Analiza efektywności wsółsalania aliw - odstawowe arametry, warnkowania roces Ator: rof. dr ha. inż. Stefan Postrzednik 1 ( Energetyka nr 10/2011) Streszczenie Wsółsalanie aliw klasycznych oraz aliw alternatywnych odnosi się najczęściej do wsólnego salania aliw stałych oraz iomasy, a także aliw ciekłych w mieszaninie z ioaliwami ciekłymi. Jakość wymienionych aliw oraz efektywność ich salania jest różna, co ostatecznie wływa na srawność rządzeń energetycznych, w oręie których zachodzi roces salania. W racy określono odstawowe arametry i warnkowania realizacyjne roces wsółsalania. Zarezentowano wyniki ogólnej analizy efektywności roces, wskazano na dwa główne zakresy: wsółsalania oraz termicznej tylizacji. 1. Wrowadzenie Zagadnienie salania aliw klasycznych oraz aliw alternatywnych (iomasy, ioaliw) jest dzisiaj ardzo aktalne [1], [6]. Odnosi się to n. do wsółsalania aliw stałych (węgla kamiennego oraz rnatnego) oraz iomasy, a także aliw ciekłych (n. olej oałowy, olej naędowy, enzyna) w mieszaninie z ioaliwami ciekłymi (olej rzeakowy, olej almowy, alkohole). Źródłem energii ierwotnej (jako aliwo w rocesie salania, istotna jest energia chemiczna zawarta w sstancji alnej (organicznej)) może yć między innymi każda materia ochodzenia roślinnego, owstająca głównie na drodze fotosyntezy, a więc także iomasa [2]. Na cele energetyczne wykorzystje się drewno i odady z rzero drewna, rośliny ochodzące z raw energetycznych, rodkty rolnicze oraz odady organiczne z rolnictwa, niektóre odady komnalne i rzemysłowe. Jednakże efektywność (jakość) salania aliw klasycznych oraz aliw alternatywnych jest różna, co ostatecznie wływa także na srawność rządzeń energetycznych (w tym głównie kotłów), w oręie których nastęje samo salanie oraz rzejmowanie cieła [4], [6]. Różne rodzaje iomasy charakteryzją się różnymi właściwościami. Paliwa alternatywne (iomasa, ioaliwa) są zazwyczaj (nawet o ich rzetworzeni) aliwami gorszej jakości w orównani z tyowymi aliwami klasycznymi (n. aliwami ciekłymi), dlatego także srawność energetyczna rządzeń energetycznych zasilanych iomasą (ioaliwami) wyada niższa w stosnk do rzyadk zasilania dorej jakości aliwami klasycznymi [5], [7]. 1 Prof. dr ha. inż. Stefan Postrzednik, Instytt Techniki Cielnej, Politechnika Śląska
2 Ponadto aliwa alternatywne (iomasa) zawierają zwykle znacznie więcej wilgoci aniżeli aliwa klasyczne, co może owodować wystąienie jeszcze ardziej niekorzystnej sytacji [3]. Im mniej zawilgocona oraz ardziej zagęszczona jest iomasa, tym większą osiada wartość i rzydatność energetyczną - jako aliwo alternatywne do ezośredniej tylizacji. Stosjąc wsółsalanie aliw klasycznych oraz tyowych aliw alternatywnych można nieco orawić sytację w kładach salania, czyli zniwelować nieożądane efekty energetyczne [4]. Istotny rolem olega jednak na tym czy zawsze oraz w jakim zakresie jest to możliwe, a co najważniejsze technicznie zasadnione [5], [6]. Najrostszy schemat kład ozyskiwania strmienia energii żytecznej Q &, 0 orzez salanie rzygotowanego strmienia aliwa odstawowego (azowego) okazano na rys. 1. Strmień owietrza do salenia aliwa, kg/s a,0 Srawność energetyczna kład zasilanego aliwem azowym η = =,0 Układ salania aliwa oraz ozyskania energii żytecznej Q &, 0 Strmień energii żytecznej Q & Strmień energii chemicznej aliwa azowego =,0 Straty energii w kładzie, Q & s, 0 kw Rys. 1. Główne elementy kład salania aliwa odstawowego. Istniejące zaotrzeowanie na całkowity strmień cieła (jako formę energii żytecznej) Q &, 0, kw - można w ierwszej kolejności okryć, indywidalnie salając tylko strmień, kg/s głównego aliwa klasycznego (n. węgla), o wartości oałowej, kj/kg, wtedy: gdzie: η Q & = η, (1) - srawność energetyczna rzejmowania cieła w kładzie zasilanym tylko głównym aliwem standardowym (klasycznym, rzy czym:, 0, kg/s - strmień salanego aliwa klasycznego, o wartości oałowej, kj/kg ).
