Piotr POPIEL WPŁYW WSPÓŁSPALANIA BIOMASY Z PYŁEM WĘGLOWYM NA STRATĘ NIEDOPAŁU STRESZCZENIE Współspalanie biomasy często wiąże się ze zwiększeniem zawartości części palnych w popiele lotnym i żużlu. Prowadzi to do sytuacji, polegającej na niespełnieniu przez popiół lotny norm jakościowych przewidzianych przy produkcji materiałów budowlanych. Dlatego tak istotne jest określenie wielkości niedopału przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym. W artykule omówiono główne czynniki decydujące o wielkości niedopału przy spalaniu pyłu węglowego oraz przy współspalaniu biomasy w kotłach energetycznych. Do głównych czynników można zaliczyć: rodzaj spalanego paliwa, wilgotność, stopień rozdrobnienia, wielkość udziału biomasy i sposób jej dostarczenia do kotła. W artykule zamieszczono również wyniki badań przesiewowych popiołów lotnych, przy określeniu zawartość węgla całkowitego TC (Total Carbon) w każdej z frakcji. Słowa kluczowe: niedopał, części palne, współspalanie, biomasa. 1. WSTĘP Obowiązujące przepisy, mające na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla, wymusiły wykorzystywanie źródeł energii odnawialnych w celu wytwarzania energii elektrycznej. Krajowa energetyka zawodowa bazując na elektrowniach mgr inż. Piotr POPIEL e-mail: p.popiel@pollub.pl Katedra Elektroniki Politechnika Lubelska PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 249, 2011
70 P. Popiel węglowych, od kilku lat wykorzystuje biomasę, najczęściej współspalając ją z pyłem węglowym. Rozwiązanie to jest niewątpliwie najmniej kosztowne ze względu na inwestycje, jednak efektywność spalania jest stosunkowo niska [3]. Wymaga ono dostarczenia do kotła energetycznego zmieszanej i odpowiednio rozdrobnionej mieszaniny pyłowo-powietrznej. Potrzebne są więc dodatkowe urządzenia do transportu i wstępnego rozdrobnienia biomasy. Mieszanie paliw następuje w ciągu nawęglania, a końcowe rozdrobnienie ma miejsce w zespołach młynowych. Zwiększona strata niedopału jest jedną z wielu konsekwencji takiego pozyskiwania energii z biomasy, a wielkość strat prażenia w ubocznych produktach spalania jest jednym z czynników decydujących o efektywności spalania. Niewątpliwie lepszym rozwiązaniem, lecz wymagającym większych nakładów finansowych, jest wstępne zgazowanie biomasy (wykorzystując zgazowywarkę), bądź też jej doprowadzenie do paleniska wstępnego. Najlepsze efekty uzyskać można budując osobny blok energetyczny z paleniskiem fluidalnym zasilanym tylko biomasą, najlepiej jednego rodzaju [3]. Popioły lotne i żużle przez długie lata traktowane były jako odpady i gromadzone na składowiskach. Obecnie, w szczególności popioły, często wykorzystywane są w przemyśle budowlanym oraz drogownictwie. Istotnym ograniczeniem w ich stosowaniu są wyżej wspomniane straty prażenia, określone w normach z serii PN-EN 196 i PN-EN 450 [9]. Współspalanie biomasy z węglem energetycznym, przy udziale masowym większym niż kilka procent, powoduje często wzrost zawartości części palnych ponad wartości dopuszczalne przez normę. Powoduje to straty nie tylko finansowe (słabe wykorzystanie paliwa, brak możliwości sprzedaży popiołu), ale i środowiskowe, wynikające z konieczności składowania odpadów. W artykule omówiono czynniki wpływające na niedopał, a także przedstawiono wyniki badań przesiewowych popiołu lotnego, pobranego z różnych stref elektrofiltra. Opisane badania wstępne posłużą budowie optycznego układu pomiarowego zawartości części palnych w stałych, ubocznych produktach spalania. Jego celem będzie pomiar, w sposób ciągły, wielkości niedopału. Istotnym problemem jest zmieniająca się zawartość TC, wraz z grubością frakcji i zauważone zjawisko rozstawiania się popiołu, co jest źródłem błędów pomiarowych. 2. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA NIEDOPAŁ Fakt zwiększonych strat związanych z niedopałem można uzasadnić wieloma czynnikami, które można podzielić na trzy zasadnicze grupy:
