nauka technika nowe paliwo dla energetyki Marcin KOPCZYŃSKI, Jarosław ZUWAŁA Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze Prosimy cytować jako: CHEMIK 2013, 67, 6, 540-551 Wstęp Biomasa, to jedyne odnawialne źródło energii, które w procesach konwersji termochemicznej lub biochemicznej może być surowcem do otrzymania energii bezpośredniej lub substancji chemicznych [1]. W Polsce, całkowita produkcja energii z biomasy wyniosła w 2011 r. 3,953 TWh, z czego blisko 80% wytworzono w procesach jej współspalania z paliwami kopalnymi [2]. Wielkoskalowe wytwarzanie energii z biomasy stałej związane jest z występowaniem ograniczeń technologicznych, które potęgują się wraz ze wzrostem udziału biomasy w strumieniu paliwa podawanego do kotła. Mogą one, zwłaszcza w systemach bezpośredniego współspalania, negatywnie wpływać na funkcjonowanie instalacji, szczególnie przy wykorzystaniu biomasy niskiej jakości. Ograniczenia związane ze współspalaniem biomasy przyczyniły się nie tylko do rozwoju nowych rozwiązań technologicznych, w tym dedykowanych dla biomasy instalacji młynowych i palnikowych, lecz także do rozwoju procesów jej wstępnego przygotowania przed energetycznym wykorzystaniem, m.in. suszenia, brykietowania, peletowania, płukania oraz toryfikacji [3, 4]. Toryfikacja jest metodą termicznej przeróbki biomasy, polegającą na jej ogrzewaniu w obojętnym środowisku reakcyjnym w temperaturze rzędu 220 320 C. Czas trwania procesu zależy od typu reaktora i rodzaju surowca. W typowym procesie toryfikacji biomasy następuje zarówno ubytek masy, jak i energii chemicznej surowca. Biorąc jednak pod uwagę stosunek masy do energii, obserwuje się zwiększenie koncentracji energii chemicznej paliwa (Rys. 1). Tablica 1 Porównanie charakterystycznych cech biomasy surowej i toryfikowanej oraz problemów technologicznych związanych z ich stosowaniem Biomasa nieprzetworzona (surowa) Niejednorodne właściwości fizykochemiczne biomasy. Zaburzona stabilność procesu współspalania z węglem Duża zawartość wilgoci. Duże koszty transportu i ograniczony udziału biomasy w strumieniu paliwa Niska przemiałowość. Ograniczony udziału biomasy w strumieniu paliwa, duże zużycie energii na mielenie (w porównaniu z węglem), skrócenie czasu między remontami młyna Właściwości hydrofilowe. Ryzyko degradacji środowiskowej Zagrożenie biologiczne. Zwiększone niebezpieczeństwo obsługi ze względu na zagrożenia bakteriologiczne Duża zawartość prekursorów substancji smolistych. Problemy związane z wydzielaniem się smół w procesie zgazowania biomasy Materiał jednorodny o skumulowanej energii chemicznej. Zwiększenie stabilności procesu współspalania z węglem Niska zawartość wilgoci. Redukcja kosztów transportu i zwiększenie udziału biomasy w strumieniu paliwa Doskonałe właściwości przemiałowe. Zwiększenie udziału biomasy w strumieniu paliwa, zużycie energii na mielenie porównywalne jak dla węgla, wydłużenie czasu miedzy remontami młyna Właściwości hydrofobowe. Bezpieczne i pozbawione ryzyka degradacji środowiskowej magazynowanie Brak aktywności biologicznej. Eliminacja zagrożeń bakteriologicznych i ochrony przed grzybami, zwiększenie bezpieczeństwa obsługi Obniżona zawartość prekursorów substancji smolistych. Zmniejszenie problemów związanych z wydzielaniem się smół w procesie zgazowania biomasy Część eksperymentalna Rys. 1. Przykładowy rozdział masy i energii w typowym procesie toryfikacji biomasy W procesie toryfikacji biomasy otrzymuje się produkty stałe, ciekłe i gazowe. Głównym produktem procesu jest biomasa toryfikowana tzw. toryfikat. Charakteryzuje się on właściwościami fizykochemicznymi zbliżonymi do właściwości niskokalorycznych węgli stosowanych powszechnie w energetyce. może stanowić atrakcyjne paliwo dla energetyki, a jej zalety, takie jak: zwiększonona podatność przemiałowa i gęstość energetyczna, są szczególnie pożądane dla zastosowań jako substytut biomasy w procesach bezpośredniego współspalania, głównie dzięki zwiększonej kruchości i gęstości. Znane są