Kamil Boral Inżynieria Energii Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska Analiza energetycznego wykorzystania biomasy 1. WSTĘP Na całym świecie obywatele krajów rozwiniętych są w bardzo dużym stopniu uzależnieni od paliw konwencjonalnych, takich jak: ropa, węgiel czy gaz ziemny i mogłoby się wydawać, że nie możemy bez nich żyć, tak jak bez powietrza czy wody. Stwierdzenie to może zakrawać o przesadę, lecz jeśli weźmiemy pod uwagę, że 80% zużywanej na świecie energii pochodzi z wykorzystania tych właśnie źródeł nabiera sensu. Podkreślić należy, że zasoby tych źródeł są ograniczone i ulegają wyczerpaniu. Dodatkowo pomiędzy zużyciem paliw kopalnych a zanieczyszczeniem powietrza, zmianami klimatycznymi i coraz dalej postępującą degradacją środowiska istnieją ścisłe i niekorzystne powiązania. Wiemy o tym, iż postęp technologiczny lub rozwój każdego kraju, związany jest ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię. W kraju, w którym energetyka oparta jest na pozyskiwaniu energii ze spalania węgla, ilość produkowanej energii ograniczona będzie przez prawo UE, które jasno określa limity emisji, a także skład spalin wydobywających się z kominów naszych elektrowni. Wyjściem z tej sytuacji jest ograniczenie emisji i poszukiwanie alternatywnych paliw, pozwalających się spalać w istniejących już instalacjach energetycznych. Umożliwi to ograniczenie wydobycia węgla i co za tym idzie na wydłużenie żywotności złóż tego paliwa w Polsce. 2. BIOMASA Na zrównoważony rozwój państwa istotny wpływ ma to, w jaki sposób ono gospodaruje oraz w jakim stopniu wykorzystuje zasoby odnawialnej energii. Stopień wykorzystania zależy od wielkości zasobów oraz technologii przetwarzania. Obecnie ocenia się, że największy potencjał do wykorzystania w Polsce ma biomasa. Przez biomasę wg Unii Europejskiej rozumiemy: materiały organiczne pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, jak też wszelakie substancje uzyskane z transformacji surowców pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego.
Rodzaje biomasy: Drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym (trociny, zrębki zieleni miejskiej) Produkty uboczne i odpadowe rolnictwa i przemysłu rolno spożywczego, a także gospodarki komunalnej (słoma, ziarno, wytłoczki roślin oleistych, osad ściekowy, biogaz, gnojowica) Produkcja, plantacje drzew i traw szybkorosnących, uprawy energetyczne ( wierzba Salix, miskant chiński, miskant olbrzymi, palczatka Gererda, proso rózgowate, spartina preriowa) Przykładowe formy przetwarzania biomasy: a) b) c) Rys.1 Biomasa leśna a) i rolna b) w postaci peletu oraz biomasa rolna w formie sprasowanych bloczków.