Wpływ współspalania biomasy z pyłem węglowym na stratę niedopału 71 a) rodzaj i właściwości paliwa, b) metoda przygotowania i dostarczenie paliwa do kotła, c) sposób spalania paliwa. 2.1. Rodzaj i właściwości paliwa Bez względu na rodzaj spalanego paliwa zawsze potrzebna jest dokładna analiza jego cech fizyko-chemicznych. Do głównych parametrów, mających wpływ na stratę niedopału, można zaliczyć: wilgotność, gęstość, wartość opałową, zawartość części lotnych, zawartość i skład popiołu, ilość powstającego koksu i szybkość jego spalania, twardość, uwęglenie węgla i jego budowę petrograficzną czy też porowatość [4]. Warto zauważyć, że wilgotność węgla kamiennego zawiera się w zakresie od kilku do kilkunastu procent, a dla biomasy nawet kilkadziesiąt [6]. Tak duża zawartość wody oczywiście musi zostać odparowana, co dodatkowo obniża ilość uzyskiwanej energii. Duża wilgotność paliwa pogarsza jednocześnie jakość przemiału. 2.2. Przygotowanie i dostarczenie paliwa do kotła Przygotowanie i dostarczenie paliwa do kotła wydaje się być kwestią zasadniczą, wpływającą na wielkość niedopału, bez względu na sposób organizacji procesu spalania. Biomasa, posiadając niższą gęstość w stosunku do węgla i zdecydowanie większą wilgotność, jest często trudna w składowaniu. Często niemożliwe jest również dostarczenie wstępnie rozdrobnionego paliwa na teren elektrowni. Dlatego też rozdrabnianie najczęściej odbywa się blisko miejsca składowania, a do jego transportu używa się przenośników taśmowych. Zmieszanie węgla z biomasą następuje najczęściej w ciągu nawęglania. Na rysunku 1 przedstawiono widok mieszaniny pyłu węglowego z biomasą (zmielone zrębki drzewne). Udział biomasy w spalanym paliwie wynosił ok. 20% wagowo. Warto zauważyć, że tak dobrane proporcje mas, przy niskiej gęstości biomasy w stosunku do węgla, powodują zwiększenie objętości paliwa. Przedstawiona mieszanka paliwowa nie odzwierciedla dobrze składu faktycznych frakcji spalanych paliw, gdyż pobrana została w okolicach niewielkiej nieszczelności pyłoprzewodu, gdzie wydmuchane zostały najdrobniejsze cząstki. Jednak i na tym zdjęciu dobrze widoczny jest problem uwarstwienia paliw. Pył węglowy mający większą gęstość, dodatkowo lepiej kruszony w zespołach młynowych, opada niżej, a lekka biomasa pozostaje w górnych warstwach. Problem ten widoczny jest od momentu mieszania paliw w ciągu nawęglania. Nawet
72 P. Popiel dobrze wymieszane paliwa, z racji różnych gęstości, przy przesypywaniu z jednego taśmociągu na drugi mają tendencję do rozwarstwiania się. Trafiając do zasobnika węglowego, pod wpływem drgań ulegają swoistemu przesianiu, przez co chwilowy stosunek mas spalanych paliw może znacząco się zmieniać. Potwierdzeniem tej hipotezy może być gwałtownie zmieniająca się wartość węgla całkowitego w popiele lotnym (w tym samym bloku energetycznym). Rys. 1. Mieszanka pyłu węglowego z biomasą pobrana w okolicach niewielkiej nieszczelności pyłoprzewodu Wpływ przemiału na grubość frakcji i zawartość węgla całkowitego w popiele lotnym został szerzej omówiony w rozdziale 3. Warto również zaznaczyć, że problem ten dotyczy również żużli. Jednak ze względu na zdecydowanie niższe ilości jego powstawania i możliwości jego przemysłowego wykorzystania, nie stanowi tak dużego zainteresowania ze strony elektrowni. Na rysunku 2 pokazano próbkę żużla pobranego za kruszarką umieszczoną na dole kotła. Na zdjęciu tym dobrze widoczne są osmolone zrębki. Straty prażenia, przy współspalaniu często osiągają kilkanaście procent, co przy spalaniu milionów ton węgla rocznie stanowi poważny problem głównie środowiskowy [8]. Biomasa roślinna często posiada strukturę włóknistą (np. zrębki drzewne). Prowadzi to do sytuacji, w której jest ona w młynie miażdżona, a nie kruszona jak ma to miejsce w przypadku węgla. Doprowadza to często do sytuacji, w której ilość zgromadzonego w młynie paliwa blokuje jego ruch i powoduje nadmierne nagrzewanie, a stosunkowo niska temperatura zapłonu wraz z dużą