3 Ze względ na określone warnkowania (oszkiwanie aliw alternatywnych, otrzea ograniczenia emisji dwtlenk (ditlenk) węgla CO 2, jako jednego z tzw. gazów cielarnianych) roonje się zastąienie części strmienia Q &, 0 - energii chemicznej aliwa klasycznego, strmieniem Q & - energii chemicznej aliwa dodatkowego (alternatywnego, iomasy). 2. Parametry kład wsółsalania aliw Uroszczony schemat kład ozyskiwania strmienia energii żytecznej Q &, 0 orzez wsółsalanie strmienia, kg/s - aliwa odstawowego (azowego) oraz strmienia, kg/s - aliwa alternatywnego (n.iomasy) - okazano na rys. 2. Strmień owietrza do salenia aliwa, kg/s a η Srawność energetyczna kład zasilanego dwaliwowo: = = + m & + m &, Układ dwaliwowego salania oraz ozyskania energii żytecznej Q & Strmień energii żytecznej Q & = & Q Strmienie energii chemicznej: - aliwa azowego = oraz - aliwa dodatkowego =, Straty energii w kładzie, Q & s Rys. 2. Główne elementy dwaliwowego kład wsółsalania aliw W analizowanym kładzie wsółsalania aliwa odstawowego oraz aliwa dodatkowego (alternatywnego, iomasy) strmień całkowitego zaotrzeowania cieła (energii żytecznej) Q & - zostaje osiągnięty (zagwarantowany) orzez dwa składniki, oejmjące: a. salenie aliwa klasycznego (n. węgla), którego wkład energetyczny wynosi Q &, oraz. dodatkowy wkład energetyczny Q &,, wynikający ze salania (wsółsalanie) aliwa alternatywnego (n. iomasa, dająca składnik Q &, ). Woec tego smarycznie zyskje się wartość: Q & = +. (2),
4 Dalsza analiza ędzie rowadzona rzy założeni niezmienności strmienia całkowitego zaotrzeowania cieła (energii żytecznej), czyli dla: Q & = idem, =, (3) co możliwi dokonanie oiektywnej analizy efektywności wsółsalania aliw. Jednocześnie warto zaważyć, że wsółsalanie aliw można ędzie znać za celowe oraz zasadnione, kiedy rzy sełnieni warnk (3), dzięki wykorzystani aliwa alternatywnego - zmniejszeni legnie strmień masy salanego aliwa odstawowego (klasycznego, n. węgla): <, rzy : 0, kg/s. (4), 0 > Traktjąc wkład energetyczny o składników aliw łącznie, można naisać związek: = ( + η, (5) gdzie:, ), kg/s - aktalny strmień masy aliwa klasycznego (n. węgla), o rzeczywistej wartości oałowej, kj/kg, dostarczanego do kład wsółsalania,, kg/s - strmień masy aliwa dodatkowego (n. iomasy), o rzeczywistej wartości oałowej,, kj/kg, dostarczanego do kład wsółsalania, η, - - efektywna srawność energetyczna wsółsalania aliw w kładzie. Równanie (5) zanotować można w ostaci: &, = + η, (6) Q Dla roszczenia zais oraz rzejrzystości rowadzonej analizy wygodnie jest wrowadzić wielkość,0, charakteryzjącą strmień salanej iomasy, względem strmienia salanego aliwa odstawowego, a definiowaną jako: df,0 =,, 0 0, (7) rzy czym:,0 = 0 - dla rzyadk salania samego aliwa azowego,,0,0,ma - w rzyadk salania wyłącznie iomasy. Po wykorzystani definicji (7) w zależności (6), zyskje się: &, = +,0 η. (8) Q Przy sełnieni warnk (3), a nastęnie: Q & = η m η & = idem, z równań (1) oraz (8) wynika związek: 1 = η η +,0,0, = 1,, (9). (10)
5 Warnek (4), zasadniający celowość wsółsalania aliw oznacza, że: rzy,0 > 0 owinno zyskiwać się: < 1, (11) co, jak wynika ze wzor (10), ędzie sełnione kiedy: a w granicznym rzyadk: η η > 1+,0 1,, (12) η 1 =. (13) η min +, 1,0 Fnkcja iloraz srawności, odana zależnością (13), została rzedstawiona (dla różnych wartości iloraz wartości oałowych ( / )) na rys. 3. iloraz srawności, ( η-/η)min, - 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6,, = 0,8,,, = 1,0 = 0,4,, = 0,6 0,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 iloraz mas,,0, - Rys. 3. Graniczne wartości iloraz srawności energetycznej kład Jak łatwo zaważyć, na odstawie zależności rezentowanych na rys. 3, szczególnie niekorzystne sytacje mogą wystąić w rzyadk, kiedy dodatkowe aliwo (alternatywne) charakteryzje się znacznie niższą wartością oałową od wartości oałowej aliwa azowego. Z sytacją taką należy się liczyć n. w rzyadk wsółsalania aliwa gorszej jakości (zawilgoconej iomasy), rzy czym istotna jest także wartość iloraz mas,0.
