SYSTEM TRANSPORTOWY W INSTALACJI PRZYGOTOWANIA I DOZOWANIA BIOMASY

Stanisław GAD 1 Agnieszka PAWLAK 2 instalacja transportowa biomasy, przygotowanie paliwa, pochodzenie zagroŝeń, systemy zabezpieczające SYSTEM TRANSPORTOWY W INSTALACJI PRZYGOTOWANIA I DOZOWANIA BIOMASY W pracy przedstawiono system przygotowania (w tym system transportowy) biomasy, umoŝliwiający elektrowni (w tym przypadku ELECTRABEL Połaniec) produkcję energii elektrycznej i ciepła ze źródeł odnawialnych. Proces współspalania biomasy z węglem kamiennym na skalę przemysłową wymaga odpowiednich instalacji przygotowania i dozowania ekologicznego paliwa. Koncepcja współspalania wymaga takŝe odrębnych układów technologicznych i ciągów dostarczających paliwo do kotła. Zaprezentowano budowę instalacji linii biomasy. Poruszono problem zabezpieczeń systemu, ze względu na wybuchowy charakter paliw ekologicznych w porównaniu z węglem kamiennym. Podjęto problem zagroŝeń wynikających ze spalania biopaliw. Przedstawiono sposoby zabezpieczania instalacji biomasy. TRANSPORTATION SYSTEM IN PREPARATION AND DOSING PLANT OF BIOMASS The paper presents a system of preparation (including the transportation system) of biomass, allowing power plants (in this case, Electrabel Połaniec) production of electricity and heat from renewable sources. The process of co-firing biomass with coal on an industrial scale requires proper preparation and dosing installation of the clean fuel. The concept also requires a separate systems and the strings that provide fuel for the boiler. The paper describes the construction of a line of biomass. The problem of system security is discussed in the paper, due to the explosive nature of the clean fuels compared with coal. Problems of the risks resulting from the combustion of biofuels are investigated in the paper. Methods of securing the installation of biomass are proposed. 1 dr hab. inŝ. Stanisław Gad, prof. PŚk, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki Automatyki i Informatyki, 25-314 Kielce, Al. 1000-lecia Państwa Polskiego 7, E-mail: sgad@tu.kielce.pl; 2 mgr inŝ. Agnieszka Pawlak, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki Automatyki i Informatyki, 25-314 Kielce, Al. 1000-lecia Państwa Polskiego 7, E-mail: a.pawlak85@gmail.com

676 Stanisław GAD, Agnieszka PAWLAK 1. WPROWADZENIE Rozwój technologii współspalania biomasy i paliw alternatywnych w energetyce pokazuje jak powaŝny potencjał energetyczny moŝe stanowić biomasa. Wśród róŝnych grup technologii wytwarzania ciepła i elektryczności na uwagę zasługują układy wielopaliwowe. Takie struktury technologiczne zmniejszają ryzyko zaopatrzenia oraz przyczyniają się do poprawy sprawności konwersji energii chemicznej biomasy. Strategia generowania energii elektrycznej i ciepła w źródłach o małej mocy wiąŝe się co prawda z niŝszymi kosztami pozyskania paliwa, jednak charakteryzuje się mniejszą sprawnością wytwarzania oraz większymi nakładami inwestycyjnymi (2,5 3,5 mln EUR/MW e ) [9]. Sprawność jest tym większa im większa jest moc, choć jak podano w [9] powyŝej 10 MW e gradient zmian sprawności ze zmianą mocy nie jest wysoki. W przypadku źródeł o duŝej mocy nakłady inwestycyjne wynoszą (0 0,5 mln EUR/MW e ). 