plik

OLITECHNIKA

ÓDZKA

YDZIAŁ

LEKTROTECHNIKI

LEKTRONIKI

NFORMATYKI I

UTOMATYKI

NSTYTUT

LEKTROENERGETYKI

PROJEKT ELEKTROCIEPŁOWNI GAZOWO-PAROWEJ

ZINTEGROWANEJ ZE ZGAZOWANIEM BIOMASY

OMASZ

LESZCZ

R ALBUMU

152315

EMESTR

VII

ŁÓDŹ 2011

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

1. C

EL PROJEKTU

Zaprojektowanie elektrociepłowni w celu pokrycia wzrastającego zapotrzebowania na

ciepło i energię elektryczną dla miasta i gminy Wieluń z możliwością wykorzystania

odnawialnych oraz niekonwencjonalnych źródeł energii.

2. U

STALENIE DANYCH WYJŚCIOWYCH

2.1 Charakterystyka miasta i gminy wg [9]

2.1.1 Położenie

Miasto i gmina Wieluń tworzą gminę miejsko-wiejską należącą do powiatu

wieluńskiego. Gmina leży w południowo-zachodniej części województwa łódzkiego, w

obszarze kilku regionów fizyczno-geograficznych: Wysoczyzny Bełchatowskiej (zaliczanej

do Niziny Środkowopolskiej) oraz Wyżyny Wieluńskiej (zaliczanej do Wyżyny Śląsko -

Krakowskiej). Ukształtowanie terenu jest typu niskofalistego i niskopagórkowatego z rozległą

doliną Warty, stanowiącą południową granicę. Dokładna pozycja geograficzna miasta to

52° długości geograficznej północnej i 21° 41´ szerokości geograficznej wschodniej.

2.1.2 Powierzchnia i zaludnienie

Gmina Wieluń jest jednostką samorządową obejmującą zasięgiem miasto Wieluń i 20

sołectw. Łączna powierzchnia terenów gminy wynosi około 13030 ha, w tym na miasto

przypada 1690 ha. Liczba mieszkańców gminy w roku 2004 wynosiła około 34,5 tys.

2.1.3 Charakterystyka przestrzenna i budownictwo mieszkalne

Charakter zagospodarowanie gminy wynika bezpośrednio z występujących funkcji.

Wiodącą funkcja gminy jest produkcja żywności. W strukturze użytkowania przeważają

użytki rolne stanowiące ponad 70% powierzchni gminy.

Duże zwarte kompleksy leśne usytuowane są na obrzeżach gminy: północno-

wschodnim, południowo-wschodnim oraz zachodnim. Mniejsze tereny leśne występują

sporadycznie.

Na terenie całej gminy dominuje budownictwo wielorodzinne spółdzielcze i

komunalne. W ogólnym bilansie zasobów mieszkaniowych stanowi ono 47,9%. Na drugim

miejscu jest budownictwo indywidualne – 39,6%, a na trzecim budownictwo komunalne –

12,6%. Znacząca część budownictwa spółdzielczego i komunalnego występuje na terenie

miasta. Przewaga budownictwa indywidualnego występuje na terenach wiejskich.

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

2.1.4 Warunki klimatyczne

Gmina Wieluń (wg podziału Polski na regiony klimatyczne W. Okołwicza) położona

jest w regionie o słabnących wpływach oceanicznych, cechujących się stosunkowo małymi

amplitudami temperatury powietrza wczesną wiosną, stosunkowo długim latem, zimą łagodna

i krótką z mało trwała pokrywą śnieżną. Zima trwa 80 dni, lato 98 dni.

Tablica 1. Średnie wieloletnie temperatury miesiąca w stopniach Celsjusza i liczba dni ogrzewania dla stacji

meteorologicznej Wieluń

Średnia roczna temperatura: 9,8 °C

Obliczeniowa temperatura zewnętrzna: -18,0 °C

2.2 Charakterystyka infrastruktury w zakresie techniczno-

ekonomicznym

2.2.1 Miejski system ciepłowniczy

Miejski system ciepłowniczy oparty jest głównie na jednym źródle i sieci

eksploatowanych przez Energetykę Cieplną. Centralne źródło ciepła zlokalizowane jest w

części przemysłowej miasta przy ulicy Ciepłowniczej 26 w bezpośrednim sąsiedztwie

Zakładu Produkcyjno – Montażowego ZUGiL. Ciepłownia wyposażona jest w trzy kotły

wodne WR-25 opalane miałem węglowym o łącznej mocy zainstalowanej 87,2 MW. W 2004

r. kocioł nr 1. przeszedł modernizację. Układ technologiczny źródła przedstawiony jest na

poniższym schemacie.

Tablica 2. Charakterystyka sieci ciepłowniczej, stan na rok 2003; [9]

parametry sieci wysokotemperaturowej

130/70 °C

parametry sieci niskotemperaturowej

95/70 °C

parametry sieci technologicznej

110/80 °C

pojemność układu sieciowego

1400 m

długość sieci wysokotemperaturowej

21563 m,
w tym preizolowanej 7427 m

długość sieci niskotemperaturowej

5673 m,
w tym preizolowanej 2157 m

liczba węzłów grupowych

liczba węzłów indywidualnych

113

liczba węzłów bezpośrednich

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Obecnie sieć ciepłownicza rozprowadzona jest na około 75% powierzchni miasta.

Przez odbiorców ciepło wykorzystywane jest do celów c.o., do podgrzania ciepłej wody

użytkowej oraz potrzeb technologicznych przemysłu. Charakterystykę sieci przedstawiono w

tablicy 2. Natomiast rys. 1 prezentuje schemat technologiczny ciepłowni.

Rys. 1. Schemat technologiczny ciepłowni; [9]

WR25 – kotły wodne, PO – pompy obiegowe, PM – pompy mieszające, PU – pompy uzupełniające, PS – pompy

ciśnienia statycznego, W1 – wymiennik ciepła, OS – odmulacze sieciowe, ZW – zbiornik wody uzupełniającej,

OD - odgazowywacz

2.2.2 Lokalne źródła ciepła w gminie

Lokalne źródła ciepła odgrywają istotną rolę w zaopatrzeniu gminy w ciepło. Są one

uzupełnieniem miejskiego systemu ciepłowniczego. Część z nich posiada znaczną rezerwę

mocy. Łączna moc zainstalowana wynosiła w 2004 roku 78,63 MWt, z tego moc

wykorzystana wynosiła 33,24 MWt.

Bilans zapotrzebowania ciepła przedstawiono w tablicy 3.

Tablica 3. Bilans zapotrzebowania ciepła w 2003 roku; [9]

Stan na rok 2003.

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

2.2.3 Ogólna charakterystyka systemu energetycznego

W zakresie dostawy energii elektrycznej głównym i podstawowym źródłem zasilania

całego obszaru gminy jest GPZ zlokalizowany w północnej części miasta przy ulicy

Sieradzkiej w bezpośrednim sąsiedztwie Rejonu Energetycznego Wieluń.

GPZ zasilany jest w układzie pierścieniowym czterema liniami 110 kV, w tym:

- linią Trębaczew -Wieluń;

- linią Złoczew -Wieluń;

- linią Wieruszów -Wieluń;

- linią Janinów -Wieluń.

Istniejący układ zasilania charakteryzuje się wysoką niezawodnością i pewnością

działania. Stan techniczny linii jest bardzo dobry.

Dostawa i dystrybucja energii do odbiorców odbywa się za pośrednictwem sieci

terenowej 15 kV wyposażonej w lokalne stacje transformatorowe 15/0,4 kV. Ze stacji tych

energia doprowadzana jest dalej liniami niskiego napięcia (400/230 V) kablowymi bądź

napowietrznymi. Sieć dystrybucyjna 15 kV zasilana jest z dwóch sekcji GPZ Wieluń z

możliwością wzajemnego rezerwowania.