również koncepcje zastępowania paliwa kopalnego (węgla kamiennego) biomasą toryfikowaną w istniejących kotłach energetycznych, poddawanych modernizacji w kierunku spalania toryfikatu [16]. Toryfikat jest materiałem jednorodnym, charakteryzującym się właściwościami hyrofobowymi i zwiększoną odpornością na czynniki biologiczne w porównaniu z biomasą nieprzetworzoną [5]. W Tablicy 1 przedstawiono porównanie charakterystycznych cech biomasy surowej i toryfikowanej, wskazano też napotykane podczas użytkowania biomasy problemy związane z transportem, magazynowaniem i wykorzystaniem w technologiach współspalania lub zgazowania. Charakterystyka surowców Do szczegółowych badań laboratoryjnych wpływu temperatury procesu toryfikacji na dystrybucję oraz właściwości fizykochemiczne powstających produktów, wytypowano kilka rodzajów paliw, w tym wierzbę energetyczną. Surowiec do badań doprowadzono najpierw do stanu powietrzno-suchego, a następnie rozdrobniono. Badania właściwości fizykochemicznych oraz testy toryfikacji z wykorzystaniem termowagi wykonano dla surowca o uziarnieniu poniżej 0,425 mm. W badaniach w instalacji laboratoryjnej, do termicznej konwersji paliw stałych w złożu stacjonarnym zastosowano surowiec o uziarnieniu w przedziale 1,0 5,0 mm. Dla oceny toryfikatu jako paliwa dla celów energetycznych wybrano jego trzy rodzaje, które zostały wytworzone w instalacji przemysłowej z następujących rodzajów biomasy surowej: zrębki wierzby, zrębki oraz łupiny z pestki palmy olejowca gwinejskiego (tzw. PKS). Do analizy porównawczej przyjęto również biomasę surową tego samego rodzaju oraz dwa rodzaje węgla kamiennego. Wybrane do analizy porównawczej biomasy, nie stanowiły surowca do wytworzenia toryfikatów w instalacji przemysłowej, reprezentują tylko ten sam rodzaj biomasy. Wyniki analizy fizykochemicznej badanych paliw przedstawiono w dalszej części artykułu. Aparatura Badania dotyczące wpływu temperatury procesu toryfikacji na dystrybucję oraz właściwości fizykochemiczne produktów prowadzono w instalacjiach laboratoryjnych, w oparciu o założone 540 nr 6/2013 tom 67
programy temperaturowo-czasowe. Podczas badań stosowano termograwimetr TGA-701 firmy LECO oraz laboratoryjną instalację do termicznej konwersji paliw stałych w złożu stacjonarnym (Rys. 2). Głównymi elementami instalacji były: retorta umieszczona w piecu oporowym z systemem kontroli i regulacji temperatury, układ do separacji produktów ciekłych oraz układ do oczyszczania, analizy i gromadzenia produktów gazowych. każdorazowo stosując ok. 70 g surowca. W celu sporządzenia bilansu masowego procesu, każdy z elementów instalacji przed i po procesie ważono, a w trakcie jego trwania, w sposób ciągły, odbierano produkty ciekłe i gazowe. Oprócz głównego celu badań w tej instalacji, jakim było określenie wpływu temperatury procesu na dystrybucję produktów, dla próbek otrzymanych w instalacji przeprowadzono także badania dotyczące podatności przemiałowej toryfikatu. Badania dotyczące podatności przemiałowej wykonano wg specjalnie dla tego celu opracowanej metodyki własnej, umożliwiającej określenie względnej podatności przemiałowej. Metoda ta polegała na mieleniu w laboratoryjnym młynku rozcierającym próbki o masie 2 gramów o ujednoliconym rozmiarze ziaren w czasie 90 s, a następnie wykonaniu analizy sitowej. nauka technika Rys. 2. Schemat instalacji do termicznej konwersji paliw stałych w złożu stacjonarnym Metodyka i cel badań Celem badań była analiza wpływu temperatury procesu na dystrybucję i właściwości fizykochemiczne stałych produktów toryfikacji wierzby enrgetycznej, a także ocena możliwości zastosowania biomasy toryfikowanej jako substytut biomasy nieprzetworzonej w energetyce. Dla tego celu wykonano analizę fizykochemiczną wymienionych surowców oraz przeprowadzono badania toryfikacji wierzby w temp. z zakresu 200 300 C. Badania laboratoryjne właściwości fizykochemicznych analizowanych paliw przeprowadzono zgodnie z Polskimi Normami oraz akredytowanymi procedurami