego i biomasy (udział masowy 1:1) Rys. 5. Niesymetryczny układ zagęszczania z rowkami i wrębami usytuowanymi wzdłuż tworzącej pierścieni formujących Realizowane w prasie walcowej LPW 450 o średnicy walców D=450 mm wyposażonej w zasyp grawitacyjny badania miały m.in. na celu określenie wpływu składu mieszanki złożonej z węgla brunatnego ze złoża Szczerców w pobliżu Bełchatowa oraz biomasy, jego wilgotności oraz wartości prędkości obrotowej walców prasy na wytrzymałość mechaniczną

4 Str. 124 Rynek Energii Nr 5(114) brykietów [11]. Założono, że parametry wytrzymałościowe produktu (brykietu) powinny pozwolić na ich transport i przeładunek w warunkach przemysłowych. Równocześnie dokonywano pomiarów momentu skręcającego na wale prasy oraz nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym w celu oszacowania zapotrzebowania energii na realizację procesu scalania oraz obciążeń elementów roboczych prasy walcowej. Mieszanki podawano w strefę zagęszczania prasy walcowej LPW 450 wyposażonej w zasyp grawitacyjny. Ilość materiału drobnoziarnistego dozowanego jednorazowo wynosiła 5 7 kg. Mieszankę scalano przy prędkościach obrotowych walców n w =4,25 16,96 obr/min, co odpowiadało prędkości obwodowej v w =0,1 0,4 m/s. Początkowa wartość szczeliny między walcami podczas brykietowania wynosiła nom ~1,0 mm. Z materiału dozowanego do prasy walcowej uzyskiwano brykiety o kształcie odpowiadającym kształtowi wgłębień formujących (rys. 6). Po opuszczeniu wgłębień gromadziły się one w pojemniku, skąd pobierano losowo próbki w celu wyznaczenia wytrzymałości brykietów na zrzut po próbie (K 0 ) i wytrzymałości na ściskanie po 168 h (D 168 ). Rys.6. Efekty scalania mieszanki węgla brunatnego i biomasy: A) o wilgotności 9,9 %, B) o wilgotności 21,9 % 2.5. Wyznaczanie wskaźników jakości brykietów Zrzuty brykietów dokonywano w seriach po 10 sztuk, z wysokości 2 m na płytę stalową o grubości 60 mm. Próby te powtarzano trzykrotnie, za każdym razem przesiewając pokruszoną masę przez sito o wymiarach oczka 18 x 18 mm. Rozmiar sita określono jako 2/3 średniej obliczonej z dwóch maksymalnych wymiarów brykietu, mierzonych we wzajemnie prostopadłych kierunkach. Wytrzymałość brykietów na zrzut obliczano z podanego poniżej wzoru (1): mk K0 100% m p (1) gdzie: m p - masa 10 brykietów przed zrzutami [g], m k - masa pozostającego na sicie nadziarna [g]. Próby wytrzymałości brykietów na ściskanie przeprowadzano na stanowisku pomiarowym wyposażonym w prasę ZWICK 1120 o zakresie nacisku N. Brykiet ściskano pomiędzy dwiema równoległymi płaszczyznami z prędkością v=0,001 m/s, a kierunek siły nacisku był prostopadły do tych płaszczyzn. Badania wytrzymałościowe przeprowadzano po 168h sezonowania w celu zminimalizowania wpływu warunków pogodowych (wilgotność powietrza, temperatura) na wartość otrzymywanych wyników. Wartości jednostkowego zapotrzebowania energii w czasie realizacji procesu brykietowania Z e obliczano z zależności N b Z e, kwh/mg, (2) Wb gdzie: N b - moc pobierana w czasie realizacji procesu brykietowania [kw], W b - wydajność masowa prasy walcowej przy brykietowaniu [Mg/h]. Moc pobieraną w czasie realizacji procesu brykietowania N b wyznaczano z zależności M w nw N b 2 9,55, kw, (3) gdzie: M w - moment na wale prasy walcowej [knm], n w - prędkość obrotowa prasy walcowej [obr/min]. Wydajność masową prasy walcowej wyposażonej w pierścienie formujące o wgłębieniach w kształcie siodła W b obliczano z wzoru: W b 60 V b ib n w b, Mg/h (4) gdzie: V b - objętość brykietu [m 3 ], i b - ilość wgłębień formujących [-], i=90, n w - prędkość obrotowa prasy walcowej [obr/min], b - gęstość brykietu [Mg/m 3 ]. Gęstość brykietów wyznaczano metodą hydrostatycznego ważenia w cieczy Wyniki badań i ich omówienie Wyniki badań poddano obróbce statystycznej zgodnie z procedurami określonymi dla estymacji dokonywanej oceną punktową. Na ich podstawie określono wpływ prędkości obrotowej walców, udziału masowego mieszanek oraz ich wilgotności na gęstość brykietów, wytrzymałość brykietów na zrzut bezpośrednio po próbie, wytrzymałość brykietów na ściskanie po 168 h, nacisk jednostkowy we wgłębieniu formującym i moment skręcający na wale prasy walcowej. Przykładową, zarejestrowaną przy pomocy zestawu telemetrycznego, charakterystykę czasową momentu skręcającego na wale prasy walcowej oraz uzyskaną

5 Nr 5(114) Rynek Energii Str. 125 poprzez czujnik membranowy, charakterystykę czasową nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym przedstawiono na rys. rys. 7 i 8. Ich przebiegi świadczą o tym, że proces brykietowania realizowano w stabilnych warunkach a przygotowane mieszanki posiadały jednorodny skład fizyko-chemiczny. W efekcie otrzymywano brykiety o porównywalnych i zbliżonych wskaźnikach jakościowych. w prasie walcowej z zasilaczem grawitacyjnym. Dla zadanych cech geometryczno-konstrukcyjnych strefy podawania i zagęszczania prasy ze wzrostem prędkości obrotowej walców obserwujemy spadek gęstości brykietów związany z ograniczeniami w przepływie nadawy w tym obszarze. Rys. 9. Zależność gęstości brykietów od prędkości obrotowej walców prasy Rys.7. Charakterystyka czasowa momentu skręcającego na wale prasy walcowej, mierzona przy prędkości obwodowej v = 0,1 [m/s] - mieszanka: węgiel brunatny 80 [%] + biomasa 20 [%] (słoma 95 % + makulatura 5 %), wilgotność mieszanki w=21,9 [%] wytrzymałość brykietów na zrzu po próbie, % ,25 6,37 8,48 12,73 16,96 nw, obr/min mieszanka A mieszanka B mieszanka C mieszanka D Rys.8. Charakterystyka czasowa nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym, mierzona przy prędkości obwodowej v=0,1 [m/s] - mieszanka: węgiel brunatny 80 [%] + biomasa 20 [%] (słoma 95 % + makulatura 5 %), wilgotność mieszanki w=21,9 [%] Przedstawiona na rys. 9 zależność gęstości brykietów od prędkości obrotowej walców jest typowa dla przypadku brykietowania materiału drobnoziarnistego Rys. 10. Zależność wytrzymałości brykietów na zrzut bezpośrednio po próbie od prędkości obrotowej walców prasy Wytrzymałość brykietów na zrzut jest uzależniona przede wszystkim od wilgotności mieszanki (rys.10) a w niewielkim stopniu od jej składu i prędkości obrotowej walców. Jak można stwierdzić brykietowanie mieszanek o wilgotności powyżej 20 % skutkowało wysoką wytrzymałością na zrzut brykietów sięgająca nawet 93,8 % (mieszanka D) przy prędkości obrotowej walców 0,4 obr/min i nacisku jednostkowym we wgłębieniu formującym wynoszącym 64 MPa. Zdecydowanie niższa była wytrzymałość brykietów otrzymanych np. z mieszanki A której wilgotność wynosiła zaledwie 9,9 % (<< 20%), które otrzymano przy prędkości obrotowej walców 0,1 obr/min i nacisku jednostkowym we wgłębieniu formującym wynoszącym 100 MPa. W tym przypadku wytrzymałość brykietów na zrzut wynosiła maksymalnie 57 %. Dla mieszanek B oraz C wzrost prędkości obrotowej walców skutkuje tendencją spadkową wytrzymałości brykietów na zrzut natomiast w przypadku mieszanki D jest odwrotnie tzn. obserwujemy wzrost tego wskaźnika.