System miejskiej sieci dystrybucyjnej 15 kV poddany został w latach 80-tych

zasadniczej modernizacji. Istniejąca sieć elektroenergetyczna pokrywa w 100% potrzeby tego

regionu, a wiele stacji transformatorowych ma znaczną rezerwę mocy.

Tablica 4. Charakterystyka GPZ-u zasilającego obszar gminy w energię elektryczną.

2.3 Przewidywane zapotrzebowanie na energię i ciepło w przyszłości

Biorąc po uwagę trzy scenariusze rozwoju gminy i miasta po uśrednieniu otrzymano

zapotrzebowanie w roku 2020:

- na ciepło – 168 MWt – Energetyka Cieplna do ok 70 MWt, reszta źródła

przemysłowe i indywidualne

- na energię elektryczną – 39 MWe

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

2.4 Dostępność biopaliw stałych i innych paliw alternatywnych

Dostępność paliw określano dla obszaru o promieniu 30-40 km od instalacji.

Biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które

ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów oraz pozostałości z produkcji rolnej

i leśnej, a także z przemysłu przetwarzającego ich produkty oraz z części pozostałych

odpadów, które ulegają biodegradacji. Określenie biopaliwo stałe, oznacza substancje stałe

pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego pochodzące z produktów, odpadów oraz

pozostałości z produkcji rolnej i leśnej, które ulegają biodegradacji i zużywane są na cele

energetyczne w procesach bezpośredniego spalania, zgazowania, karbonizacji lub pirolizy.

2.4.1 Odpady komunalne

Zgodnie z definicją zawartą w ustawie z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach, przez

odpady komunalne rozumie się „odpady powstające w gospodarstwach domowych, a także

odpady nie zawierające odpadów niebezpiecznych pochodzące od innych wytwórców

odpadów, które ze względu na swój charakter lub skład są podobne do odpadów

powstających w gospodarstwach domowych”.[12]

Głównymi źródłami wytwarzania odpadów komunalnych są:

- gospodarstwa domowe,

- obiekty użyteczności publicznej,

- obiekty infrastruktury związane z handlem, usługami, rzemiosłem, szkolnictwem,

administracją itp.

Zgodnie z Krajowym planem gospodarki odpadami 2010 wyodrębniono następujące

grupy odpadów komunalnych według źródeł ich powstawania:

• odpady komunalne segregowane i zbierane selektywnie,

• odpady zielone z ogrodów i parków,

• niesegregowane ( zmieszane) odpady komunalne

• odpady z targowisk,

• odpady wielkogabarytowe,

• odpady z czyszczenia ulic i placów – gleba, ziemia i kamienie.[12]

Różnice w składzie odpadów związane są z poziomem życia mieszkańców, sytuacją

materialną, sposobem zagospodarowania niektórych rodzajów odpadów np. odpadów

kuchennych ulegających biodegradacji, popiołów paleniskowych. Ponadto w obiektach poza

gospodarstwami domowymi różnice wynikają z charakteru prowadzonej działalności.[12]

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

Tablica 5. Ilość poszczególnych odpadów komunalnych powstałych na terenie powiatu wieluńskiego w roku

2004 możliwych do wykorzystania w instalacji. [13,6]

Strumień odpadów

t/rok

wartość opałowa

[MJ/kg]

opakowania z papieru i tektury

1859

papier i tektura (nieopakowaniowe)

1282

12-26

opakowania wielomateriałowe

633*

tworzywa sztuczne (nieopakowaniowe)

2329

opakowania z tworzyw sztucznych

750

drewno - wielkogabarytowe

783,8

11-22

drewno odpadowe pochodzące z remontów

220,9

11-22

*Dane dotyczące tylko gminy Wieluń, rok 2010.[12]

2.4.2 Komunalne osady ściekowe

Istniejąca na terenie Gminy Wieluń miejska oczyszczalnia ścieków wytwarza

komunalne osady ściekowe unieszkodliwiane w ilościach przedstawionych w tablicy 6.

Osady ściekowe unieszkodliwiane są poprzez składowanie na składowisku odpadów w

Rudzie k Wielunia.

Tablica 6. Ilość poszczególnych typów odpadów pochodzących z miejskiej oczyszczalni –[t]; [12]

rok

ustabilizowane

komunalne osady

ściekowe

zawartości

piaskowników

skratki

2008

680

50,76

35,52

2009

597

65,52

26,64

Wykorzystanie tych odpadów jest znacznie utrudnione ze względu na ich wysoką

wilgotność. W przypadku wysokiego odwodnienia osadu na terenie oczyszczalni do poziomu

poniżej 50% wilgoci byłoby możliwe termiczne ich przetworzenie w proponowanej instalacji.

2.4.3 Odpady przemysłowe

Pod pojęciem tym rozumie się odpady powstające w sektorze gospodarczym a więc

wszystkie te grupy i rodzaje odpadów, które powstają w wyniku prowadzenia działalności

gospodarczej przez osoby prawne, prowadzące tę działalność w oparciu o odpowiednie

ustawy. Strumień odpadów możliwych do wykorzystania, dostępnych na terenie powiatu

wieluńskiego podano w tablicy 7.

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Tablica 7. Ilość poszczególnych typów odpadów przemysłowych w roku 2002 na terenie powiatu wieluńskiego;

[6,13]

grupa

ilość

[t/a]

wartość

opałowa

[MJ/kg]

odpady z przetwórstwa drewna oraz z

produkcji płyt i mebli, masy

celulozowej, papieru i tektury

350

11-22

odpady opakowaniowe

227,9

7-12

2.4.4 Drewno

W latach (2001 – 2005) z lasów województwa łódzkiego pozyskiwano średniorocznie

935 000 m

drewna, natomiast powierzchnia lasów w województwie wynosi prawie 386 000

ha. Regionalna Dyrekcja Lasów Państwowych w Łodzi przesłała zestawienie dotyczące ilości

zasobów surowca drzewnego, możliwego do wykorzystania dla OŹE. Z niego wybrano

potencjalne zasoby tych paliwa w pobliżu instalacji i zawarto w tablicy 8.

Drewno małowymiarowe, tzw. drobnica użytkowa wyrabiana jest w niewielkich

ilościach: na potrzeby przemysłu płytowego (ok. 2500 m

), natomiast tzw. drobnica opałowa

kupowana jest przez ludność na cele opałowe (ok. 49000 m

Założono drewno o wartości opałowej wynoszącej 13,5 MJ/kg oraz średniej gęstości

drewna 650 kg/m

[14].

Tablica 8. Potencjalne zasoby drewna w pobliżu instalacji; [14]

ilość

/a]

[t/a]

drewno średniowymiarowe S4 + małowymiarowe M1 i M2

Nadleśnictwo Wieluń

5810

3776

Nadleśnictwo Złoczew

4500

2925

2.4.5 Odpady pozrębowe

Potencjał teoretyczny odpadów pozrębowych powstałych przy wyrębie lasów został

oszacowany przy założeniu, że ze 100 m

pozyskiwanego drewna otrzymuje się po przeróbce

do 60 % odpadów, w tym 10 m

kory, 15 m

drobnicy gałęziowej, 20 m

odpadów

kawałkowych (ścinki, obrzyny), 19 m

trocin i zrębków, 36 m

tarcicy oraz 20 – 25 szt.

produktów finalnych z grubizny. Przyjęto, że na cele energetyczne można zagospodarować

całość dostępnych odpadów pozrębowych, co jest możliwe przez zastosowanie prostych

urządzeń do ich rozdrobnienia i środków transportu.[14]

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

Założona wartość opałowa odpadów pozrębowych to 10 MJ/kg. Ilość dostępne w

regionie podano w tablicy 9.