badawczymi używanymi dla paliw stałych. Badania procesu toryfikacji wierzby przeprowadzono w laboratoryjnych instalacjach do badań termicznej konwersji surowców stałych. Wpływ temperatury procesu toryfikacji wierzby na właściwości fizykochemiczne produktów stałych (toryfikatu) określono na podstawie wyników badań przeprowadzonych w termograwimetrze. Badania prowadzono w atmosferze azotu w zakresie temp. od 220 do 340 C, przy wzroście temperatury równym 5 K/min. Po osiągnięciu zadanej (maksymalnej) temperatury procesu, próbki przetrzymywano w atmosferze reakcyjnej przez 30 min i następnie chłodzono je do temperatury otoczenia. Łącznie przeprowadzono 7 testów z krokiem temperaturowym równym 20 K. Dla każdej temperatury w termowadze umieszczano 19 tygli z próbką o wadze ok. 1 g, a po zakończonym procesie łączono je i dla tak przygotowanej próbki wykonywano dalsze badania laboratoryjne celem określenia jej podstawowych właściwości fizykochemicznych. Wpływ temperatury toryfikacji na dystrybucję poszczególnych produktów określono na podstawie badań w laboratoryjnej instalacji z reaktorem ze złożem stacjonarnym (Rys. 2). Badania prowadzono w atmosferze azotu, w zakresie temp. od 200 do 300 C, przy wzroście temperatury równym 5K/min i ciśnieniu atmosferycznym. Łącznie przeprowadzono 6 testów z krokiem temperaturowym równym 20 K, Omówienie wyników W procesie toryfikacji biomasy otrzymuje się trzy fazy produktów, których proporcje zależą od warunków procesu. Podstawowym produktem procesu jest biomasa toryfikowana, ponadto otrzymuje się produkty ciekłe (mieszanina kondensatu i substancji oleistych) oraz gazowe (mieszanina głównie CO, CO 2 oraz niewielkie ilości H 2, CH 4 ) [6, 7]. Na podstawie wyników badań, przeprowadzonych w laboratoryjnej instalacji do termicznej konwersji paliw stałych w złożu stacjonarnym (Rys. 2), określono wpływ temperatury procesu na dystrybucję powstających produktów. Bilanse masowe dla przeprowadzonych testów toryfikacji wierzby w reaktorze stacjonarnym przedstawiono na Rysunku 3. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem temperatury toryfikacji maleje udział produktu stałego (toryfikatu), natomiast wzrasta ilość produktów ciekłych i gazowych. Potwierdzają to wyniki uzyskane przez innych autorów podczas badań toryfikacji biomasy, takiej jak: sosna [1, 8], słoma, lucerna i trzcina cukrowa [8], a także brzoza [9]. W trakcie przeprowadzonych badań stwierdzono także, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta wydajność ciekłych produktów organicznych. Rys. 3. Bilans masowy procesów toryfikacji wierzby prowadzonych w reaktorze ze złożem stacjonarnym w temperaturach w zakresie 200 300 C Na Rysunku 4 przedstawiono podstawowe właściwości fizykochemiczne surowej wierzby oraz toryfikatów z wierzby otrzymanych w temp. z zakresu 220 340 C. Analizujac przedstawione tam dane, zauważyć można, że zawartość popiołu i pierwiastka węgla wzrasta w stałych produktach procesu toryfikacji, natomiast maleje zawartość części lotnych. Toryfikat otrzymany w wyższych temperaturach charakteryzował się także większym ciepłem spalania. Wyniki badań nad wpływem temperatury toryfikacji wierzby na parametry otrzymywanych toryfikatów potwierdzają dane literaturowe uzyskane dla innych biomas [7, 8, 13]. Zwykle podatność przemiałową paliw stałych określa sie stosując tzw. test Hardgrove a [10], jednak ze wzglądu na niewystarczającą ilość próbki dla tej metody, badania dla otrzymanych toryfikatów z wierzby wykonano wg metodyki własnej. nr 6/2013 tom 67 541
