Spalanie i współspalanie biomasy z paliwami kopalnymi
Autorzy:
dr inŜ. Stanisław Kruczek - Zakład Urządzeń Kotłowych, Politechnika Wrocławska,
Grzegorz Skrzypczak, Rafał Muraszkowski - Vulcan Power, Wrocław
(„Czysta Energia” – czerwiec 2007)
Rozwój technologii pozyskiwania energii z odnawialnych źródeł jest podyktowany
rozwiązaniami prawnymi wprowadzonymi w UE, które zmierzają do zwiększania udziału
energii cieplnej i elektrycznej ze źródeł odnawialnych do poziomu 7,5% w 2010 i 12,5 % w
2015 r.
Uzyskanie takiego udziału w produkcji energii jest moŜliwe tylko poprzez wdraŜanie technik
produkcji energii niekonwencjonalnej w duŜej energetyce zawodowej. Jedna z technologii to
współspalanie biomasy w kotłach energetycznych i ciepłowniczych.
Spalanie lub współspalanie biomasy jest atrakcyjne ze względu na relatywnie niskie koszty
produkcji energii cieplnej czy elektrycznej oraz niewielką emisję w porównaniu z innymi
konwencjonalnymi źródłami energii.
WaŜny dobór technologii
Wymaga to jednak doboru odpowiedniej technologii spalania z uwagi na jej odmienny skład w
porównaniu z paliwami konwencjonalnymi. Biomasa spalana osobno czy w mieszaninie z węglem
stwarza problemy wynikające z tworzenia się osadów na powierzchniach ogrzewalnych, co moŜe
prowadzić do ich szlakowania i korozji wysokotemperaturowej. Równocześnie spalanie i
współspalanie biomasy z węglem ze względu na duŜą zawartość części lotnych, a małą zawartość
azotu i siarki przebiega w odmienny sposób niŜ samego węgla. W rezultacie udział biomasy przy
współspalaniu z węglem oddziałuje na emisję tlenków azotu, dwutlenku siarki i metali cięŜkich.
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, wchodząc w reakcję z innymi składnikami spalin
(proces ten inaczej przebiega w złoŜu fluidalnym), tworząc związki niskotopliwe, które osadzają się
na powierzchniach konwekcyjnych. Pojawiają się osady mikronowe zeszklone, niejednorodne na
rurach, gdzie głównym składnikiem jest K2SO4, a w małej ilości występują Si, Ca, Mg. Proces
tworzenia się osadów w obecności siarczanów, a w szczególności związków chloru, znacznie
przyspiesza korozję wysokotemperaturową. W konwencjonalnych kotłach mechanizm korozji to
zwykle proces utleniania, który przebiega wolno.
W przypadku spalania samej biomasy lub przy jej pewnym udziale w węglu wydziela się KCl,
który kondensuje, na rurach przyspieszając proces korozji.
Nieco ostrzej problem korozji i tworzenia się „lepkich” zarodków popiołu objawia się w kotle
fluidalnym. W tym przypadku skłonność popiołu do zmiany fazy w złoŜu powoduje jego miejscową
aglomerację, a przez to utratę stabilności złoŜa.
Spalanie biomasy z węglem
Większa i dominująca część obecnie produkowanej energii w Polsce oparta jest na spalaniu paliw
kopalnych, wśród których węgiel brunatny charakteryzuje się najwyŜszą emisją CO2 do atmosfery.
W najbliŜszej przyszłości duŜe znaczenie w strukturze wykorzystania źródeł energii powinna mieć
biomasa.
Cel, jakim jest złagodzenie „efektu cieplarnianego” oraz obniŜenie emisji SO2, NOx, i CO2,
wymusił pilną potrzebę opracowania procesów efektywnego i ekologicznego czystego wytwarzania
ciepła oraz energii elektrycznej ze źródeł opartych na spalaniu węgla brunatnego. Obecnie jednym z
najbardziej odpowiednich procesów do tego celu jest spalanie w warstwie fluidalnej mieszanki
biomasy i węgla brunatnego. Obecność CO w spalinach powoduje stratę niezupełnego spalania, a
wysokie stęŜenie CO powoduje niebezpieczne zanieczyszczenia środowiska.
W tabeli 1 przedstawiono wielkości stęŜeń CO otrzymane podczas procesu spalania mieszanek
biomasy i węgla.