6 Str. 126 Rynek Energii Nr 5(114) Efekt wpływu prędkości obrotowej walców oraz składu i wilgotności mieszanki na wytrzymałości brykietów na ściskanie po 168h przedstawiono na rys.11. Można stwierdzić, że dla każdego przypadku (każdej z badanych mieszanek) ze wzrostem prędkości obrotowej walców następuje istotny spadek wartości tego wskaźnika jakości produktu brykietowania. Dynamika tego spadku jest najwyższa dla mieszanki D natomiast dla mieszanek A, B oraz C ma porównywalny charakter. Najwyższą wartość wytrzymałości brykietów na ściskanie po 168h sezonowania otrzymana dla mieszanki D wyniosła 1139 N przy prędkości obrotowej walców 4,25 obr/min. Przy n w =16,96 obr/min wytrzymałości brykietów na ściskanie dla mieszanki D wyniosła 816 N i była tylko o ok. 8% niższa niż dla brykietów z mieszanki B ale otrzymanych przy niższych prędkościach obrotowych walców, a co za tym idzie i przy niższej wydajności brykieciarki. Podobnie jak w przypadku wytrzymałości brykietów na zrzut również przy badaniu wytrzymałości brykietów na ściskanie najgorsze wyniki otrzymano dla mieszanki A o wilgotności 9,9%. W tym przypadku wartość tego wskaźnika dla n w =4,25 obr/min była poniżej 600N i malała wraz ze wzrostem prędkości obrotowej walców osiągając dla n w =16,96 obr/min wartość 360 N. Na podstawie analiza wykresów przedstawionych na rys.10 oraz rys.11 stwierdzono, że zalecana wilgotność mieszanek powinna zawierać się w granicach 20% < w < 30% z punku widzenia otrzymania brykietów o wysokich wartościach wskaźników jakości. wytrzymałość brykietów na ściskanie po 168 h, N ,25 6,37 8,48 12,73 16,96 n w, obr/min mieszanka A mieszanka B mieszanka C mieszanka D Rys. 11. Zależność wytrzymałości brykietów na ściskanie po 168h od prędkości obrotowej walców prasy Wpływ prędkości obrotowej walców prasy na jednostkowe zapotrzebowanie energii w procesie brykietowania badanych mieszanek węgla brunatnego i biomasy przedstawiono na rys.12. W każdym przypadku zaobserwowano spadek jednostkowego zapotrzebowania energii ze wzrostem prędkości obrotowej walców. Najwyższa wartość tego parametru wynosząca 29,08 kwh/m 3 odpowiadała brykietowaniu mieszanki A przy prędkości obrotowej walców 4,25 obr/min natomiast najniższą wartość 18,65 kwh/m 3 zarejestrowano przy scalaniu mieszanki D i prędkości obrotowej walców 16,96 obr/min. Dla mieszanek A, B i C (80% węgla brunatnego i 20% biomasy) wzrost wilgotności przekładał się na spadek jednostkowego zapotrzebowania energii. Natomiast dla mieszanki D (50% węgla brunatnego i 50% biomasy) przy nieznacznie wyższej wilgotności w stosunku do mieszanki B można przypuszczać, że obniżenie jednostkowego zapotrzebowania energii średnio o ~6 kwh/m 3 związane jest wpływem składu mieszanki na proces scalania. nacisk jednostkowy, MPa Jednostkowe zapotrzebowanie energii Z e, kwh/m ,25 6,37 8,48 12,73 16,96 n w, obr/min mieszanka A mieszanka B mieszanka C mieszanka D Rys. 12. Zależność jednostkowego zapotrzebowania energii od prędkości obrotowej walców prasy ,25 6,37 8,48 12,73 16,96 n w, obr/min mieszanka A mieszanka B mieszanka C mieszanka D Rys. 13. Zależność nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym od prędkości obrotowej walców prasy Efekt zależności nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym od prędkości obrotowej walców prasy przedstawia rys.13. Przesuszenie mieszanki A (w=9,9%) spowodowało prawie stałą wartość tego nacisku przy zmianie prędkości obrotowej walców, czego można było oczekiwać. Natomiast dla pozostałych mieszanek obserwujemy spadek wartości nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym przy

