Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 40, s , 2009r.

Transkrypt

1 Ochron Środowisk i Zsobów Nturlnych nr 40, s , 2009r. Nin Bątorek-Gies, Brbr Jgustyn Instytut Chemicznej Przeróbki Węgl, ul. Zmkow 1, Zbrze Zwrtość chloru w biomsie stłej stosownej do celów energetycznych Chlorine content in solid biomss used for power industry Włściwości fizykochemiczne biomsy powodują, że jest on pliwem trudnym technologicznie, zncznie różniącym się od węgl splnego w kotłch energetycznych. Jednym z pierwistków zwrtych w biomsie, który dził szkodliwie zrówno n środowisko nturlne jk i n instlcje technologiczne stosowne do splni lub współsplni biomsy stłej jest chlor. Chlor występuje głównie w postci rozpuszczlnych chlorków, głównie sodu, potsu, mgnezu i wpni zbsorbownych przez rośliny z gleby. W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgl w Zbrzu od wielu lt prowdzone są bdni dotyczące oceny włściwości różnego rodzju biomsy stosownej w krjowej energetyce. W prcy przedstwiono wyniki oznczni zwrtości chloru w różnych rodzjch biomsy orz przykłdy negtywnego wpływu zwrtości chloru n prcę kotłów podczs procesu współsplni biomsy z węglem kmiennym. Physicl nd chemicl properties mkes biomss technologiclly difficult fuel reveling mny differences from col combusted in power boilers. Chlorine is one of the elements present in biomss tht hs hrmful environmentl effect s well s corrosive effect on technologicl instlltions used in combustion nd co-combustion of solid biomss. Chlorine ppers in its form of soluble chlorides, minly mgnesium, sodium, potssium nd clcium chloride bsorbed by plnts from the ground. In Institute for Chemicl Processing of Col in Zbrze, reserches concerning determintion of different properties of biomss used in power industry, hve been crried out since mny yers. This work presents the results of determintion of chlorine content in mny kind of biomss s well s chlorine negtive influence boilers work during the co-combustion of biomss nd col. Konieczność przeciwdziłni zchodzącym zminom klimtycznym wymusz podejmownie dziłń zmierzjących do ogrniczeni emisji gzów cieplrninych

2 [Borkowsk 2007]. Jednym ze sposobów jest zstępownie koplnych źródeł energii źródłmi odnwilnymi, między innymi biomsą roślinną. Zstosownie biomsy jko odnwilnego nośnik energii pierwotnej w energetyce jest procesem, który się już rozpoczął, le osiągnięcie odpowiedniego poziomu technologicznego, w szczególności wiedzy eksplotcyjnej ciągle wymg wielu bdń. Stopień wykorzystni biomsy jest uzleżniony od wielkości zsobów orz technologii przetwrzni. Obecnie tylko kilk jednostek energetycznych wytwrz energię elektryczną bezpośrednio spljąc jedynie biomsę. Większym zinteresowniem podmiotów krjowych elektroenergetyki i ciepłownictw cieszą się technologie umożliwijące współsplnie biomsy z węglem w istniejących kotłch energetycznych. Njczęściej spln jest bioms drzewn w postci zrębków, trocin, peletów i brykietów. Spln jest również kor, słom orz rośliny z plntcji np. wierzb energetyczn, misknt olbrzymi, śluzowiec pensylwński orz topinmbur. Od 2008r. Rozporządzenie Ministr Gospodrki [Dz. U. Nr 156, poz. 969] nrzuc obowiązek wprowdzni w cłkowitej ilości biomsy, współsplnej z pliwmi konwencjonlnymi, ściśle określonego udziłu biomsy z uprw energetycznych lub odpdów i pozostłości z produkcji rolnej (tzw. bioms gro ) orz przemysłu przetwrzjącego jej produkty, tkże części pozostłych odpdów, które ulegją biodegrdcji, z wyłączeniem odpdów i pozostłości z produkcji leśnej, tkże przemysłu przetwrzjącego jej produkty. Włściwości fizykochemiczne biomsy Włściwości fizykochemiczne biomsy powodują, że jest on pliwem trudnym technologicznie, zncznie różniącym się od węgl splnego w kotłch energetycznych. Podstwowe różnice miedzy tymi pliwmi to: wyższ zwrtość wilgoci w surowej biomsie, któr wpływ negtywnie n efektywność procesu splni orz wzrost kosztów trnsportu, wyższ zwrtość części lotnych, zmienijąc wrunki zpłonu i splni, niższ wrtość opłow biomsy, zbliżony jkościowo skłd pierwistkowy, lecz różny pod względem ich zwrtości. N włściwości fizykochemiczne biomsy m wpływ zrówno por ścięci biomsy jk i cechy uwrunkowne genetycznie, które w pewnym stopniu modyfikowne są wrunkmi środowiskowymi, tkimi jk włściwości gleby, jej nwożenie orz intensywność opdów.