Tab. 1. Wielkości stęŜeń CO w spalinach w procesie fluidalnego spalania biomasy i węgla
Udział
masowy
StęŜenie CO
Warunki
biomasy
Autor
mg/Nm3
Typ paliwa
prowadzenia procesu
w mieszance,
(6% O2)
spalania
xb
Kocioł
z cyrkulacyjną
Węgiel
warstwą fluidalną o
Leckner
173-30
0-1
kamienny/zrębki
mocy 8MWt.
jodły
T = 1125°K,
W = 1,6m/s, Ca/S =
0.
Stanowisko
Węgiel
laboratoryjne
brunatny/leśne
z cyrkulacyjną
Armesto
167-27
0-0,4
odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123°K, w =
1,51m/s, Ca/S=2,5
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel
z pęcherzykową
brunatny/leśne
Armesto
445-255
0-1,
warstwą fluidalną
odpady
T = 1079-1123°K, w
drzewne
= 0,16-0,18 m/c,
Ca/S=2,9-3,6
Leckner prowadził badania na kotle z cyrkulacyjną warstwą fluidalną o mocy 8 MWt. Jako paliwa
bazowe wykorzystał węgiel kamienny oraz zrębki jodły. Otrzymał stęŜenia CO na poziomie 173-30
mg/Nm 3
n przy udziale masowym ziaren biomasy w mieszance 0,01-1. Autor analizy stwierdził, iŜ
znaczne obniŜenie stęŜenia CO, zwłaszcza w przypadku mieszanek o duŜym udziale biomasy, było
spowodowane zdecydowanie szybszym utlenianiem CO w cyklonie. W przypadku mieszanek o
duŜym udziale węgla strumień przepływającego materiału warstwy przez cyklon zawierał znaczną
ilość koksiku i jego spalanie w tym rejonie powodowało powstanie CO. W przypadku biomasy
powstały koksik bardzo szybko ulegał spaleniu jeszcze w obrębie komory paleniskowej, dlatego w
cyklonie następowało juŜ ostateczne utlenianie CO do CO2.
Badania procesu spalania mieszanek paliwowych przeprowadził równieŜ na jednostkach
pilotowych z pęcherzykową i cyrkulacyjną warstwą fluidalną Armesto . Autor ten wykorzystał
węgiel brunatny i leśne odpady drzewne. Badania wykazały, Ŝe wzrost sprawności procesu spalania
oraz spadek stęŜenia CO w spalinach rósł wraz ze zwiększeniem udziału masowego leśnych
odpadów drzewnych w mieszance paliwowej. StęŜenia CO dla procesów spalania w pęcherzykowej
i cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej wyniosły odpowiednio od 445 do 255 mg/m3 przy udziale
masowym biomasy w zakresie od 0 do 1 i od 167 do 27 mg/m3 przy udziale masowym ziaren
biomasy odpowiednio od 0 do 0,4. Wykorzystanie biomasy w procesie fluidalnego spalania węgla
moŜe przyczynić się do obniŜenia emisji CO, a tym samym redukcji straty niezupełnego spalania.
Wpłynie to na wzrost sprawności spalania, a jednocześnie na poprawę efektywności wykorzystania
źródeł energii. Ponadto prowadzenie procesu spalania w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej
charakteryzuje się niŜszymi emisjami CO w stosunku do warstwy pęcherzykowej.
Emisja SO2
W celu nieprzekroczenia dopuszczalnych stęŜeń SO2 do atmosfery skuteczność odsiarczania musi
być utrzymywana na odpowiednim poziomie – w zaleŜności od rodzaju spalanego paliwa. Według
badań w przypadku węgla brunatnego o zawartości siarki ok. 1% i wartości opałowej poniŜej 17,3
MJ/kg naleŜałoby utrzymywać skuteczność odsiarczania na poziomie 92%. Natomiast odnośnie
spalania węgla kamiennego o zawartości siarki poniŜej 1% skuteczność odsiarczania nie powinna
być niŜsza od 80%. Z przedstawionego porównania wynika, Ŝe spalanie węgla brunatnego pociąga
za sobą konieczność uzyskania wyŜszych skuteczności odsiarczania spalin. Z technicznego punktu
widzenia taką skuteczność moŜna osiągnąć, ale kosztem wysokiego nadmiaru kamienia wapiennego
i zwiększenia masy odpadów stałych. Badania na skalę przemysłową wykazały moŜliwości
wykorzystania biomasy o wysokiej zawartości Ca, K, Na do redukcji stęŜenia SO2 w spalinach
podczas wspólnego spalania biomasy i paliw bogatych w siarkę, tj. torfu czy węgla. Rezultaty z
badań wykazują, Ŝe stęŜenie tlenu i temperatura warstwy fluidalnej są najbardziej istotnymi
czynnikami wpływającymi na procesy redukcji SO2. Ponadto wiązanie siarki moŜe być osiągnięte
bez równoczesnego wzrostu stęŜenia CO czy NO. Badania dowiodły, Ŝe wysoka redukcja SO2 przy
spalaniu węgla i lucerny na poziomie ok. 80% moŜe być uzyskana nawet przy temp. poniŜej 873°K.
