INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE NR 7 ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS NO. 7 SŁOMA WYKORZYSTANIE W ENERGETYCE CIEPLNEJ STRAW IMPLEMENTETION IN HEATING Redakcja naukowa: prof. dr hab. Anna Grzybek Falenty 2012 WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel./fax 22 628-37-63; www.itep.edu.pl; e-mail: itep@itep.edu.pl DYREKTOR INSTYTUTU prof. dr hab. Edmund Kaca Oddział w Warszawie ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50 Kierownik Oddziału prof. dr hab. Aleksander Szeptycki KOLEGIUM REDAKCYJNE prof. dr hab. Aleksander Szeptycki przewodniczący prof. dr hab. J.Lech Jugowar prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki prof. dr hab. Jan Pawlak prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki Recenzenci prof. dr hab. Jan Pabis, prof. dr hab. Leszek Powierża Kierownik Działu Wydawnictw: dr hab. inż. Halina Jankowska-Huflejt Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt Opracowanie redakcyjne: Iwona Ornoch Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anita Konieczna, Kamil Roman, Anna Wysocka Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2012 ISBN 978-83-62416-48-6 ISSN 2083-9545 Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel. 22 720-05-98; www.itep.edu.pl; e-mail: wydawnictwo@itep.edu.pl Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna Gimpo 02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 13,2. Nakład 200 egz.
Spis treści 1. WSTĘP (Anna Grzybek)...9 2. WPŁYW WARUNKÓW UPRAWY ROŚLIN ZBOŻOWYCH NA ICH PLONY (Anna Grzybek, Adam Świętochowski)...13 2.1. Uwagi ogólne...14 2.2. Metody badań...14 2.3 Wyniki badań...16 3. ZUŻYCIE PALIWA W UPRAWACH POLOWYCH (Anna Grzybek, Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)...22 3.1. Uwagi ogólne...23 3.2. Metody badań...23 3.3. Wyniki badań...23 4. WARTOŚĆ OPAŁOWA I CIEPŁO SPALANIA SŁOMY (Anna Grzybek, Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)...27 4.1. Metoda oceny...28 4.2. Analiza wyników badań...28 5. ZMIANA WŁAŚCIWOŚCI SŁOMY PODCZAS PRZECHOWYWANIA (Anna Grzybek, Adam Świętochowski)...32 5.1. Uwagi ogólne...32 5.2. Metody badań...33 5.3. Wyniki badań...35 6. SUSZENIE SŁOMY...47 6.1. Suszenie słomy w warunkach laboratoryjnych (Elżbieta Skorupska)...47 6.2. Suszenie słomy w prototypowych suszarkach (Robert Kubica, Wojciech Mokrosz)...67 7. ZAŁOŻENIA DO STANDARYZACJI PARAMETRÓW JAKOŚCIOWYCH SŁOMY I TECHNOLOGII SPALANIA W KOTŁACH RUSZTOWYCH (Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk)...82 7.1. Parametry jakościowe słomy...82 7.2. Założenia prawidłowej technologii spalania słomy...86 8. ROZDRABNIANIE SŁOMY (Anna Grzybek, Elżbieta Skorupska, Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)...91 8.1. Uwagi ogólne...91 8.2. Metody badań...92 8.3. Rozdrabnianie słomy w wozie paszowym...97 8.4. Rozdrabnianie słomy w rozrzutniku...100 8.5. Rozdrabnianie słomy w przyczepie samozbierającej...103 8.6. Porównanie stopnia rozdrobnienia w różnych urządzeniach...106 8.7. Rozdrabnianie słomy za pomocą rozdrabniacza Bąk...107 8.8. Rozdrabnianie słomy rozdrabniaczem firmy Alchemik...111 8.9. Rozdrabnianie słomy rozdrabniaczem Tomaseer...115 8.10. Jednostkowe zużycie energii w procesie rozdrabniania...117 8.11. Ocena składu granulometrycznego słomy i siana po rozdrobnieniu...118
9. TECHNOLOGIE SPALANIA SŁOMY (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica)...124 9.1 Charakterystyka procesu spalania paliw stałych...124 9.2 Charakterystyka stosowanych technik spalania słomy w warstwie...126 9.3 Oddziaływanie słomy jako paliwa na instalację technologiczną kotłów...131 9.4. Wpływ rodzaju słomy oraz dodatku substancji nieorganicznych na sprawność energetyczną spalania i emisję zanieczyszczeń...141 9.5. Stan legislacji w Polsce i UE w zakresie emisji zanieczyszczeń ze spalania biomasy w instalacjach o mocy do 50 MWth...160 10. ZAGROŻENIA KOROZYJNE W KOTŁACH WODNYCH OPALANYCH SŁOMĄ (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz)...163 10.1. Charakterystyka zjawisk korozyjnych w procesie