3 W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgl w Zbrzu od wielu lt prowdzone są bdni dotyczące oceny włściwości fizykochemicznych różnego rodzju biomsy stosownej w krjowej energetyce. W tym czsie, w związku z brkiem norm krjowych i europejskich orz rosnącym zinteresowniem tego mteriłu jko pliw, oprcowno i wdrożono do prktyki lbortoryjnej procedury techniczne, stosowne do oceny prmetrów jkościowych biomsy [Winnick 2006]. W tbeli 1 przedstwiono podstwowe włściwości fizykochemiczne węgl i biomsy stłej. Tbel 1. Włściwości węgli orz biomsy stłej Tble 1. Properties of cols nd solid biomss Prmetr Węgiel Węgiel Bioms Bioms kmienny bruntny drzewn niedrzewn r W t % 3,2-19,1 10,9-54,6 4,9-68,5 6,1-41,0 W % 0,8-12,1 4,7-21,9 2,6-11,6 2,5-11,1 A % 3,5-26,9 3,5-26,9 0,3-6,9 1,3-16,3 V % 29,39-35,86 18,71-44,6 70,67-82,83 52,67-80,38 S t % 0,32-1,17 0,69-1,10 < 0,02-0,08 0,03-0,67 Q s % r Q i % Cl % 0,020-0,159 < 0,005-0,029 < 0,005-0,057 < 0,005-1,002 C t % 49,7-78,4 41,7-56,8 45,2-51,7 38,6-58,5 H t % 3,85-5,56 4,12-6,00 5,15-6,32 4,26-7,95 N % 0,54-1,51 0,31-0,98 0,12-0,87 0,23-5,82 W r t zwrtość wilgoci cłkowitej, W zwrtość wilgoci w próbce nlitycznej, A zwrtość popiołu, V zwrtość części lotnych, S t zwrtość sirki cłkowitej, Q s ciepło splni, Q r i wrtość opłow, Cl zwrtość chloru, C t zwrtość węgl cłkowitego, H t zwrtość wodoru, N zwrtość zotu Zwrtość chloru w biomsie stłej Jednym z pierwistków zwrtych w biomsie, który oddziływuje szkodliwie zrówno n środowisko nturlne jk i n instlcje technologiczne, stosowne do splni lub współsplni biomsy stłej jest chlor. Chlor występuje głównie w postci rozpuszczlnych chlorków, głównie sodu, potsu, mgnezu i wpni zbsorbownych przez rośliny z gleby. Spośród wielu metod oznczni zwrtości chloru nleży wymienić nstępujące metody: wgowe, mireczkowe, spektrometryczne, elektronlityczne, chromtogrfii gzowej i jonowej, fluorescencji rentgenowskiej. Wybór metody oznczni zwrtości chloru zleży od poziomu jego zwrtości w próbce, pożądnej precyzji i dokłdności, rodzju innych współwystępujących skłdników orz dostępności wyposżeni. Jedną z njprostszych metod oznczni chloru jest metod polegjąc n:

4 cłkowitym spleniu próbki w obecności mieszniny Eschki w bombie klorymetrycznej w tmosferze tlenu, oznczniu zwrtości chloru w roztworze zwierjącym produkty splni metodą mireczkowni. W chwili obecnej nie m norm dotyczących oznczni zwrtości chloru w biomsie. W IChPW oprcowno Procedurę Techniczną Q/ZK/P/15/26/A:2006 Bioms do celów energetycznych. Ozncznie zwrtości chloru z zstosowniem metody mireczkowni potencjometrycznego. Metodę tą możn stosowć do oznczni zwrtości chloru występującego w ilościch nie mniejszych niż 0,005 %. N podstwie wyników bdń stwierdzono, że chlor występuje w zleżności od rodzju biomsy, w ilości od poniżej 0,005% do 0,05% w przypdku biomsy drzewnej, w przypdku roślin jednorocznych (trw, słomy zbożowej, rzepkowej itp.) nwet do pond 1,0%. Wysok zwrtość chloru w przypdku roślin jednorocznych jest związn między innymi z zstosowniem potsowego środk nwożącego, którym njczęściej jest chlorek potsu (KCl). Zstąpienie chlorku potsu sircznem (K 2 SO 4 ) może spowodowć nieml pięciokrotne obniżenie zwrtości chloru w uprwinej biomsie. Świdczą o tym bdni przeprowdzone n ślzowcu pensylwńskim [Borkowsk 2007]. W tbeli 2 przedstwiono zwrtości chloru dl różnych rodzjów biomsy stłej. Przedstwione wyniki pochodzą z bzy dnych IChPW [Świec, Wilk 2008]. Tbel 2. Zwrtość chloru dl różnych rodzjów biomsy stłej Tble 2. Chlorine content of different kinds of the solid biomss Rodzj biomsy Zwrtość chloru (Cl ), % Drewno pochodzeni leśnego < 0,005-0,019 Wierzb energetyczn <0,005-0,057 Słom rzepkow 0,310-1,002 Wytłoki rzepkowe 0,019-0,057 Mkuch rzepkowy 0,038-0,124 Słom zbożow 0,085-0,264 Trwy 0,398-0,544 Zirno ows 0,057-0,073 Łusk zbożow < 0,005-0,074 Łuski słonecznik 0,074-0,102 Inne rośliny energetyczne (miskntus, śluzowiec pensylwński, nnercz zchodni) < 0,005-0,111