2. LINIA BIOMASY Projekt współspalania biomasy w Electrabel Połaniec wymagał rozbudowy istniejącego układu generacji ciepła i energii elektrycznej o instalację przygotowania i przetwarzania ekologicznego paliwa. Przeprowadzono szereg testów i analiz umoŝliwiających określenie optymalnej pracy istniejących części układu technologicznego elektrowni. Ze względu na złoŝoność procesu współspalania naleŝało wziąć pod uwagę problem węglowych młynów kulowo misowych nieprzystosowanych do przemiału biomasy, moŝliwość wystąpienia ŜuŜlowania komory paleniskowej, moŝliwość korozji powierzchni ogrzewalnych i zmiany rozkładu temperatur w kotle. Istotnym celem badań było określenie warunków eksploatacyjnych podawania biomasy za pomocą ciągów nawęglania, a takŝe zachowania się zrębków podczas transportu i mieszania ich w zsuwniach przesypowych. Rys.1. Skład biomasy do przetworzenia Podstawowym paliwem stosowanym przez Elektrownię są odpady drzewne pozyskane dzięki współpracy z Lasami Państwowymi, jak równieŝ biomasa pochodzenia roślinnego (słoma, susz owocowy, pestka, wierzba energetyczna, słonecznik, chmiel, rzepak) [1]. Zakontraktowane drewno stanowi niewielką część surowca pozyskiwanego z polskich

SYSTEM TRANSPORTOWY W INSTALACJI PRZYGOTOWANIA 677 lasów i ze względu na swoją jakość nie ma znaczenia w gałęziach przemysłu przetwarzającego drewno. Na rysunku 1 przedstawiono skład drewna przeznaczonego na przetworzenie. System transportowy biomasy obejmuje dwie linie. Jedna przystosowana jest do podawania drewna okrągłego, a druga do drewna rozdrobnionego. Proces przetwarzania ekologicznego paliwa rozpoczyna się od jego rozładunku zaleŝnie od stopnia rozdrobnienia na składowiska, na układ podawczy urządzenia rozdrabniającego, ze składowisk na układ podawczy urządzenia rozdrabniającego lub ze składowisk na podajnik taśmowy. Dla zachowania bezpieczeństwa konieczne jest zagwarantowanie dostaw o odpowiednio duŝej częstości. Magazynowanie drewna przez długi okres czasu moŝe spowodować jego zapalenie w stanie powietrzno suchym [1]. Następnym etapem jest rozdrobnienie drewna do właściwej granulacji, jego sortowanie i ponowne przetwarzanie niewymiarowych zrębków. Za rozdrabnianie drewna kawałkowego odpowiada rębak Rudnick, a drewna okrągłego (kłód) rębak Camura. Obydwie linie transportujące wyposaŝone są w układ separacji zanieczyszczeń, kamieni, piasku i metali, który zabezpiecza urządzenia przed uszkodzeniami. Przykład separatora elektromagnetycznego przedstawiono na rysunku 2. Rys.2. Przykład separatora elektromagnetycznego z przenośnikiem taśmowym separatora Podstawowa linia zasilająca (transportu kłód) współpracuje z rębakiem Camura. Rozdrabniacz ten posiada system wbudowanych sit, które zapewniają jednorodny wymiar wytworzonych zrębków. System został pokazany na rysunku 4. Zrębki o nieodpowiednim rozmiarze wracają ponownie do rębaka, a te o właściwym wymiarze są przenoszone przez wydmuchowe urządzenie wyładowcze na przenośnik taśmowy. Oprócz podstawowej linii zasilającej w instalacji biomasy występuje linia boczna dostarczająca drewno kawałkowe do rębaka Rudnick. Budynek głównego rębaka jest omijany i z podajnika taśmowego zrębki trafiają na jeden zbiorczy przenośnik. Następnie z przenośnika przesypywane są przez zsuwnię na kolejny przenośnik, skąd trafiają do silosu buforowego (rys. 3) o

