Biomasa ciepło i energia elektryczna

Transkrypt

1 Biomasa ciepło i energia elektryczna Dr hab. inż. Mariusz Filipowicz Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego ul. Kawiory 40, pok filipow@agh.edu.pl

2

3

4 Pojęcie biomasy Pod pojęciem biomasy rozumie się wszelką substancję organiczną produkowaną z udziałem dwutlenku węgla (z atmosfery) i wody (z gleby). prof. dr hab. inż. I. Soliński BIOMASA Bezpośrednie spalanie: -drewno -słoma -makulatura Przetworzenie na paliwo płynne: -olej z roślin oleistych -alkohol Przetworzenie na paliwo gazowe: -Biogaz z wysypisk -Fermentacja gnojowicy -Fermentacja osadów

5 Potencjał energetyczny biomasy Alkohol etylowy Estry kwasów tłuszczowych Drewno 21,6 PJ 24 PJ Możliwe jest uzyskanie następujących ilości energii z różnych źródeł: Słoma Biogaz 68 PJ 37,5 PJ 131,1 PJ Ogółem na cele energetyczne: 282 PJ

6 Zasoby drewna i ich rozmieszczenie Źródło: M. Rogulska, Rynek biomasy stałej w Polsce, stan z dnia

7 Tab. 1. Szacunkowe możliwości pozyskania drewna z różnych źródeł (I. Soliński, Biomasa, energia odnawialna) Źródło Lasy Przemysł drzewny Szacunkowe możliwości pozyskania surowca 3250 dam3 iglaste 1450 dam3 - liściaste 1110 dam3 Zadrzewienia Sady 265 dam3 750 dam3

8 Zasoby słomy i ich rozmieszczenie Źródło: mgr Renata Jaworska, Rynek Biomasy w Polsce mocne i słabe strony

9 Tab. 2. Wartości opałowe słomy Rodzaj słomy Pszenna Jęczmienna Kukurydziana Wartość opałowa słomy suchej [MJ/kg] 17,3 16,1 16,8 Zawartość wilgoci w słomie świeżej [%] Wartość opałowa słomy świeżej [MJ/kg] 12,9-14,9 12,0-13,9 3,3-7,2

10 Peletyzowanie biomasy 1. Wstępne rozdrabnianie surowca w zależności od rodzaju surowca do tego procesu stosuje się rębaki, młyny impaktowe tnące lub połączenie tych urządzeń. Średnica materiału do rozdrobnienia nie może przekraczać 200mm, natomiast przy surowcu wstępnie rozdrobnionym wielkość cząstek nie powinna przekraczać 5mm. Najlepsze rezultaty osiągane są przy wilgotności surowca nie przekraczającej 20%. 2. Proces suszenia do procesu peletyzacji najlepszym zakresem wilgotności jest 14-16%. W celu redukcji wilgotności z zakresu max. 50% do poziomu bliskiego 10% stosuje się suszarki rotacyjne na paliwo stałe. Pozwala to na zmniejszenie zużycia energii suszenia o około 30% w stosunku do suszarek napędzanych silnikami elektrycznymi. Można oczywiście stosować suszarki wykorzystujące napęd elektryczny lub gaz, wiąże się to jednak z dodatkowymi kosztami. 3. Proces pelletowania, inaczej granulacji. najważniejszym elementem tego procesu jest młyn-granulator do pelletu. 4. Proces chłodzenia po procesie granulacji, temperatura pelletu wynosi około stopni, a wilgotność około 15%. Proces chłodzenia ma na celu obniżenie temperatury produktu oraz obniżenie poziomu wilgotności o około 3-4%. 5. Pakowanie po procesie chłodzenia pellet nie jest jeszcze gotowy do wprowadzenie bezpośredniego do procesu spalania. Nie wolno dopuścić, aby schłodzony pellet miał kontakt z pelletami o większej wilgotności, dlatego należy używać maszyn pakujących.

11 Peletyzowanie biomasy

12 Schemat układów roboczych granulująco-brykietujących: a) z zamkniętą komorą zagęszczania: 1-mimośrod, 2-tłok, 3-ślimak podający materiał, 4-komora zagęszczania,5-zamknięcie komory, b) z otwartą komorą zagęszczania: 1-tłok, 2-korbowod, 3-komora zagęszczania, 4-brykiety, 5-grzałki, 6-ślimak podający materiał, 7-materiał, c) ze ślimakowym układem roboczym, 1-ślimak zagęszczający, 2-matryca, 3-trzpień stożkowy, d) układ roboczy płaska matryca-rolki zagęszczające : 1-rolka zagęszczająca, 2-materiał, 3-matryca, 4-aglomerat, e) układ roboczy pierścieniowa matryca-rolki zagęszczające