Tablica 9. Potencjalne zasoby odpadów pozrębowych w pobliżu instalacji; [14]

ilość

/a]

odpady pozrębowe

powiat wieluński

111827

powiat wieruszowski

73952

2.4.6 Odpady z utrzymania gminnych terenów zielonych i pielęgnacji sadów

Rozmiar zasobów odpadów drzewnych pochodzących z utrzymania terenów zielonych

i pielęgnacji sadow (tablica 10) został oszacowany przy następujących założeniach:

−

ilość możliwej do pozyskania biomasy drzewnej z corocznych cięć w sadach

przyjęto na poziomie 2 t/ha,

−

ilość możliwej do pozyskania biomasy drzewnej z utrzymania gminnych terenów

zielonych (parki, zieleńce, zieleń uliczna, cmentarze) przyjęto na poziomie 6 t/ha,

Część odpadów z utrzymania sadow oraz gminnych terenów zielonych jest

zagospodarowywana, np. do produkcji kompostu, dlatego przy szacowaniu potencjału

założono, że na cele energetyczne można przeznaczyć 60% całkowitej ilości odpadów.

Wartość opałową przyjęto na poziomie 10 MJ/kg.[14]

Tablica 10. Zasoby odpadów z utrzymania gminnych terenów zielonych i pielęgnacji sadów w pobliżu instalacji;

[14]

ilość

[t/a]

odpady z utrzymania gminnych terenów zielonych i

pielęgnacji sadów

powiat wieluński

1098

2.4.7 Słoma

Zasoby wyznaczone zostały przy założeniu, że do celów energetycznych zostanie

zużyta słoma z całej powierzchni zasiewów zbóż w poszczególnych powiatach (pszenica,

żyto, jęczmień, owies, pszenżyto, mieszanki zbożowe, gryka, proso, rośliny strączkowe,

rzepak, rzepik, kukurydza na ziarno). Na produkcję słomy wpływa wiele czynników m.in.

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

powierzchnia upraw, plony, gatunek rośliny, nawożenie, warunki pogodowe. Poziom zbioru

słomy podlega również wahaniom, głownie za sprawą zmiennych warunków

atmosferycznych. Podaż słomy może podlegać wahaniom o ±30 % w stosunku do wartości

przeciętnej.

Przyjęto średni jednostkowy uzysk słomy 2 tony z 1 hektara.

Wartość opałowa na poziomie 14 MJ/kg [14]

Tablica 11. Zasoby słomy w pobliżu instalacji; [14]

ilość

[t/a]

słoma

powiat wieluński

65302

powiat wieruszowski

43301

2.4.8 Uprawy energetyczne

Zasoby upraw roślin energetycznych zostały obliczone przy założeniu, że całość

powierzchni nieużytków rolnych, gruntów zdegradowanych i pozaklasowych województwa

zostanie przeznaczona pod uprawę roślin energetycznych. Obliczenia zostały wykonane dla

wierzby energetycznej rodzaju Salix viminalis var. gigantea, jako najbardziej popularnej

rośliny energetycznej.[14]

Wydajność plonu suchej masy z 1 ha powierzchni oraz wartość energetyczna plonu

zależna jest od cyklu produkcyjnego plantacji, tzn. częstotliwości zbioru. Zazwyczaj plantacje

prowadzone są w cyklach corocznych, co dwa lub co trzy lata. W tablicy 12. przedstawiono

zależność ilości plonu oraz jego wartości opałowej od częstotliwości zbioru oraz jego

maksymalne dostępne ilości w okolicy instalacji.

Tablica 12. Zasoby paliwa z upraw energetycznych w pobliżu instalacji oraz jego parametry; [14]

częstotliwość

zbioru

plon suchej masy

[t/ha/a]

wartość

energetyczna plonu

[MJ/kg s.m.]

plon suchej masy [t/a]

powiat wieluński powiat wieruszowski

coroczny

14,8

18,56

120487

74311

co 2 lata

16,1

19,25

131070

80838

co 3 lata

21,5

19,56

175032

107952

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

2.4.9 Guma i odpady gumowe

Zużyte opony powstają w wyniku bieżącej eksploatacji pojazdów mechanicznych, a

także w wyniku demontażu wraków samochodowych. Ilość wytwarzanych odpadów szacuje

się na podstawie ilości kupowanych opon na wymianę lub na podstawie zarejestrowanych

pojazdów uwzględniając czas zużycia opon. W katalogu odpadów zużyte opony oznaczone są

kodem 16 01 03.

Według Wojewódzkiej Bazy Danych wytworzono następujące ilości zużytych opon:

  w 2004 roku - 2543,3 t;
  w 2005 roku - 3172,2 t;
  w 2006 roku - 3232,8 t.

Ilość zebranych zużytych opon zależy od pory roku. Największa ich ilość jest

pozyskiwana w okresie jesienno – zimowym i wiosennym. W ciągu ostatnich lat obserwuje

się wzrost ilości zużytych opon. Niewątpliwie sprzyja temu wzrastająca liczba

importowanych samochodów używanych.[16]

Wykorzystanie tego surowca w instalacji może być silnie ograniczone, że względu na

to, iż prawie cały strumień tego odpadu jest wykorzystywany procesie współspalania w

Kombinacie Cementowo – Wapienniczym „Warta” S.A. w Trębaczewie.

2.4.10 Założenie rzeczywistego strumienia paliw możliwych do wykorzystania

Przedstawione strumienie paliw są wartościami maksymalnymi i dotyczą lat

ubiegłych. Zakłada się wzrost produkcji odpadów na mieszkańca [12,13,16]. Założono, więc

procentowe udziały z maksymalnych strumieni paliw możliwe do wykorzystania oraz

teoretyczny strumień energii. Całość przedstawiono w tablicy 13. Wzięto pod uwagę

trudności transportowe z pewnymi typami paliw oraz ich powszechnym użyciem przez inne

gałęzie gospodarki.

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Tablica 13. Założenie rzeczywistych strumieni poszczególnych paliw.

maksymalny

strumień

[t/a]

założenie

procentowego

udziału

możliwego do

wykorzystania

[%]

dostępny

strumień

[t/a]

wartość

opałowa

[MJ/kg]

potencjał

energetyczny

[GJ/a]

opakowania z papieru i

tektury

1859

1487

25279

papier i tektura

(nieopakowaniowe)

1282

1026

15390

opakowania

wielomateriałowe

633

506

7590

tworzywa sztuczne

(nieopakowaniowe)

2329

1397

48895

opakowania z tworzyw

sztucznych

750

600

18000

drewno –

wielkogabarytowe

783,8

705

9165

drewno odpadowe

pochodzące z

remontów

220,9

132

1716

odpady z przetwórstwa

drewna oraz z

produkcji płyt i mebli,

masy celulozowej,

papieru i tektury

350

280

3640

odpady opakowaniowe

227,9

182

1820

drewno

średniowymiarowe S4

+ małowymiarowe M1

i M2

10310

5155

13,5

69592,5

odpady pozrębowe

185779

92890

928900

odpady z utrzymania

gminnych terenów

zielonych i pielęgnacji

sadów

1098

659

6590

słoma

108603

43440

608160

uprawy energetyczne

(zbiór co rok)

194798

97399

1363586

Razem

3108324

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

3. P

ROPOZYCJA MODERNIZACJI

Dla opracowania optymalnych, technicznie uzasadnionych i społecznie

akceptowanych propozycji rozwoju i modernizacji systemów zaopatrzenia w energię

niezbędne jest ustalenie głównych założeń wyjściowych. Perspektywicznie ogólne cele

działań modernizacyjnych to:

- pełne pokrycie potrzeb energetycznych,

- zapewnienie optymalnego bezpieczeństwa energetycznego,

- dbałość o ochronę środowiska naturalnego,

- udostępnienie źródeł taniej energii,

- promowanie wykorzystania odnawialnych źródeł energii,

- spełnienie wymagań dotyczących emisji SOx, NOx, pyłu

Rys. 2 Wstępny schemat blokowy proponowanego rozwiązania

W celu spełnienia powyższych wymagań proponuje się zastosowanie układu

zgazowanie biomasy (rys. 2.) – z możliwością częściowego zastąpienia biomasy odpadami –

zintegrowanego z układem gazowo-parowym do produkcji ciepła i energii elektrycznej.