Wpływ współspalania biomasy z pyłem węglowym na stratę niedopału 73 zawartością części lotnych sprzyja samozapłonowi. Takie przygotowanie mieszanki pyłowo-powietrznej nie pozwala na efektywne spalanie paliw [1]. Rys. 2. Próbka żużla pobranego za kruszarką; po lewej stronie widoczne niedopalone zrębki drewna 2.3. Metoda spalania Współspalanie różnego rodzaju biomasy powinno wymuszać optymalizację pracy kotła energetycznego. Badania przeprowadzone przez firmę Babcock & Wilcom Co., mające na celu określenie przyczyn powstawania niedopału, wskazują na ścisły związek rodzaju spalanego węgla i konstrukcji kotła [4]. Najważniejsze z nich to: typ kotła, obciążenie cieplne komory paleniskowej, typ palników, czas przebywania cząstek w komorze, obecność dodatkowych urządzeń do redukcji NO x, nadmiar powietrza i jego temperatura, kąt pochylenia palników, proporcja powietrza pierwotnego i wtórnego [4]. Trudno jednak oczekiwać aby przy każdorazowej zmianie paliwa (rodzaju biomasy) wykonywać szereg obliczeń, prób i badań. Współspalanie biomasy zmienia położenie i wielkość jądra płomienia. Mniejsza masa drobin, większa wilgotność i zawartość części lotnych sprawia, że cząstki biomasy spalają się wyżej niż pył węglowy, co powoduje ich krótsze przebywanie w wysokiej temperaturze i niecałkowite spalenie. Wynikiem tego jest wzrost zawartości węgla całkowitego w popiele lotnym.
74 P. Popiel Obecnie prowadzone prace związane z budową kotłów zasilanych biomasą skupiają się na wykorzystaniu dodatkowych dysz ROFA i systemu ROTAMIX w celu zawirowywania płomienia w górnych częściach komory paleniskowej [2]. Powoduje to dłuższe przebywanie cząstek paliwa w wysokiej temperaturze, co zwiększa efektywność spalania i zmniejsza niedopał. 3. BADANIA LABORATORYJNE 3.1. Metodologia pomiaru Rysunek 3 przedstawia próbkę popiołu lotnego będącego produktem współspalania biomasy z pyłem węglowym. Podobnie jak w przypadku samego paliwa (rys. 1) tak i tu można zaobserwować rozwarstwianie. Czarne miejsca widoczne na środku zdjęcia, to cząstki niedopalonej biomasy o rozmiarach większych niż 200 μm i zawartości węgla całkowitego nawet rzędu kilkudziesięciu procent. Pobranie więc reprezentatywnej próbki do badań (ok. 1 g) jest trudne i wymaga wcześniejszego dokładnego wymieszania popiołu. W celu zmniejszenia błędów, pomiary wykonuje się minimum dwukrotnie, a wyniki uśrednia. Metoda wyznaczania strat prażenia opisana została w normie PN-EN 196-2:2006. Rys. 3. Popiół lotny pobrany ze strefy 1 elektrofiltru; widoczne rozwarstwianie się; czarne miejsca ukazują niedopał; zawartość niespalonego węgla 7,1% Polega ona na pomiarze masy próbki przed i po prażeniu w temp. 950 C (±25 C), aż do uzyskania stałej masy [9]. Metodę tą, uważaną za referencyjną,
Wpływ współspalania biomasy z pyłem węglowym na stratę niedopału 75 wykorzystuje się zarówno do badania popiołów, jak i żużli. Jej wadą jest stosunkowo długi czas potrzebny do wyprażenia naważki (min. 2 godziny). Metodą alternatywną do strat prażenia jest oznaczanie zawartości węgla całkowitego TC (Total Carbon). W normie PN-EN 450-1:2009, określającej m.in. sposób wykonywania badań popiołów lotnych do betonu, dopuszczono możliwość oznaczenia niespalonego węgla, jako pomiar alternatywny do strat prażenia [9]. Niewątpliwą zaletą, stosowanych w tej metodzie analizatorów węgla, jest krótki czas pomiaru, który wynosi ok. 2 minuty. Metody laboratoryjne wymagają obsługi specjalistycznych przyrządów, a także dostarczenia próbki do laboratorium. Dlatego też powstały automatyczne systemy ciągłego pomiaru TC, wykorzystujące m.in. promieniowanie optyczne lub mikrofalowe [6]. Opisywane powyżej metody pomiarowe mocno różnią się od siebie, lecz uzyskane różnice wyników badań popiołu lotnego nie przekraczają 1%, co potwierdza celowość wykorzystywania analizatorów węgla. 