spalania słomy i możliwości przeciwdziałania ich występowaniu...163 10.2. Badania modelowe redukcji zagrożenia czynnikami korozyjnymi metodą wymywania...170 10.3. Badania modelowe wpływu dodatków nieorganicznych na charakterystykę fizykochemiczną popiołów ze spalania słomy...174 10.4. Badania pilotażowe wpływu addytywów nieorganicznych na charakterystykę fizykochemiczną popiołów ze spalania słomy w warunkach przemysłowych...178 10.5. Wybrane aspekty oceny techniczno-ekonomicznej zmniejszania zawartości czynników korozyjnych metodami chemicznymi i fizycznymi...180 11. MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE KOTŁÓW OPALANYCH SŁOMĄ W ŚWIETLE ZAGROŻENIA KOROZJĄ (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk)...183 11.1. Uwagi ogólne...183 11.2. Charakterystyka aktualnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych kotłów opalanych słomą...183 11.3. Badania pilotażowe wpływu spalania słomy na zmiany właściwości wybranych stali konstrukcyjnych...185 11.4. Wybrane aspekty oceny techniczno-ekonomicznej stosowania materiałów konstrukcyjnych o wysokiej odporności na zagrożenia korozją...196 12. SUSZARNIA SŁOMY (Janusz Cieślak)...198 13. PODSUMOWANIE (Anna Grzybek)...202 BIBLIOGRAFIA...203 Streszczenie...207
Contents 1. INTRODUCTION (Anna Grzybek)...9 2. CEREALS YIELD ACCORDING TO CROP CONDITIONS (Anna Grzybek, Adam Świętochowski)...13 2.1. General remarks...14 2.2. Material and methods...14 2.3. Results...16 3. FUEL CONSUMPTION IN CROPS (Anna Grzybek, Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)...22 3.1. General remarks...23 3.2. Material and methods...23 3.3. Results...23 4. CALORIFIC VALUE AND THE HEAT OF COMBUSTION OF STRAW (Anna Grzybek, Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)...27 4.1. Estimation method...28 4.2. Results analysis...28 5. STRAW PROPERTIES CHANGE DURING STORAGING (Anna Grzybek, Adam Świętochowski)...32 5.1. General remarks...32 5.2. Material and methods...33 5.3. Results...35 6. STRAW DRYING...47 6.1. Straw drying in laboratory conditions (Elżbieta Skorupska)...47 6.2. Straw drying in prototype dryers (Robert Kubica, Wojciech Mokrosz)...67 7. ASSUMPTIONS FOR THE STANDARDIZATION OF STRAW QUALITY PARAMETERS AND FIRING TECHNOLOGIES IN GRATE BOILERS (Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk)...82 7.1. Straw quality parameters...82 7.2. Straw firing technologies...86 8. STRAW SHREDDING (Anna Grzybek, Elzbieta Skorupska, Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)...91 8.1. General remarks...91 8.2. Investigation methods...92 8.3. Straw shredding in feeding car...97 8.4. Straw shredding in manure spreader...100 8.5. Straw shredding in self loading wagon...103 8.6. Shredding degree comparison in different devices...106 8.7. Straw shredding with the use of Bąk shredder...107 8.8. Straw shredding with the use of Alchemik firm shredder...111 8.9. Straw shredding with the use of Tomaseer shredder.......115 8.10. Unitary energy consumption in shredding process...117 8.11. The estimation of particles size distribution of straw and hay after shredding...118
9. STRAW COMBUSTION TECHNOLOGIES (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica)...124 9.1 The characteristic of solid fuels combustion...124 9.2 The characteristic of implemented techniques for straw combustion in layer...126 9.3 Straw influence as a fuel on boilers technological installation...131 9.4. Straw type influence and non-organic additives influence on combustion energy efficiency and contamination emissions...141 9.5. Legislation state in Poland and EU for contamination emissions from biomass combustion in installations with power up to 50 MWth...160 10. CORROSION RISKS IN WATER BOILERS FUELED BY STRAW (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz)...163 10.1. The characteristic of corrosion phenomena occuring during straw firing, anticorrosion means...163 10.2. The model investigations of corrosion risk reduction of straw by leaching method implementation...170 10.3. The model investigation of non-organic additives