Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 7 (2008), p-1-8 Czy możliwe jest wykorzystanie paliw odpadowych w wielkich kotłach energetycznych? Karcz H. 1, Głąbik R.1, Kantorek M 1., Folga 2 K., Komorowski W. 2, Kurzelewski J. 3 1 Politechnika Wrocławska, Katedra Kotłów i Turbin Wydział Mechaniczno-Energetyczny 2 ZBUS Combustion Głowno 3 Elektrownia Stalowa Wola e-mail: henryk.karcz@tkw.pl Streszczenie Bardzo duży potencjał paliwowy tkwi we wszelkiego rodzaju odpadach organicznych, roślinnych i zwierzęcych. Jeżeli odpady te można zakwalifikować do grupy biopaliw, stanowić one mogą znaczny potencjał paliwowy dla elektrowni. W przypadku tego rodzaju paliwa, elektrownie zawodowe będą miały potrójną korzyść: 1. wypełnią wymóg produkcji energii ze źródeł odnawialnych,2. będą miały zapewnione stałe źródło dopływu surowca paliwowego,3. będą miały dodatkowe źródło finansowe za utylizację odpadów. Budowane instalacje nie mogą wpływać na pogorszenie jakości środowiska naturalnego i standardy jakości środowiska będą dotrzymywane. Abstract Possibility of fuel from waste utilization in the high power engineering soker fired boiless All kinds of organic, plant and animal waste may become very important as regards the production of fuel. If such kinds of waste are included into the group of biofuels, they may become a significant source of fuel for power plants. This kind of fuel may give professional power plants the following three benefits: 1. power plants shall meet the requirement concerning the production of power using renewable sources, 2. power plants shall be continuously supplied with the fuel source. 3. power plants shall gain an additional source of finance for waste utilization. The constructed installations cannot decrease the quality of the natural environment and the environmental quality standards must be complied with.
2 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008) 1. Wstęp Ze względu na konieczność wytwarzania w najbliższym czasie tzn. do roku 2010 energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych przynajmniej do 10% ogólnej ilości nakazem dla wszystkich elektrowni stała się konieczność poszukiwania takich źródeł paliw odnawialnych i takich technologii ich spalania, aby wymóg ten został spełniony. Dodatkowym dopingiem dla producentów energii elektrycznej z tzw. zielonych źródeł jest pewność, że cała wyprodukowana przez nich energia elektryczna zostanie zakupiona przez Zakład Sieci Elektrycznych po wyższych cenach. Powstała więc sytuacja, która z jednej strony ułatwia sprzedaż wyprodukowanej energii po dogodnych cenach, a z drugiej strony stwarza problem z wynalezieniem odpowiedniego biopaliwa i odpowiedniej technologii jego spalania [1,8,9]. Główny problem przy obecnym stanie wiedzy na ten temat tkwi nie w technologii spalania, lecz w wynalezieniu takiego rodzaju biopaliwa, które zapewni w sposób stabilny i długotrwały dostawy źródła energii chemicznej do wytwarzania energii cieplnej i energii elektrycznej. Jest oczywistym, że w dalszym ciągu należy skupić się również na podnoszeniu sprawności termicznej i ekologicznej spalania biopaliw. Doświadczenia jednak ostatnich lat wykazały, że zarówno w skali światowej jak i w skali krajowej, głównym hamulcem wzrostu energii elektrycznej produkowanej z biopaliw są same biopaliwa. Różnego rodzaju postacie drewna, które jeszcze 10 lat temu znajdowały się przy ówczesnej ocenie w ilościach nieprzebranych, obecnie są już na wyczerpaniu. Czy paliwa z drewna mogą zostać zastąpione paliwami z innych gatunków roślin? W dużej mierze zależy to od wydajności energetycznej upraw, cyklu produkcyjnego, wydajności produkcyjnej, biologicznego sposobu odnawialności, dysponowanego areału upraw, warunków ekonomicznych i uwarunkowań prawnych. W warunkach botanicznych Polski praktycznie tylko dwa gatunki roślin w dalszej perspektywie mogą w jakimś stopniu spełnić wymogi Unijne odnośnie produkcji energii elektrycznej. Jedną, z tych roślin jest wierzba energetyczna (nie wiadomo, dlaczego nazwana energetyczną, bo na pewno nie jest to nazwa botaniczna), drugą zaś rośliną jest rzepak. Kilkuletnie próby z pozyskaniem drewna z wierzby energetycznej dają nadzieję, że w jakimś stopniu może być zaspokojone zapotrzebowanie na surowiec energetyczny. Szacunkowo są to jednak znikome ilości w stosunku do potrzeb i na pewno nie przekroczą 2% zapotrzebowania na biopaliwo dla elektrowni i elektrociepłowni. Wydaje się, że dużo większe nadzieje można pokładać w roślinach oleistych. Rośliny te dają bowiem olej o wysokiej wartości energetycznej i masę zieloną, która z dużym powodzeniem może być wykorzystywana w lokalnych kotłowniach. 2. Uwarunkowania środowiskowe spalania biomasy Podstawowymi potencjalnymi zagrożeniami dla środowiska wynikającymi z budowy instalacji do termicznego spalania paliw odpadowych należących do grupy OZE jest: emisja zanieczyszczeń do powietrza emisja zanieczyszczeń do gleby wytwarzanie odpadów
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008) 3 Budowane instalacje nie mogą wpływać na pogorszenie jakości środowiska naturalnego i standardy jakości środowiska muszą być dotrzymywane. Minimalizacja ujemnych oddziaływań budowanych instalacji na środowisko polegać będzie na: automatyzacji procesu spalania oraz oczyszczenia spalin w sposób gwarantujący nie przekraczanie określonych poziomów emisji szkodliwych dla atmosfery. wykorzystanie ciepła ze spalania OZE do celów wytwarzania energii cieplnej odizolowanie od gruntu miejsc gdzie może wystąpić jego potencjalne zanieczyszczenie rejon przygotowania, transportu i załadunku OZE do instalacji podczyszczanie wód opadowych i technologicznych odprowadzanych z dróg transportowych oraz z placów przygotowania magazynowania i transportu OZE do instalacji spalania. Dotychczasowe wyniki badań wykazały, że bezpośrednie i pośrednie oddziaływanie procesu spalania OZE na poszczególne elementy środowiska, na zdrowie ludzi, warunki życia, dobra materialne, dobra kultury i zabytki są nieistotne. 3. Aspekty spalania OZE w przedpaleniskach kotłów energetycznych Stosunkowo łatwe obniżenie kosztów jest możliwe dzięki zmniejszeniu cen paliwa w wyniku sięgnięcia np. po paliwa alternatywne, dotychczas słabo wykorzystywane (takie jak odpady komunalne, biomasa, paliwa wysoko zapopielone, osady ściekowe) i spalanie ich w przedpaleniskach kotłów energetycznych opalanych pyłem węglowym. Niezależnie od ekonomicznego profilu związanego z zastosowaniem tańszego paliwa, współspalanie daje dodatkową możliwość stosunkowo łatwego zmniejszenia ilości niewykorzystanych paliw i odpadów, zmniejszenia efektu cieplarnianego (np. spalanie biomasy powoduje zerową emisję CO 2 ), racjonalizację zużycia energii (wydatek energetyczny związany z recyklingiem i produkcją plastiku z odpadów jest większy niż wymagany do wytworzenia zupełnie nowego materiału) oraz umożliwia wyeliminowanie wielu problemów związanych z gospodarką odpadami (składowanie, odór, emisja CH 4, zanieczyszczenie gleby i wód gruntowych itp.) Współspalanie paliw alternatywnych niesie ze sobą również pewne trudności związane z możliwością korozji powierzchni ogrzewalnych kotłów energetycznych powodowanej głównie przez kwasy zawarte w spalinach. Na intensywność procesu korozji mają wpływ warunki spalania. W przypadku niedoboru tlenu i zawartości w układzie chloru w ilości ponad 0,1%, tlenki metali łatwo zmieniają się w chlorki, charakteryzujące się niższą temperatura topnienia i wrzenia a więc w niższych temperaturach reagujące z parą wodną dając tlenki metali i HCI działający korozyjnie. Im wyższa jest koncentracja chloru w paliwie tym wyższa jest korozja powierzchni zachodząca w warunkach redukcyjnych. [4]. Ponieważ korozja jest powodowana głównie przez HCl, można jej przeciwdziałać przez separację chloru z paliw alternatywnych (np. wstępna separacja PCV, NaCl) jeśli paliwem są odpady komunalne, bądź też wyłapywanie HCI lub Cl 2 w palenisku, w instalacji mokrego odsiarczania lub przed odpylaczem. Usunięcie chloru dokonuje się głównie poprzez. wtrysk sorbentu, którym przeważnie jest tlenek lub węglan sodu bądź wapnia (te same sorbenty jak dla chloru stosuje się również w celu usunięcia innych halogenów np. fluoru bądź bromu). Jednak najefektywniejsza wydaje się być separacja z paliwa materiałów zawierających chlor. Emisja toksycznych produktów ubocznych jest w
4 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008) znacznym stopniu efektem okresowej fluktuacji stężenia tlenu w palenisku skutek zmian parametrów spalanego paliwa (np. składu chemicznego, wartości opałowej itp). Szczególnie widoczne jest to podczas spalania odpadów, gdzie utrzymanie stabilnej niskiej emisji staje się dosyć skomplikowane (węgiel i biomasa charakteryzują się bardziej jednorodnym składem chemicznym i w związku z tym ich spalanie jest łatwiejsze). Niedomiar tlenu w palenisku powoduje wyższą emisję CO, PAH (węglowodory poliarotmatyczne) oraz dioksyn. Stwierdzono, że emisja CO, a co za tym idzie i innych nie spalonych związków zawierających węgiel jest najniższa jeśli stężenie tlenu w spalinach wynosi około 6 l0%. Przy zbyt niskiej koncentracji tlenu występuje szybki wzrost emisji z uwagi na powstanie w palenisku warunków redukcyjnych, zaś gdy stężenie O przekracza 10% zachodzi tzw. zimne spalanie również charakteryzujące się podwyższoną koncentracją produktów ubocznych w spalinach.[3]. 4. Technologia KJN spalania OZE jako metoda współpracy z kotłem Specyfika instalacji współspalania biomasy w kotle metodą KJN jest znacznie odbiegająca od dotychczasowego bezpośredniego prowadzenia współspałania biomasy z pyłem węglowym w kotłach energetycznych. Spalanie biomasy w kotle metodą KJN ma charakter pośredni i cechuje się oddzielnym spalaniem niezupełnym w przedpalenisku i następnie dopalaniem gazów palnych, głównie CO w komorze paleniskowej kotła. Spalanie biomasy w przedpalenisku ma charakter etapowy stąd budowa przedpaleniska składająca się z dwóch części: pieca obrotowego w którym następuje proces suszenia i odgazowania OZE oraz fluidalnej komory do spalania gazów pizolitycznych i karbonizatu. Podczas procesu odgazowania wydzielają się lotne lotnych części palne i karbonizat, które spalają się w komorze spalania. Gazy palne i gazy spalinowe o temperaturze ok. 1050 C kanałem łączącym fluidalną komorę spalania z kotłem przedostają się do komory paleniskowej kotła, do której doprowadzony jest pył węglowy. Wywiązujące się ciepło w przedpalenisku jest częściowo przekazywane czynnikowi chłodzącemu poprzez promieniowanie do orurowanych ścian komory fluidalnej a w znacznej mierze wprowadzane jest do kotła. Powierzchnie ogrzewalne komory fluidalnej po stronie czynnika chłodzącego włączone zostały pomiędzy I a II stopniem podgrzewacza wody. Dodatkowe przejęcie strumienia ciepła we fluidalnej komorze spalania może jednak spowodować odparowanie części wody tworząc mieszankę parową już w podgrzewaczu wody. Rozwiązania takie są stosowane w budowie kotłów, lecz ilość pary wytworzonej w podgrzewaczu wody musi być ograniczona ze względu na wzrost objętości mieszaniny, wzrost oporów przepływu i pogorszenie przejmowania ciepła w rurach ekranowych komory kotła. Powyższe zjawisko stanowi pewne zagrożenie w eksploatacji kotła z pracującym przedpaleniskiem. Dążenie do ograniczenia ilości ciepła przejętego przez podgrzewacz wody wymusza prowadzenie procesu spalania gazów pirolitycznych i karbonizatu w komorze fluidalnej z niedomiarem powietrza(spalanie niezupełne), któremu towarzyszy znaczący udział CO w spalinach.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008) 5 Rysunek 4.1. Schemat instalacji przedpaleniska. Przedpalenisko oraz technologia spalania biomasy oraz wszelkiego rodzaju odpadów przynależnych do OZE oraz mających aspekty A.P.E, chroniona jest patentami, wzorami użytkowymi i zgłoszeniami patentowymi, których właścicielem jest TKW i ZBUS Combustion Głowno [P1-P16]. Zabudowa przedpaleniska do spalania OZE nie wprowadza znaczących zmian w parametrach eksploatacyjnych kotła. Instalacja AKPiA wraz systemem sterowania pracą przedpaleniska została włączona do istniejącego nadrzędnego systemu sterowania kotłem. Przedpalenisko posiada: układ magazynowania, przygotowania i transportu biomasy, w skład którego wchodzą: rębak zgrubny i rębak dokładny zespół dwóch naczep rozładowczych zespół podajników prętowych układ taśmociągów transportujących waga do ważenia ilości podawanej biomasy -komorę obrotową
6 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008) komorę spalania z dnem fluidyzacyjnym 5.Wnioski Wykorzystanie wierzby energetycznej jako nośnika energii przy opalaniu wielkich kotłów energetycznych jest trudne do zrealizowania z uwagi na znaczne rozczłonkowanie plantacji, małą ich wydajność energetyczną i znaczne trudności logistyczne. Wierzba energetyczna może być natomiast z dużym powodzeniem wykorzystana do opalania małych kotłowni komunalnych zlokalizowanych w pobliżu plantacji. Współspalanie biomasy pochodzącej z produkcji leśnej W kotłach pyłowych opalanych węglem kamiennym - za wyjątkiem elektrowni Połanieckiej nie powinno przekraczać 7 8% sumarycznej energii doprowadzonej w paliwie do kotła. Spalanie różnego rodzaju biomas niezależnie od ich struktury fizycznej, właściwości fizykochemicznych, zawartości wilgoci i stopnia rozdrobnienia jest możliwe do realizacji w przedpalenjsku kotła pyłowego przy pomocy technologii KJN. Zamieszczone wyniki badań obliczeniowych mają zastosowanie do analizy przedstawionego w artykule złożonego problemu przepływu turbulentnego, trójwymiarowego w komorze paleniskowej kotła pyłowego. Są to metody. które pozwalają przewidzieć przepływ w komorze paleniskowej oraz określić poła temperatur, stężeń i prędkości oraz wyznaczyć obciążenie cieplne ekranów. Jest to bardzo ważne narzędzie dla projektanta przy rozwiązywaniu układów przedpaleniskowych, młynowo - palnikowych występujących przy modernizacji kotłów. 6. Spis patentów [P1 Karcz H., Wosik W.: Patent nr 162314 z dnia 19.02.1990r. pt. Sposób chłodzenia i czyszczenia głowicy palnika olejowego dwuczynnikowego, układ do chłodzenia, czyszczenia głowicy palnika olejowego dwuczynnikowego. [P2] Karcz H.: Patent nr 181624 z dnia 18.01.1997r. pt. Układ zapłonu ciężkich paliw płynnych w komorze spalania kotła energetycznego. [P3] Karcz H.: Patent nr 175529 z dnia 05.11.1994r. pt. Sposób i układ automatycznego sterowania pracą gazodynamicznych palników mazutowych, rozpałkowo - podtrzymujących w kotłach energetycznych. [P4] Karcz H., Kopeć A., Ziona J.: Patent nr 165780 z dnia 18.02.1990r. pt. Węzeł armatury przypalnikowej do współpracy z palnikiem mazutowym rozpałkowym, zwłaszcza do rozpalania kotłów energetycznych. [P5] Karcz H., Zembrowski M., Tracz B., Ładogórski P., Garncarz T., Jodkowski W., Borowik Zb., Wosik W..: Patent nr 164172 z dnia 01.10.1990r. pt. Palnik do spalania paliwa ciekłego. [P6] Karcz H., Andryjowicz Cz., Butmankiewicz T., Sikorki Wł..: Zgłoszenie patentowe P351001 z dnia 03.12.2001r. pt. Sposób i skrzynia doprowadzenia powietrza do
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008) 7 procesu spalania w komorach spalania kotłów energetycznych lub przemysłowych pieców technologicznych. [P7] Karcz H. i in.: Patent nr 351191 z dnia 14.12.2001r. pt. Zespół dozoru płomienia. [P8] Karcz H., Butmankiewicz T., Sikorki Wł: Zgłoszenie patentowe P360207 z dnia 19.05.2003r. pt. Sposób i instalacja do spalania odpadów zwierzęcych. [P9] Karcz H., Butmankiewicz T..: Zgłoszenie patentowe P362586 z dnia 02.10.2003r. pt. Sposób i urządzenia do termicznej utylizacji odpadów organicznych. [P10] Karcz H., Butmankiewicz T., Andryjowicz Cz.: Zgłoszenie patentowe P362326 z dnia 22.09.2003r. pt. Sposób i instalacja termicznej utylizacji osadów pościekowych. [P11] Karcz H.., Jodkowski W., Butmankiewicz T: Zgłoszenie patentowe P363891 z dnia 05.12.2003r. pt. Urządzenie do spalania i odpadów organicznych. [P12] Karcz H., Butmankiewicz T. : Zgłoszenie patentowe P368330 z dnia 02.06.2004r. pt. Sposób termicznej utylizacji odpadów zwierzęcych i organicznych. [P13] Karcz H., Butmankiewicz T.: Wzór użytkowy nr 114966 z dnia 29.07.2004r. pt. Dno sitowe kotła fluidalnego. [P14] Karcz H., Butmankiewicz T..: Zgłoszenie patentowe P 370751 z dnia 18.10.2004r. pt. Instalacja i sposób odwadniania i suszenia osadów ściekowych. [P15] Karcz H., Butmankiewicz T., Nunberg J., Jodkowski W.: zgłoszenie patentowe P372523 z dnia 02.03.2005 pt." Sposób i instalacja termicznej utylizacji toksycznych produktów odpadowych". [P16] Karcz H., Butmankiewicz T., Jodkowski W., Nunberg J.: Urządzenie napędowe komory pieca do termicznej utylizacji toksycznych produktów odpadowych. Zgłoszenie patentowe W116125 z dnia 15.05.2006. Literatura [1] Karcz H., Miller R., Jodkowski W., Butmankiewicz J., Kozakiewicz A.: Przyszłość zielonej energii w Polsce, Ekopartner 2007r. nr 3 (185), s 10-11 [2] Karcz H.,., Jodkowski W., Butmankiewicz J., Kozakiewicz A.: Perspektywy produkcji zielonej energii w Polsce. Wygł. Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006r, pt. Aktualne Problemy Budowy i Eksploatacji Kotłów, Szczyrk Orle Gniazdo 17-20 październik 2006r. Prace Naukowe JM, UE POL. Śląsk. 10 th, International Conference on Boiler Technology. Seria Monografie. Konferencje 2006r, z 16, t 2, s 37-52 [3] Kobyłecki R., Bis ZB.: Aspekty współspalania paliw alternatywnych z węglem w kotłach fluidalnych szansa czy zagrożenie?, Gospodarka Paliwami i Energią, 2003r, nr 2, s 2-8
8 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008) [4] Karcz H.., Kotulski A., Kozakiewicz A: Ograniczenie korozji wysokotemperaturowej przy wykorzystaniu oprogramowalnych sterowników. Wygł. Na konferencji Naukowo Technicznej pt. Kontrola Sterowania i Automatyzacja Procesu Spalania w Kotłach energetycznych Zakopane 23-25 maj 2005r. [5] Modliński ZB.: Przepływ ze spalaniem w komorach paleniskowych kotłów energetycznych modelowanie emisji CO i NO x Instrukcja użytkowa pakietu obliczeniowego COMSTAR [6] Wala T., Mirski M: Przewidywanie efektów modernizacji kotłów z zastosowaniem metod numerycznych [7] Kruczek H., Zając K., Modliński Zb: Impast of waste flue gas additional supply on PC boiler main operational parameters. [8] Karcz H., Butmankiewicz J., Kozakiewicz A.: Możliwość wytwarzania zielonej energii w elektrowniach. Czysta Energia 2005r nr 11, s. 14-16, rys. 2, bibliogr. 9 poz [9] Głąbik. R., Rzepa K., Modliński Zb., Sikorski Wł., Kosiorek Herbuś A., Karcz H.,: Obliczenia cieplne kotła OP-150 dla różnych udziałów energetycznych biomasy w paliwie. [10] Głąbik. R., Rzepa K., Modliński Zb., Sikorski Wł., Kosiorek Herbuś A., Karcz H.,: Obliczenia cieplne kotła OP -150 dla różnych udziałów energetycznych biomasy w paliwie. Wygł. Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006r, pt. Aktualne Problemy Budowy i Eksploatacji Kotłów, Szczyrk Orle Gniazdo 17-20 październik 2006r. Prace Naukowe JM, UE POL.Śląsk. 10 th, International Conference on Boiler Technology. Seria Monografie. Konferencje 2