Przewiduje się również wykorzystanie, jako źródła szczytowego zmodernizowanego kotła

WR-25 o mocy do 29,2 MWt.

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

4. T

ECHNOLOGIA ZGAZOWANIA BIOMASY

Zgazowaniem nazywamy konwersję paliwa stałego do postaci gazowej. Ponadto

produktami procesu jest żużel, substancje ciekłe i smoliste. Zgazowaniu podawać można

paliwa stałe, torf, drewno, odpady, pozostałości rafineryjne, mieszaninę odpadów

komunalnych i węgla oraz inne. [7]

Pomimo iż jest to w zasadzie wyłącznie proces, w którym realizowane są

endotermiczne reakcje chemiczne z udziałem pierwiastka węgla, dwutlenku węgla, tlenku

węgla wodoru, pary wodnej i metanu, terminem zgazowanie określa się cały cykl przemian

prowadzący do wytworzenia gazu syntezowego. Ogólnie ujmując proces zgazowania złożony

jest z szeregu egzo- i endotermicznych reakcji, przy obecności czynnika utleniającego,

w wyniku których powstaje gaz bogaty w tlenek węgla i wodór. [7]

Proces prowadzony jest w generatorach gazu (nazywanych również czadnicami lub

gazyfikatorami). Poprzedzony jest on suszeniem i odgazowaniem substancji stałej. Czynnikiem

utleniającym jest zazwyczaj powietrze, para wodna, tlen lub dwutlenek węgla.

Skład równowagowy gazu otrzymanego w procesie zgazowania zależy w głównej

mierze od następujących parametrów procesu:

- temperatury zgazowania,

- ciśnienia zgazowania,

- początkowego składu reagentów (frakcji zgazowanej i zgazowywacza),

- powierzchni strefy redukcji oraz czasu przebywania gazu w strefie redukcji.

Wzrost temperatury reakcji przesuwa skład równowagowy reakcji endotermicznych w

kierunku prawej strony tych reakcji, a więc w kierunku zwiększonego udziału składników

palnych (CO, H

, CH

). Z tego też powodu dąży się do prowadzenia procesu w jak

najwyższych temperaturach. Pozytywnym skutkiem wysokiej temperatury procesu jest

również niższa zawartość dioksyn w gazie. [7]

Wzrost ciśnienia zgazowania zwiększa wydajność reakcji powstawania metanu, przez

co zwiększa się wartość opałowa gazu i jego liczba metanowa. Technologie te są, więc bardzo

wskazane przy wykorzystywaniu gazu przy spalaniu w silnikach spalinowych i turbinach

gazowych.

Początkowy skład reagentów ma istotny wpływ na końcowy skład gazu. Bardzo

celowe jest wyeliminowanie ze zgazowania azotu w wyniku stosowania czystego tlenu (lub

wzbogaconego w tlen powietrza). Uzyskuje się wtedy gaz o znacznie wyższej wartości

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

opałowej. Zwiększenie udziału pary wodnej sprzyja zwiększeniu ilości wodoru oraz metanu

w gazie syntezowym.[7]

Wszystkie wymienione zabiegi pozwalają ostatecznie zwiększyć wartość opałową

gazu syntezowego oraz zwiększyć wydajność procesu. Należy jednak pamiętać, że zazwyczaj

jest to związane z podwyższeniem nakładów inwestycyjnych oraz ze zwiększeniem zużycia

energii na potrzeby własne (produkcja czystego tlenu, technika fluidalna, podwyższanie

ciśnienia procesu).[7]

Orientacyjny skład gazu powstałego ze zgazowanie biomasy podano w tablicy 14.

Wyprodukowany gaz jest zazwyczaj oczyszczany. Do oczyszczania stosuje się najczęściej

metody mokre (np. w skruberach) lub suche z wykorzystaniem np. filtrów ceramicznych.

Poważnym problemem może tu być degradacja chemiczna pozostałości po procesach

oczyszczania. Pozostałością po procesie zgazowania jest popiół zawierający głównie

składniki mineralne.

Oczyszczony gaz wykorzystywany jest między innymi do zasilania turbiny

gazowej.[7]

Tablica 14. Skład gazu ze zgazowania biomasy w powietrzu – [% obj.] [2].

16 - 19

9.5 – 12

5.8 – 7.5

14.4 – 17.5

48 - 52

Rozwój technologii związany jest z rozwojem gazyfikatorów, układów oczyszczania

uzyskanego gazu oraz technologii utylizacji pozostałości stałych z procesu. Obecnie proces

zgazowania może być prowadzony w gazyfikatorze ze złożem stałym, ze złożem fluidalnym bądź

w reaktorze strumieniowym. Istnieje kilka technologii zgazowania paliw stałych i biomasy.

Wydajność procesu zgazowania jest różna w zależności od zastosowanej technologii.

Spotykane są obecnie instalacje zarówno dużych mocy jak i układy małe, wytwarzające paliwo

gazowe do zasilania silników i turbin gazowych, ogniw paliwowych i innych urządzeń o

niewielkich mocach.[7]

Istotna z energetycznego i ekonomicznego punktu widzenia jest sprawność procesu

(szczególnie w przypadku zgazowania biomasy). Sprawność tę zazwyczaj określa się jako

stosunek energii chemicznej wytworzonego gazu syntezowego do energii chemicznej wsadowej

biomasy. Sprawność ta zawiera się w bardzo szerokim zakresie: od 20% dla najprostszych

instalacji do około 90% dla najbardziej zaawansowanych technologii. Dla mniejszych sprawności

zgazowania zwiększa się zużycie paliwa stałego czy biomasy, a co za tym idzie rosną koszty

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

eksploatacyjne całego układu. Może to wpłynąć niekorzystnie na efektywność ekonomiczną

inwestycji jak również na koszty zewnętrzne stosowania danej technologii.[7]

5. C

HARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ

5.1 Instalacja zgazowania

W miejscowości Lahti w Finlandii, koncern FOSTER WHEELER wybudował i

uruchomił w 1998 r. reaktor zgazowania biomasy w mieszaninie z wyselekcjonowanymi

odpadami komunalnymi oraz przemysłowymi.[4]

Rys. 3. Schemat instalacji zgazowanie biomasy i odpadów w Lahti; [3]

Moc cieplna osiągana przez jednostkę, której schemat pokazano na rys. 3., wynosi 70

obok kotła wodno-parowego o wydajności 360 MW

, opalanego pyłem węglowym.

Wybudowany reaktor zgazowania biomasy z odpadami pracuje z atmosferycznym

cyrkulującym złożem fluidalnym (ACFB).

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

Rys. 4. Udział poszczególnych składników dostarczanych jako paliwo do instalacji, [2]

Zgazowanie rozdrobnionego paliwa, którego skład przedstawiono na rys.4, przebiega

pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 850-900 °C. Powietrze procesowe zostaje

podgrzane gazową mieszaniną poreakcyjną do ok. 300 °C. Wytworzony gaz opałowy, o

temperaturze 750-650 °C przepływa do kotła wodno-parowego. Tu jest wspólnie spalany z

rozpylanym pyłem węglowym.

W instalacji bez większych utrudnień wykorzystano różnego rodzaju paliwa, m. in.:

drewno, słomę, trociny, korę, zrębki drewniane, wilgotne i świeże odpady drewniane, płyty

wiórowe, drewno rozbiórkowe, podkłady kolejowe, REF (Recovered Fuel). Problemy

pojawiły się przy zgazowywaniu rozdrobnionych opon ze względu na zawarte w nich

metalowe druty. Udało się pokonać te utrudnienia. [1,2,3].