5 Oddziływnie chloru w procesie splni biomsy Współsplnie biomsy z węglem, poprzez odpowiedni dobór ilościowy i jkościowy biomsy, przynosi szereg pozytywnych efektów ekologicznych i ekonomicznych. Wymg jednk rozwiązni szeregu problemów orgnizcyjnych, technologicznych i technicznych. Współsplnie biomsy z węglem może powodowć [Ściążko, Zuwł, Sobolewski 2007]: rosnące zgrożenie tworzeni się osdów w plenisku orz n konwekcyjnych powierzchnich ogrzewlnych, szybszą korozję wysokotemperturową po stronie splin, redukcję sprwności ukłdów odpylni, problemy z wykorzystniem odpdów pleniskowych ze względu n zmienijący się ich skłd, emisję romtycznych związków chloroorgnicznych, w tym dioksyn i furnów (w przypdku splni biomsy o dużej zwrtości chloru). Współsplnie niektórych rodzjów biomsy (np. słom, liście, kor drzew) może spowodowć między innymi wzrost zgrożeni korozją chlorkową przegrzewczy pry, związną ze wzrostem udziłu Cl w pliwie. Korozj t jest nierozerwlnie związn z osdmi popiołowymi pokrywjącymi rury [Ściążko, Zuwł, Sobolewski 2007, Ściążko, Zuwł, Pronobis 2007]. Szczególnie korozyjny względem stli w wysokiej temperturze jest chlor molekulrny (Cl 2 ). Powoduje on tzw. ktywne utleninie metlu niszczące ochronną wrstwę tlenków. Źródłem chloru molekulrnego (Cl 2 ) przy powierzchni metlu może być powstjący w splinch chlorowodór (rekcj Decon - utleninie HCl) orz występujące w osdch chlorki metli lklicznych (K i N). Korozj chlorkow jest szczególnie intensywn jeżeli KCl i NCl występują w fzie ciekłej. Pomimo, że tempertur topnieni tych chlorków jest wysok (KCl 774 o C, NCl 802 o C) to ich eutektyki z chlorkmi innych metli mją zncznie niższą temperturę topnieni. N skutek tego w kotłch, w których spl się pliw zwierjące chlor, lkli i metle ciężkie, zgrożenie korozją występuje już w temperturze 250 C (eutektyk ZnCl 2 - KCl) [ Chlor obecny w biomsie orz w splnych miesznkch pliwowych m wpływ n skłonność do żużlowni. W zleżności od zwrtości chloru w pliwie skłonność t określon jest nstępującymi zleżnościmi [Ściążko, Zuwł, Sobolewski 2007]:

6 Cl < 0,2 Cl = 0,2-0,3 Cl = 0,3-0,5 Cl > 0,5 mł skłonność pliw do żużlowni średni skłonność pliw do żużlowni duż skłonność pliw do żużlowni brdzo duż skłonność pliw do żużlowni Podsumownie Duż zwrtość chloru, zwłszcz w słomie rzepkowej orz trwch może stwrzć zgrożenie korozją chlorkową orz zwiększyć skłonność pliw do żużlowni. W związku z wprowdzeniem do procesu współsplni nowych rodzjów biomsy, zwierjących zncznie większe ilości chloru niż bioms drzewn, celowym jest prowdzenie dl nich kontroli zwrtości tego pierwistk. Mjąc n uwdze wymogi legislcyjne, nrzucjące systemtyczny wzrost udziłu w cłkowitej msie splnej biomsy biomsy pochodzeni gro, nleży zwrcć szczególną uwgę n jej odpowiedni dobór zrówno ilościowy jk i jkościowy. Litertur: Borkowsk H., Lipieński W Zwrtość wybrnych pierwistków w biomsie kilku gtunków roślin energetycznych. Act Agrophysic. 10(2): Dziennik Ustw nr 156, poz. 969, Rozporządzenie Ministr Gospodrki z dni 14 sierpni 2008 r., w sprwie szczegółowego zkresu obowiązków uzyskni i przedstwieni do umorzeni świdectw pochodzeni, uiszczeni opłty zstępczej, zkupu energii elektrycznej i ciepł wytworzonych w odnwilnych źródłch energii orz obowiązku potwierdzni dnych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnwilnym źródle energii. Ściążko M., Zuwł J., Pronobis M Współsplnie biomsy i pliw lterntywnych w energetyce. Wydwnictwo Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgl i Politechniki Śląskiej. Zbrze-Gliwice. Ściążko M., Zuwł J., Sobolewski A Przewodnik Metodyczny Procedury bilnsowni i rozliczni energii wytwrznej w procesch półsplni. Wrszw-Zbrze.

7 Świec G., Wilk B Bz dnych sttystycznych węgl, biomsy, pliw lterntywnych i polskiego przemysłu koksowniczego jko instrument upowszechnini wyników dziłlności bdwczo-rozwojowej Instytutu. Winnick G., Jgustyn B Procedury nlityczne dl oceny włściwości biomsy i pliw lterntywnych. Przemysł chemiczny. 8-9: