Projekt pt.:,,opracowanie metod przygotowania biomasy rolnej do energetycznego wykorzystania realizowany jest przez konsorcjum: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, oddział Warszawa (dawny IBMER) Politechnikę Śląską, Gliwice, Politechnikę Białostocką, Białystok, Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej, Lubań, Firmę Metalerg, Oława. Koordynatorem projektu jest Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, oddział Warszawa. Wprowadzenie Biomasa rolnicza na cele energetyczne powinna być wykorzystywana lokalnie. Transport biomasy na odległości większe niż 50 100 km nie ma uzasadnienia gospodarczego i nie sprzyja ochronie klimatu oraz środowiska. Racjonalne wykorzystanie biomasy na cele energetyczne prowadzi do zrównoważonego rozwoju rolnictwa i obszarów wiejskich, przy uwzględnieniu efektywnego wykorzystania zasobów przyrodniczych, ochrony różnorodności biologicznej, ekologizacji rolnictwa oraz ochrony środowiska. W pierwszej kolejności, na cele energetyczne należy wykorzystywać produkty uboczne i pozostałości pochodzące z rolnictwa oraz przemysłu rolno-spożywczego Słoma jako produkt uboczny produkcji roślinnej stanowi cenny surowiec energetyczny. Po zagospodarowaniu niezbędnych jej ilości w rolnictwie (produkcja zwierzęca lub inna produkcja rolnicza np. uprawa pieczarek) nadwyżki słomy mogą zostać wykorzystane do produkcji energii w lokalnych systemach energetycznych bądź ciepłowniczych. Na cele energetyczne może być wykorzystana słoma wszystkich gatunków roślin zbożowych oraz rzepaku i gryki. Ze względu jednak na dostępność i właściwości, najbardziej przydatna w procesie spalania jest słoma żytnia, pszenna, rzepakowa oraz gryczana. Zdecydowanie rzadziej używane są łodygi i osadki kukurydzy. Podstawowym problemem zaopatrzenia w słomę jest nadmierne zawilgocenie, któremu w okresie składowania ulega 3 8% słomy [Kowalczyk K. 2011]. Zawilgocenie, uniemożliwiające użycie słomy jako paliwa dotyczy 1 5 % składowanej słomy. Podwyższona wilgotność słomy powoduje: niższą sprawność spalania, wyższe zużycie energii elektrycznej, wyższą awaryjność urządzeń, wyższe koszty. Na rys.1. przedstawiono mokrą belę słomy. 1
Rys.1. Zawilgocona bele słomy [Kowalczyk K., materiały projektu] Podstawową barierę w zwiększeniu zastosowania słomy jako paliwa stanowi problem utrzymania jej jakości na właściwym poziomie przy akceptowalnych kosztach. Właściwą jakość można zdefiniować jako wilgotność słomy w okresie zbioru i przechowania na poziomie nie powodującym jej gnicia. Bariera wilgotności ogranicza istotnie podaż słomy dotyczy to zbioru własnego i zakupów słomy prasowanej. Ponadto ceny suchej słomy osiągają wysokie ceny a jej podaż jest ograniczona. Problem badawczy Problem badawczy sformułowano następująco: Czy można, a jeżeli to jak poprawić jakość słomy? Techniczna możliwość suszenia słomy w miejscu zużycia może poprawić jakość słomy. Jednak przy wdrażaniu suszenia słomy występuje szereg problemów: Brak gotowej oferty urządzeń dla takich technologii. Obawy o bezpieczeństwo pożarowe. Obawy o korozyjne oddziaływanie spalin jako czynnika suszącego. Ryzyko uciążliwości emisji z instalacji suszarniczych. Stan aktualny rynkowy urządzeń do suszenia Do suszenia biomasy najczęściej są stosowane suszarnie bębnowe. Wydajność ich zależy od własności materiału suszonego i konstrukcji suszarni. Może ona wynosić 0,5 do 2 ton. Podstawowym elementem konstrukcyjnym suszarni bębnowej jest bęben suszarniczy (przykładowe wymiary: długość: 9 000 mm, średnica: 1 700 mm), w skład jej budowy wchodzi wentylator wyciągowy, cyklon, lej zasypowy, podajnik ślimakowy oraz osprzęt pomocniczy w postaci rur łączących i kominowych, itp. Obrotowy ruch bębna powoduje rozprzestrzenienie suszonego materiału w bębnie, oraz jego przemieszczenie w kierunku wylotu. Utrata wilgotności surowca następuje poprzez bezpośredni styk suszonego materiału z mieszaniną gorącego powietrza i gazów spalinowych. Ciepło do suszenia pochodzi z pieca na paliwo stałe z wentylatorem nadmuchu. Do wysuszenia 1t biomasy od wilgotności początkowej 45-50 % do końcowej 15 % potrzeba przeciętnie 200 kg/h węgla kamiennego. Innym rodzajem ze względu na konstrukcje jest suszarnia rurowa (np.: SR500). Wydajność tego typu suszarń wynosi od 300-1000 kg/h w zależności od ilości modułów. Wydajność suszarni 1 modułowej to 300-350 kg/h przy suszeniu z wilgotności 45% do 15%. Proces suszenia następuje pod wpływem cyrkulacji materiału w obiegu z gorącym powietrzem. Ciepło uzyskiwane jest z pieca na paliwo stałe poprzez wymiennik ciepła. Trzeci rodzaj to suszarnia taśmowa. Charakteryzuje się ona systemem taśm transportujących suszony surowiec (80 metrów drogi suszenia) i indywidualnym nadmuchem powietrza na każdą siatkę. Suszarnia posiada system recyrkulacji ciepłego powietrza pochodzącego z pieca z nadmuchem. Jednak, żadne z tych urządzeń nie spełniło kryteriów użytkownika kotłowni na 2