3.2. Badania przesiewowe i oznaczanie TC Badania laboratoryjne zostały przeprowadzone w oparciu o próbki popiołu lotnego zebrane w jednej z krajowych elektrowni współspalającej biomasę z pyłem węglowym. Próbki pobrane zostały spod lejów elektrofiltra ze strefy 1 oraz 1 i 2 (rys. 4). Rys. 4. Miejsce pobrania próbek popiołu lotnego z lejów elektrofiltra (widok z góry) [7]
76 P. Popiel Próbkę popiołu lotnego o masie 100 g przesiano w przesiewaczu przy użyciu 9 sit o boku oczka od 500 do 63 μm. Frakcje mniejsze niż 63 μm należy traktować jako pozostałość na dnie. Wykorzystując analizator węgla i siarki ELTRA CS 580 oznaczono zawartość węgla całkowitego przed przesianiem, którego udział wynosił 7,15% strefa 1 oraz 7,23% dla strefy 1 i 2. Następnie próbki przesiano, i zbadano TC w każdej z otrzymanych frakcji. Wyniki tych badań zaprezentowano na rysunkach 5, 6, 7. Rysunek 5 przedstawia zależność masy popiołu i zawartość niespalonego węgla w poszczególnych frakcjach dla próbki pobranej ze strefy 1, a rysunek 6 dla strefy 1 i 2. Zbyt mała masa (< 0,4 g) najgrubszych frakcji (> 500 μm) uniemożliwiła określenie zawartości TC (rys. 6). Głównym wnioskiem wynikającym z przedstawionych badań jest silna zależność zawartości niespalonego węgla od grubości frakcji TC gwałtownie maleje wraz ze zmniejszaniem rozmiaru ziaren. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na fakt, że masa popiołu dla cząstek mniejszych od 160 μm to 79,7% (dla strefy 1) oraz 84,4% (dla strefy 1 i 2) masy całej próbki. Uwzględniając teoretyczny rozkład wielkości ziaren popiołu w kolejnych strefach elektrofiltru, otrzymane wyniki potwierdzają przechwytywanie największych cząstek w strefie 1. Aż 84% masy niespalonego węgla (strefa 1) znajduje się popiele o ziarnach większych niż 100 μm (> 65% dla strefy 1 i 2). Rys. 5. Zależność masy popiołu i zawartości procentowej węgla całkowitego od grubości frakcji, próbka pobrana ze strefy 1 elektrofiltra [7] Dla najgrubszych frakcji zawartość węgla osiąga kilkadziesiąt procent, ale masa tej próbki to tylko 0,5 g. Oczywiście dokładność analizatora w tym
Wpływ współspalania biomasy z pyłem węglowym na stratę niedopału 77 zakresie może wprowadzać znaczny błąd, jednak rozkład zmienności TC w funkcji grubości frakcji wydaje się być uzasadniony. Rys. 6. Zależność masy popiołu i zawartości procentowej węgla całkowitego od grubości frakcji, próbka pobrana ze strefy 1 i 2 elektrofiltra Rys. 7. Zależność masy węgla całkowitego od grubości frakcji
78 P. Popiel 3. PODSUMOWANIE Zwiększona zawartość części palnych w popiołach lotnych i żużlu, powstałych w wyniku współspalania jest dużym problemem ekonomicznym, jak i środowiskowym. Wskazane w artykule czynniki decydujące o wielkości niedopału, mogą stanowić pewne sugestie dla elektrowni zawodowych, bądź firm współpracujących zajmujących się sprzedażą popiołów lotnych. Do najważniejszych z nich można zaliczyć: a) rodzaj węgla i biomasy, b) właściwości fizyko-chemiczne paliwa, c) typ kotła, wraz z urządzeniami pomocniczymi, d) obciążenie cieplne komory paleniskowej, e) stosunek paliwo/powietrze w spalanej mieszance, f) ilość współspalanej biomasy w stosunku do masy pyłu węglowego w kotłach energetycznych, g) wilgotność paliwa, h) stopień rozdrobnienia paliw, w szczególności biomasy w postaci zrębków drzewnych, i) czas przebywania cząstek paliwa w komorze paleniskowej, j) stopień wymieszania różnego rodzaju paliw dostarczanych do palników pyłowych. Uwzględniając