6 3. Wsółsalanie oraz termiczna tylizacja aliw W ramach rowadzonej analizy należy dodatkowo dysonować ełną charakterystyką eksloatacyjną kład wsółsalania konkretnych aliw, ędąca fnkcją osiąganej srawności energetycznej kład w zależności od względnej ilości,0 odawanego aliwa alternatywnego. Dokonjąc odowiednich omiarów rchowych kładów wsółsalania konkretnych aliw oracować można otrzeną zależność, ędącą charakterystyką eksloatacyjną: η = fnkcja,,,, 0 arametry aliw,... (14) η kład wsółsalanych aliw, w której najistotniejszym niezależnym arametrem jest względna ilość,0 - wzór (7), aliwa alternatywnego odawanego do kład. Dla ilstracji na rys. 4 okazano otencjalnie możliwe, wzajemne sytowanie charakterystyki eksloatacyjnej kład wsółsalania wyranych aliw (linia rzerywana), względem linii granicznej (13), dla iloraz wartości oałowych aliw: (, / ) = 0,5. 1,0 Wsółsalanie aliw iloraz srawności, ( η-/η)min, - 0,9 0,8 0,7 0,6 G Charakterystyka eksloatacyjna kład wsółsalania A B Linia graniczna,, dla: = 0, 5 Termiczna tylizacja mater. 0,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 iloraz mas,,0, - Rys. 4. Wzajemne sytowanie charakterystyki eksloatacyjnej oraz linii granicznej wsółsalania aliw; A zakres korzystnego wsółsalania, B zakres termicznej tylizacji. Oszar leżący owyżej linii granicznej (zakres A - na rys. 4) odowiada rzyadkom, kiedy wsółsalanie aliw można znać za celowe oraz zasadnione, tzn. kiedy rzy sełnieni
7 warnk (3), dzięki wykorzystani aliwa alternatywnego - zmniejszeni legnie strmień masy (4) salanego aliwa odstawowego (klasycznego, n. węgla), co jmje warnek (11). Z kolei oszar leżący oniżej linii granicznej (zakres B na rys. 4) odowiada rzyadkom, kiedy wsółsalanie aliw owinno yć inaczej traktowane; tzn. wówczas rzy sełnieni warnk (3), salając dodatkowo aliwo alternatywne zwiększeni msi lec strmień masy salanego aliwa odstawowego (klasycznego, n. węgla), co jmje warnek: >, rzy : 0. (15) > Omawiany odoszar B, leżący oniżej linii granicznej (rys. 4) owinien yć określany jako zakres tzw. termicznej tylizacji różnych materiałów (n. odadów komnalnych). Pnkt G - rzecięcia się charakterystycznych linii (rys. 4) jest nktem granicznym omiędzy rocesami wsółsalania aliw oraz termicznej tylizacji materiałów. Należy jeszcze rzeanalizować wartość maksymalną,0,ma względnej ilości aliwa alternatywnego odawanego do kład. Może ona yć osiągnięta rzy warnk: = 0 (16) Wykorzystjąc zależność (10) oraz względniając warnek (15) zyskje się: η η,0,ma =,0,ma 1,.. (17) W oarci o zyskaną zależność (17) określona może yć tzw. linia ekwiwalentności aliw (aliwa odstawowego oraz aliwa alternatywnego), która została zarezentowana na rys. 5. iloraz srawności, ( η-/η), - 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Linia graniczna,, dla: = 0, 5 Linia ekwiwalentności, aliw, dla: = 0, 5 Charakterystyka eksloatacyjna kład wsółsalania 0 2 4 6 8 E iloraz mas,,0, - Efektywny zakres wsółsalania dwóch aliw Rys. 5. Wzajemne sytowanie charakterystycznych linii wsółsalania aliw
8 Każdy z nktów na linii ekwiwalentności aliw (rys. 5) oznacza taki stan,0,ma, rzy którym strmień, 0 aliwa odstawowego może yć, rzy zachowani warnk (3) niezmienności strmienia całkowitego zaotrzeowania energii żytecznej, w ełni zastąiony (nkt E na rys. 5) rzez strmień odowiedniego aliwa alternatywnego., ma Stan taki (nkt E na rys. 5) jako najardziej otymistyczny, jednak w rzeczywistości nie zawsze jest możliwy do osiągnięcia w konkretnym kładzie salania. Sytację jż należy znać za korzystną, kiedy w zależności od rodzaj aliw (decydjący jest iloraz (, / )), można osiągać stany sytowane w zakresie wsółsalania aliw (rys. 5), gdyż w ozostałych rzyadkach osiągana jest strefa termicznej tylizacji (zakres B na rys. 