13 Nieprzetworzone drewno: a) drewno kawałkowe, b) zrębki drzewne, c)wióry [11], d) trociny, e) kora Pellet

14 Charakterystyka pelletów drzewnych podawana przez ich producentów Parametr Producent (oznaczenie przypadkowe) A B C D E Średnica, mm 8 6 lub Długość, mm < do Gęstość nasypowa, kg/ Gęstość materiału, kg/ 1200 min Zawartość wilgoci, % <12 do 10 6, Zawartość popiołu, % <1,5 do 1 0,4 0,3-1 0,2 Wartość opałowa, MJ/kg ~ ,0-19,5 19,5 Ciepło spalania, MJ/kg - 18,7-21,5-18,5-20,0 - Zawartość siarki, % <0, ,01 Zawartość chlorków, % <0, ,01

15 Brykietowanie biomasy Brykiet, to tak jak w przypadku pelletu zagęszczony surowiec pierwotny, którym najczęściej są rozdrobnione odpady suchego drewna lub słoma czy łuski słonecznika itp.. Proces brykietowania polega, na sprasowywaniu pod dużym ciśnieniem paliwa, bez dodatku substancji klejących przy jednoczesnym wzroście temperatury. Pod wpływem tych czynników wydziela sie lignina zawarta w surowcu, która po schłodzeniu zastyga i spaja całość Charakteryzuje się również niską zawartością wilgoci wynoszącej 6-10%, dzięki czemu osiągają wysoką wartość opałową, która w zależności od użytego surowca osiąga poziom MJ/kg. Brykiety: ilość trocin odpowiadająca kostce brykietu (a), przykładowe typy kształtów (b) oraz przykładowe sposoby ich pakowania c) Wymiary od kliku do kilkunastu centymetrów. Produkowany jest w wielu kształtach np.: walca, kostki czy nawet "ośmiokąta"

16 Charakterystyka brykietów drzewnych podawana przez ich producentów Parametr Producent (oznaczenie przypadkowe) I II III IV *1 V Gęstość nasypowa, kg/ Gęstość materiału, kg/ Wilgotność, % ok. 9,5-5-8 do 10 <10 Zawartość popiołu, % do 2,5 1,46 0,33-1,00 do 0,7 2 Wartość opałowa, MJ/kg ok. 17,0-18,0-19,6 18,0 18,5 Ciepło spalania, MJ/kg - 19,388 19,5-21,0-20,5 Zawartość siarki, % do 0,1 nie wykryto - - nie zawiera Zawartość azotu, % do 0,2 0, Zawartość chloru, % do 0, *1 Brykiety typu walec z o średnicy 10 cm i długości ok. 10 (możliwe też wymiary walca: średnica od 5 cm do 7 cm, długość od 3cm do 15 cm).

17 Kotły na biomasę Kotły na biomasę w tradycyjnych systemach grzewczych, wymagania techniczne dla instalacji z kotłem na biomasę, przyszłość systemów biomasowych

18 Przykładowy kocioł na drewno

19 Działanie kotła zgazowującego Gazyfikacja jest procesem rozkładu termicznego substancji, który zachodzi w wysokiej temperaturze. Proces przebiega dwustopniowo, a jego produktem jest gaz. W komorze zgazowania drewna (komora załadowcza), przy niedoborze powietrza pierwotnego i stosunkowo niskiej temperaturze ok ᵒC, drewno zostaje osuszone, a następnie odgazowane. W wyniku tego otrzymujemy gaz palny oraz pozostałość mineralną (węgiel drzewny). Powstały gaz transportowany jest w dół urządzenia, do drugiej części pieca (komory dopalania), gdzie pod wpływem powietrza wtórnego jest spalany w temperaturze ok ᵒC. Gorące spaliny oddają ciepło w wymienniku spaliny - woda i zostają odprowadzone do komina. Przepływ gazu drzewnego jest zgodny z przepływem powietrza (spalanie współprądowe).

20 Podział kotłów na biomasę konstrukcje z załadunkiem ręcznym, tzw. kotły wsadowe, jak i zautomatyzowane kotły z podajnikiem. Te ostatnie konstrukcje z uwagi na rodzaj palnika i sposób podawania paliwa dzieli się dalej na: - kotły retortowe - kotły z palnikiem szufladowym - kotły z palnikiem wrzutowym - kotły z palnikiem tubowym (rurowym)

21 Kocioł z palnikiem retortowym Paliwo doprowadzane jest do palnika od spodu przenośnikiem Przenośnik w sposób ciągły wypycha paliwo do żaroodpornego tygla, gdzie spala się. Powietrze niezbędne do spalania podawane jest wentylatorem nadmuchowym Spalanie zachodzi zawsze tylko na powierzchni kopca w niewielkiej ilości paliwa i w wysokiej temperaturze, Popiół powstały podczas spalania usuwany jest na bieżąco do popielnika, a na jego miejsce podawana jest świeża biomasa. Regulacja wydajności kotła zachodzi poprzez zmianę prędkości obrotowej ślimaka i wentylatora

22

23 Przykładowe rozwiązanie kotła retortowego do użytku domowego KOCIOŁ KGS M, EKOENERGIA 1) Wyczystka górna 2) Panel wodny 3) Czopuch 4) Zbiornik 5) Deflektor 6) Drzwiczki paleniska 7) Wentylator 8) Motoreduktor 9) Retorta 10) Wyczystka przednia 11) Regulowane stopy Moc [kw] A szer. Wymiary [mm] G głęb. H wys. L szer. całk. Spraw. cieplna [%] , , ,5

24 Kocioł z palnikiem szufladowym Podawanie paliwa odbywa się specjalny tłokiem, który przepycha paliwo z zasobnika na ruszt paleniska. Każdy ruch tłoka powoduje jednocześnie odżużlanie paleniska i usuwanie powstałego popiołu do popielnika. Palniki szufladowe zwane też tłokowymi lub posuwowymi, dostępne są wersjach z płaszczem wodnym i bez. Pierwsze rozwiązanie optymalizuje proces spalania, zmniejszając niebezpieczeństwo spiekania popiołu

25 Przykład kotła do użytku domowego, Stalmark Moc 25 KW, sprawność 89.3%

26 Kocioł z palnikiem wrzutowym Paliwo podawane jest tutaj w pierwszej kolejności ukośnym podajnikiem ślimakowym do środkowej części kotła, skąd rynną zsypową zrzucane jest do specjalnego żaroodpornego tygla od góry, w małych porcjach co kilkanaście do kilkudziesięciu sekund i niemal natychmiast spalane.

27 Palniki tubowe Spalania wysokiej jakości pelletu o małej średnicy (poniżej 10mm), ale także ziarna zbóż, wysuszonych trocin i wiórów drzewnych. Podobne do palników na olej opałowy. Paliwo podawane jest małymi porcjami systemem pneumatycznym, elastyczną rurą zasypową i po automatycznym zapłonie spala się w komorze spalania

28 Kotły na słomę Kocioł wrzutowy płomienicowy Kocioł wrzutowy płomienicowo-płomieniówkowy 1- czujnik temperatury 2-kolektor dymny 3- wkład ceramiczny 4- rozdzielacz nawiewu powietrza 5- wentylator 6- komora spalania 7- płaszcz wodny 8- izolacja kotła 1- czujnik temperatury 2-kolektor dymny 3- ceramika 4- rozdzielacz nawiewu powietrza 5- wentylator 6- płaszcz wodny 7- izolacja kotła 8- komora spalania-płomienica Pierwsze kotły wrzutowe, kotły płomienicowe, miały niska sprawność: %. Przyczyną tego była utrata znacznej części energii w kolektorze dymnym, spaliny osiągały tam temperaturę aż 400 C. Kluczem do zwiększenia sprawności było wbudowanie systemu płomieniówek, dzięki czemu zwiększyła się droga przepływu spalin w kotle, a co za tym idzie dochodziło do lepszego dopalania części lotnych spalin. Wprowadzono także system pojedynczego lub podwójnego zawrotu spalin

29 Kocioł ze spalaniem przeciwprądowym Rozdziela powietrze na dwa strumienie: pierwotne oraz wtórne. Taki kocioł zbudowany jest z trzech komór: -komory spalania (załadownicza), gdzie za pomocą wentylatora nawiewane jest powietrze pierwotne pod kątem prostym do powierzchni kostki, tak aby słoma pozostawała na miejscu i nie była porywana przez palące się gazy. W komorze dochodzi do podgrzania i zgazowania biomasy, czyli spalania z niedoborem tlenu. Powstałe gazy przepływają do drugiej komory -komory spalania gazów, gdzie gazy mieszają się z powietrzem wtórnym. Przepływ odbywa się pod prąd powietrza podmuchowego, co zapewnia dopalanie gazów i innych związków organicznych. Powstałe spaliny przepływają do wymiennika ciepła. -w wymienniku oddają ciepło, a następnie zostają skierowane do ciągu kominowego.

30 Schemat instalacji

31 Elementy instalacji biomasowej na Wydziale Energetyki i Paliw

32 Wizualizacja i oznaczenie elementów pomiarowych temperatury IW0-IW7 czujniki temperatury w komorze spalania

33 Przyrost temparatury [K] Przykładowy pomiar przebieg temperatur w komorze spalania (18kg pelletu gigantus miskantus, 20kg słomy, 5kg drewna) IW0 IW1 IW2 IW3 IW4 IW5 IW6 IW Czas [min]

34 Słoma i kotły na słomę Przykładowe instalacje kotłów na słomę

35 Schemat technologiczny kotłowni opalanej słomą w Lubaniu Cztery kotły o mocy 2x3,5 MW + 1 MW. Kostki słomy ładowane są na stół podawczy, skąd trafiają do rozdrabniarki. Po rozdrobnieniu słoma dozowana jest podajnikiem ślimakowym, do śluzy ogniowej, a następnie trafia do kotła. W komorze spalania, odbywa się zgazowanie części lotnych. Otrzymany gaz mieszany zostaje z powietrzem wtórnym i ulega spaleniu w komorze spalania. Odgazowana słoma zostaje dopalona na ruszcie schodkowym przy udziale powietrza pierwotnego. Spaliny trafiają do odpylacza, a następnie zostają odprowadzone do komina. Koszt energii cieplnej wyprodukowanej w takiej kotłowni jest o 40% niższy, niż wyprodukowanej w tradycyjnej kotłowni opalanej węglem