PROBLEMY WSPÓŁSPALANIA
PROBLEMY WSPÓŁSPALANIA
BIOMASY W KOTŁACH
BIOMASY W KOTŁACH
ENERGETYCZNYCH
ENERGETYCZNYCH
WSTĘP
WSTĘP
Wypalanie pól – 10 mln ton słomy /
Wypalanie pól – 10 mln ton słomy /
rok
rok
Wstęp
Wstęp
Polska energetyka odnawialna:
Polska energetyka odnawialna:
ELEKTROWNIE WODNE
ELEKTROWNIE WODNE
Obecnie: 2%,
Obecnie: 2%,
Wariant optymistyczny: 8%.
Wariant optymistyczny: 8%.
Elektrownia
Wodna
Porąbka
(Międzybrodzie)
Elektrownia wodna
Elektrownia wodna
Mała Elektrownia Wodna Toruń,
moc zainstalowana 2 kW;
turbina śmigłowa o średnicy wirnika 162
mm
przełyk instalowany Q = 0,073 m
3
/s;
spad znamionowy H = 3 m;
Spalanie i pozyskiwanie
Spalanie i pozyskiwanie
biogazu
biogazu
BIOMASA
BIOMASA
Stopień metamorfizmu paliw kopalnych i biomasy drzewnej
ŚWIATOWA PRODUKCJA
ŚWIATOWA PRODUKCJA
BIOMASY
BIOMASY
Nazwa
Roczna produkcja
10
6
Mg
Trawa
750
Odpady roślinne (słoma)
475
Zboża
353
Zwierzęce odchody
175
Drewno
149
Odpady miejskie
136
Odpady przemysłowe
100
Rośliny wodne
20
Odpady przetw.
spożywczego
15
Ścieki
13
PRODUKCJA BIOMASY W
PRODUKCJA BIOMASY W
POLSCE
POLSCE
PRODUKCJA BIOMASY W
PRODUKCJA BIOMASY W
POLSCE
POLSCE
Wykorzystanie biomasy
Wykorzystanie biomasy
Współspalanie uważane jest obecnie
Współspalanie uważane jest obecnie
za najprostszy i najtańszy sposób
za najprostszy i najtańszy sposób
zwiększenia produkcji
zwiększenia produkcji
energii
energii
elektrycznej z paliw odnawialnych
elektrycznej z paliw odnawialnych
.
.
Zalety współspalania
Zalety współspalania
prawie natychmiastowe wykorzystanie
prawie natychmiastowe wykorzystanie
biomasy w dużej skali (duże kotły),
biomasy w dużej skali (duże kotły),
Zalety współspalania
Zalety współspalania
proces spalania jest stabilizowany przez
proces spalania jest stabilizowany przez
spalanie węgla,niższe emisje SO
spalanie węgla,niższe emisje SO
2
2
, NO
, NO
x
x
, CO
, CO
2
2
(w części odnoszącej się do paliw
(w części odnoszącej się do paliw
kopalnych),
kopalnych),
elastyczność kotła i brak zależności
elastyczność kotła i brak zależności
produkcji energii elektrycznej od
produkcji energii elektrycznej od
dostępności biomasy (problemy
dostępności biomasy (problemy
logistyczne) co jest korzystne dla operatora
logistyczne) co jest korzystne dla operatora
systemu energetycznego (np. w
systemu energetycznego (np. w
porównaniu z energią wiatru).
porównaniu z energią wiatru).
Wady współspalania
Wady współspalania
trudności z dostawą i przygotowaniem
trudności z dostawą i przygotowaniem
(suszenie, rozdrobnienie) wystarczającej
(suszenie, rozdrobnienie) wystarczającej
ilości biomasy oraz jej cena
ilości biomasy oraz jej cena
,
,
ograniczenie wydajności i sprawności kotła
ograniczenie wydajności i sprawności kotła
efekty uboczne współspalania związane ze
efekty uboczne współspalania związane ze
składem substancji mineralnej biomasy.
składem substancji mineralnej biomasy.