dużą masę popiołu (ok. 80% masy całkowitej dla ziaren mniejszych niż 160 μm) i gwałtowny wzrost TC dla frakcji większych niż 200 μm, częściowym rozwiązaniem poprawy jakości sprzedawanych popiołów może być ich przesiewanie. Przeprowadzone badania przesiewowe popiołu lotnego ukazują silną zależność węgla całkowitego od grubości frakcji, co można uzasadnić słabym rozdrobnieniem współspalanej biomasy. Uzyskane wyniki badań stanowią cenne uwagi i zostaną uwzględnione przy budowie optycznego układu zawartości części palnych w ubocznych produktach spalania. LITERATURA 1. Golec T.: Współspalanie biomasy w kotłach energetycznych. Energetyka, No 7-8, str. 437-445, 2004. 2. Błasiak W.: Współspalanie biomasy z węglem. Wpływ współspalania różnych paliw a w szczególności biomasy na bezpieczeństwo elektrowni. BWiK TECH-EXPO Bielsko-Biała, 2010.
Wpływ współspalania biomasy z pyłem węglowym na stratę niedopału 79 3. Liszka M., Majchrzak H.: Analiza efektów ekologicznych w procesie współspalania węgla i biomasy na przykładzie Elektrowni Opole. Energetyka, No 3, str. 133-140, 2003. 4. Rybak W., Ferens W., Wesołowska-Kucięba M.: Charakteryzowanie węgli ze względu na stratę niedopału w czasie spalania w paleniskach pyłowych. Diagnostyka jakości spalania w energetyce 98. Konferencja naukowo-techniczna. Polski Komitet Badania Płomieni, str. 247-250, 1998. 5. Ściążko M., Zuwała J., Pronobis M.: Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową. Energetyka, No 3, str. 207-220, 2006. 6. Styszko-Grochowiak K., Gołaś J., Jankowski H.: Ocena pracy eksploatowanego w warunkach przemysłowych optoelektronicznego systemu monitoringu niespalonego węgla w popiołach energetycznych. VII Konferencja Naukowa Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne, Wrocław 2004. 7. Wójcik W., Cięszczyk S., Komada P., Popiel P.: Optyczna metoda oznaczania węgla całkowitego w popiele lotnym przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym. Elektronika, No 6, str. 105-107, 2010. 8. Wójcik W., Popiel P., Ławicki T.: Analiza wzrostu zawartości części palnych w popiele i żużlu przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym. III Ogólnopolski Kongres Inżynierii Środowiska. Komitet Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, str. 273-278, 2009. 9. Normy z serii PN-EN 196:2006, PN-EN 450:2009. Rękopis dostarczono, dnia 19.10.2010 r. INFLUENCE OF BIOMASS-COAL CO-COMBUSTION ON IGNITION LOSSES Piotr POPIEL ABSTRACT Biomass co-combustion is often associated with increased amount of unburned parts contained in both fly ash and slag. Another side effect is lowering the fly ash quality so as it cannot be utilised as a component for building materials. Therefore, it is important to determine ignition losses in fly ash during biomasscoal co-combustion. The article discusses main factors, that play an important role on amount of unburning parts during the biomass co-combustion in power boilers. The main factors are: the type of fuel, relative moisture, degree of fuel fragmentation, the amount of biomass content and the manner of its delivery to the power boiler. The article also contains the results of sieving examination of fly ash, in determining of content TC (Total Carbon) in each fraction.
80 P. Popiel Mgr inż. Piotr POPIEL ukończył studia na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej w 2005 r. W tym samym roku został zatrudniony na stanowisku asystenta w Katedrze Elektroniki Politechniki Lubelskiej. Prowadzi zajęcia z elektroniki, energoelektroniki, techniki mikroprocesorowej i programowania niskopoziomowego. Działalność naukowo-badawcza Piotra Popiela dotyczy niskoemisyjnych technik spalania w kotłach energetycznych, a także pomiaru zawartości części palnych w ubocznych produktach współspalania biomasy z pyłem węglowym.