678 Stanisław GAD, Agnieszka PAWLAK pojemności ok. 3300 m3, umoŝliwiającego ciągłą pracę rębaka. Przenośniki transportowe biomasy przedstawione na rysunku 5 stanowią estakadę długości 800 m. Na dnie zbiornika znajduje się wygarniacz ślimakowy, dzięki któremu rozdrobniona biomasa przedostaje się na przenośnik znajdujący się pod silosem. Paliwo transportowane jest następnie do instalacji dozowania na przenośniki węglowe. Rys.3. Silos buforowy Rys. 4. System wbudowanych sit Dozowanie biomasy odbywa się automatycznie na podstawie wagi węgla na ciągach transportowych. Jednocześnie mierzona jest wartość opałowa i ilość dodawanej do węgla biomasy [12]. Warunkiem podania ekologicznego paliwa na taśmę jest fakt znajdowania się węgla na przenośniku. Paliwa transportowane na galerii skośnej (rys.6) są ułoŝone warstwowo biomasa stanowi wierzchnią warstwę. Następnie rozprowadzane są do zasobników paliwowych przy kotłach na wysokości 30 m. Z poziomych przenośników rurą zsypową węgiel z biomasą trafia do zespołu młynowego. Sproszkowane surowce energetyczne przy pomocy wentylatorów wdmuchiwane są w kolejnym kroku razem z powietrzem do kotła przez 24 dysze palnikowe [1]. Rys.5. Przenośniki transportowe biomasy Rys.6. Galeria skośna

SYSTEM TRANSPORTOWY W INSTALACJI PRZYGOTOWANIA 679 Jednym z elementów instalacji biomasy od 2008 roku jest linia do podawania biomasy agro. Paliwo to trafia na linię po zwaŝeniu, bezpośrednio przed podajnikiem taśmowym przenoszącym zrębki z podstawowej linii zasilającej oraz linii bocznej. Na rysunku 7 zaprezentowano widok uproszczonej wizualizacji instalacji biomasy wraz z linią do podawania biomasy agro [13]. System ten jest tymczasowym rozwiązaniem ze względu na zobowiązania prawne. Na 2010 rok obligatoryjny udział biomasy agro w całej ilości biomasy wynosił 25% dla jednostek wytwórczych stosujących współspalanie węgla. Etap 2 rozbudowy linii biomasy agro jest inwestycją obejmującą stację rozładunkową dla cięŝarówek, urządzenia czyszczące i rozdrabniające, silosy do składowania, przenośnik taśmowy i system waŝenia [1]. Rys.7. Schemat instalacji biomasy (gdzie: 1 podstawowa linia zasilająca, 2 linia zasilająca drewna kawałkowego, 3 linia do podawania biomasy agro, 4 przenośnik taśmowy, 5 silos buforowy, 6 instalacja dozowania ) 3. ZAGROśENIA WYBUCHEM Przetwarzanie biomasy w procesie technologicznym wytwarzania energii elektrycznej i ciepła zwiększa ryzyko wystąpienia zagroŝenia wybuchowego i poŝarowego. Zasady bezpieczeństwa dostosowywane są do parametrów fizyko-chemicznych biomasy oraz do postaci jej występowania. Transport, magazynowanie i przesyp rozdrobnionej biomasy moŝe sprzyjać powstawaniu zjawiska pylenia. Osadzające się drobiny przetworzonej biomasy zalegają na elementach instalacji i mogą stać się przyczyną zawirowań i wybuchów mieszanin pyłowo powietrznych [10].