Kicherer uzyskał nawet stęŜenie SO2 równieŜ obniŜające się wraz ze wzrostem ilości słomy w
mieszance. Efekt ten spowodowany był głównie niŜszą zawartością siarki w słomie, jakkolwiek
obecność CaO i MgO takŜe mogła mieć znaczący wpływ. W tabeli 2 przedstawiono wyniki badań
uzyskane w procesie współspalania biomasy z węglem, przeprowadzonych przez Lecknera i
Armesto .
Tab. 2. Wielkości stęŜeń SO2 w spalinach w procesie fluidalnego spalania mieszanek biomasy i węgla
Udział masowy
StęŜenie SO
biomasy
Warunki prowadzenia
Autor
2
Typ paliwa
mg/m3 (6% O
w mieszance,
procesu spalania
2)
xb
Kocioł
z cyrkulacyjną
Węgiel
warstwą fluidalną
Leckner
1216-37
0-1
kamienny/zrębki jodły
o mocy 8MWt.
T = 1125°K, w = 1,6
m/s, Ca/S = 0.
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny/leśne z cyrkulacyjną
Armesto
1851-905
0-0,4
odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123°K, w = 1,51
m/s, Ca/S = 2,5
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny/leśne z pęcherzykową
Armesto
1894-51
0-1
odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1079-1123°K, w =
0,16-0,18m/s, Ca/S =
2,9-3,6
Leckner uzyskał stęŜenie SO
3
3
2 w zakresie od 1216 mg/mn do 37 mg/mn , przy udziale masowym
biomasy od 0 do 1, uwzględniając przy tym związanie siarki w popiele z węgla na poziomie 10-
15%. Niska zawartość popiołu powstającego ze spalania biomasy miała mało istotny wpływ na
proces wiązania siarki w tym przypadku. Podobne badania na stanowisku laboratoryjnym
przeprowadził Armesto . StęŜenie SO
3
3
2 w spalinach wyniosło od 1851 mg/mn do 905 mg/mn dla
mieszanek o udziale masowym ziaren biomasy odpowiednio od 0 do 0,4 w przypadku
pęcherzykowej warstwy fluidalnej oraz od 1894 mg/m 3
3
n do 51 mg/mn dla mieszanek o udziale
masowym ziaren biomasy odpowiedni 0 do 1 w przypadku pęcherzykowej warstwy fluidalnej. W
badaniach tych uzyskano równieŜ ponad 90% skuteczności wiązania siarki przy stosunku molowym
Ca/S wynoszącym 3,3. NiŜszy stosunek Ca/S powodował wzrost stęŜenia SO2 w spalinach, dalszy
wzrost Ca/S w zakresie 3,7-6,7 nie przyniósł znacznego efektu poprawy wiązania siarki.
ZauwaŜono równieŜ, Ŝe wzrost prędkości gazu powodował niewielkie obniŜenie stęŜenia SO2 w
spalinach.
