Dr inż. Ryszard Głąbik, Zakład Kotłów i Turbin 1 2 Własności fizyko-chemiczne biopaliw zależą w dużym stopniu od ich składu chemicznego masy palnej i substancji mineralnej, zawartości części lotnych, popiołu i jego składu. Wielkości te decydują o doborze sposobu spalania pozwalającego na minimalną emisję i uniknięcie zagrożeń eksploatacyjnych (zanieczyszczenie powierzchni, szlakowanie, korozja wysokotemperaturowa). Zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest podobnego rzędu jak dla węgla kamiennego. Natomiast dla roślin energetycznych mieści się w zakresie 2-6%. Jedynie dla odpadów drzewnych zawartość popiołu jest bardzo niska i wynosi poniżej 1%. Kaloryczność biomasy, w przeliczeniu na masę suchą, jest rzędu 15-20 MJ/kg. Zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest zawartość chloru, szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże ryzyko występowania korozji. Biomasa, w porównaniu z węglem, charakteryzuje się dużą zawartością części lotnych. Mała gęstość biomasy stanowi problem transportowy i magazynowy 250-360 kg/m3 DREWNO KAWAŁKOWE PELETY 3 ZREBKI TROCINY 4
Potencjał techniczny biopaliw w Polsce, możliwy do wykorzystania na cele energetyczne, oszacowano na ok. 684,6 PJ. Rozwój tego sektora następuje przede wszystkim w oparciu o odpady drzewne. Drewno pochodzące z lasów, przesiek, sadów, specjalnych upraw (plantacje drzew i krzewów szybko rosnących takich jak: wierzba, topola, platan, eukaliptus, trzcina cukrowa, rzepak, słonecznik i wybrane gatunki traw)oraz odpady z przemysłu drzewnego, Gaz wysypiskowy Biogaz z oczyszczalni 100 100 36 Biogaz Biopaliwa ciekłe 44 209,6 Słoma 195 Odpady drzewne Rośliny uprawne przeznaczone na cele energetyczne, Pozostałości organiczne i odpady: 1) słoma i inne pozostałości roślinne stanowiące materiał odpadowy przy produkcji rolniczej, 2) odpady powstające w przemyśle rolno-spożywczym, 3) gnojownica lub obornik wykorzystywane do fermentacji metanowej (tzw. biogaz), 4) odpady organiczne z wysypisk śmieci (tzw. gaz wysypiskowy), Rys. Potencjał techniczny biopaliw w Polsce w PJ 5 5) organiczne odpady przemysłowe np. w przemyśle papierniczo-celulozowym. 6 ODPADY DRZEWNE : ROŚLINY ENERGETYCZNE : Potencjał drewna w Polsce szacuje się na 19 mln m 3 rocznie z czego: 2,5 3 mln m 3 to drewno opałowe pozyskiwane z lasów, 5 9 mln m 3 to tarcica z przemysłu drzewnego(tartaki, zakłady meblarskie itp.), reszta to drewno z cięć pielęgnacyjnych w sadownictwie. Dla producentów rośliny energetyczne staną się w najbliższej przyszłości cennym surowcem, poszerzając i różnicując rynek biomasy oraz dostarczając jednorodnego surowca. W grę może wychodzić wierzba energetyczna jak i inne rośliny. Dużą zaletą upraw energetycznych będzie uniezależnienie się od koniunktury w przemyśle drzewnym oraz problemów związanych z pozyskiwaniem drewna z Lasów Państwowych. SŁOMA : Potencjał słomy jest bardzo duży. Szacunkowo mówi się o wykorzystaniu do celów energetycznych 9-11 mln ton rocznie. Słoma wykorzystywana jest w postaci prasowanych kostek i balotów oraz sieczki w przypadku technologii automatyzowanych. 7 8