2.1 BIOMASA JAKO PALIWO Skład pierwiastkowy węgla kamiennego stosowanego w energetyce i biomasy jakościowo taki sam. Różnice występują w udziałach poszczególnych pierwiastków i związków chemicznych. Zawartość średnia węgla w biomasie jest dwa razy mniejsza niż w węglu kamiennym, a tlenu jest w niej średnio cztery razy więcej. Dużą zaletą biomasy jest mniejsza zawartość siarki i azotu. Konsekwencją takiego składu biomasy jest wysoka zawartość części lotnych i jej wysoka reaktywność. W tabeli poniżej przedstawione są różnice w procentowym składzie węgla i biomasy: Tab. 1 Właściwości biomasy i węgla Chcąc rozpatrywać biomasę jako paliwo dla energetyki musimy dostrzec bariery, jakie ograniczają jej wykorzystanie, a następnie skupić się na rozwiązaniu problemów związanych z jej użytkowaniem. Bariery należy podzielić na trzy podstawowe kategorie : Bariery wynikające z właściwości fizykochemicznych Bariery ekonomiczne Bariery techniczne
Bariery fizykochemiczne: Stosunkowo niskie i zróżnicowane ciepło spalania ( na jednostkę masy) Duże zróżnicowanie zawartości wilgoci zależne od rodzaju biomasy i okresu jej sezonowania (do 50%) Wysoka zawartość części lotnych problemy w kontrolowaniu spalania, dokładnie zmieniające się warunki zapłonu i spalania Trudności w dozowaniu paliwa wynikające z postaci biomasy Duża powierzchnia składowania i trudności z transportem wynikają z małej gęstości nasypowej Trudności w utrzymaniu jakości paliwa na stałym poziomie Niższa wartość opałowa Duża zawartość związków alkaicznych takich jak: potas, fosfor, wapń, a w przypadku roślin jednorocznych duża zawartość chloru może prowadzić do narastania agresywnych osadów w kotle Bariery ekonomiczne: Koszty pozyskiwania jednostki masy Koszty transportu Bariery techniczne: Odpowiednie technologie i rozwiązania techniczne dla indywidualnego zużytkowania biomasy Większość tych problemów można uniknąć poprzez zwiększenie gęstości biomasy oraz poprzez technologie ko przetwarzania z węglem jako stabilizatorem procesu. 3. ENERGETYCZNE PRZETWARZANIE BIOMASY Głównymi sposobami przetwarzania biomasy na cele energetyczne są: spalanie, piroliza, zgazowanie. Obecnie tylko kilka jednostek wytwórczych wytwarza energię spalając jedynie biomasę. Większym zainteresowaniem podmiotów krajowej energetyki cieszy się współspalanie jej z węglem w istniejących już kotłach energetycznych. Rozwiązanie to wydaje się najbardziej uzasadnionym sposobem wykorzystania biomasy w jednostkach wytwórczych dużej mocy. Pozwala ono zapewnić wysoka sprawność konwersji energii chemicznej zawartej w spalanym paliwie. Obecnie współspalanie biomasy pod postacią trocin, zrębków, pyłu jest realizowane na skalę przemysłową w kilkunastu krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach. Spalany jest również biogaz a także odpady z produkcji zwierzęcej i roślinnej (wytłoki z rzepaku, mączka zwierzęca).
Istnieją także instalacje do spalania gliceryny powstającej jako produkt uboczny w produkcji biodiesla. 3.1 SPALANIE BIOMASY Spalanie biomasy jako głównego paliwa odbywa się tylko w kilku jednostkach wytwórczych. Oto kilka rozwiązań technologicznych stosowanych przy spalaniu samej biomasy: Paleniska rusztowe: o Komorowe z okresowym załadunkiem o Retortowe o Z ruchomym rusztem schodkowym o Komorowe okresowo zasilane belami o Zasilane w sposób ciągły rozdrobnioną słomą o Zasilane w sposób ciągły całymi belami podawanymi automatycznie Systemy dwustopniowego zgazowania pirolizy i następczego spalania powstającego gazu pizolitycznego stosowane są w tej technologii przedpaleniska. 3.2 WSPÓŁSPALANIE rozwiązania technologiczne Oto kilka wariantów realizacji współspalania biomasy z węglem: 1. Współspalanie bezpośrednie do procesu doprowadzany jest strumień węgla i biomasy(lub biogazu) lub gotowa mieszanka węgla i biomasy(tzw. paliwo wtórne) 2. Współspalanie pośrednie zachodzi w przypadkach, gdy: spalanie biomasy (biogazu) zachodzi w tzw. przed palenisku, a entalpia powstałych spalin zostaje wykorzystana w komorze spalania, w której zabudowane są powierzchnie ogrzewalne bądź bezpośrednio jako czynnik grzejny w wymiennikach ciepłowniczych, zgazowanie biomasy zachodzi w gazogeneratorze, a powstający gaz jest doprowadzany do komory spalania, a tam jest spalany w palnikach gazowych. 3. Współspalanie w układzie równoległym paliwo konwencjonalne i odnawialne jest spalane w osobnej komorze z zachowaniem wymogów każdego z procesów spalania. Szczególnym przypadkiem współspalanie równoległego jest tzw. układ hybrydowy. Pod tym pojęciem należy rozumieć układ jednostek wytwórczych pracujących na wspólny kolektor parowy oraz zużywających w procesie spalania odpowiednio
biomasę/biogaz i paliwa konwencjonalne. W takim układzie wyklucza się techniczną możliwość zasilania kotłów spalających biomasę paliwami konwencjonalnymi. Rys.2 Uproszczone schematy jednostek realizujących wpółspalanie bezpośrednie(a) i Współspalanie w układzie hybrydowym(b) Rys.3 Schematy kotła: nadbudowanego przedpaleniskiem PP(a); nadbudowanego gazogeneratorem RG(b).