PODSTAWOWE UWARUNKOWANIA TECHNICZNE
PODSTAWOWE UWARUNKOWANIA TECHNICZNE
WSPÓŁSPALANIA NA PODSTAWIE
WSPÓŁSPALANIA NA PODSTAWIE
DOTYCHCZASOWYCH
DOTYCHCZASOWYCH
DOŚWIADCZEŃ ELEKTROWNI I ELEKTROCIEPŁOWNI
DOŚWIADCZEŃ ELEKTROWNI I ELEKTROCIEPŁOWNI
ELEMENTY KRYTYCZNE
ELEMENTY KRYTYCZNE
własności biomasy w porównaniu z
własności biomasy w porównaniu z
własnościami węgla
własnościami węgla
pozyskiwanie znacznej ilości biomasy
pozyskiwanie znacznej ilości biomasy
i jej przygotowanie do współspalania
i jej przygotowanie do współspalania
sposób podawania biomasy i paliwa
sposób podawania biomasy i paliwa
do komory paleniskowej,
do komory paleniskowej,
ELEMENTY KRYTYCZNE
ELEMENTY KRYTYCZNE
CD
CD
przebieg spalania w komorze
przebieg spalania w komorze
paleniskowej kotła
paleniskowej kotła
zmiana rozkładu obciążeń cieplnych
zmiana rozkładu obciążeń cieplnych
powierzchni ogrzewalnych
powierzchni ogrzewalnych
zachowanie się substancji mineralnej
zachowanie się substancji mineralnej
biomasy i jej wpływ na parametry
biomasy i jej wpływ na parametry
eksploatacyjne kotła
eksploatacyjne kotła
wykorzystanie odpadów paleniskowych
wykorzystanie odpadów paleniskowych
WŁASNOŚCI BIOMASY
WŁASNOŚCI BIOMASY
Własności fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona
Własności fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona
paliwem trudnym technologicznie, znacznie różniącym się
paliwem trudnym technologicznie, znacznie różniącym się
od węgla spalanego w kotłach energetycznych.
od węgla spalanego w kotłach energetycznych.
Podstawowe różnice między tymi paliwami, to:
Podstawowe różnice między tymi paliwami, to:
niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę
niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę
objętości — konieczność operowania kilkakrotnie większymi
objętości — konieczność operowania kilkakrotnie większymi
objętościowo ilościami biomasy w celu dostarczenia do
objętościowo ilościami biomasy w celu dostarczenia do
procesu takiej samej ilości energii jak z węgla
procesu takiej samej ilości energii jak z węgla
wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45 — 60%),
wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45 — 60%),
która wpływa negatywnie na efektywność procesu spalania
która wpływa negatywnie na efektywność procesu spalania
WŁASNOŚCI BIOMASY
WŁASNOŚCI BIOMASY
CD
CD
wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w
wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w
węglu kamiennym) drastycznie zmieniająca warunki zapłonu i
węglu kamiennym) drastycznie zmieniająca warunki zapłonu i
spalania
spalania
zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest
zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest
podobnego rzędu jak dla węgla kamiennego, natomiast dla
podobnego rzędu jak dla węgla kamiennego, natomiast dla
roślin energetycznych mieści się w zakresie 2 — 6%, a jedynie
roślin energetycznych mieści się w zakresie 2 — 6%, a jedynie
dla odpadów drzewnych jest bardzo niska i wynosi < 1 %
dla odpadów drzewnych jest bardzo niska i wynosi < 1 %
zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest
zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest
zawartość chloru szczególnie w przypadku słomy, co stwarza
zawartość chloru szczególnie w przypadku słomy, co stwarza
duże ryzyko występowania korozji urządzeń
duże ryzyko występowania korozji urządzeń
głównymi składnikami popiołu z węgla kamiennego są Si0
głównymi składnikami popiołu z węgla kamiennego są Si0
2
2
,
,
AI
AI
2
2
O
O
3
3
i Fe
i Fe
2
2
0
0
3
3
, natomiast dla biomasy oprócz dużej ilości K
, natomiast dla biomasy oprócz dużej ilości K
2
2
O i
O i
Si0
Si0
2
2
stwierdzono duże ilości CaO
stwierdzono duże ilości CaO
większość rodzajów biopaliw stałych wykazuje stosunkowo
większość rodzajów biopaliw stałych wykazuje stosunkowo
niskie temperatury mięknięcia i topnienia popiołu w
niskie temperatury mięknięcia i topnienia popiołu w
porównaniu z węglem, głównie z powodu dużej zawartości
porównaniu z węglem, głównie z powodu dużej zawartości
związków metali alkalicznych.