Własności fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona paliwem trudnym technologicznie, znacznie różniącym się od węgla spalanego w kotłach energetycznych. Podstawowe różnice między tymi paliwami, to: niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę objętości konieczność operowania kilkakrotnie większymi objętościowo ilościami biomasy w celu dostarczenia do procesu takiej samej ilości energii jak z węgla wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45 60%), która wpływa negatywnie na efektywność procesu spalania wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w węglu kamiennym) drastycznie zmieniająca warunki zapłonu i spalania zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest podobnego rzędu jak dla węgla kamiennego, natomiast dla roślin energetycznych mieści się w zakresie 2 6%, a jedynie dla odpadów drzewnych jest bardzo niska i wynosi < 1 % zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest zawartość chloru szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże ryzyko występowania korozji urządzeń głównymi składnikami popiołu z węgla kamiennego są Si0 2, AI 2 O 3 i Fe 2 0 3, natomiast dla biomasy oprócz dużej ilości K 2 O i Si0 2 stwierdzono duże ilości CaO większość rodzajów biopaliw stałych wykazuje stosunkowo niskie temperatury mięknięcia i topnienia popiołu w porównaniu z węglem, głównie z powodu dużej zawartości związków metali alkalicznych. 9 10 11 12
Rodzaj paliwa Wilgoć całkowita Popiół suchym Wartość opałow a Wartość opałow a suchym Siarka Azot Chlor % % kj/kg kj/kg % % % % Drewno rąbane 20-14700 - - - - - Fluor Rodzaj paliwa Wilgoć całkowita Popiół suchym Wartość opałow a Wartość opałow a suchym Siarka Azot Chlor Fluor Zrębki drzewne 42,4 0,5 8957 Kora drzewna Trociny Pył drzewny Brykiet drzewny Pelety 38,4-48,1 39,1-47,3 3,8-6,4 3,8-14,1 3,9-14,7 7947-11796 1,3 5267 2,4-17,1 0,3-28,7 15212-19148 15212-19742 3,6-12 1,2-3,2 16512-17281 1849 6 17588-20674 1934 6 15161-20109 16962-20357 17830-19579 0,03 0,06 b.d b.d 0,12-0,21 0,01-0,21 0,02-0,23 0,06-0,07 0,05-0,2 0,28-0,33 0,02 b.d b.d b.d b.d b.d 0,08-0,19 0,11-1,13 b.d 0,001-0,003 0,091 b.d b.d b.d 13 Słoma żółta 15 4 Słoma szara 15 3 Brykiet ze słomy % % kj/kg kj/kg % % % % 9,7 5,2 1430 0 1520 0 1523 1 1430 0 1520 0 1713 1 0,16 0,3 0,7 b.d 0,1 0,4 0,1 b.d 0,14 b.d b.d b.d 14 Rodzaj paliwa Wilgoć całkowita Popiół suchym Wartość opałowa Wartość opałowa suchym Siarka Azot Chlor Fluor % % kj/kg kj/kg % % % % Mączka mięsnokostna 1,6-4,3 23,8-31,5 16529-19049 17340-19388 0,39-0,57 b.d b.d b.d Śmieci 63,4 3,72 14303-0,04 b.d b.d b.d Osady ściekowe 64,5-83,0 31,5-46,5 285-2245 10768-16629 0,16-0,46 b.d 0,017-0,036 b.d Bioszlam 43,71 0,63 15838-0,046 b.d b.d b.d 15 16
Rodzaj paliwa Plon Plon Wartość opałowa s.m. t/ha s.m. GJ/ha GJ/t Wierzba (Wiklina wiciowa) 28 306 17 Ślazowiec Pensylwański 17 221 13 Topinambur 10-16 130-208 13 Mozga trzcinowata 15-18 210-250 14 Trzcina pospolita 13-70 195-1050 15 Kostrzewa trzcinowata 5-6 70-84 14 Miskant cukrowy 30 510 17 17 18 Do chwili obecnej znanych jest tylko 5 rozwiązań energetycznego współspalania: Spalanie biomasy w oddzielnym palenisku i wprowadzanie uzyskanych (gorących) spalin do instalacji kotłowej, Spalanie biomasy na ruszcie znajdującym się pod paleniskiem kotła energetycznego, Mielenie biomasy i doprowadzanie jej wraz z paliwem podstawowym bezpośrednio do palników kotła energetycznego, Odgazowanie lub zgazowanie biomasy w urządzeniu zewnętrznym i dopalenie powstałego gazu w kotle, Spalenie drobnych frakcji w zawiesinie wodnej przy użyciu palników olejowych. 19 Niechłodzone palenisko rusztowe z którego spaliny są doprowadzane do komory paleniskowej kotła energetycznego. Kocioł pracuje na paliwie podstawowym, a biomasa stanowi jedynie uzupełnienie. 20