influence on physicochemical characteristics of ashes from straw combustion...174 10.4. Pilot study above non-organic additives influence on physicochemical characteristics of ashes from straw combustion in industrial conditions...178 10.5. Chosen aspects of technical and economical estimation for corrosion factors decrease by chemical and physical methods implementation...180 11. CONSTRUCTION MATERIALS FOR STRAW BOILERS ACCORDING TO THE CORROSION RISC ASPECT (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk)...183 11.1. General remarks...183 11.2. The characteristic of currently implemented construction materials for straw boilers...183 11.3. Pilot study for straw combustion influence on propeties changes of chosen construction steels...185 11.4. Choosen aspects of technical and economical estimations for construction materials implementation with high resistance to corrosion risk...196 12. STRAW DRYER (Janusz Cieślak)...198 13. SUMMARY (Anna Grzybek)...202 BIBLIOGRAPHY...203 Summary...208
Streszczenie W prezentowanej publikacji przedstawiono badania związane z energetycznym wykorzystaniem słomy. Dotyczą one wybranych warunków uprawy roślin zbożowych, w tym nawożenia. Istotny statystycznie wpływ na plon stwierdzono w przypadku nawożenia azotem i potasem, wpływ taki nie wystąpił natomiast w przypadku zróżnicowanego nawożenia fosforem. Badano zużycie paliw ciekłych w uprawie roślin zbożowych, w odniesieniu do poszczególnych operacji technologicznych i produktu końcowego, to jest ziarna i słomy. Zużycie paliwa (ON) w uprawie żyta wynosi 31 70 l ha 1, w uprawie pszenżyta 67 88 l ha 1, a w uprawie pszenicy 55 113 l ha 1. Przeprowadzono badania wartości opałowej i ciepła spalania słomy pszenicy, żyta, pszenżyta i rzepaku. Średnia wartość opałowa badanej słomy wynosiła ok. 17 MJ kg 1, a ciepła spalania 18,3 MJ kg 1. Badano również zmiany jakości słomy w zależności od czasu jej przechowywania, na niezadaszonym placu składowym oraz w magazynie zadaszonym. Parametrami badanymi były wilgotność i wartość opałowa oraz zawartość poszczególnych pierwiastków. Średnia wartość opałowa słomy przechowywanej w stogu, w całym okresie grzewczym wynosiła ok. 12,3 MJ kg 1 i była mniejsza od wartości opałowej słomy składowanej w magazynie o ok. 5,3 MJ kg 1. Proces rozdrabniania jest ważnym ogniwem produkcji energii z biomasy. Porównano stopień rozdrobnienia słomy w różnych urządzeniach przez ocenę jej składu granulometrycznego. Badania procesu suszenia (krzywe suszenia i szybkości suszenia) próbek słomy o różnym rozdrobnieniu, otrzymanych z maszyn rozdrabniających (wóz paszowy, rozrzutnik i przyczepa samozbierająca oraz młynek bijakowy do rozdrabniania drobnego), prowadzone w warunkach laboratoryjnych, umożliwiły stworzenie ciągu technologicznego przygotowania słomy do spalania. Badano również proces suszenia słomy w postaci balotów i w formie rozdrobnionej w suszarkach prototypowych. Opracowano założenia do standaryzacji parametrów jakościowych słomy i technologii spalania w kotłach rusztowych. Wartości tych parametrów powinny spełniać następujące wymagania: optymalna zawartość wilgoci 15 20%, zawartość chloru <0,1%, właściwości popiołu Rs <0,6. Przeprowadzono testy spalania słomy w instalacji laboratoryjnej i przemysłowej, badając jej oddziaływanie jako paliwa na instalację technologiczną kotłów i zmiany właściwości wybranych stali konstrukcyjnych. Scharakteryzowano zjawiska korozyjne w procesie spalania słomy i omówiono możliwości przeciwdziałania ich występowaniu, a także przeanalizowano wpływ rodzaju słomy oraz dodatku substancji nieorganicznych na sprawność energetyczną spalania i emisję zanieczyszczeń. Badania wykazały, że powierzchnie próbek stali wybranych do badań w strefie utleniającej komory kotła opalanego słomą uległy określonym zmianom, potwierdzonym zarówno okiem nieuzbrojonym, jak i badaniami metodą chemicznej analizy instrumentalnej za pomocą mikroskopu skaningowego. Przeprowadzono badania modelowe redukcji zagrożenia czynnikami korozyjnymi metodą wymywania ze słomy składników