nauka technika Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, podobnie jak inni autorzy [11], że biomasa toryfikowana jest bardziej krucha anieżeli biomasa nieprzetworzona. Jednocześnie zauważono, że wraz ze wzrostem temperatury procesu otrzymuje się toryfikat o coraz większej zdolności przemiałowej. Potwierdzeniem przeprowadzonych badań są wyniki analizy sitowej zmielonych próbek toryfikatów (Rys. 5). Podczas mielenia toryfikatów otrzymanych w wyższych temperaturach otrzymuje się więcej frakcji drobnych, szczególnie ziaren o rozmiarze poniżej 0,2 mm. Wzrost zawartości drobnych frakcji będzie miał dobry wpływ na wykorzystanie biomasy toryfikowanej w procesie bezpośredniego współspalania z węglem w kotłach pyłowych, których system mielenia obejmuje młyny pierścieniowo-kulowe. Ta korzystna cecha toryfikatów może pozwolić na zwiększenie udziału masowego biomasy w strumieniu mieszanki paliwa kierowanego do palników pyłowych. Doskonałe właściwości przemiałowe toryfikatów, zbliżone do węgli energetycznych, prawdobodobnie wpłyną także na wydłużenie okresu pomiędzy kolejnymi remontami młynów w porównaniu do stosowania biomasy nieprzetworzonej. Jak wspomniano, oprócz wytworzonych metodami laboratoryjnymi próbek biomasy toryfikowanej, przedmiotem badań były także próbki biowęgli uzyskane w działającej instalacji pilotowej. Zdjecia otrzymanych do badań toryfikatów przedstawiono na Rysunku 6, natomiast wyniki przeprowadzonych analiz fizykochemicznych tych materiałów zamieszczono w Tablicach 2 5. Rys. 6. Zdjęcia biomasy toryfikowanej: a) biowęgiel z drzew iglastych; b) biowęgiel z wierzby ; c) biowęgiel z łupiny pestki palmy olejowca gwinejskiego Na podstawie wyników badań fizykochemicznych wykonano analizę porównawczą biowęgli z wybranymi rodzajami biomasy surowej i węgli ch, pod kątem oceny możliwości ich zastosowania jako biomasy stałej do celów energetycznych. Do analizy porównawczej wybrano następujące rodzaje biomasy: z, łupiny pestki palmy olejowca gwinejskiego (tzw. PKS) i wierzbę energetyczną. Stwierdzono, że biomasa toryfikowana charakteryzowała się znacznie wyższymi, porównywalnymi z węglami mi, parametrami energetycznymi (Q sa, Q ia, Q ir ), niż biomasa surowa. Jednocześnie, toryfikaty posiadały mniejszą zawartość wilgoci i części lotnych; niestety wzrosła zawartość popiołu, w porównaniu z biomasą surową. Można zauważyć, że próbki biowęgli są bardziej uwęglone niż biomasa nieprzetworzona, co jest zgodne z teorią procesu toryfikacji [1, 3, 5]. Zauważono również, że biomasa toryfikowana zawiera wiecej pierwiastka węgla (C), także niż analizowane węgle kamienne. Skład chemiczny popiołu i zawartość poszczególnych tlenków metali ma zasadniczy wpływ na charakterystyczne temperatury topnienia popiołów oraz efekty korozyjne w kotłach i tworzenie się osadów zanieczyszczających elementy kotła w strefie płomieniowej oraz elementy konwekcyjnej wymiany ciepła. Tablica 2 Analiza techniczna próbek biowęgli, biomasy oraz węgli wybranych do analizy porównawczej Biomasa nieprzetworzona Węgiel Rys. 4. Wpływ temperatury toryfikacji na zawartość: a) wilgoci (W a ), popiołu (A a ), części lotnych (V daf ) oraz wydajność toryfikatu; b) zawartość C a, N a, H a, Cl a w toryfikowanej wierzbie otrzymanej w temperaturach z zakresu 220 340 C z łuski olejowca z wierzby Łupiny pestki palmy olejowca gwinejskiego (PKS) zrębki wierzby W a A a V a V daf Q sa, kj/kg Q ia, kj/kg Q ir, kj/kg 3,1 4,9 19,66 21,37 29103 28438 27737 2,8 8,5 44,95 50,68 23578 22660 21963 4,4 8,2 11,71 13,4 28856 28303 12191 7,5 1,1 75,00 82,06 19183 17810 9644 4,8 3,0 70,47 46,43 19524 18241 15395 8 1,5 72,89 80,54 18252 16869 16638 1,6 27,4 23,39 32,94 23 911 23 103 21 079 3,1 15,1 29,21 35,71 27 429 26 447 25 404 Rys. 5. Analiza ziarnowa zmielonych w laboratoryjnym młynku rozcierającym surowej wierzby oraz otrzymanych z niej w reaktorze ze złożem stacjonarnym toryfikatów (symbole oznaczają Toryfikację w złożu Stacjonarnym Wierzby Energetycznej i temperaturę toryfikacji w C) Zagrożenie tzw. szlakowaniem przy spalaniu danego paliwa, zależy od charakterystyki topnienia popiołu, określonej wartościami charakterystycznych temperatur przemian popiołu. Dla oceny ryzyka 542 nr 6/2013 tom 67