4). η Dla ilstracji można rzyjąć liniową fnkcję oisjącą charakterystykę eksloatacyjną η - zależność (14), kład wsółsalania aliw, w ostaci: η = 1 K, 0, rzy : K > 0, (18) η gdzie: K > 0 - jest arametrem zmian srawności energetycznej kład wsółsalania aliw. Istotną srawą ędzie wyznaczenie ołożenia nkt G - rzecięcia się charakterystycznych linii (rys. 4), który jest nktem granicznym omiędzy rocesami wsółsalania oraz termicznej tylizacji aliw (materiałów). Wsółrzędne analizowanego nkt G wynikają ezośrednio z rozwiązania kład dwóch równań: (13) oraz (18), skąd zyskje się:, K,0,G = (19), K W zakresie wartości względnej ilości,0 odawanego aliwa alternatywnego (iomasy): 0 < < (20),0,0,G w kładzie wystęje klasyczne (najardziej oczekiwane) wsółsalanie aliw, które rzy wartościach,0 >,0,G rzechodzi w zakres termicznej tylizacji aliw, który jest mniej korzystny, głównie ze względ na rak sełnienia warnk (4). η Warto zwrócić także wagę na rzeieg charakterystyki eksloatacyjnej - zależność η (14), względem linii ekwiwalentności aliw (rys. 5), rzy którym strmień, 0 aliwa odstawowego może yć zastąiony (nkt E) rzez strmień, ma aliwa alternatywnego. 4. Podsmowanie Zagadnienie wsółsalania aliw klasycznych oraz aliw alternatywnych (ioaliw) odnosi się to n. do wsółsalania aliw stałych (węgla kamiennego oraz rnatnego) oraz iomasy, a
9 także aliw ciekłych (n. olej oałowy, olej naędowy, enzyna) w mieszaninie z ioaliwami ciekłymi (olej rzeakowy, olej almowy, alkohole). Paliwa alternatywne (iomasa, ioaliwa) są zazwyczaj aliwami gorszej jakości w orównani z tyowymi aliwami klasycznymi (n. aliwami łynnymi), onadto także srawność energetyczna rządzeń energetycznych zasilanych iomasą (ioaliwami) wyada niższa w stosnk do rzyadk zasilania dorej jakości aliwami klasycznymi. Stosjąc wsółsalanie aliw klasycznych oraz aliw alternatywnych (n. iomasy) można nieco zniwelować ten niekorzystny, czyli tym samym nieożądany efekt energetyczny. Określone w racy odstawowe arametry i warnkowania realizacyjne roces wsółsalania, możliwiły dokonanie ogólnej analizy efektywności roces, dzięki czem wskazano na dwa główne zakresy adanego roces, oejmjące odowiednio: tyowe wsółsalanie aliw oraz termiczną tylizację materiałów. Wsółsalanie aliw można znać za celowe oraz zasadnione, kiedy rzy sełnieni warnk niezmienności efekt żytecznego (3), dzięki wykorzystani aliwa alternatywnego - zmniejszeni legnie strmień masy salanego aliwa odstawowego (klasycznego, n. węgla). Z kolei zakres, kiedy rzy sełnieni warnk (3), salając dodatkowo aliwo alternatywne zwiększeni msi lec także strmień masy salanego aliwa odstawowego (klasycznego, n. węgla), roonje się w konsekwencji określać jako zakres tzw. termicznej tylizacji różnych słaych aliw oraz materiałów (n. zwykłych odadów komnalnych). Słowa klczowe: wsółsalanie, aliwa alternatywne, efektywność energ., termiczna tylizacja. Literatra 1. Chmielniak T.: Technologie energetyczne. Wyd. Nak. Techniczne. Warszawa, 2008. 2. Postrzednik S.: Biomasa - jej znaczenie oraz asekty wykorzystania. Energetyka, s. 840, nr 12. 2010. 3. Postrzednik S.: Analiza arametrów wływających na energetyczną rzydatność aliw. Energetyka, s. 395, nr 7. 2011. 4. Ściążko M., Zwała J., Pronois M.: Wsółsalanie iomasy i aliw alternatywnych w energetyce. Wyd. I.Ch.P.W. Zarze, 2007. 5. Tillman D.A.: Biomass co-firing: the technology, the eerience, the comstion conseqences. Biomass and Bioenergy, s. 365, nr 19. 2000. 6. Zięik A., Zwała J., Ściążko M.: Energy and ecological effectiveness of iomass co-firing in CP lant. Archives of thermodynamics, Vol. 30, No. 2, 2009. 7. Zwała J.: Wływ wsółsalania iomasy z aliwami konwencjonalnymi na arametry eksloatacyjne racy loków energetycznych. Energetyka, s. 108, nr 2. 2010.