21 22 oddzielenie instalacji spalającej biomasę od instalacji spalającej węgiel minimalna ingerencja w istniejącą konstrukcję koła pyłowego eliminacja zagrożeń z tytułu gromadzenia się biomasy w młynach, osiadania niespalonej biomasy na powierzchniach grzewczych kotła, zasypywania rusztu dopalającego utrzymana 100% wydajność kotła na paliwie podstawowym przy odłączonym przedpalenisku stosunkowo prosta i tania technologia w odróżnieniu od zgazowania paliwa czy przeróbki kotła na kocioł fluidalny możliwość kompletnego przygotowania paliwa poza terenem elektrowni możliwość dłuższego zatrzymywania pracy przedpaleniska i pracy w układzie dotychczasowym (niskie koszty kapitałowe) ochrona ekranów ścian kotła przed korozją niskotlenową mniejsze nakłady na remonty ze względu na mniejszą korozję ekranów możliwość zmiany paliwa i jego parametrów w dosyć szerokich granicach rozdzielenie obu procesów spalania wpływa na zmniejszenie sprawności całego procesu współspalania (straty do otoczenia przez promieniowanie przedpaleniska oraz układu przepływu spalin z przedpaleniska do kotła parowego) możliwość wystąpienia efektu żużlowania (popiół ze spalania biomasy posiada niższą temperaturę mięknięcia, dostaje się ze spalinami do kotła, w którym panuje temperatura sprzyjająca tworzeniu osadów na powierzchniach ogrzewalnych) temperatura wewnątrz przedpaleniska nie może być wyższa niż 600-1000 C ze względu na żużlowanie rusztu spalanie musi się odbywać przy nadmiarze powietrza λ 3 ze względu na brak odbioru ciepła z komory bardzo duże przekroje kanałów łączących przedpalenisko z kotłem, ze względu na duży strumień spalin 23 24
Modernizacja ta polega na zainstalowaniu pod lejem żużlowym dwóch rusztów do spalania biomasy. Biomasa transportowana jest na ruszt podajnikami hydraulicznymi, a popiół spada do mokrego odżużlacza. Powietrze pobierane zza kotłowego podgrzewacza płynie przez ruszty. Ruszt posuwisto-zwrotny: 25 26 Ruszt wędrowny łuskowy: Zalety rozwiązania: możliwość spalania różnych form odpadowych drewna (np. kora, drewno kawałkowe) bezproblemowy przebieg spalania biomasy na ruszcie szybki zapłon biomasy oraz wysoki stopień dopalenia Wady rozwiązania: często brak jest miejsca pod lejem żużlowym kotła pyłowego na zainstalowanie rusztu. Instalację pilotową opartą na takiej zasadzie działania zbudowano w austriackiej siłowni St. Andra o mocy 124MW wyposażonej w kocioł pyłowy opalany węglem kamiennym. 27 28
Warunkami zastosowania tej technologii są: odpowiednie przygotowanie biomasy - umożliwiające zmielenie w istniejących instalacjach młynowych, nie zakłócając przemiału odpowiednia budowy palników oraz ich właściwy montaż umożliwiający podanie mieszanki do komory spalania kotły Z doświadczeń przeprowadzonych w wielu elektrowniach wynika że w większości przypadków niemożliwe jest współspalanie w sposób ciągły więcej niż 5% biomasy. Ponieważ może to spowodować wystąpienie następujących problemów: obniżenie sprawności kotła, obniżenie maksymalnej wydajności kotła, zwiększenie żużlowania komory spalania, zmniejszenie sprawności odpylania w elektrofiltrach oraz wzrost zagrożenia wstąpienia samozapłonu w młynie węglowym. 