wystąpienia tych zagrożeń, oznaczenia charakterystycznych temperatur topliwości popiołu (Tab. 3) oraz analizę jego składu chemicznego (Tab. 4) wykonano dla próbek spopielonych w warunkach laboratoryjnych. Analizie poddano, analogicznie jak poprzednio, biomasę surową, toryfikowaną i porównawczo węgiel. Stwierdzono, że temperatury topliwości oznaczone dla popiołów z dostarczonych biowęgli były nieco niższe (za wyjątkiem wierzby ) niż dla popiołów z biomas surowych, zarówno w atmosferze utleniającej, jak i w atmosferze półredukcyjnej. Warto zaznaczyć, że w przypadku łupin pestki palmy olejowca, wszystkie cztery temperatury topliwości popiołu (T S, T A, T B, T C ) były zbliżone (ok. 1300 C), zarówno w atmosferze utleniającej jak i w półredukcyjnej. Tablica 3 Analiza elementarna badanych paliw oraz charakterystyczne temperatury popiołu niniejszych paliw spopielonych w warunkach laboratoryjnych z łupiny pestki palmy olejowca gwinejskiego z wierzby Biomasa nieprzetworzona łupiny pestki palmy olejowca gwinejskiego zrębki wierzby Węgiel Tablica 4 Analiza chemiczna popiołów z biowęgli, biomas i węgli zawartość tlenków metali alkalicznych SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO P 4 O 10 SO 3 Mn 3 O 4 TiO 2 BaO SrO Na 2 O K 2 O z łuski olejowca 37,09 42,42 3,02 3,72 3,52 6,07 27,21 25,69 3,11 1,44 2,45 1,17 0,94 0,94 0,93 0,08 0,14 0,1 0,04 0,01 0,05 0,39 0,22 6,34 4,28 z wierzby 21,54 2,44 3,61 31,39 3,5 6,33 2,02 0,36 0,1 0,09 1,16 15,1 Biomasa nieprzetworzona 25,05 5,17 2,65 26,21 3,22 2,71 4,12 0,96 0,21 0 0,04 0,56 6,59 łupiny pestki palmy olejowca gwinejskiego 40,48 6,49 2,71 31,06 2,12 1,38 1,14 0,08 0,06 0,00 0,20 4,49 zrębki wierzby 11,68 1,65 0,27 30,28 5,68 15,56 3,68 0,53 0 0,07 0,94 23,2 49,87 29,55 4,67 2,77 3,75 0,33 2,2 0,09 1,16 0 0,07 0,52 3,27 Węgiel 49,09 24,45 7,91 6,46 4,4 0,35 4,71 0,19 0,99 0,000 0,07 0,87 2,51 nauka technika C ta H ta N a O da S ta Cl a T S(O), C T A(O), C T B(O), C T C(O), C 79,8 2,7 0,35 9,13 0,005 800 1190 1220 1230 Analiza elementarna 62,7 3,89 0,46 21,65 0,018 80,2 2,04 0,71 4,39 0,11 0,062 49,4 5,45 0,24 0,005 51,4 5,34 0,29 5 Temperatury topliwości popiołu 870 1280 1290 1300 700 1290 1360 1420 1210 1270 1310 1350 46,5 5,44 0,74 0,06 700 1020 1496 1502 60,1 3,52 0,82 6,22 0,56 0,156 930 1270 1500 1530 70,1 4,15 1,14 6,22 0,44 0,267 970 1250 1310 1340 Korzystając z dostępnych w literaturze [12] współczynników, bazujących na składzie chemicznym popiołu, dokonano wstępnej oceny wpływu spalania biowęgla, biomasy i węgla oraz ich wzajemnych mieszanek, na tworzenie się osadów zanieczyszczających podczas spalania. Wyznaczone wartości tych współczynników dla czystych paliw przedstawiono w Tablicy 5, natomiast dla mieszanki z węglem przy różnym udziale masowym biowęgla/biomasy w mieszance na Rysunkach 7 9. Na podstawie wyznaczonych wskaźników (Tab. 5) stwierdzono, że zarówno biowęgiel, jak i biomasa stała zaliczana do tego samego rodzaju, współspalana z węglem, nie powodują znacznych zmian w tendencjach mieszanki do tworzenia się osadów zanieczyszczających, w porównaniu do samego węgla. Tablica 5 Wskaźniki wskazujące tendencję paliw do tworzenia osadów zanieczyszczających elementy kotła w procesie spalania T S(Or), C T A(Or), C T B(Or), C T C(Or), C 700 1220 1230 800 1270 1300 690 1260 1380 1400 1240 1320 1350 680 730 1540 1550 900 1240 1460 1490 800 1280 1320 W przypadku biowęgla z łupin pestki olejowca, temperatura spiekania popiołu była znacznie niższa (ok. 800 C) od pozostałych trzech temperatur topliwości popiołu (T A, T B, T C ). Temperatury topnienia i płynięcia, ważne z punktu widzenia zagrożeń szlakowaniem podczas spalania danego paliwa, dla wszystkich badanych biowęgli były wyższe niż C, zarówno w atmosferze utleniającej jak i w atmosferze półredukcyjnej. Na podstawie wyników badań stwierdzono, że ze wszystkich analizowanych paliw, wybrane do analizy porównawczej węgle zawierały zdecydowanie więcej tritlenku diglinu (Al 2 O 3 ) i ditlenku krzemu (SiO 2 ), natomiast kilkukrotnie mniej tlenku wapnia (CaO). Duża zawartość tlenku wapnia (CaO) w biowęglach oraz w biomasach będzie miała istotny wpływ na zwiększenie tendencji tych paliw do żużlowania. c m R (b/a) F u S R R S Fe 2 O 3/CaO 1,07 0,91 7,2 52 0,13 z łuski olejowca 0,84 0,78 3,8 56 0,24 z wierzby 2,54 1,79 41,3 36 0,29 0,12 Biomasa nieprzetworzona 1,38 1,28 9,9 44 0,10 łupina pestki palmy olejowca gwinejskiego (PKS) zrębki wierzby 0,89 0,89 4,2 53 0,09 5,69 3,10 137,3 24 0,37 0,01 0,19 0,22 0,7 82 0,11 1,69 Węgiel 0,30 0,38 1,0 72 0,14 1,22 Dodatkowo, bardzo niska zawartość chloru w badanych próbkach biowęgli sprawia, iż współspalanie tego rodzaju paliwa nie powinno wpływać na zwiększenia korozji powierzchni kotła, w porównaniu ze spalaniem węgla. nr 6/2013 tom 67 543