mineralnych. Z badania procesu pirolizy słomy wynika, że intensywne wydzielanie części lotnych zaczyna się w temperaturze ok. 280 300 C, a maksymalna szybkość ubytku masy wynosi w przybliżeniu 10% na minutę. Omówiono wdrożoną, prototypową linię do suszenia słomy w balotach. Cechą charakterystyczną takiej linii jest wykorzystanie do suszenia słomy gazów odlotowych z kotłowni na biomasę. Linia przygotowania słomy do energetycznego wykorzystania składa się z następujących urządzeń: suszarni słomy, przeznaczonej do pracy cyklicznej, wentylatora, instalacji przeciwpożarowej, zespołu regulacji i kontroli parametrów pracy, układu wstępnego odpylania i separacji iskier oraz układu wyprowadzenia spalin.
Summary In this publication, research results above straw utilization on energy purposes have been presented. They were related to chosen crop conditions and cereals fertilization. Nitrogen and potassium fertilization occurred as statistically significant in contrast to different doses of phosphorus fertilizer. Liquid fuels consumption was investigated in particular technological operations according to specific technological operations and end products (grain and straw). Fuel consumption (diesel oil) was 31 70 l ha 1 for rye crop, 67 88 l ha 1 for triticale and 55 113 l ha 1 for wheat. Calorific value and combustion heat were investigated for straw from different crops as wheat, rye, triticale and rape. The average calorific value of investigated straw was about 17.0 MJ kg 1 with combustion heat 18.3 MJ kg 1. Changes in straw quality were also investigated according to storage time on a place without roof and inside a storage with, roof with investigated parameters as moisture content, calorific value and specific elements content. In average, the calorific value of straw stored in stack was about 13.3 MJ kg 1 for an heating period and it was lower than the calorific value of straw stored in the storage by about 5.3 MJ kg 1. Shredding process was an important element in the chain of energy from biomass production. Straw shredding degree was compared in different devices by the estimation of particle size distribution. The creation of technological line was allowed due to following investigations the drying process of straw with different particles sizes in laboratory (drying curves and drying speed curves) and straw from shredding machines (feeding car, manure spreader, self loading wagon and hammer mill for fine grinding). Straw drying process was investigated for straw in ballots shape and shredded straw for the dryer prototype. Assumptions were elaborated for the standardization of straw quality parameters and firing technologies in grate boilers. Chosen values of these parameters should meet following criteria: optimal moisture content 15 20%, chlorine content <0.1%, ash properties Rs <0.6. Straw combustion tests were conducted in laboratory and industrial installation for properties change investigation of structural steels in boilers. Corrosion effects characteristic was discussed for straw combustion process together with protection means and non-organic additives influence on combustion energy efficiency and emissions. Experiments proved that surfaces of steel probes from the oxidizing zone of straw boiler were changed according to naked eye and scanning microscope. Model tests were carried out with the reduction of straw corrosion factors by contaminants leaching implementation. From straw pyrolisis process investigation occurred that intensive volatiles release started at about 280 300 C with the maximum speed of weight loss 10% per minute. The prototype technological line for straw drying was described. Exhaust gases implementation to straw drying was the characteristic feature of this line. The line to straw preparation on energy purposes consisted of following devices: straw dryer, designed for cycling work, fan, fire protection system, the assembly of regulation and control of operating parameters, dedusting initial system and sparks separation system and exhaust gases system.