29 30 Kompleksowe badania współspalania w kotłach OP-380 Wyniki badań: Ogólne parametry bloku: - nie stwierdzono wyraźnego wpływu na szlakowanie kotła, - wzrost udziału biomasy powyżej 7 % pogarsza dynamikę kotła i osiągi regulacyjne bloku (regulacja wtórna), - udział biomasy powyżej 10 % nie pozwala na uzyskanie pełnej mocy osiągalnej przy optymalnej jakości węgla ( wymaga węgla o wyższej kaloryczności np. 20 % biomasy węgiel 24MJ/kg) Ochrona środowiska: - emisja SO2 maleje wraz ze wzrostem udziału biomasy, - powyżej 10 % biomasy zaobserwowano wzrost emisji tlenków azotu NOx i CO przyczyna ( pogorszenie przemiału węgla) 31 32
33 34 Sposób 1: Sposób 2: 35 36
faza stała i faza gazowa przemieszczają się w tym samym kierunku, w dół reaktora, najniższe moce w porównaniu z innymi technologiami zgazowania, nadaje się jedynie do wybranych rodzajów i sortymentu wsadu, wymagany równomierny sortyment wsadu w złożu, występowanie charakterystycznego przewężenia konstrukcyjnego średnicy wewnętrznej w celu wymuszenia przejścia gazu przez strefę wysokiej temperatury (zabieg zmniejszający zawartość substancji smolistych), wykazuje skłonności do szlakowania, długi czas procesu zgazowania, wymagana niska zawartość wilgoci w biomasie (ograniczone suszenie wewnętrzne), stosunkowo czysty gaz (niska zawartość substancji smolistych), faza stała przesuwa się w dół reaktora, faza gazowa w przeciwprądzie w górę moce reaktorów pomiędzy dolnociągowymi a fluidalnymi możliwość stosowania wsadu o grubszym sortymencie wewnętrzne suszenie wsadu; możliwość stosowania wsadu o dużym udziale wilgoci zanieczyszczony gaz z dużą zawartością substancji smolistych stosunkowo niska temperatura gazu na wyjściu z generatora wysoka sprawność wysoka temperatura gazu na wyjściu z reaktora. 37 38 odmiana reaktora dolnociągowego, wsad i powietrze są podawane razem od góry reaktora, stała średnica wewnętrzna na całej długości reaktora (brak przewężenia konstrukcyjnego), stosowane do zgazowania wsadu o małej gęstości nasypowej, temperatura gazu z reaktora pomiędzy typową konstrukcją dolnociągową a górnociągową. stosowane jedynie w zakresie dużych mocy (10 100 MW), łatwy i szybki rozruch i zatrzymanie większe spadki ciśnienia gazu niż w przypadku złoża stałego możliwość pracy w zakresie obciążeń 50 120% mocy znamionowej mała ilość wsadu w reaktorze, co zapewnia dużą elastyczność zmian rodzaju wsadu bardzo dobre warunki wymiany ciepła i masy dzięki wymieszaniu fazy stałej, ciekłej i gazowej wyrównana temperatura w reaktorze stosunkowo proste skalowanie w celu uzyskania różnych mocy znamionowych 39 40
możliwość stosowania katalizatorów w złożu w celu przyspieszenia reakcji możliwość kontroli temperatury procesu większa tolerancja na zmienną jakość (rodzaj) wsadu niż w przypadku złóż stałych znacznie większa tolerancja na nierównomierną wielkość cząstek wsadu, wielość cząstek wsadu ograniczona koniecznością zapewnienia fluidyzacji złoża większa powierzchnia kontaktu fazy gazowej i stałej wysoka wydajność jednostkowa (w odniesieniu do objętości reaktora) wyższe straty węgla w popiele (niższe współczynniki konwersji wsadu) stosunkowo duża zawartość pyłów unoszonych w gazie Reaktory fluidalne dzielą się na reaktory ze złożem: a)stacjonarnym zakres mocy niskich i średnich (do 25 MW) b)cyrkulującym zakres