nauka technika Badania biodegradowalności Energetyczne wykorzystanie zarówno biomasy surowej jak i toryfikatów, należy rozpatrywać w kontekście systemu wsparcia energii wytworzonej z tych nośników. Działalność polegająca na wytwarzaniu energii z OZE podlega koncesjonowaniu przez Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki (URE), który wydaje także świadectwa pochodzenia dla energii zaliczanej do energii z OZE. Podstawowym kryterium uznania danego materiału za biomasę, a w konsekwencji objęcie wytworzonej z niego energii systemem wsparcia, jest kryterium biodegradowalności [14]. W przypadku biomasy toryfikowanej, której analiza metodą fizycznej obserwacji jest niemożliwa z uwagi na ciemną barwę i pozbawienie w procesie przetwarzania charakterystycznej włóknistej struktury, może zaistnieć potrzeba udowodnienia biomasowego pochodzenia innymi metodami. Do powszechnie stosowanych metod prowadzących do tego celu zalicza się metodę selektywnego rozpuszczania (wykorzystującą normę PN-EN 15440: 2011) oraz metodę bazującą na analizie izotopu węgla 14 C. Zgodnie z komunikatem Prezesa URE [15], uzyskane wyniki zawartości biomasy w badanej próbce należy przedstawić w przeliczeniu na stan suchy bezpopiołowy (X B daf ). W Tablicy 6 przedstawiono wyniki analizy próbek biomasy surowej i toryfikowanej pod kątem oceny zawartości biomasy. Tablica 6 Porównawcze zestawienie zawartości frakcji biodegradowalnej w badanych paliwach (oznaczenia wykonywano zarówno metodyką opartą na normę PN-EN 15440: 2011 oraz przy wykorzystaniu metody bazującej na analizie izotopu węgla 14C) Rodzaj paliwa Zawartość biomasy, % XBdaf Wytłoki z oliwek biomasa surowa 99,1 Rys. 7. Wartość wskaźnika c m dla mieszanek biowęgla z węglem i biomasy z węglem o różnym udziale masowym biomasy/biowęgla Wytłoki z oliwek toryfikat 98,9 Wierzba energetyczna biomasa surowa 99,2 Wierzba energetyczna toryfikat 99,1 Łupiny z pestki palmy olejowca gwinejskiego biomasa surowa 99,6 Łupiny z pestki palmy olejowca gwinejskiego toryfikat 99,0 Łupiny z pestki palmy olejowca gwinejskiego biomasa surowa próg biodegradowalności [15] 97,0 Ligninoceluloza pohydrolityczna próg biodegradowalności [15] 95,0 Masłosz biomasa surowa próg biodegradowalności [15] 98,5 Rys. 8. Wartość wskaźnika F u dla mieszanek biowęgla z węglem i biomasy z węglem o różnym udziale masowym biomasy/biowęgla Rys. 9. Wartość wskaźnika SR dla mieszanek biowęgla z węglem i biomasy z węglem o różnym udziale masowym biomasy/biowęgla Wspomniany komunikat [15] podaje progi wartości X B daf, poniżej których dana biomasa nie będzie uprawniała wykorzystującego ją producenta energii do skorzystania z systemu wsparcia. Przypuszczać należy, że w przypadku biomasy toryfikowanej wątpliwości Regulatora mogą narzucić konieczność uwierzytelniania biomasy toryfikowanej przez jednostki badawcze, biegłe w zakresie oznaczeń właściwości fizykochemicznych biomasy. Podsumowanie Toryfikacja biomasy to złożony proces, zależny od wielu czynników, wśród których wymienić należy: budowę chemiczną biomasy, temperaturę maksymalną procesu, szybkość ogrzewania, a także czas przebywania surowca w strefie reakcyjnej. W wyniku przeprowadzonych badań procesu toryfikacji wierzby potwierdzono, że w jego wyniku otrzymuje się produkty stałe, ciekłe i gazowe, a ich wzajemny udział zależy od temperatury procesu. Analiza wyników badań toryfikacji przeprowadzonych w instalacjach laboratoryjnych dla wierzby, prowadzi do następujących