W tablicy 15. przedstawiono wyniki osiągane przez jednostkę podczas eksploatacji na

przełomie 4 lat od uruchomienia. Można zauważyć, że czas wykorzystania mocy w ciągu

roku wzrastał i był stosunkowo wysoki w roku 2001. Sprawność przetwarzania biomasy na

ciepło kształtowała się na poziomie 90-92%. Jednostka pracuje stabilnie, a jakość gazu,

którego skład podano w tablicy 16, zależy od typu, mieszanki dostarczanego paliwa i jego

wilgotności, którego wartość może sięgać 58% [1,3].

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

drewno

sklejka

REF

plastik

papier

torf

inne

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Tablica 15. Wyniki osiągane przez jednostkę na przełomie kolejnych 4 lat eksploatacji [3]

rok

1998

1999

2000

2001

czas pracy

[h/a]

4730

5460

4727

7089

produkcja energii

[GWh]

223

343

295

449

zużycie paliwa

[t/a]

79 900

106 200

91 800

116 100

Tablica 16. Skład produkowanego gazu o wartości opałowej 2,4 MJ/m

– % objętościowe (gaz wilgotny); [1]

12,9

4,6

5,9

3,4

40,2

33,0

Koncern FOSTER WHEELER wybudował również podobną instalację zgazowania

biomasy opartą o gazogenerator CFB pracujący przy ciśnieniu 2 MPa (rys 5.). Stanowi on

źródło gazu dla instalacji IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) o mocy 6 MW

Värnamo w Szwecji. Podstawowe dane techniczne instalacji podano w tablicy 17.

Tablica 17. Podstawowe dane techniczne instalacji w Värnamo; [5,6]

moc

6 MW

/ 9 MW

sprawność ogólna

83%

sprawność elektryczna

32%

ciśnienie zgazowania

2MPa

temperatura zgazowania

950 - 1000°C

wartość opałowa gazu

5 - 6,3 MJ/m

paliwo

biomasa, RDF

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

Rys. 5. Schemat technologiczny instalacji w Värnamo. [5]

Otrzymany gaz (skład tablica 18.) był oczyszczany w specjalnym filtrze świecowym,

po czym wprowadzano go do komory spalania turbiny gazowej. Układ uruchomiono w 1999

r. i wykazał się on dużą niezawodnością, a czas wykorzystania układu zgazowania sięgał

8500 h. Podczas testów różnych paliw otrzymano również bardzo dobre, pozytywne wyniki.

Zgazowywano słomę, zrębki, gałęziówkę, trociny, korę, wierzbę, RDF (Refuse Derived Fuel)

– papier, plastik, makulatura[5,6].

Tablica 18. Skład generowanego gazu w instalacji Värnamo – % objętościowe (gaz suchy); [5]

14,4-17,5

16-19

9,5-12

5,8-7,5

48-52

Na podstawie doświadczeń zdobytych podczas budowy i eksploatacji opisanych

instalacji możliwe jest zaprojektowanie gazyfikatora wykorzystującego wspomniane paliwa o

wydajności na poziomie 75MWt energii chemicznej gazu syntezowego (wartość ta została

uzasadniona w rozdziale bilans energetyczny). Dane wyjściowe proponowanej instalacji

zgazowanie zawarto w tablicy 19.

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Tablica 19. Podstawowe dane techniczne gazyfikatora do proponowanej instalacji.

typ gazyfikatora

CFB

ciśnienie zgazowania

2 MPa

temperatura zgazowania

950-1000 °C

czynnik zgazowujący

powietrze

wydajność – wyrażona w

energii chemicznej gazu

75 MW

wartość opałowa produktu

5 - 6,3 MJ/m

paliwo

paliwa testowane w opisanych

instalacjach – o zmiennej

kaloryczności i wilgotności

Instalacja oczyszczania gazu zostanie dostarczona przez producenta gazyfikatora i

będzie stanowić jego integralną część.

5.2 Turbina gazowa

Do instalacji przewidziano turbinę przemysłową firmy Siemens, nadającą się do pracy

w układzie kombinowanym. Dane turbiny zawarto w tablicy 20.

Tablica 20. Podstawowe dane techniczne turbiny Siemens SGT-600.

producent

Siemens

model

SGT-600

moc

24,77 MW

sprawność el.

34,2%

stopień sprężania

14:1

strumień spalin

80,4 kg/s

temperatura spalin

543°C

wymagane ciśnienie paliwa

2,45 MPa ± 0,05

Turbiny gazowe posiadają niewątpliwą zaletę w postaci możliwości stosowania

różnych paliw, zarówno gazowych jak i ciekłych. Spalanie paliwa w turbinach gazowych

odbywa się przy stałym ciśnieniu w sposób ciągły i silnie zależny od składu paliwa.[7]

Poszczególne elementy turbiny poddawane są odrębnemu procesowi konstrukcyjnymi.

Pozwala to adoptować ten silnik cieplny do spalania innych paliw. Taka adaptacja wiąże się

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

zazwyczaj z modernizacją systemu spalania. Parametrami paliwa istotnymi przy ten zmianie

są wartość opałowa i liczba Wobbego. Dany system spalania zwykle toleruje zmiany wartości

opałowej na poziomie do 10% (choć spotykane są maszyny o szerszym zakresie), a liczbę

Wobbego w granicach ± 5-10%.[7]

Wraz ze zmniejszaniem wartości opałowej paliwa wymagane jest coraz więcej prac

badawczych i konstrukcyjnych oraz stosowanie paliwa rozruchowego a czasem i

podtrzymującego. W klasycznej turbinie gazowej zasilanej gazem ziemnym strumień paliwa

stanowi około 1,5 do 2% strumienia masy powietrza dostarczanego do spalania. W przypadku

paliw niskokalorycznych masowy strumień paliwa się znacznie zwiększa i dla przypadku

gazu o wartości opałowej 5,6

MJ/m

jest on 8-10 razy większy niż w przypadku spalania gazu

ziemnego. Modernizacja komory spalania jest więc podstawowym zabiegiem przystosowującym

turbinę gazową do spalania paliw niskokalorycznych.[7]

Jakość paliwa dostarczanego do turbiny jest bardzo istotna, również ze względu na problemy z

korozją i tworzeniem się osadów. Dopełnienie odpowiedniej czystości gazu zależy od sprawności

działania układu oczyszczania. Doświadczenia zdobyte we wspomnianej instalacji w

Värnamo

pozwalają stwierdzić, iż stosowana technologia spełnia wszystkie wymagania, a

przystosowana turbina osiągała satysfakcjonujące wyniki spalając produkowany gaz.[5,7]

W przypadku deficytu paliw do instalacji możliwe jest wykorzystanie gazu ziemnego

do zasilenia turbiny gazowej dostarczanego do miasta od 2011 roku. Konieczne jest w tym

celu pozostawienie standardowej komory spalania i zamontowanie drugiej przystosowanej do

spalania niskokalorycznego gazu.

5.3 Kocioł wodny WR-25

Zgodnie z danymi Rafako, dany kocioł po modernizacji osiąga:

moc minimalną: Q

WR-25_min

= 8 MW

moc maksymalną: Q

WR-25_max

= 29,2 MW

sprawność: η

WR-25

= 0,82,

maksymalna temperatura na wyjściu: t

WR-25_max

= 150 °C

5.4 Kocioł odzyskowy

Gazy wylotowe turbiny gazowej o temperaturze około 540°C trafią do

jednociśnieniowego kotła odzyskowego. Podstawowe dane techniczne kotła przedstawiono w

tablicy 21. Parametry ustalono na podstawie [8]. Kocioł odzyskowy odbierający ciepło od

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

produkowanego gazu również zostanie wykonany razem gazyfikatorem, jako jego integralna

część.