680 Stanisław GAD, Agnieszka PAWLAK Niebezpiecznym zjawiskiem jest takŝe występowanie samozapłonów w składowanej biomasie zanieczyszczonej w związki organiczne i o róŝnym stopniu wilgotności. Biopaliwa stwarzają problemy jakościowe [11]. Ich pośrednie magazynowanie wymaga odrębnej ochrony przeciwpoŝarowej i przeciwwybuchowej o bardzo czułych progach działania, poniewaŝ pyły z biomasy leśnej i upraw energetycznych wykazują wysoką reaktywność względem niskoenergetycznych iskier pochodzenia mechanicznego lub z elektryczności statycznej [10]. Dla porównania w tabeli 1 zestawiono temperatury zapłonów i minimalne energie zapłonu iskrowego dla węgla i biomasy. Podane wielkości świadczą o zwiększonym zagroŝeniu poŝarowym podczas stosowania spalania zielonego paliwa. Konieczne jest zatem podjęcie środków ograniczających ryzyko wystąpienia wybuchu lub poŝaru. Tab. 1. Wybrane parametry paliw stosowanych przy współspalaniu Temperatura samozapłonu obłoku pyłu Temperatura zapłonu warstwy pyłu Minimalna energia zapłonu iskrowego MIE Węgiel 750 C > 400 C MIE > 7400mJ Biomasa 440 460 C 290 340 C 3mJ <MIE< 300mJ Bibliografia[6] KaŜdy przypadek wymaga odrębnego traktowania. Inne wytyczne eksploatacyjne obowiązują dla magazynowania biomasy i węgla na placu, inne dla składowania w zasobnikach przykotłowych. O odpowiednim poziomie bezpieczeństwa decyduje analiza ryzyka wybuchu w instalacji współspalania. Uzasadnione jest więc przeprowadzanie weryfikacji właściwości paliw. Według [4] średnie parametry biomas stosowanych w Polsce wynoszą: - minimalna energia zapłonu pyłu 10mJ, - temperatura zapłonu warstwy pyłu 280 C, - maksymalne ciśnienie wybuchu P max =8,5bar, - maksymalna szybkość narastania ciśnienia K st =60 bar/s. Przeprowadzenie odpowiedniej oceny ryzyka związane jest z Dyrektywą ATEX 137 (99/92/EU) narzucającą obowiązek zabezpieczenia zakładu przed wybuchem [4]. Projekt ten obejmuje klasyfikację stref zagroŝenia, określenie źródeł zapłonu oraz dobór zespołu elementów zabezpieczających i kontrolujących instalację. Odmienny skład biomasy w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi jest przyczyną zagroŝeń eksploatacyjnych występujących w instalacjach spalania biomasy. W tabeli 2 przedstawiono skład chemiczny paliw, będący przyczyną zagroŝeń wybuchowych oraz szlakowania i korozji powierzchni ogrzewalnych. Wszystkie ekologiczne surowce energetyczne charakteryzują się wyŝszą zawartością części lotnych oraz niŝszą procentową stałą masą palną w porównaniu z węglem kamiennym. Jest to podstawowa przyczyna łatwiejszego zapłonu, do którego moŝe dochodzić w zasobnikach przykotłowych oraz młynach węglowych [8]. DuŜo mniejsza spoistość biomasy w porównaniu z węglem kamiennym i przedmuchy powietrza od strony młynów powodują, Ŝe zasobniki przykotłowe są miejscami instalacji o podwyŝszonym zagroŝeniu wybuchowym.

SYSTEM TRANSPORTOWY W INSTALACJI PRZYGOTOWANIA 681 Ponadto biopaliwa cechuje wysoka zawartość tlenu w odniesieniu do paliwa konwencjonalnego jakim jest węgiel. W przypadku współspalania pyłu węglowego z pyłem biomasy, rozmiar cząstek biomasy jest większy niŝ wymiar ziaren węgla. Zatem udział biomasy w mieszance paliwowej jest przyczyną trudności w pracy młynów pierścieniowo kulowych a takŝe zmian wydajności kotła (niejednorodna granulacja). Jedynie dobór właściwej technologii spalania oraz rozdrobnienia ekologicznego paliwa moŝe pomóc uniknąć problemów związanych z eksploatacją. Tab. 2. Skład chemiczny węgla kamiennego i róŝnych biopaliw Skład chemiczny w stanie suchym [%] Węgiel kamienny Słoma Miskant olbrzymi Drewno bukowe Malwa pensylwańska Węgiel 72,48 47,4 50,7 48,7 47,82 Wodór 5,64 4,5 4,4 5,7 6,15 Azot 1,28 0,4-0,8 0,08-0,51 0,13 0,133-0,21 Siarka 0,94 0,05-0,11 0,04-0,26 <0,05 0,018 Chlor 0,128 0,4-0,73 0,15-0,25 <0,1 0,016 Tlen 11,1 40,4 39,1 45 40,38 Właściwość Zawartość części 34,7 74,4 78,2 83,2 83,5 lotnych w stanie suchym [%] Stała masa palna w stanie suchym [%] 57,1 19,9 17 16,5 - Bibliografia[7] 4. ZABEZPIECZENIA INSTALACJI Proces współspalania wymaga przygotowania mieszaniny paliw. Mieszanie odbywa się na podajnikach taśmowych lub przesypach układu nawęglania [8]. Dlatego teŝ pojawia się niebezpieczeństwo wystąpienia wybuchów pyłów w procesie przetwarzania biomasy. Właściciele zakładów i inwestorzy są zobowiązani do zapewnienia bezpieczeństwa pracownikom i uŝytkownikom poprzez wprowadzenie szeregu systemów przeciwwybuchowych. Zabezpieczenia stają się efektywne jedynie w całym zespole urządzeń stanowiący układ ochrony. Do systemów zabezpieczających naleŝą systemy kontroli wizualnej, kurtyny wodne, mgłowe, instalacje zraszania, systemy detekcji tlenku węgla i metanu, eliminacja potencjalnych źródeł zapłonu, inertyzacja, HRD (tłumienie wybuchów), odciąŝanie wybuchów, parowe instalacje gaszenia młyna, systemy usuwania pyłu [6],[3]. W zaleŝności od lokalizacji urządzenia i jego wytrzymałości na parametry wybuchowe pyłów dobiera się odpowiednie systemy zabezpieczeń. Jeśli system ochrony nie jest dobrany poprawnie naleŝy liczyć się z następstwami takimi jak zniszczenie instalacji i obraŝenia, a nawet śmierć personelu, przestoje instalacji, czyli straty finansowe oraz konsekwencje prawne niewypełnienia wymogów stawianych pracodawcy [2]. Aby zabezpieczyć się przed takimi

682 Stanisław GAD, Agnieszka PAWLAK konsekwencjami minimalizuje się skutki wybuchu poprzez tłumienie, odciąŝanie i odsprzęganie wybuchów. Za najtańszą metodę minimalizacji skutków wybuchu uznaje się odpowietrzanie skutków wybuchu [5]. Przy budowie kanałów dekompresyjnych unika się zagięć i rozległych długości ze względu na moŝliwość spotęgowania siły wybuchu. OdciąŜanie eksplozji pozwala na wyprowadzenie płomienia, ciśnienia i gazów spalinowych poza chroniony element. Następuje wówczas obniŝenie ciśnienia przez otwór dekompresyjny. Obok paneli odpowietrzających znajdują się samozamykające się klapy odciąŝające. Przykład klapy przedstawia rysunek 8 [3]. Innymi elementami zabezpieczającymi są przerywacze ognia [5], zbudowane z metali zmniejszających temperaturę ognia. Klasyfikuje się je do grupy tłumiącej wybuchy. Przerywacze zazwyczaj współpracują z płytami bezpieczeństwa (rys.9). Płyta otwiera się pod wpływem fali ciśnieniowej, a następnie przerywacz studzi płomień i zatrzymuje rozerwane elementy. Rys.8. Klapy odciąŝające [3] Rys.9. Przerywacz ognia z płytą bezpieczeństwa [4] Następnym systemem jest aktywny system tłumienia wybuchów HDR (High Rate Discharge). W skład tego systemu wchodzi czujnik ciśnieniowy i czujnik na podczerwień wykrywające pojawienie się wybuchu, ładunek pirotechniczny odpowiadający za wystrzelenie proszku gaszącego do chronionego urządzenia, dysza rozpylająca proszek oraz centrala sterująca systemem [2]. W systemach tłumienia wybuchu kluczowy jest moment wykrycia początkowej fazy eksplozji. Kolejną kwestią podejmowaną w zabezpieczanym układzie jest zagwarantowanie by ogień nie wydostał się do innych części instalacji z falą wybuchową. Izolacja odsprzęganie wybuchów moŝe być realizowane poprzez zastosowanie butli SRD (Slow Rate Discharge) lub zaworu szybko zamykającego. Butla SRD ma za zadanie wstrzelić proszek gaszący w odpowiednim momencie określonym na podstawie sygnałów pochodzących z czujnika ciśnienia i iskier. Zawór szybko zamykający natomiast izoluje wybuch poprzez całkowite odcięcie ognia i ciśnienia. System ochrony z zaworem szybko zamykającym pozwala uniknąć zanieczyszczenia rurociągu proszkiem gaszącym. Aby elementy zabezpieczeń spełniały jednak swoją funkcję muszą działać w spójnym układzie chroniącym odpowiednie części instalacji. Odcięcie bowiem rozprzestrzeniającej się fali uderzeniowej wybuchu, w przypadku odsprzęgania, nie chroni pozostałych urządzeń systemu.

SYSTEM TRANSPORTOWY W INSTALACJI PRZYGOTOWANIA 683 5. WNIOSKI Spalanie biomasy na skalę przemysłową pozwala na częściowe uniezaleŝnienie się od tradycyjnych paliw kopalnych [7]. Ponadto przy stosowaniu współspalania z węglem kamiennym daje moŝliwość wykorzystania paliwa krajowego do produkcji energii elektrycznej w warunkach zaostrzonych przepisów prawa. Łączy ekonomiczne i ekologiczne korzyści. Niestety biomasa jest paliwem trudnym technologicznie. Przedstawiony system transportowy biomasy naraŝony jest na wybuchy i poŝary pyłów powstających w zsuwniach przesypowych, instalacji dozowania, czy zasobnikach przykotłowych. Jest miejscem występowania niebezpiecznych pyłów i atmosfery wybuchów. Silosy, młyny, filtry to elementy instalacji wymagające szczególnej ochrony przeciwpoŝarowej i przeciwwybuchowej. Uzbrojenie systemu jedynie w cały zespół zabezpieczeń pozwala chronić ludzi i sprzęt znajdujący się w zagroŝonej wybuchem przestrzeni. 6. BIBLIOGRAFIA [1] BłaŜejewska R., Współspalanie biomasy z węglem kamiennym w Elektrowni Połaniec S.A. Grupa GDF SUEZ Energia Polska, Praca podyplomowa, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie, Katedra Energetyki i Ochrony Środowiska, Kraków (2008/2009) [2] http://www.powderandbulk.pl/artykul_1432.html [3] Janas S., Bezpieczeństwo wybuchowe w teorii i praktyce, cz. I, Powder&Bulk, 04/2010 [4] Jobczyk T., Instalacje biomasy a zagroŝenie wybuchem, Powder&Bulk, 02/2010 [5] Jobczyk T., ZróŜnicowanie systemów przeciwwybuchowych oraz ich praktyczne działanie, Powder&Bulk, 03/2009 [6] Kowalczyk W., ASE Automatic Systems Engineering, materiały przygotowane na konferencję ATEX-ENERGO Bezpieczeństwo przeciwwywuchowe w Energetyce Gdynia 10-11 marzec 2010, Jaworzno, 02/2010 [7] Kruczek H., Miller R., Tatarek A., Spalanie i współspalanie biomasy korzyści i zagroŝenia, Gospodarka Paliwami i Energią, 03/2003 [8] Lamch M., O czym pamiętać mieszając węgiel z biomasą, Energetyka Cieplna i Zawodowa, 07,08/2009 [9] ŚciąŜko M., Zuwała J., Pronobis M.: Współspalanie biomasy i paliw alternatywnych w energetyce, Zabrze, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla i Politechnika Śląska 2007 [10] Węgrzyn W., Ochrona przeciwpoŝarowa przy transporcie, składowaniu i spalaniu biomasy, Rynek Instalacyjny, 06/2009 [11] Zawistowski J., Biomasa w ogrzewnictwie indywidualnym i komunalnym (cz.1), Rynek Instalacyjny, 11/2004 [12] Zielona Energia z Połańca, Ekopartner, 11(157)/ 2004 [13] Zuwała J., Ryński M., Testy współspalania i współmielenia róŝnych rodzajów biomasy w Elektrowni Połaniec S.A. Grupa Electrabel, materiały przygotowane na II Konferencję Naukowo Techniczną Ochrona Środowiska w Energetyce 2007, Jaworzno, 02/2007

684 Stanisław GAD, Agnieszka PAWLAK Udział w Konferencji współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Projektu pt. Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę sukcesu Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1 Poddziałanie 4.1.1 Umowa UDA-POKL.04.01.01-00-175/08-02 Politechnika Świętokrzyska, 25-314 Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7