słomę. Na tym tle zrodziła się koncepcja projektu. W miejscach potencjalnego zużycia słomy powstaje energia odpadowa, zatem przedsiębiorstwa energetyczne dysponują darmowymi zasobami energii na poziomie 10 % energii w zużywanym paliwie ( w PEC Lubań to około 5 000 MWh rocznie). Energia ta może być wykorzystana do suszenia słomy. Obniżenie wymagań w stosunku do surowca na wejściu do instalacji może wpłynąć na obniżenie jego ceny i zwiększenie podaży. Zakres projektu W projekcie przeprowadzono badania dotyczące: Charakterystyka słomy, a szczególnie wpływu warunków uprawowych na właściwości słomy. Oceny wpływu warunków i czasu przechowywania słomy na własności użytkowo energetyczne. Omówiono technologie spalania słomy i technologiczne problemy związane ze spalaniem słomy w kotłach ze złożem stałym. Przeprowadzono analizę związaną z wpływem właściwości fizykochemicznych słomy na sprawność energetyczną i emisje zanieczyszczeń. Wykonano badania modelowe w skali laboratoryjnej wpływu addytywów nieorganicznych na przebieg procesu spalania słomy Oceniono wpływ stosowania addytywów oraz parametrów procesu spalania słomy w instalacji pilotażowej na sprawność energetyczną kotła i emisje zanieczyszczeń. Badania modelowe dotyczyły również redukcji zagrożenia czynnikami korozyjnymi słomy metodą wymywania oraz wpływu addytywów nieorganicznych na charakterystykę fizykochemiczną popiołów ze spalania słomy. Natomiast badania pilotażowe dotyczyły wpływu addytywów nieorganicznych na charakterystykę fizykochemiczną popiołów ze spalania słomy. Dokonano charakterystyki aktualnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych kotłów opalanych słomą. Wykonano badania pilotażowe wpływu spalania słomy na zmiany właściwości wybranych stali konstrukcyjnych. Inna część badań dotyczyła rozdrabniania słomy. W tym zakresie wykonano badania i ocenę składu granulometrycznego słomy uzyskanej z różnych urządzeń rozdrabniających. Przeprowadzono analizę kosztu pozyskania 1GJ energii podczas operacji rozdrabniania. Wykonano również badania dotyczące suszenia słomy. W tym zakresie badano wpływ zmian temperatury czynnika suszącego na szybkość suszenia słomy, wpływ prędkości czynnika suszącego na szybkość suszenia oraz wpływ stopnia rozdrobnienia słomy na kinetykę suszenia. Opracowano technologię suszenia. Przedstawiono wytyczne do budowy linii technologicznej przygotowania słomy do energetycznego wykorzystania. Jednak podstawowym celem projektu było wykonanie prototypowej suszarki do słomy wykorzystującej energię z gazów spalinowych kotłowni na słomę. Na rys. 2,3 i 4 przedstawiono etapy realizacji prototypu. Rys.2. Pomiar rozpływu powietrza w zwijanej beli słomy. 3
Rys.3.Pomiar rozpływu powietrza w prostopadłościennej beli słomy Rys.4. Próby mechaniczne i pomiary wydajności Pierwsze wdrożenie komercyjne suszarni na słomę zostało zrealizowane w zespole szkół w Wierzchowie Dworzec [koło Człuchowa]. Rys.5 przedstawia ogólny wygląd zainstalowanej suszarni. Rys.5. Ogólny wygląd zainstalowanej suszarni. Na rys. 6 i 7 przedstawiono emisje z komina przy wyłączonej instalacji suszarni i włączonej instalacji suszarni. Instalacja suszarnicza spełnia również rolę biologicznego filtra spalin. 4
Rys.6. Emisja z komina przy wyłączonej instalacji suszarni Rys.7. Emisja z kominów przy pracującej instalacji suszarni Szczegółowe wyniki badań przedstawione są w Raportach, które są opublikowane w formie papierowej w bibliotece ITP./oddz. Warszawa po ukończeniu projektu. W dn 8 listopada 2011 roku Centrum Transferu Technologii zorganizowało seminarium Opracowanie metod przygotowania biomasy rolnej do energetycznego wykorzystania na którym wygłoszono następujące referaty: Możliwości energetycznego wykorzystania słomy - Prof. J Pawlak, Wpływ warunków uprawy i przechowywania słomy na jej właściwości fizykochemiczne - A. Świętochowski, Rozdrobnienie słomy - M. Hryniewicz Suszenie słomy - E. Skorupska Wykorzystanie słomy w energetyce i zastosowanie suszarek do słomy w praktyce - K. Kowalczyk Problemy logistyczne związane ze zbiorem słomy - W. Denisiuk Korozja kotłów na słomę i możliwości jej zmniejszenia - Emisje gazów przy spalaniu słomy i możliwości ich zmniejszenia - 5
Rys.8. Uczestnicy seminarium w dn. 8.11.2011 Osiągnięcia projektu Przygotowano założenia do suszenia słomy dla instalacji na słomę rozdrobnioną etap zgłoszenia patentowego Opracowano i wdrożono do eksploatacji pilotażowej instalacji do suszenia całych balotów w kotłowni na słomę w Wierzchowie 6