związków metali alkalicznych.
Wprowadzenie współspalania w dużej skali wymaga
Wprowadzenie współspalania w dużej skali wymaga
znacznej podaży biomasy o stabilnej jakości, w
znacznej podaży biomasy o stabilnej jakości, w
odpowiedniej cenie oraz w uzasadnionej
odpowiedniej cenie oraz w uzasadnionej
ekonomicznie odległości od źródła ciepła.
ekonomicznie odległości od źródła ciepła.
POZYSKIWANIE BIOMASY I
POZYSKIWANIE BIOMASY I
PRZYGOTOWANIE DO
PRZYGOTOWANIE DO
WSPÓŁSPALANIA
WSPÓŁSPALANIA
POZYSKIWANIE BIOMASY I
POZYSKIWANIE BIOMASY I
PRZYGOTOWANIE DO
PRZYGOTOWANIE DO
WSPÓŁSPALANIA
WSPÓŁSPALANIA
Rozproszony charakter występowania biomasy
Rozproszony charakter występowania biomasy
stwarza poważne problemy w przypadku
stwarza poważne problemy w przypadku
energetyki zawodowej, którą charakteryzuje
energetyki zawodowej, którą charakteryzuje
koncentracja produkcji energii w dużych zakładach.
koncentracja produkcji energii w dużych zakładach.
Niska wartość opałowa jednostki objętości biomasy
Niska wartość opałowa jednostki objętości biomasy
(~6-krotnie niższa od węgla kamiennego) znacznie
(~6-krotnie niższa od węgla kamiennego) znacznie
zwiększa koszty transportu, co ogranicza
zwiększa koszty transportu, co ogranicza
możliwości wdrożeniowe. Niekorzystna lokalizacja
możliwości wdrożeniowe. Niekorzystna lokalizacja
zakładu energetycznego w stosunku do źródeł
zakładu energetycznego w stosunku do źródeł
biomasy, brak dostatecznych rezerw magazynowo-
biomasy, brak dostatecznych rezerw magazynowo-
transportowych i produkcyjnych będzie przeszkodą
transportowych i produkcyjnych będzie przeszkodą
w stosowaniu nawet niewielkich ilości biomasy.
w stosowaniu nawet niewielkich ilości biomasy.
POZYSKIWANIE
POZYSKIWANIE
BIOMASY
BIOMASY
Dodatkowym niekorzystnym aspektem będzie konkurencja o
Dodatkowym niekorzystnym aspektem będzie konkurencja o
paliwo z aktualnym lokalnym wykorzystaniem biomasy na
paliwo z aktualnym lokalnym wykorzystaniem biomasy na
cele grzewcze i w przyszłości z energetyką rozproszoną.
cele grzewcze i w przyszłości z energetyką rozproszoną.
Główne źródła biomasy
Główne źródła biomasy
to:
to:
leśnictwo
leśnictwo
rolnictwo:
rolnictwo:
odpady i półprodukty z produkcji rolnej
odpady i półprodukty z produkcji rolnej
uprawy energetyczne,
uprawy energetyczne,
przemysł:
przemysł:
drzewny,
drzewny,
spożywczy
spożywczy
papierniczy
papierniczy
biomasa z przemysłu jest w większości wykorzystywana na własne
biomasa z przemysłu jest w większości wykorzystywana na własne
cele energetyczne.
cele energetyczne.