Emisja NOx
Ze względu na niską temperaturę podczas procesu spalania w warstwie fluidalnej NOx powstają
głównie z azotu zawartego w paliwie. Reakcja utleniania jest gwałtowna, formuje się zazwyczaj
NO, natomiast NO2 tworzy się stopniowo w chłodzącym się strumieniu spalin i stanowi najwyŜej
10% wszystkich NOx emitowanych do atmosfery. Podczas odgazowania paliwa azot dzielony jest
pomiędzy uwalniane części lotne i powstały koksik, a ich proporcje uzaleŜnione są od rodzaju
paliwa. Udziały te porównywane są z udziałem części lotnych w danym paliwie. Dominującymi
związkami azotu w pierwotnych i wtórnych produktach odgazowania są NH3 oraz HCN. Im
młodszy węgiel jest spalany, tym szybciej wydzielane z części lotnych związki azotowe (HCN,
NH3) utleniają się do NOx. Dlatego teŜ wielkości emisji NOx podczas spalania węgla brunatnego
będą wyŜsze w porównaniu z emisją ze spalania węgla kamiennego. Z drugiej strony moŜna
stwierdzić na podstawie wyników badań, Ŝe im większy udział części lotnych w węglu, tym
większa moŜliwość redukcji emisji NOx z wykorzystaniem technik stopniowania powietrza czy teŜ
reburningu. Mechanizm formowania NOx przebiega równolegle z heterogenicznymi i
homogenicznymi reakcjami rozkładu. W procesie spalania węgla i biomasy występują róŜnice,
które mają wpływ na wielkość stęŜenia NOx w spalinach. Uwalnianie części lotnych i azotu jest
intensywniejsze dla „talerzowatych” kształtów ziaren niŜ dla kulistych czy cylindrycznych. Ponadto
odbywa się równomiernie, kiedy rozmiar ziaren i zawartość wilgoci wzrasta. Jest to spowodowane
obniŜeniem etapu szybkości suszenia ziarna. W przypadku małych ziaren czas początkowego
ogrzewania jest krótszy w porównaniu z czasem odgazowania. W tym przypadku moŜna załoŜyć,
Ŝe ziarno jest bardzo szybko ogrzewane i spalane. Biomasa zawiera więcej części lotnych niŜ
węgiel i azot zawarty w częściach lotnych moŜe odgrywać waŜną rolę w formowaniu i redukcji NO.
W przypadku biomasy azot w częściach lotnych występuje jako NH3, natomiast HCN jest głównym
źródłem azotu w częściach lotnych pochodzących z węgla.
Wraz ze wzrostem udziału słomy w mieszance paliwowej z węglem stęŜenie NH3 w częściach
lotnych rosło liniowo, gdy stęŜenie HCN obniŜało się. Lin i Dan Johnsen w swoich badaniach
stwierdzili, Ŝe przy spalaniu słomy i węgla w warstwie fluidalnej, ze względu na róŜnice gęstości
pomiędzy ziarnami słomy i węgla, uwalnianie części lotnych oraz spalanie koksiku następowało w
róŜnych miejscach komory paleniskowej. Badacze zaobserwowali, iŜ podczas spalania słomy
więcej ziaren znajdowało się na powierzchni warstwy, niŜ w przypadku spalania węgla. RóŜnice
występowały równieŜ w wielkości konwersji azotu do NO. Podczas spalania słomy konwersja była
na poziomie 18-45%, natomiast w przypadku węgla konwersja była niŜsza i wynosiła 12-20%.
Autorzy wielu prac naukowych przedstawili wpływ katalitycznego oddziaływania koksiku i popiołu
na formowanie i redukcję NOx i N2O. W przypadku spalania w warstwie fluidalnej obecność CaO,
MgO i Fe2O3 w paliwie moŜe prowadzić do formowania związków katalitycznie wpływających na
reakcję rozkładu NOx i N2O.
DuŜą rolę odgrywać moŜe równieŜ znaczne stęŜenie koksiku, który ma bardzo rozwiniętą i
chemicznie aktywną powierzchnię. W trybie spalania jednak samej biomasy, charakteryzującej się
wysoka zawartością części lotnych i niską zawartością węgla pierwiastkowego, efekt moŜe być
mniej widoczny.