wniosków: właściwości fizykochemiczne otrzymywanych produktów silnie zależą od temperatury procesu, wraz ze wzrostem temperatury procesu maleje wydajność toryfikatu, a rośnie wydajność produktów ciekłych i gazowych. W wyniku procesu toryfikacji, wraz ze wzrostem temperatury procesu obserwuje się wzrost zdolności przemiałowej biomasy toryfikowanej, w porównaniu z biomasą wyjściową (surową). Kumulacja energii chemicznej paliwa oraz spadek zawartości wilgoci sprawiają, że udział masowy biomasy toryfikowanej w mieszance węgiel-biomasa doprowadzonej do procesu spalania w kotle energetycznym może być wyższy niż udział biomasy nieprzetworzonej w takiej mieszance. Na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych oraz analizy porównawczej biowęgli z biomasą i węglem m można wnioskować, że wprowadzenie do procesu współspalania biomasy toryfikowanej (biowęgla) będzie korzystniejsze, w porównaniu z biomasą surową. W związku z tym można przyjąć, że proces toryfikacji może być z powodzeniem zastosowany do wstępnego uszlachetniania biomasy, przed jej użyciem w procesach współspalania w instalacjach wyposażonych w konwencjonalne układy mielenia (np. młyny pierścieniowo-kulowe). Odmienną kwestią jest efektywność ekonomiczna takiego układu zintegrowanego, przypuszczalnie zależna w największym stopniu od czynników pozatechnicznych, do jakich zaliczyć można cenę biomasy bądź wartość praw majątkowych dla energii z OZE. 544 nr 6/2013 tom 67
Podziękowania Przedstawione w artykule wyniki zostały uzyskane w trakcie realizacji badań współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy SP/E/1/67484/10 Strategiczny Program Badawczy Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii dla wysokosprawnych zeroemisyjnych bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO 2 ze spalin. Literatura 1. Zheng A., Zhao Z., Chang S., Huang Z., He F., Li H.: Effect of Torrefaction Temperature on Product Distribution from Two-Staged Pyrolysis of Biomass. Energy Fuels 2012, 26, 5, 2968 2974. 2. URE (2012): Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki nr 2 (80). 3. Uslu A., Faaij A.P.C., Bergman P.C.A.: Pre-treatment technologies, and their effect on international bioenergy supply chain logistics. Techno-economic evaluation of torrefaction, fast pyrolysis and pelletisation. Energy 2008, 33, 1206 1223. 4. Cocker-Maciejewska A., Obróbka wstępna biomasy na potrzeby systemów energetycznych. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych 2007, 30, 133 141. 5. Bridgeman T.G., Jones J.M., Shield I., Williams P.T.: Torrefaction of reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties. Fuel 2008, 87, 844 856. 6. Kopczyński M.: Toryfikacja wierzby. ECiZ 2012, 2, 39 42. 7. Prins M.J.: Thermodynamic analysis of biomass gasification and torrefaction. PhD Thesis. 8. Ferro D., Vigouroux V., Grimm A., Zanzi R.: Torrefaction of agricultural and forest residues. Cubasolar 2004, April 12 16, 2004, Guantánamo, Cuba. 9. Pach M., Zanzi R., Björom E.: Torrefied Biomass a Substitute for Wood and Charcoal. 6th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization,, Kuala Lumpur, 20 May 2002 22 May 2002. 10. Moroń W., Bębenek Z., Żelkowski J.: Podatność przemiałowa węgli i mieszanin węglowych. Energetyka 2004, 10, 613 617. 11. Phanphanich M., Mani S.: Impact of torrefaction on the grindability and fuel characteristics of forest biomass. Bioresource Technology 2011, 102, 1246 1253. 12. Pronobis M.: Modernizacja kotłów energetycznych. WNT, Warszawa, 2002. 13. Uemura Y.,Omar W.N., Tsutsui T., Yusup S.B.: Torrefaction of oil palm wastes. Fuel 2011, 90, 2585 2591. 14. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18.10.2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. Dz. U. Nr 156, poz. 969. 15. Informacja Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki nr 30/2011 w sprawie kwalifikacji biomasy na cele energetyczne. Załączniki nr 1, 2, 3 do Informacji nr 30 /2011 w sprawie kwalifikacji biomasy na cele energetyczne. 