Konfiguracje 2 i 3 są najczęściej spotykanymi rozwiązaniami procesu współspalania węgla kamiennego i biomasy. Wynika to z niskich kosztów inwestycyjnych, które należy ponieść na przystosowanie istniejących już kotłów energetycznych. Jednostkami realizującymi proces w układzie hybrydowym są najczęściej elektrociepłownie pracujące na potrzeby przemysłu celulozowo papierniczego. Niewątpliwie największymi zaletami procesu współspalania są: Najmniejsze koszty inwestycyjne Efektywna realizacja procesu przy stosunkowo niewielkich modyfikacjach tradycyjnych układów kotłowych spalających węgiel Realizacja procesu możliwa jest zarówno w jednostkach o mocy od kilkuset kilowatów do kilkuset megawatów. Wadami procesu współspalania biomasy z węglem o jakich trzeba wspomnieć: Udział wprowadzanej biomasy uzależniony jest od organizacji procesu Konieczność wprowadzenia węzła homogenizacji mieszanki paliwowej 4. KORZYŚCI PŁYNĄCE Z WYKORZYSTANIA BIOMASY NA CELE ENERGETYCZNE Ekologiczne: o Zmniejszenie emisji szkodliwych substancji szkodliwych dla środowiska, w tym SO 2, NO x i zanieczyszczeń organicznych, metali ciężkich. o Redukcja emisji CO2, odpowiedzialnego za efekt cieplarniany (zależne od ilości biomasy wprowadzonej do spalania) o Ograniczenie degradacji środowiska w wyniku wydobywania paliw kopalnych oraz ich deponowania w środowisku odpadów o charakterze biomasy o Ograniczenie degradacji środowiska w wyniku niezorganizowanych, procesów bio rozkładu deponowanej biomasy. Ekonomiczne i społeczne: o Oszczędzanie zasobów paliw kopalnych, nieodnawialnych o Wykorzystanie potencjału energetycznego biomasy o Zmniejszenie kosztów surowców energetycznych o Stymulacja rozwoju nowoczesnych technologii o Rozwój lokalnych rynków pracy o Rozwój wielu sektorów gospodarki poprawa warunków życia ludności o Zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego krajów o Realizacja międzynarodowych zobowiązań w zakresie redukcji emisji szkodliwych substancji do atmosfery
Literatura : Biomasa w bilansie energii czyste technologie jej wykorzystania Krystyna Kubica Instytut Energii Cieplnej, Politechnika Śląska. Zalety i wady Współspalanie biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku Współspalanie na skale przemysłową dr inż. Marek Sciążko, dr inż. Jarosław Zuwała, prof. dr hab. inż. Marek Pronobis ( Energetyka marzec 2006) Wpływ rodzaju paliwa na procesy korozyjne wybranych gatunków stali Renata Włodarczyk, Rafał Kobyłecki, Zbigniew Bis Politechnika Częstochowska, Katedra Inżynierii Energii; Grzegorz Moskal, Adam Hernas Politechnika Śląska, Katedra Nauki o Materiałach.