W tabeli 3 przedstawiono wielkości stęŜeń NOx w procesie fluidalnego spalania biomasy z
węglem. Leckner stwierdził formowanie się wyŜszych stęŜeń NOx podczas spalania zrębków jodły
3
n ), niŜ podczas spalania samego węgla (113 mg/mn ), nawet mimo wyŜszej zawartości
azotu w węglu (1,5%) w stosunku do zrębków jodły (0,15%). ZauwaŜono następnie, iŜ mogło być
to spowodowane wzrostem stęŜenia koksiku w komorze paleniskowej wraz ze zwiększeniem
udziału węgla w mieszance paliwowej. Leckner przy niskim udziale węgla w mieszance (15%)
otrzymał najwyŜsze stęŜenie NO
3
x w spalinach, wynoszące 215 mg/mn . Odmienne zaleŜności w
stosunku do stęŜenia NOx uzyskał Armesto . W badaniach tego autora wielkość stęŜenia NOx w
spalinach wynosiła od 275 mg/m 3
3
n do 220 mg/mn dla mieszanek o udziale masowym ziaren
biomasy odpowiednio od 0,0 do 0,4, w przypadku cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej oraz od 101
mg/m 3
3
n do 94 mg/mn dla mieszanek o udziale masowym biomasy odpowiednio od 0,0 do 0,28, w
przypadku pęcherzykowej warstwy fluidalnej. Stwierdzono, iŜ mogło to być spowodowane wyŜszą
zawartością azotu w węglu brunatnym (1,25%) w porównaniu z zawartością azotu w biomasie
(0,53%).
Tab. 3. Wielkości stęŜeń NOx w spalinach w procesie fluidalnego spalania mieszanek biomasy i węgla
Udział masowy
StęŜenie NO
biomasy
Warunki prowadzenia
Autor
x
Typ paliwa
mg/m3 (6% O
w mieszance
procesu spalania
2)
xb
Kocioł
z cyrkulacyjną
Węgiel
warstwą fluidalną
Leckner
113-215-154
0,-0,85-1
kamienny/zrębki jodły
o mocy 8MWt.
T = 1125 K, w = 1,6
m/s, Ca/S=0.
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny
z cyrkulacyjną
Armesto
275-220
0,-0,4
/leśne odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123 K, w = 1,51
m/s, Ca/S=2,5
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny
z pęcherzykową
Armesto
101-94
0-1
/leśne odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123-1128K, w =
,18m/s, Ca/S = 2,9-3,6
Inny naukowiec, Kicherer, uzyskał redukcję stęŜenia NOx w spalinach, której wielkość była
proporcjonalna do ilości spalanej słomy. Słoma zachowywała się jak paliwo reburningowe,
powodując obniŜenie stęŜenia NOx. Przy spalaniu samego węgla autor osiągnął stęŜenie NOx na
poziomie 500 mg/m 3
n , natomiast przy dodatkowym spalaniu biomasy w postaci słomy stęŜenie NOx
wyniosło 260 mg/m 3
n . Podobne rezultaty i zachowanie biomasy obserwowano przy wspólnym
spalaniu słomy i węgla w badaniach innych autorów.
Stwierdzono, Ŝe spalanie biomasy z węglem powoduje zmniejszenie emisji typowych dla spalania
węgla zanieczyszczeń – SO2 i NOx,. Pokazano, iŜ udziały SO2 i NOx w spalinach maleją
proporcjonalnie do udziału sieczki w strumieniu paliwa podawanego do kotła pyłowego.
Jednocześnie jednak obserwowano większą emisje zanieczyszczeń (cząstki koksu, WWA i CO), a
w przypadku spalania słomy odnotowano duŜy udział HCl w spalinach (ok. 200 ppm).
Analiza popiołu
W badaniach spalania biomasy stwierdzono, iŜ duŜym problemem jest zjawisko aglomeracji.
Dotyczy to głównie biomasy charakteryzującej się wysoka zawartością sodu i potasu. Jako materiał
warstwy wykorzystuje się często piasek kwarcowy, którego głównym składnikiem jest SiO2. Jego
temperatura mięknięcia wynosi 1723°K. W wyniku reakcji tlenków metali alkalicznych lub ich soli
z SiO2 powstaje eutektyczna mieszanka o temperaturze mięknięcia odpowiednio 1147 i 1037°K.
Zjawisko to pogarsza warunki przepływowe w komorze paleniskowej, co bezpośrednio wpływa na
jakość procesu spalania i jego stabilność. Występowanie zjawiska aglomeracji moŜe być równieŜ
wynikiem duŜego gradientu temperatury w warstwie, spowodowanego słabym wymieszaniem
paliwa. DuŜa zawartość tlenków metali alkalicznych (K2O i Na2O) powodowała równieŜ
zanieczyszczenie powierzchni wymiany ciepła w kotle. Odkładanie popiołu z biomasy na
elementach stalowych kotła moŜe ponadto przyczynić się do ich korozji. Naukowcy Saxena, Rao i
Kasi zbadali kilka alternatywnych wobec piasku kwarcowego materiałów, tworzących warstwę w
procesie fluidalnego spalania biomasy. NaleŜą do nich m.in. dolomit, magnezyt, i tlenek Ŝelazowy.
W badaniach stwierdzono, Ŝe mieszanki eutektyczne powstałe w wyniku reakcji Fe2O3 i tlenków
czy solo alkalicznych miały temperaturę mięknienia równą 1408°K.
Innym rozwiązaniem zjawiska aglomeracji jest wspólne spalanie biomasy z węglem, zawierającym
wyŜsze zawartości popiołu, jako mieszanki paliwowej. Powoduje to obniŜenie koncentracji sodu i
potasu w popiele. W badaniach przeprowadzono testy spalania lucerny w warstwie fluidalnej.
Sześciokrotnie powtórzone jednogodzinne testy przy temperaturze warstwy około 1123°K
doprowadziły do powstania spieczonej warstwy. Elementarna analiza spieczonego materiału
wykazała obecność krzemianów potasowo-aluminiowych, które mogły mieć niską temperaturę
topnienia na poziomie 973°K. Podczas spalania węgla wraz z lucerną nie zaobserwowano zjawiska
spiekania w próbie trwającej ponad trzy godziny.
Analizę popiołu lotnego, powstałego w procesie fluidalnego spalania mieszanek węgla, drewna i
torfu, przeprowadzono w badaniach. W porównaniu z popiołem lotnym ze spalania drewna i kory
drzewnej otrzymane popioły z procesu spalania mieszanek charakteryzowały się mniejszą
zawartością wapnia, potasu, magnezu i chloru. Dodanie węgla lub torfu do mieszanki z biomasą
powodował podwyŜszenie zawartości aluminium, Ŝelaza, magnezu i siarki w popiele. Poziom
metali śladowych utrzymywał się na zbliŜonym pułapie w stosunku do popiołu z drewna.
Podczas fluidalnego spalania paliw metale cięŜkie mogą występować w popiele dennym, popiele
lotnym oraz spalinach. Wiązanie metali cięŜkich w materiale warstwy fluidalnej podczas spalania
ziaren drewna było badane przez Ho. Autor uzyskał efektywne wiązanie wymienionych metali juŜ
przy temperaturze 973°K. Autorzy pracy stwierdzili, Ŝe przy temperaturze 1103°K tylko 0,8-4%
kadmu było obecne w fazie gazowej, natomiast przewaŜająca jego część została związana na
duŜych ziarnach popiołu lotnego. Ołów i miedź zachowują się w warstwie fluidalnej podobnie i
głównie umiejscowione są w popiele dennym, przy czym większe wartości przypadają dla Cu (28-
30% Cu zawartego w popiele) niŜ dla Pb (14-16% Pb zawartego w popiele). Udział cynku w
popiele dennym wyniósł 65-685, natomiast w spalinach 0,1-0,3%. Ponadto ołów i cynk, które były
obecnie w fazie gazowej przy temperaturze 1103°K (odpowiednio 7-15% i 24-27%) zostały
wychwycone w strumieniu duŜych ziaren popiołu lotnego w ciągu konwekcyjnym.
W badaniach stwierdzono, iŜ uwalnianiu Cd, Cu i Pb sprzyja wysoka zawartość Cl i S.
Zmiana proporcji biomasy i węgla w mieszance paliwowej prowadzić będzie do wzrostu lub
obniŜenia stęŜenia metali alkalicznych w popiele. Stwarza to moŜliwość występowania lub
eliminacji zjawiska aglomeracji materiału warstwy fluidalnej. Ponadto stwierdzono, iŜ w wyniku
dobrego wiązania metali cięŜkich w materiale warstwy fluidalnej będą one występować głównie w
popiele dennym i lotnym.
Plusy i minusy współspalania
Współczesne energetyczne kotły parowe mają paleniska pyłowe, w których spala się od 200 do 600
ton pyłu węglowego na godzinę. Zastąpienie węgla biomasą w duŜych kotłowniach pyłowych jest
niemoŜliwe z powodu trudności z dostawą i magazynowaniem, wymaganym dla takiego kotła ilości
paliwa. Ponadto trudno dokonać wymaganego dla kotłów pyłowych rozdrobnienia biomasy w
młynach węglowych.