SKŁADOWANIE
SKŁADOWANIE
BIOMASY
BIOMASY
Wytwarzanie granulatów
Wytwarzanie granulatów
PELLETY
PELLETY
BRYKIETY
BRYKIETY
Brykiet: a) z odpadów drzewnych, b) ze słomy
SPOSÓB PODAWANIA
BIOMASY I PALIWA DO
KOMORY PALENISKOWEJ
KOTŁA ENERGETYCZNEGO
OBJĘTOŚĆ PALIWA
OBJĘTOŚĆ PALIWA
/
/
1MW
1MW
h
h
ENERGII
ENERGII
ELEKTRYCZNEJ
ELEKTRYCZNEJ
współspalanie bezpośrednie:
mieszanie biomasy z węglem przed układem
dozowania węgla do kotła (młynami),
niezależne przygotowanie biomasy
rozdrobnienie i spalanie na ruszcie pod kotłem lub
dozowanie do palników ewentualnie nad palnikami
węglowymi niezależnym strumieniem
w tym przypadku możliwe jest użycie biomasy jako
paliwa reburningowego
współspalanie pośrednie:
przedpalenisko — do komory paleniskowej kotła
wnoszone jest ciepło spalin ze spalania biomasy
wstępne zgazowanie biomasy — do komory
paleniskowej wprowadzany jest wilgotny gaz
palny.
RODZAJE PALENISK
RODZAJE PALENISK
Stosowanie różnych
technologii spalania
biopaliw stałych w
zależności od mocy
systemu i rozmiarów
paliwa; palenisko:
C – cygarowe,
R – z rusztem
mechanicznym,
S – ze stosem paliwowym,
PS – posuwowe,
FB – ze złożem
fluidalnym,
P -pyłowe
KOTŁY RUSZTOWE
KOTŁY RUSZTOWE
Kierunki przepływu paliwa i spalin w różnych systemach
rusztowych:
a) współprądowy, b) krzyżowy, c) przeciwprądowy
ZMIANA PRZEBIEGU SPALANIA I
ROZKŁADU OBCIĄŻEŃ
CIEPLNYCH POWIERZCHNI
OGRZEWALNYCH
ZACHOWANIE SIĘ SUBSTANCJI MINERALNEJ
BIOMASY I JEJ WPŁYW NA PARAMETRY
EKSPLOATACYJNE KOTŁA
TEMPERATURA
TEMPERATURA
TOPNIENIA POPIOŁÓW
TOPNIENIA POPIOŁÓW
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.
AGLOMERACJA
AGLOMERACJA
Zdjęcia z mikroskopu elektronowego
zaglomerowanych cząstek piasku przy spalaniu
biomasy w złożu fluidalnym
KOROZJA POWIERZCHNI
OGRZEWALNYCH KOTŁA
PODCZAS WSPÓŁSPALANIA
BIOMASY
Korozja
Korozja
w komorze paleniskowej podczas niskoemisyjnego
w komorze paleniskowej podczas niskoemisyjnego
spalania
spalania
KOROZJA NISKOTLENOWA
KOROZJA NISKOTLENOWA
lub
lub
NISKOEMISYJNA rur ekranowych
NISKOEMISYJNA rur ekranowych
,
,
KOROZJA WYSOKOTEMPERATUROWA w rejonie
KOROZJA WYSOKOTEMPERATUROWA w rejonie
przegrzewaczy pary
przegrzewaczy pary
,
,
w strefie końcowych powierzchni konwekcyjnych
w strefie końcowych powierzchni konwekcyjnych
(I stopień podgrzewacza wody lub
(I stopień podgrzewacza wody lub
podgrzewacz powietrza) oraz w usytuowanych za
podgrzewacz powietrza) oraz w usytuowanych za
nimi elementach ciągu spalinowego
nimi elementach ciągu spalinowego
KOROZJA
KOROZJA
NISKOTEMPERATUROWA
NISKOTEMPERATUROWA
Korozja