Tablica 21. Podstawowe dane techniczne kotła odzyskowego.

producent

Foster Wheeler

moc (maksymalna)

50 MW

parametry pary świeżej

p = 5,5 MPa, t = 510 °C, m = 15,3 kg/s

maksymalny przepływ spalin

95 kg/s

minimalna temperatura spalin na wylocie

80 °C

wymiennika spaliny-woda sieciowa

130/70 °C, max 11 MW

parowacz dearacyjny

0,14 MPa

5.5 Turbozespół

W układach gazowo-parowych moc turbozespołu uzależniona jest od mocy turbiny

gazowej. Ilość pary rozprężanej w turbinie będzie zmienna ze względu na zmienny pobór

pary z upustów ciepłowniczych. Parametry turbozespołu podano w tablicy 22.

Tablica 22. Podstawowe dane techniczne turbozespołu.

moc turbiny (mechaniczna)

15 MW

parametry pary świeżej

p = 5,5 MPa, t = 510 °C, m = 15,3 kg/s

ciśnienie pary na wylocie

0,003/ 0,009 MPa

sprawność turbiny

90 %

ciśnienia upustów

0,297 MPa, 0,114 MPa

moc generatora synchronicznego

15 MW

sprawność elektromechaniczna

97,5 %

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

6. B

ILANS ENERGETYCZNY

Obliczenia rozpoczęto od podstawowych założeń:



skład gazu:

Rys. 6. Udziały objętościowe w gazie

Na podstawie przyjętych udziałów objętościowych wyznaczono wartość opałową gazu

wg wzoru [17]:

[

]

Po przeliczeniu udziałów objętościowych na masowe wyznaczono gęstość gazu w

warunkach normalnych i wartość opałową gazu w odniesieniu do jego kilograma -

[

]



sprawność instalacji zgazowania

Na podstawie danych z instalacji Värnamo ustalono średnią sprawność konwersji

biomasy. Zakładając sprawność elektryczną turbiny gazowej η

elTG

= 0,34 oraz znając jej moc

znamionową wynoszącą P

= 4,2 MW

ustalono strumień energii zawartej w gazie, a

następnie odniesiono go do strumienia paliwa Q

= 18 MW. Otrzymano:

Do dalszych rozważań przyjęto



czas pracy BIGGC (Biomass Integrated Gas Combined Cycle)

Przyjęto czas pracy równy 7200 h/a.

14%

15%

10%

45%

10%

CO2

CH4

H2O

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy



moc cieplna – zmienność w ciągu roku

Zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami moc cieplna pobierana przy najniższej

temperaturze otoczenia wyniesie w najbliższej przyszłości 70 MW

, z czego stała moc

przekazywana wodzie użytkowej w ciągu roku wynosi 15,5 MW

Wykres uporządkowany zapotrzebowanie na ciepło w ciągu roku przedstawiono na

rys. 7. Wynika z niego, że sezon grzewczy trwa 5448 h, a jego rozpoczęciu odpowiada

temperatura zewnętrzna t

= 12 °C. Ciepło dostarczane powinno być odbiorcom przez 8424

h/a – 2 tygodnie przerwy remontowo-konserwacyjnej.[8,10,11]

Rys. 7. Roczny uporządkowany wykres sumarycznego zapotrzebowania na ciepło.

Dla tych założeń wykonano obliczenia bilansowe przy pomocy programu IPSEpro.

Schematy dla 3 przypadków przedstawiono na rys.8, rys.9 oraz rys. 10.

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000

a e

ło

i [

Czas [h]

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Obliczone sprawność odnoszą się do całkowitego strumienia energii dostarczonego w

biomasie i węglu kamiennym. Moc i sprawność turbiny gazowej uzależniona jest od

temperatura otoczenia wg charakterystyk podanych przez producenta. Ciśnienie w skraplaczu

również zależna jest od temperatury otoczenia. Moc kotła wodnego wynika z ograniczeń

bloku gazowo-parowego. Maksymalny pobór pary z upustów grzejnych musi gwarantować

minimalny przepływ pary przez część niskoprężną turbiny parowej, który wynosi 7 do 9 %

strumienia pary świeżej[8]. Ciśnienia upustów zostały tak dobrane, aby odpowiadające im

temperatury nasycenia było o ok. 3K większe od temperatury ogrzewanej wody sieciowej, a

przyrosty temperatur w wymiennikach były równomierne.[8] Z założenia wykorzystanie kotła

wodnego ma być jak najmniejsze. Założono również jeden odbiór ciepła o zmiennej mocy,

ale stałej temperaturze 130/70 °C.[11]

Na kolejnych rys. przedstawiono otrzymane charakterystyki, m. in. moc elektryczną i

cieplną generowaną w ciągu roku, sprawności itp.

Rys. 11. Roczny uporządkowany wykres moc elektrycznej;

P_TP – moc pochodząca od turbiny parowej, P-TG – moc turbiny gazowej, P_el – sumaryczna moc elektryczna

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500

elek

try

[

Czas [h]

P_TG

P_TP

P_el

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

Rys. 12. Roczny uporządkowany wykres mocy cieplnej;

WR-25 – moc generowana przez kocioł wodny WR-25, Q gaz-par – moc cieplna z układu gazowo-parowego,

Q – sumaryczna moc cieplna elektrociepłowni

Rys. 13. Sprawność całkowita elektrociepłowni w funkcji czasu.

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500

cieplna

ana

ciec

i [M

]

Czas [h]

Q_Wr25

Q gaz par

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000

ść

[%]

Czas [h]

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Rys. 14. Sprawność elektryczna elektrociepłowni w funkcji czasu.

Rys. 15. Roczny uporządkowany strumień energii chemicznej paliwa.

Q_biomasa – strumień energii dostarczanej do gazyfikatora, Q_węgiel – strumień energii dostarczanej do kotła

wodnego WR-25, Q_EC – sumaryczny strumień energii dostarczanej do elektrociepłowni w paliwie

33,5

34,5

35,5

36,5

37,5

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000

ść

[%]

Czas [h]

100

120

140

160

0 500 1000150020002500300035004000450050005500600065007000750080008500

Str

ień

ener

gii c

hem

icznej

liw

]

Czas [h]

Q_biomasa

Q_węgiel

Q_EC

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

Tablica 23. Średnioroczne wskaźniki energetyczne oraz produkcja roczna.

produkcja energii elektrycznej

265,94 GWh

produkcja ciepła

1193 TJ

energia chemiczna biomasy rocznie

2707 TJ

energia chemiczna węgla rocznie

308,5 TJ

średnioroczna sprawność produkcji energii elektrycznej

(produkcja en. el. odniesiona do energii chemicznej biomasy)

35,37 %

sprawność produkcji ciepła

średnioroczna

39,57 %

w okresie grzewczym

44,42 %

średnioroczna sprawność ogólna

74,94 %

PES

(dla η

= 0,8, η

= 0,46)

20,86 %

EUF (Energy Utilization Factor)

71,3 %

współczynnik skojarzenia

222,9 kWh/GJ

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

7. P

ALIWA

Ilość spalanego paliwa bezpośrednio wiąże się z jego jakością. Jak już wcześniej

wspomniano, proponowana instalacja jest w stanie przetworzyć wiele typów paliw, co

powoduje, że trafne stwierdzenie ile w rzeczywistości zostanie go zużyte jest trudne.

W przypadku kotła wodnego nie ma większych problemów.

7.1 Paliwo dla kotła WR-25

Ilość energii dostarczonej do kotła WR-25 w węglu kamiennym odnosi się do jego

wartości opałowej i uzyskuje w ten sposób roczne zużycie. Charakterystykę paliwa dla kotła

wodnego przedstawiono w tablicy 13.