7 Nr 5(114) Rynek Energii Str. 127 wzrastających obrotach walców, co jest typowe podczas brykietowania wilgotnych materiałów. Najwyższa zarejestrowana wartość nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym wyniosła 174 MPa dla mieszanki D przy n w =4,25 obr/min. 3. PODSUMOWANIE Zagadnienie brykietowania węgla brunatnego z dodatkiem biomasy na potrzeby uzyskania paliwa kompozytowego (podwyższenia gęstości energetycznej tego paliwa) oraz ograniczenia emisji szkodliwych substancji powstających podczas spalania węgla było i jest przedmiotem badań podejmowanych w różnych regionach świata [1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 13, 14, 15, 16]. W zależności od lokalnych uwarunkowań i potrzeb danego kraju lub regionu brykietowany jest węgiel brunatny, który stanowi surowiec o charakterystycznych właściwościach i parametrach ściśle związanych z danym obszarem a nawet konkretnym złożem z którego jest on wydobywany. Stosowanie jako komponentu brykietów paliwa kompozytowego różnego typu biomasy np.: trocin z drewna, łupin słonecznikowych, słomy ryżowej, odpadów bawełnianych, słomy zbóż uprawnych i wielu innych wynika z regionalnych i/lub lokalnych możliwości jej pozyskiwania. Badania eksperymentalne procesu brykietowania surowca energetycznego, jakim jest węgiel brunatny, z dodatkiem biomasy różnego rodzaju realizowany był przede wszystkim w matrycy zamkniętej w małowydajnych prasach stemplowych przy dużych i bardzo dużych naciskach osiągających nawet 800 MPa. Przedstawiony w artykule proces i uzyskane wyniki dotyczą natomiast brykietowania węgla brunatnego w wysokowydajnych prasach walcowych, a więc w urządzeniach o ciągłym charakterze pracy, przy znacznie niższych naciskach jednostkowych (zarejestrowane max. 174 MPa) i znacznie mniejszym jednostkowym zapotrzebowaniu energii na realizację procesu scalania. Podstawowe wnioski z dotychczasowych badań przeprowadzonych w AGH są następujące: 1. Istnieje możliwość brykietowania mieszanki złożonej w 80% z węgla brunatnego oraz w 20% z biomasy i mieszanki złożonej w 50 % z węgla brunatnego oraz w 50 % z biomasy w laboratoryjnej prasie walcowej LPW 450 wyposażonej w zasyp grawitacyjny oraz nowy niesymetryczny układ zagęszczania. 2. Wytrzymałość brykietów na zrzut jest uzależniona przede wszystkim od wilgotności mieszanki. Najwyższą wytrzymałość brykietów na zrzut otrzymano podczas brykietowania mieszanek o wilgotności wynoszącej co najmniej 21,9 %. Osiągała ona wartość nawet 93,8 %. Zdecydowanie niższa była wytrzymałość brykietów przesuszonych do wilgotności 9,9 %. Ich wytrzymałość na zrzut tych wynosiła maksymalnie 57 %. 3. Stwierdzono, że w cel otrzymania brykietów o wysokich parametrach wskaźników jakości, zalecana wilgotność mieszanek powinna zawierać się w granicach 20% < w < 30%. 4. Dla wytypowanych mieszanek i ich składów najkorzystniejsze rezultaty uzyskano podczas brykietowania mieszanki D, która pozwala uzyskać brykiety o najwyższych wskaźnikach jakości przy najniższym jednostkowym zapotrzebowaniu energii na realizacje procesu, a jednocześnie uzyskać najwyższą wydajność procesu scalania. 5. Z mieszanek A, B, C o jednakowym składzie i różnych wilgotnościach mieszanka B, o zbliżonej wilgotności do mieszanki D, pozwala uzyskać porównywalną jakość produktu jednak kosztem zwiększonego o ok. 6 kw/m 3 wzrostu zapotrzebowania energii na realizację procesu brykietowania. 6. Bezpośrednio po próbie brykiety były plastyczne (z uwagi na zawartą w nich wodę), co praktycznie uniemożliwiało przeprowadzenie badań ich wytrzymałości na ściskanie, dlatego też poddano je siedmiodniowemu sezonowaniu. LITERATURA [1] Beker, U. G.: Briquettability of Lignite and Woody Wastes Composite Fuel. Energy Sources - Taylor & Francis Ltd 2000, 22, [2] Chaiklangmuang S., Supa S., Kaewpet P.: Development of fuel briquettes from biomass-lignite blends. Chiang Mai J. Sci. 2008, 35(1), [3] Dzik.T., Hryniewicz.M.: Badania ciśnieniowej aglomeracji paliw kompozytowych. Inżynieria i Aparatura Chemiczna 2013, 52, 3, [4] Dzik. T.: Composite Solid Fuels for Gasification and Combustion Purposes. Polish Journal of Environmental Studies 2012 Vol. 21, No 5A, [5] Dzik T., Marciniak-Kowalska J., Madejska L.: Pressure agglomeration of hard and brown coals. Chemik 2012, 66, 5,