Korozja
3
3
Na
Na
2
2
SO
SO
4
4
+ Fe
+ Fe
2
2
O
O
3
3
+ 3
+ 3
SO
SO
3
3
= 2 Na
= 2 Na
3
3
Fe(SO
Fe(SO
4
4
)
)
3
3
Fe + 2
Fe + 2
HCl
HCl
= FeCl
= FeCl
2
2
+ H
+ H
2
2
Fe
Fe
2
2
O
O
3
3
+ 2
+ 2
HCl
HCl
+
+
CO
CO
= FeO + FeCl
= FeO + FeCl
2
2
+ H
+ H
2
2
O
O
Nowa forma korozji
Nowa forma korozji
K
K
orozja w obecności stopionych soli,
orozja w obecności stopionych soli,
którymi są najczęściej chlorki i siarczany
którymi są najczęściej chlorki i siarczany
alkaliczne, chociaż potwierdzono również
alkaliczne, chociaż potwierdzono również
udział
udział
w
w
p
p
rocesach korozyjnych związków
rocesach korozyjnych związków
cynku i ołowiu.
cynku i ołowiu.
Korozja ta
Korozja ta
zachodzi w temperaturach
zachodzi w temperaturach
wyższych od temperatury topnienia i
wyższych od temperatury topnienia i
niższych od temperatury nasycenia soli, w
niższych od temperatury nasycenia soli, w
zakresie ok. 400–700°C.
zakresie ok. 400–700°C.
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.
MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA
ODPADÓW PALENISKOWYCH I
UBOCZNYCH PRODUKTÓW ZE
WSPÓŁSPALANIA BIOMASY
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
ASPEKTY
ŚRODOWISKOWE
Względna efektywność emisyjna współspalania węgla i zrębków
wierzby energetycznej w kotle OP-230
Względna efektywność emisyjna współspalania węgla i tzw. trocin
pofiltracyjnych (odpadu z przemysłu spożywczego) w kotle OP-230
Względna efektywność emisyjna współspalania
węgla i wytłoków z produkcji kawy zbożowej
(odpadu z przemysłu spożywczego) w kotle OP-
230
WYKORZYSTANIE
WYKORZYSTANIE
BIOMASY
BIOMASY
WYKORZYSTANIE
WYKORZYSTANIE
BIOMASY
BIOMASY
UE + ROSJA
UE + ROSJA
CENY
CENY
2005/2006
Trend 2010
€/t
€/GJ
Przemysłowe pellety drzewne
-pellety z pozostałości przetwarzania
drewna
-pellety z pozostałości z procesu
pozyskiwania drewna
95 ÷ 170
130 ÷
150
95 ÷ 170
5,3 ÷ 9,4
7,2 ÷ 8,3
5,3 ÷ 9,4
120 ÷ 200 €/t (6,6 ÷ 11,1 €/GJ)
słabo rosnący, spowodowany
wzrostem zainteresowania
pelletami „niedrzewnymi”
słabo rosnący, spowodowany
wzrostem liczby pelletów
pochodzących z pozostałości z
procesu pozyskiwania drewna
Słoma zbożowa
- pellety ze słomy pszenicznej
90 ÷ 160
120 ÷
140
6,2 ÷ 11,0
8,3 ÷ 9,7
-
słabo rosnący, ponieważ maleje
zainteresowanie surowym
materiałem
Biopellety z alternatywnych
nieprzetworzonych źródeł
-uzyskane z peletów z rzepy
-pellety z łusek słonecznika
105 ÷
350
175 ÷
196
105
5,3 ÷ 66,0
11,0 ÷ 12,3
5,3
-
spadek, spowodowany
zwiększającym się dostępem
surowego materiału
słabo rosnący, spowodowany
ograniczonymi zasobami