Tablica 24. Podstawowe cechy paliwa dla kotła WR-25 oraz roczne zużycie. [15,18]

paliwo

miał węgla energetycznego

zawartość siarki

< 0,6 %

zawartość popiołu

19,1 %

wartość opałowa

22 MJ/kg

cena

320 zł/t

roczne zużycie w EC

14020 t

7.2 Paliwa dla instalacji zgazowania

Możliwe udziały poszczególnych typów paliw mogą się zmieniać w pewnym zakresie.

Podano przykładowe udziały poszczególnych paliw oraz szacowane koszty ich pozyskania

(tablica 25). Koszt 0 zł oznacza, iż cena zakupu tego paliwa jest ujemna, natomiast jej wartość

jest trudna do określenia, a w niektórych przypadkach należy dodatkowo doliczyć koszty

transportu.

Tablica 25. Strumienie poszczególnych paliw oraz oszacowane koszty ich zakupu. Paliwa podkreślone

traktowane są przez rozporządzenie jako odpady [19]

strumień

[t/a]

wartość

opałowa

[MJ/kg]

strumień

energii

[GJ/a]

cena

[zł/t]

koszt roczny

[zł]

opakowania z papieru i

tektury

1394

23702

papier i tektura

(nieopakowaniowe)

962

14423

300

285 600

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

opakowania

wielomateriałowe

475

7121

tworzywa sztuczne

(nieopakowaniowe)

1234

43203

300

370 200

opakowania z tworzyw

sztucznych

563

16875

drewno –

wielkogabarytowe

627

8152

31 350

drewno odpadowe

pochodzące z remontów

121

1579

100

12 100

odpady z przetwórstwa

drewna oraz z produkcji

płyt i mebli, masy

celulozowej, papieru i

tektury

263

3413

13 150

odpady opakowaniowe

171

1709

drewno

średniowymiarowe S4 +

małowymiarowe M1 i

4640

13,5

62633

200

928 000

odpady pozrębowe

83601

836006

4 180 050

odpady z utrzymania

gminnych terenów

zielonych i pielęgnacji

sadów

483

4831

słoma

32581

456133

150

4 887 150

uprawy energetyczne

(zbiór co rok)

87659

1227227

250

21 914 750

Razem

214 774

2707 TJ/a

32 622 350

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

8. S

TANDARDY EMISYJNE

8.1 Dla kotła WR-25

Kocioł WR-25 został zmodernizowany w 2004 roku, przez co podlega pod standardy

emisyjne podane w załączniku nr 3 do rozporządzenia ministra środowiska [20]. Wartości

tych standardów przy spalaniu węgla kamiennego podano w tablicy 26.

Tablica 26. Standardy emisyjne dla kotła WR-25 przy spalaniu węgla kamiennego; [mg/m

] przy zawartości 6%

tlenu w gazach odlotowych [20]

1300

400

pył

100

Zgodnie z informacjami o wpływie wytwarzania ciepła na środowisko w zakresie emisji

dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu, pyłów i radioaktywnych odpadów dla

poszczególnych paliw zużywanych do wytwarzania energii cieplnej sprzedanej przez Energetykę

Cieplną Spółka z o. o. w Wieluniu w 2010 roku standardy te są spełniane [21].

Dla danego typu paliwa i jego rocznego zużycia wyznaczono roczną emisję zanieczyszczeń

oraz związane z tym koszty, całość zawarto w tablicy 27.

Tablica 27. Roczne emisje zanieczyszczeń i ponoszone koszty roczne dla kotła WR-25. [23]

typ zanieczyszczenia

roczna emisja

[t/a]

koszt roczny

[zł/a]

168

72 340

83,3

35 820

31 240

7 186

popiół – ilość skierowana na

składowisko

2625

41 650

pył - wyemitowany

53,6

15 540

Razem

172 536

8.2 Dla instalacji zgazowania

Instalacji zgazowania podlega pod standardy zawarte w załączniku 3 oraz załączniku 5

dotyczącym instalacji spalania odpadów. W celu określenia standardów emisyjnych należy dokazać

przeliczeń wg instrukcji zawartych w załączniku do rozporządzeniu dla współspalania biomasy i

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

odpadów. [21]

Wartości C

proc

dla biomasy wyrażone w mg/m

, przy zawartości 6% tlenu w gazach odlotowych dla

danej instalacji: SO

- 200, NO

– 350, pył – 50

Wartości C

odp

dla spalania odpadów wyrażone w mg/m

, przy zawartości 11% tlenu w gazach

odlotowych – dane dla instalacji o przerobie odpadów mniejszym niż 6 t/h:

SO2 – 50, NO

– 400, pył – 10.

Po przeliczeniu na 6% zawartości tlenu w spalinach: SO

– 75, NO

– 600, pył - 15

Zakładając, że objętość gazów odlotowych jest proporcjonalna do strumienia energii chemicznej

dostarczonej do

odp

= 120,2 TJ

bio

= 2587 TJ

odp+bio

= 2707 TJ

Tablica 28. Standardy emisyjne instalacji zgazowania biomasy i odpadów; [mg/m

] przy zawartości 6% tlenu w gazach

odlotowych [20]

195

361

pył

48,5

Spełnienie tych wymagań nie powinno sprawiać większych trudności, gdyż same wymagania

co do jakości paliw spalanych w turbinie powodują, że emitowane z niej gazy mają bardzo niskie

poziomy emisji zanieczyszczeń. Zapewnienie wysokiej czystości paliwa zależy od

wysokosprawnego i niezawodnego działania instalacji oczyszczania gazu, co podnosi koszty

eksploatacji instalacji. Istotną zaletą takiego oczyszczania jest znacznie mniejszy strumień

oczyszczanego gazu, gdyż jest filtrowanie przed spaleniem. Może jest jednak okazać, iż poziom

emisji NO

w gazach wylotowych będzie zbyt wysoki, co spowoduje konieczność montaż instalacji

oczyszczania spalin w procesie SCR [22].

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Zakładając, że instalacja wyemituje ilość odpadów proporcjonalną do wartości uzyskiwanych

przez zawodowe układy zgazowujące węgiel (tablica 29) uzyskano wartości rocznych emisji i koszty

roczne (tablica 30). Otrzymane wyniki są szacowane i obarczone znacznym błędem.

Tablica 29. Ilość zanieczyszczeń emitowana przez bloki IGCC w ciągu roku, [t/a]; [24]

General Electric

640 MW

Conoco Philips

623 MW

Shell

636 MW

230

215

208

994

1021

982

3 572 300

3 426 500

3 351 200

pył

129

122

120

Tablica 30. Roczne emisje zanieczyszczeń i ponoszone koszty roczne dla instalacji zgazowania. [23]

typ zanieczyszczenia

roczna emisja

[t/a]

koszt roczny

[zł/a]

13,8

5 930

27 090

218 000

50 140

pył

7,82

2270

Razem

85 430

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

9. A

NALIZA EKONOMICZNA

Analizę ekonomiczną przeprowadzono na podstawie metody wartości zaktualizowanej

(bieżącej) netto NPV. Polega ona na porównaniu nakładów finansowych przewidywanych na

realizację inwestycji z sumą oczekiwanych nadwyżek finansowych, po uprzednim

sprowadzeniu ich wartości do aktualnego poziomu [25].NPV oblicza się wg wzoru:

∑(

) ( )

gdzie:

– przychód ze sprzedaży,

– koszty w roku t z uwzględnieniem podatku, bez amortyzacji,

– nakłady inwestycyjne w roku t,

N – liczba lat okresu eksploatacji

p – oprocentowanie kredytu.

Przychody:

Sprzedaż energii elektrycznej:

Założono, że 10% wyprodukowanej energii elektrycznej zużyją urządzenia potrzeb własnych.