8 Str. 128 Rynek Energii Nr 5(114) [6] Dzik T., Rozwadowski A.: Metodyka doboru składników kompozytowych paliw stałych dla celów zgazowania, Polityka Energetyczna 2012, t. 15, z. 3, [7] Janewicz A., Hryniewicz M.: Urządzenie do brykietowania, zgłoszenie patentowe BUP nr [8] Khrustayov E.: Composite fuel a new word in energy conservation (in Russian). Power and Industry of Russia, 2005 ( ): [9] Magdziarz, A., Wilk, M.: Thermogravimetric study of biomass, sewage sludge and coal combustion. Energy Conversion and Management 2013, 75, [10] Magdziarz, A., Werle, S.: Analysis of the combustion and pyrolysis of dried sewage sludge by TGA and MS. Waste Management 2014, 34, [11] Nalladurai Kaliyan, Vance Morey R.: Factors affecting strength and durability of densified biomass products, Biomass and Bioenergy, 2009, 33, [12] Resolution no. 217 issued by the Council of Ministers on December 24, 2010, on National wastes management plan 2014, Official Journal - Monitor Polski, 101, 1183, [13] Sedlacek P., Martinek T., Fecko P.: Ecological pellets from brown coal and biomass. Journal of the Polish Mineral Engineering Society, 2003, R4, nr 2, [14] Sedlacek P., Safarova M., Vales J.: Possibilities of high sulphur content coal combustion with biomass contribution, Journal of the Polish Mineral Engineering Society, 2005, R6, nr 2, [15] Yaman S., Sahan M., Haykiri-Acma H., Secen K., Kucukbayrak S.: Fuel briquettes from biomass lignite blends. Fuel Processing Technology, 2001, 72, 1 8. [16] Zhang X., Xu D., Xu Z., Cheng Q.: The effect of different treatment conditions on biomass binder preparation for lignite briquette. Fuel Processing Technology, 2001, 73, Praca wykonana w ramach działalności statutowej nr Autorzy pragną serdecznie podziękować dr Anecie Magdziarz za pomoc w interpretacji wyników analizy termograwimetrycznej. BRIQUETTING LIGNITE WITH BIOMASS TO ORDER RECEIVE COMPOSITE FUEL Key words: legnite, biomass composite fuel, thermal utilisation Summary. Directive 2001/77/EC of the European Parliament and of the Council of 27 September 2001 on the promotion of electricity produced from renewable energy sources and an annex to the Resolution of the Council of Ministers no. 202/2009 on the Polish energy policy until 2030 of 10 November 2009 indicate a need for a strong increase in contribution of renewable fuels in energy balance of Poland. It is supposed to reinforce Polish energy security and to help balanced development of the country. Therefore a development of utilisation of renewable energy, such as biomass, became one of the focal points in Polish energy policy. Simultaneously a necessity for a diversification of production of electricity indicates a purpose of creating new technologies that would help in managing traditional energy sources such as lignite. Due to high moisture and bulk density, lignite as a fuel has low energy density. One of the ways to increase energy density is adding biomass (such as oat straw) to lignite and then briquetting the mixture in roll presses with asymmetric thickening gravity fed system. Using this technology is possible only if the integrated materials were previously correctly prepared. In Department of Production Systems at AGH University of Science and Technology, thanks to the 'CoalGas - Work Package 5' project, a new concept of creating fuel made of lignite, mined in Szczerce, combined with oat straw was mapped out. Results of research (including physico-chemical analaysis of this fuel) are presented in this paper. Andrzej Janewicz, dr inż., adiunkt, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Systemów Wytwarzania, janewicz@agh.edu.pl. Bogdan Kosturkiewicz, dr inż., adiunkt, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Systemów Wytwarzania, kostur@agh.edu.pl.