16. Li J., Brzdekiewicz A., Yang W., Blasiak W.: Co-firing based on biomass torrefaction in a pulverized coal boiler with aim of 100% fuel switching. Applied Energy 2012, 99, 344 354. Mgr inż. Marcin KOPCZYŃSKI ukończył Wydział Chemiczny Politechniki Śląskiej w Gliwicach (2003). Od 2004 r. jest specjalistą inżynieryjno-technicznym w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z termiczną konwersją paliw stałych, ze szczególnym uwzględnieniem procesów wstępnej przeróbki biomasy przed jej energetycznym wykorzystaniem, a także wpływem zawartych w niej związków na zagrożenia eksploatacyjne związane z jej energetycznym wykorzystaniem. Ma duże doświadczenie w zakresie poboru prób gazów przemysłowych. Dr inż. Jarosław ZUWAŁA, dyrektor Centrum Badań Technologicznych IChPW. Stopień magistra inżyniera (1998) i doktora nauk technicznych (2004) uzyskał na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach; specjalność: energetyka cieplna, mechanika i budowa maszyn. Główne zainteresowania naukowe: eksploatacja instalacji spalania i współspalania biomasy oraz optymalizacja pracy systemów energetycznych pod względem energetycznym, ekonomicznym i ekologicznym w pełnym cyklu życia (analiza LCA). e-mail: zuwala@ichpw.zabrze.pl Doktorat h.c. Politechniki Lubelskiej dla prof. Marka Chmielewskiego Światowej rangi chemik prof. Marek Cyprian Chmielewski otrzymał w poniedziałek doktorat honoris causa Politechniki Lubelskiej, przyznany mu za wybitny dorobek naukowy, dydaktyczny i organizacyjny. Prof. Chmielewski jest absolwentem Wydziału Chemii Politechniki Warszawskiej. Od 1972 r. pracuje w Instytucie Chemii Organicznej PAN, którego był wicedyrektorem w latach 1987 2004 oraz dyrektorem w latach 2004 2010. W kadencji 2010 2014 zajmuje stanowisko wiceprezesa PAN. Nadanie prof. Chmielewskiemu doktoratu h.c. Politechniki Lubelskiej jest wyrazem uznania dla wielkiego wkładu, jaki wniósł on do rozwoju nauki, w szczególności do rozwoju metod syntezy związków biologicznie czynnych podkreślił w laudacji promotor doktoratu honorowego prof. Lucjan Pawłowski. Badania naukowe prof. Chmielewskiego dotyczyły w szczególności analogów penicylin i cefalosporyn. Koncentrował się na rozwiązaniach metodologicznych, przede wszystkim kontroli stereochemicznej prowadzonych procesów. Prace prof. Chmielewskiego doprowadziły do ważnych, aby nie powiedzieć przełomowych odkryć umożliwiających nie tylko uproszczenie syntezy ważnych związków biologicznie czynnych, ale wytyczyły także nowe kierunki badań z tego zakresu powiedział prof. Pawłowski. Prof. Chmielewski jest autorem 207 oryginalnych prac naukowych oraz 12 patentów i zgłoszeń patentowych. Zgodnie z danymi zarejestrowanymi w bazie Web of Science jego prace były cytowane 3050 razy, a jego wskaźnik Hirsch a, określający wagę i znaczenie prac naukowych, wynosi 27. Pozwala to zaliczyć prof. Chmielewskiego do ścisłej czołówki światowej zaznaczył prof. Pawłowski. W swoim wykładzie zatytułowanym Moja przygoda z penicyliną i beta-laktamami prof. Chmielewski nawiązał do prowadzonych przez jego zespół badań, których efektem było m.in. znalezienie nowego sposobu syntezy antybiotyków. Podkreślił, że celem jego prac nie było poszukiwanie nowych leków, jako że wypromowanie oryginalnego leku jest zbyt kosztowne dla krajowego przemysłu farmaceutycznego. W związku ze starzeniem się społeczeństw coraz większego znaczenia nabierają tańsze odpowiedniki leków oryginalnych, jakimi są leki generyczne. Przedmiotem innowacyjnych rozwiązań chemików organików powinna być, przede wszystkim, metodologia i strategia syntezy leków generycznych, które miałyby zdolność patentową. Polskie środowisko naukowe jest zdolne do podjęcia takich wyzwań napisał prof. Chmielewski w wykładzie opublikowanym w okazjonalnym wydawnictwie Politechniki Lubelskiej. (em) http://www.naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,395666,doktorat-hc-politechniki-lubelsk iej-dla-prof-marka-chmielewskiego.html nauka technika nr 6/2013 tom 67 545