Sprzedaż energii elektrycznej wyprodukowanej z przetworzonej biomasy – zielone

certyfikaty:

Sprzedaż ciepła:

Wg Taryfy ciepła dla miasta Wieluń z 2010 roku. Założono, że zyski można liczyć dla 70%

wyprodukowanego ciepła, dla uwzględnienia strat przesyłowych oraz niespodziewanego,

chwilowego braku popytu – nietypowe warunki pogodowe itp.

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

Sprzedaż energii elektrycznej wyprodukowanej w kogeneracji – świadectwa

pochodzenia z kogeneracji:

Instalacja nie uzyskuje średniorocznej sprawności ogólnej granicznej η

= 80%, stąd ilość

energii elektrycznej wyprodukowanej w skojarzeniu określa się wg zależności:

Kryterium zaliczenia jednostki do wysokosprawnej kogeneracji polega na określeniu

oszczędności energii pierwotnej (PES) uzyskiwanej dzięki skojarzonej produkcji energii

elektrycznej i ciepła, w porównaniu z układem rozdzielonym. Instalacja cechuje się

PES = 20,86% i spełnia minimum wynoszące 10%. [26]

Koszty roczne:

Koszty paliwa (biomasa + odpady + węgiel kamienny):

32,6 mln zł + 4,5 mln zł = 37,1 mln zł/a

Koszty utrzymania i serwisu:

0,025 USD/kWh – 21,94 mln zł/a

Koszty emisji substancji szkodliwych:

172 536 + 85 430 = 0,258 mln zł/a

Nakłady inwestycyjne:

Nakłady inwestycyjne przyjęto na poziomie 1900 USD/kW – 250,8 mln zł wg [10]

Ponadto przyjęto:

czas eksploatacji N = 20 lat

oprocentowanie kredytu p = 10%

Otrzymany wskaźnik NPV1 wyniósł 521,8 mln zł. Oznacza to, że inwestycja jest bardzo

opłacalna. Zależność przedstawiono na rys. 15. Przyjęto to za wariant 1.

Wariant 2. Należy jednak barć pod uwagę, iż technologia ta jest skomplikowana, mogą

zdarzać się awarie, głównie turbiny i układu oczyszczania gazu. Zwiększając koszty

utrzymania i serwisu dwukrotnie, otrzymano NPV2 = 335 mln zł (rys 16.)

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

10. O

CENA MOŻLIWOŚCI REALIZACJI

Podsumowując rozważania na temat możliwości zastosowania układu zgazowania

biomasy i odpadów w celu produkcji energii elektrycznej i ciepła na potrzeby gminy i miasta

Wieluń można stwierdzić, iż propozycja ta prawdopodobnie może okazać się uzasadniona

ekonomicznie.

Należy wziąć pod uwagę wiele czynników, m. in.:

 w regionie istnieją duże zasoby biopaliw możliwe do wykorzystania w

instalacji,

 cena biopaliw nie jest wysoka, jednak z pewnością będzie w wzrastać,
 w analizie nie wzięto pod uwagę zróżnicowanych i znacznych kosztów

transportu biomasy,

 koszt pozyskania odpadów może być ujemny, czego nie wzięto pod uwagę w

analizie,

 systemy wsparcia energetyki opartej na biomasie oraz kogeneracji będą działać

przez ograniczony czas,

 instalacja daje możliwość zagospodarowania sporej części odpadów

generowanych w regionie,

 silnie zróżnicowany skład paliwa dostarczanego do zgazowania będzie

powodował zmienne parametry pracy układu gazowo-parowego, a co za tym

idzie wpłynie na ilość wyprodukowanej energii,

Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz

11. L

ITERATURA

[1] Engström Folke, Foster Wheeler Development Corporation; Overview of Power

Generation from Biomass; 1999 Gasification Technology Conference, San Francisco,

październik 1999

[2] Anttikoski T., Eriksson T., Palonen J., Foster Wheeler Energia Oy; The Foster Wheeler

gasification technology for biofuels: refuse-derived fuel (RDF) power generation;

[3] Granatstein D.L., Natural Resources Canada/CANMET Energy Technology Centre

(CETC); Case study on Lahden Lampovoima Gasification Project Kymijarvi Power Station,

Lahti; 2002

[4] Kotowski Włodzimierz; Parowy kocioł pyłowy elektrociepłowni sprzężony ze

zgazowaniem mieszaniny biomasy i odpadów. Biomasa zdobywa energetykę zawodową;

Energia Gigawat, nr 7-8, 2004

[5] Ståhl K., Waldheim L., Morris M.; Biomass IGCC at Värnamo, Sweden – Past and

Future; Stanford University, CA, 2004

[6] Kotlicki T., Wawszczak A.; Energetyczne wykorzystanie biomasy i odpadów; Łódź 2009

[7] Kalina J., Skorek J.; Paliwa gazowe dla układów kogeneracyjnych; Seminarium cykliczne

„Elektroenergetyka w procesie przemian” - Generacja rozproszona, Politechnika Śląska, s.

11-16,21-26

[8] Bartnik Ryszard, Elektrownie i elektrociepłownie gazowo-parowe; WNT Warszawa, 2009

[9] Zespół pod kierunkiem inż. Mariana Jeziorskiego; Projekt założeń do planu

zapotrzebowania w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe gminy Wieluń 2004-2020 r.;

Biuro Ekspertyz Energetycznych, Łódź 2004

[10] Kalina J., Skorek J.; Gazowe układy kogeneracyjne; WNT Warszawa 2005

[11] Badyda Krzysztof; Relacja pomiędzy mocą ciepłowniczą a elektryczną w układzie

kogeneracyjnym z turbinami gazowymi; Rynek Energii, nr 8 2011

[12] Plan gospodarki odpadami dla gminy Wieluń na lata 2010-2013; Załącznik do uchwały

Nr XLIV/476/10 Rady Miejskiej w Wieluniu z dnia 11 marca 2010 r. w sprawie przyjęcia

Planu Gospodarki Odpadami dla Gminy Wieluń na lata 2010 -2013

[13] PU-H Termo-efekt Marek Gadaj; Plan gospodarki odpadami dla powiatu wieluńskiego;

Wieluń, 2004

[14] Urząd Marszałkowski w Łodzi; Ocena konkurencyjności wykorzystania energii

odnawialnej w województwie łódzkim; Łódź 2008

Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy

[15] Blaschke W., Gawlik L., Lorenz U.; Węgiel kamienny energetyczny – ekonomia i

ekologia; Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków

[16] Zarząd Województwa Łódzkiego; Plan gospodarki odpadami województwa łódzkiego

2011; Łódź 2007

[17] Janecki H.P., Janecka M.; http://janecki.pr.radom.pl/115/opal.htm

[18] http://www.kwsa.pl/324,,sortymenty_mialowe-odbior_wagonowy.html

[19] Kozłowski Wiktor; Biomasa źródło energii odnawialnej; Konferencja Biomasa w

energetyce odnawialnej, Białystok 2006

[20] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów

emisyjnych z instalacji; Dziennik Ustaw Nr 95, Poz. 558

[21] www.ec.wielun.pl

[22] Haselbacher P., Lettner F., Timmerer H; Deliverable 8: Biomass gasification – State of

the art. description; Graz, 2007

[23] Kotlicki Tomasz, Materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu „Ochrona

środowiska”, Łódź 2011

[24] Rakowski Janusz; Obecne możliwości technologiczne ograniczania emisji CO

elektrowni węglowych; Energetyka, nr 6, 2008

[25] Pawlik M., Strzelczyk F.; Elektrownie; WNT, Warszawa 2010

[26] Zaporowski Bolesław; Analiza efektywności ekonomicznej elektrociepłowni opalanych

gazem ziemnym po wprowadzeniu świadectw pochodzenia z wysokosprawnej kogeneracji;

Rynek Energii, nr 6, 2007, s. 17-21