mocy średnich i dużych (dają ponadto mniejszą zawartość substancji smolistych w gazie) 41 42 cząstki wsadu są unoszone przez strumień czynnika zgazowującego w kierunku wylotu gazu; wszystkie reakcje zachodząw strumieniu unoszonych substancji, technologia najbardziej rozpowszechniona w zgazowaniu węgla, lecz stosunkowo rzadko stosowana do zgazowania biomasy, zwykle w reaktorach tego typu prowadzone jest wspólne zgazowanie biomasy i węgla, wysokie temperatury procesu zapewniające dużą czystość gazu, lecz mniejsze wartości opałowe (1300 1500 C), z uwagi na wysoką temperaturę pracy reaktora następuje rozkład termiczny substancji smolistych, wysokie ciśnienie robocze (zwykle 2 do 5 MPa), wymagają znacznego rozdrobnienia biomasy, krótki czas przebywania cząstki wsadu w reaktorze (ok. 1 s), skomplikowane układy przygotowania i podawania biomasy, jedynie duże reaktory (powyżej 10 ton wsadu/h), znikoma zawartość substancji smolistych w gazie, wykazują tendencje do szlakowania, wysoki stopień konwersji biomasy, dzielimy je na dwa typy: żużlujące i nieżużlujace, zwykle końcowym etapem jest gaszenie gazu i żużla wodą, co wiąże sięz dużym jej zużyciem. 43 44
faza stała przesuwa się w dół reaktora, a faza gazowa w poziomie (w prądzie krzyżowym), stosowane zwykle w małych zakresach mocy, tzn. do 30 kw, wielkość ziarna wsadu ograniczona do około 40 80 mm, udział popiołu we wsadzie ograniczony do około 6%, zwykle stosowane do zgazowania węgla drzewnego, gaz silnie zanieczyszczony; zwykle bezpośrednio spalany w kotłach, niska sprawność procesu zgazowania (50-70%), bardzo mała oferta rynkowa tego typu reaktorów, wyłącznie reaktory atmosferyczne, wartość opałowa gazu 4 6 MJ/m3, zawartość wilgoci we wsadzie nie powinna przekraczać 15 a) reaktory autotermiczne (z wytwarzaniem ciepła bezpośrednio w reaktorze): z podawaniem powietrza atmosferycznego, z podawaniem powietrza wzbogaconego w tlen, z podawaniem tlenu technicznego, z podawaniem pary wodnej. b) reaktory z pośrednim doprowadzeniem ciepła: z cyrkulującym materiałem inertnym jako nośnik ciepła (piasek, metale), z ogrzewaniem wsadu przez bezpośredni kontakt z gorącą powierzchnią. Większość technologii z pośrednim doprowadzeniem ciepła wymaga dodatkowego paliwa rozruchowego. 20%. 45 46 reaktor komora spalania gaz powietrze do spalania gazu PALIWO: zrębki drzewne wilgotność paliwa: 20% wartość opałowa: 14 GJ/Mg wydajność zasilania: 1500 kg/godz reaktor dozowniki paliwa spaliny paliwo WYDAJNOŚĆ CIEPLNA ZGAZOWARKI: 5 MWt 47 wygarniacz popiołu kabina sterowania paliwo 48
wlot paliwa zbiornik dozownika czujniki poziomu paliwa dozownik ślimakowy 49 50 Zalety : szerokie spektrum spalania odpadów drzewnych oraz możliwość spalania kory drzewnej stosowane może być paliwo o wilgotności sięgającej 65% możliwa jest praca ze spalaniem (w nadmiarze powietrza) i odgazowaniem 51 52
Polega na utylizacji uwodnionych odpadów z instalacji dekarbonizacji wody w elektrowniach jak również może być użyty do spalenia drobnych zawiesin substancji organicznych (np. osadów ściekowych po granulacji). Przebieg procesu : - Odmuliny - Osady z oczyszczalni ścieków Akcelerator Filtr ciśnieniowy (mikro filtracje) Separator odpadów (zagęszczane 15% substancji stałej ) Spalanie Kocioł pyłowy Dysze wtryskowe Rurociąg Zalety procesu : odsiarczanie spalin ze względu na wysoki poziom substancji alkalicznych zawarty w odpadach organicznych amoniak i mocznik zmniejszają zawartość tlenku azotu w spalinach 53 54 Zasadniczy wpływ na zachowanie się substancji mineralnej przy spalaniu biomasy ma obecność metali alkalicznych Na, K, Ca oraz chloru i siarki. Sód i potas w wysokich temperaturach spalania, które występują w kotłach pyłowych odparowują, a w wyższych partiach kotła, wchodząc w reakcję z innymi składnikami spalin (proces ten nieco inaczej przebiega w złożu fluidalnym) tworzą związki niskotopliwe, które osadzają się na powierzchniach przegrzewaczy. Typ osadu, ich kształt i grubość zależy od stosunku S/Cl w paliwie. Zaobserwowano trzy rodzaje osadów: submikronowe zeszklone, niejednorodne osady w kształcie półsfer, rozmieszczone na rurach. Głównym składnikiem tych osadów jest K2SO4, a w małej ilości występują Si, Ca, Mg. W przypadku spalania odpadów drzewnych spotyka się Na2SO4. zeszklone jednorodne osady rozmieszczone równolegle wzdłuż rur, które obserwuje się w szczególności przy spalaniu biomasy o małej zawartości siarki. osady niejednorodne w postaci sferycznej o stosunkowo dużych rozmiarach zawierające zazwyczaj cząstki kilkumikronowe. Te osady powstają w wyniku inertnego osadzania się cząstek. Dla trzeciego typu osadu niejasny jest obecnie mechanizm wiązania się z metalicznym podłożem, gdzie takim składnikiem wiążącym osad z metalem jest K2SO4, który otacza popiół lotny. 55 56
K2SO 4(g) K2SO 4(s) KCl(s) KCl(g) HCl(g) Tworzenie się aerozoli K2SO 4(s) KCl(s) KCl(s) K2SO 4(s) KCl(g) HCl(g) KOH(g) K2SO 4(s) KCl(s) HCl(g) K2SiO 3(s) 57 58 Współspalanie biomasy z węglem może powodować: rosnące zagrożenie tworzenia się osadów w palenisku oraz na konwekcyjnych powierzchniach ogrzewalnych aglomerację złóż kotłów fluidalnych szybszą korozję wysokotemperaturową po stronie spalin, redukcję sprawności układów odpylania, interferencję ze standardowym systemem kontroli emisji NOx i SO 2, wykorzystania odpadów paleniskowych ze względu na zmieniający się skład. 59 60
Zdjęcia z mikroskopu elektronowego zaglomerowanych cząstek piasku przy spalaniu biomasy w złożu fluidalnym 61 62 w komorze paleniskowej podczas niskoemisyjnego spalania KOROZJA NISKOTLENOWA lub NISKOEMISYJNA rur ekranowych, KOROZJA WYSOKOTEMPERATUROWA w rejonie przegrzewaczy pary, w strefie końcowych powierzchni konwekcyjnych (I stopień podgrzewacza wody lub podgrzewacz powietrza) oraz w usytuowanych za nimi elementach ciągu spalinowego KOROZJA NISKOTEMPERATUROWA 63 64
3 Na 2 SO 4 + Fe 2 O 3 + 3 SO 3 = 2 Na 3 Fe(SO 4 ) 3 Fe + 2 HCl = FeCl 2 + H 2 Fe 2 O 3 + 2 HCl + CO = FeO + FeCl 2 + H 2 O 65 66 Korozja w obecności stopionych soli, którymi są najczęściej chlorki i siarczany alkaliczne, chociaż potwierdzono również udział w procesach korozyjnych związków cynku i ołowiu. Korozja ta zachodzi w temperaturach wyższych od temperatury topnienia i niższych od temperatury nasycenia soli, w zakresie ok. 400 700 C. 67 Nie ma dotąd wiarygodnych informacji na temat wpływu współspalania biomasy na zmiany intensywności korozji ekranów w stosunku do występującej przy niskoemisyjnym spalaniu węgla. Współspalanie biomasy, a także paliw z odpadów, może natomiast spowodować wzrost zagrożenia korozją chlorową przegrzewaczy pary. W efekcie za najbardziej niebezpieczne zjawisko należy uznać korozję wysokotemperaturową związaną ze wzrostem udziału chloru w paliwie. Korozja ta jest nierozerwalnie związana z osadami popiołowymi pokrywającymi rury. Paradoksalnie stwierdzono, że współspalanie zawierającej chlor biomasy z paliwami zawierającymi siarkę korozję tę znacznie zmniejsza, ponieważ powstająca zwarta warstwa K 2 SO 4 stanowi dla rury ochronę. Pojawiły się badania, z których wynikało, że niebezpieczny jest dopiero stan, kiedy w paliwie stosunek S r /Cl r spada poniżej 2,0. W rzeczywistości problem jest jednak bardziej skomplikowany i późniejsze prace wykazały, że wspomniane ochronne działanie siarczanów występuje tylko w warunkach utleniających. 68
Przy współspalaniu mieszanki o udziale do 10% wagowo biomasy, skład chemiczny próbek popiołu i żużla ze współspalania biomasy drzewnej jest zbliżony do składu chemicznego popiołu i żużla ze spalania węgla kamiennego. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem obciążenia kotła rosły straty prażenia, które spowodowały niewielkie różnice w składzie chemicznym pomiędzy analizowanymi próbkami Z przeprowadzonych analiz wynika, że popiół i żużel ze współspalania nie powodują skażenia środowiska metalami ciężkimi, substancjami promieniotwórczymi i zanieczyszczeniami biologicznymi, stąd mogą być składowane na powierzchni terenu lub gospodarczo wykorzystane na podobnych warunkach jak popiół i żużel uzyskiwane ze spalania węgla kamiennego bez dodatków Nieco inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku współspalania mączki zwierzęcej. Odmienny skład popiołu z mączki i węgla wpływa na skład popiołu pojawiającego się w kotle podczas współspalania tych paliw. Wysokie zawartości fosforu, wapnia i sodu w mączce wpływają na skład popiołu i mogą oddziaływać na jego dalszą przydatność Istnieje również możliwość wykorzystania popiołu lotnego wzbogaconego związkami fosforu jako dodatku do nawozów. Podobne problemy mogą wystąpić przy utylizacji popiołów ze spalania osadów ściekowych, w których zawartość fosforu także jest znaczna 69 70 71 72
73 74 75 76
Badania własne nad spalaniem ślazowca, (Petemi), pyłu drzewnego w tym odpadów z produkcji płyt MDF oraz dane literaturowe pokazują, ze obecność biomasy pozytywnie wpływa na stopień wypalenia paliwa, jak i na emisję tlenków azotu i dwutlenku siarki. Procentowy wzrost stopnia wypalenia zależy od typu biomasy i jej rozmiaru. Biomasę można podawać jako mieszankę z węglem w odpowiednich proporcjach poprzez palnik. Wyniki badań nad emisją tlenków azotu przy stopniowym i jednostadiowym współspalaniu różnych typów biomasy o różnych rozmiarach wskazują, że dla wszystkich typów biomasy ze wzrostem jej udziału w mieszaninie, niezależnie od zawartości azotu w biomasie, maleje emisja NOx, Przy czym dla drobnych cząstek miskanta przy jednostopniowym spalaniu spadek emisji NOx jest nieznaczny. Wpływ rozmiaru ziarna na emisję tlenków azotu tłumaczyć można dużą zawartością części lotnych w biomasie, która ma zasadniczy wpływ na generację NOx w bezstopniowym spalaniu. Odwrotny wpływ części lotnych obserwuje się przy stopniowym spalaniu. Przy stopniowym spalaniu i współspalaniu większe rozdrobnienie biomasy zwiększa stopień redukcji NOx 77 Konwersja siarki w procesie współspalania biomasy i węgla do SO2 maleje ze wzrostem udziału biomasy (powyżej 15%) i jest mniejsza dla grubszych cząstek. Można to wytłumaczyć tym że