Interesująca jest natomiast koncepcja współspalania biomasy z węglem, poniewaŜ nawet niewielki
udział biomasy w wytwarzaniu energii elektrycznej oznacza znaczne wykorzystanie jej
energetycznego potencjału. Pozwoli na obniŜenie wzrostu stęŜenia CO2 w atmosferze. Biomasa
charakteryzuje się zerowym bilansem CO2, który związany jest z zamknięciem obiegu C-CO2-C.
Spalanie mieszanki biomasy i węgla brunatnego to równieŜ interesujące rozwiązanie ze względu na
uzupełniające się wzajemne właściwości tych dwóch paliw. W przeciwieństwie do typowych
charakterystyk tych węgli biomasa ma niski poziom zawartości siarki, powodując małą emisję SO2
w procesie jej spalania. Wysokie stęŜenie CaO w popiele pochodzącym z biomasy równieŜ moŜe
przyczynić się do poprawy skuteczności redukcji SO2. Z drugiej strony wyŜsza zawartość popiołu w
węglu brunatnym daje moŜliwość obniŜenia stęŜenia metali alkalicznych pochodzących z biomasy
podczas procesu spalania mieszanek tych paliw.
Jednym z powaŜniejszych problemów powstających przy spalania biomasy jest przyspieszona
korozja elementów grzewczych kotła. Związane ze spalaniem słomy zagroŜenia korozyjne
metalowych powierzchni nie są jeszcze dobrze poznane. najwięcej wiadomo na temat korozji w
kotłach opalanych słomą oraz w kotłach przeznaczonych do jednoczesnego spalania słomy i węgla.
Korozja ta ma przede wszystkim charakter wysokotemperaturowy i w znacznej mierze zaleŜy od
zawartości potasu i chloru w słomie. Korozja chlorowa jest szczególnie intensywna, kiedy biomasa
dodatkowo spala się z gorszym węglem. Występuje wówczas niekorzystna kombinacja
oddziaływania chlorków metali alkalicznych powstających podczas spalania słomy oraz SO2 ze
spalania węgla. Zachodząca w osadzie reakcja siarkowania chlorku potasu z udziałem SO2 ze spalin
powoduje wyzwolenie gazowego chloru, który atakuje Ŝelazo i chrom ze stali.
DuŜa róŜnorodność związków mineralnych, które powstają w kotłach podczas spalania biomasy i
węgla, powoduje, Ŝe identyfikacja rodzaju osadów i oddziaływań korozyjnych tych związków jest
bardzo złoŜonym problemem.
Podczas spalania biomasy lub współspalania biomasy z węglem w złoŜu fluidalnym dochodzi do
zjawiska zwanego defluidyzacją. Jest ono spowodowane aglomeracją materiału złoŜa w wyniku
oddziaływania popiołu. Zwykle materiał złoŜa to piasek (SiO2), którego temperatura topnienia
(1450oC) jest daleko poza temperaturą pracy złoŜa fluidalnego (800-900oC), ale obecne w popiele
ze tlenki i sole metali alkalicznych mogą reagować z Si materiału złoŜa.
W ostatnim okresie czasu większość elektrowni zawodowych, np. „Dolna Odra” , „Opole” ,
„PAK”, prowadzi badania nad współspalaniem biomasy z węglami.
W kraju posiadamy moc zaistalowaną w elektrowniach zawodowych oraz elektrociepłowniach
szacowaną na ok. 33000MW mocy elektrycznej. Zdecydowana większość elektrowni zawodowych
i elektrociepłowni posiada wysoko skuteczne instalacje odsiarczające, a takŜe wysoko sprawne
urządzenia odpylające.
W kraju pracują dziesiątki tysięcy kotłów rusztowych opalanych węglem kamiennym o wartości
opałowej 22000-25000 kJ/kg. Zdecydowana większość nowych kotłowni o mocy od kilku do
kilkudziesięciu MW nie posiada instalacji odsiarczających, a urządzenia odpylające w
zdecydowanej większości (cyklony i multicyklony) mają sprawność ok. 88-90%. Prowadzone
badania w pyłowych kotłach energetycznych wykazują, Ŝe przy współspalaniu w większości
przypadków uŜywa się zrębków, które miesza się z węglem i podaje do młynów.
Autorzy są przekonani, Ŝe w pierwszej kolejności naleŜy modernizować kotły rusztowe opalane
węglem z przejściem na biopaliwa.
Źródła
S. Kruczek: Kotły. Konstrukcje i obliczenia. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 200.