część siarki z paliwa przechodzi do popiołu wiec nie bierze udziału w tworzeniu się ditlenków siarki. Rezultaty badań nad określeniem możliwości tworzenia się i emisji dioksyn i furanów przy współspalaniu biomasy jak również nad emisja pierwiastków śladowych wykazały brak tych pierwszych oraz mniejsze znacznie wartości emisji metali. Wytłumaczyć to można korzystniejszymi warunkami spalania przy udziale biomasy oraz małą zawartością substancji mineralnej biomasy z niewielkimi ilościami pierwiastków metalicznych. Z badań wynika, że współspalając biomasę z węglem można określić optymalny rozmiar cząstek zwłaszcza dla odpadów drzewnych, w ten sposób uzyskać można wysoki stopień wypalenia a równocześnie niską emisję tlenków azotu, siarki i pierwiastków śladowych. Poza własnościami samej biomasy bardzo istotny jest wpływ wilgoci, który może zmienić relacje uzyskane dla suchej biomasy 78 Obecność związków metali alkalicznych w biopaliwach stwarza problemy ze zwiększoną skłonnością popiołów do tworzenia osadów, stąd zanieczyszczenie i szlakowanie powierzchni ogrzewalnych. Przebieg procesu tworzenia się osadów i zachowanie się związków alkalicznych jest zależny od rodzaju paliwa i systemu spalania. W przypadku wysokich zawartości metali alkalicznych względem siarki, tworzą się chlorki metali alkalicznych, które biorą udział w procesie korozji i zanieczyszczenia powierzchni. W przypadku obecności znacznych ilości siarki w paliwie unika się tworzenia chlorków. W złożu fluidalnym, w którym przebiega równocześnie ze spalaniem proces odsiarczania, brak jest odpowiedniej ilości SO 2 w spalinach. Dlatego też tworzą się chlorki potasu, które powodują zjawisko zanieczyszczania powierzchni i korozję nawet dla paliw o małej zawartości chloru Obecność chlorków metali alkalicznych w osadach zależy od konstrukcji kotła, typu biomasy i stosunku węgla do biomasy. W kotłach pyłowych KCl jest przekształcony do krzemianów potasowych, K2SO4 i HCl, stąd KCl nie występuje w osadach i szybkość korozji jest nieznaczna. Odmienna sytuacja zachodzi w kotłach fluidalnych gdzie tylko część KCl jest przekształcana do siarczanu, a pozostała przechodzi do osadów stwarzając warunki sprzyjające korozji wysokotemperaturowej 79 80
W kotłach pyłowych duże ilości SO 2 i wysokie temperatury spalania przyspieszają tworzenie się krzemianów potasu i siarczanów, które zmniejszają problem zanieczyszczania powierzchni. Parowanie potasu w warunkach pyłowej komory paleniskowej zwiększa temperaturę topnienia pozostałego popiołu, co zmniejsza niebezpieczeństwo szlakowania komory. Jest to zjawisko korzystne w przypadku kotłów ze stałym odprowadzeniem żużla, a stwarza problemy w kotłach z ciekłym odprowadzeniem żużla. Rozwiązaniem problemu tworzenia się osadów i korozji może być dobranie mieszanek paliw konwencjonalnych z biomasą (współspalanie) oraz dodatków specjalnych Prace prof.marti Aho z VTT wykazały że związki zawierające glin zawarte miedzy innymi w osadach ściekowych poprzez preferencyjne tworzenie się krzemianów alakalicznych wpływają pozytywnie na problem zanieczyszczeń Współspalanie biomasy z węglem znacznie redukuje problemy eksploatacyjne wynikajace miedzy innymi z zachowania się substancji mineralnej w porównaniu do spalania czystej biomasy, lecz wymaga określenia na drodze testów parametrów pracy komory spalania 81 82