Biopaliwa Dr Kruczek, Dr Głąbik

Stanisław KRUCZEK
Ryszard Głąbik
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Politechnika Wrocławska
BIOPALIWA
BIOMASA JAKO PALIWO
bale
pelety
wierzba
Pył+trociny
zrębki
słoma
Ustalenia i dokumenty:
Biała Księga „Energia dla przyszłości – odnawialne
źródła energii”, rok publikacji 1977 dokument o
charakterze politycznym i ekonomicznym, określający
kierunek rozwoju energetyki odnawialnej dla krajów
członkowskich.
Cel:
zwiększenie udziału odnawialnych nośników energii
pierwotnej do 12% w latach 2000-2010,
”Strategia rozwoju energetyki odnawialnej” z dnia 23
sierpnia 2001, dokument przyjęty przez Sejm.
Cel:
zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych
w bilansie paliwowo energetycznym kraju od 2,4%
w 2001roku do 7,5% w 2010 roku i do 14% w 2020
roku
Technologie wykorzystania biopaliw jako
paliwa energetyczne
•Spalanie lub współspalanie w kotłach fluidalnych
•Spalanie lub współspalanie w kotłach rusztowych
•Zgazowanie w reaktorach dobudowanych do
istniejących kotłów,a następnie współspalanie w
istniejących kotłach pyłowych
•Spalanie lub częściowe zgazowanie trocin i pyłów
w wirowych ceramicznych komorach
PIROLITYCZNA ZGAZOWARKA BIOMAS
Proces w którym drewno poddane jest
działaniu energii cieplnej przy ograniczonym dostępie
powietrza- tlenu jest suchą destylacją lub pirolizą.
Technika zgazowania biomasy w procesie
pirolizy umożliwia uzyskanie maksymalnie wysokich
sprawności energetycznych przy spełnianiu norm
ochrony środowiska.
wytworzony gaz może być spalany bezpośrednio w
kotle lub. po uprzednim przygotowaniu można zasilić
silnik tłokowy generatora prądu
Generator gazu
Generator gazu to cylindryczna i stożkowa komora
zamknięta od góry stropem. Ściany wewnętrzne komory
wykonane są ze specjalnych materiałów odpornych na
temperaturę. Zespół dyszowy powietrza jest zabudowany
w dolnej części cylindra. Drzwi uchylone do komory
umożliwiają dostęp do jej wnętrza celem zainicjowania
procesu zgazowania lub dokonania przeglądu.
Układ podwójnych klap śluza zapewnia kontrolę nad
ilością dostającego się do wnętrza “fałszywego” powietrza
i eliminuje wydobywanie się gazu z wnętrza komory.
Powstający w procesie gaz z górnej części komory zgazowarki,
przechodzi do kolektora i dalej do rurociągu transportowego w
kierunku palnika/ komory spalania.
- Instalacje powietrza
Instalacje powietrza zapewniają:
- doprowadzenia powietrza do komory zgazowania;
- chłodzenie generatora ;
- doprowadzenie podgrzanego powietrza do palnika.
Obiegi powietrza zasilane są wentylatorami.
System zapewnia automatyczny cykl załadunku surowca do
komory generatora, sterowanie procesem odbioru odpadów oraz
sterowanie obiegami powierza.
Łączna elektryczna moc zainstalowana na napędach i
wentylatorach zgazowarki – 14 kW.
W generatorze zastosowany został proces dwustopniowej
generacji gazu. W pierwszym etapie drewno o wysokiej
temperaturze przechodzi proces karbonizacji z wydzielaniem
gazów, głównie CO, CO2, i H2O. Produktem ostatecznym
tego procesu jest węgiel drzewny o przeciętnym składzie
C26H18O2. Złoże węgla drzewnego jest dopalane silnym
strumieniem powietrza. Temperatura w dopalanym złożu
rośnie do 10500C i wytworzony CO2 ulega redukcji w
obecności węgla C do CO. W temperaturach powyżej 8200C
para wodna rozkłada się do H2 i O. Rozkład pary wodnej jest
endotermiczny i prowadzi do utrzymywania wyższej warstwy
węgla oraz gazu palnego na poziomie 600 – 7000C.
Utarła się opinia, że kotły na biomasę są droższe od kotłów
na węgiel kamienny.
Istnieje możliwość modernizacji istniejących kotłów
rusztowych przechodząc z węgla na odpady drzewne, względnie
słomę przy niskich nakładach inwestycyjnych.
Modernizacja taka polega na usunięciu rusztu i dobudowie
ceramicznej komory spalania, gdzie spalanie może zachodzić w
objętości komory, względnie na ruszcie posuwisto zwrotnym.
Od pewnego czasu lansuje się tzw. współspalanie tj.
biomasa+węgiel. Współ spalanie może zachodzić na ruszcie
klasycznego kotła, względnie w kotłach fluidalnych.
Czas przebywania w komorze surowca energetycznego
na poziomie 2 –3h drewno z zawartością wody większej
niż 15% zwiększa czas jego przebywania w komorze.
Temperatura procesu zgazowania waha się w
granicach od 600 – 7000C. z jednej tony suchego
drewna powstaje 2000m3 gazu palnego o przeciętnym
składzie: CO 17 – 25%, H2 3 – 5%, CH4 2 – 4%, : CO2
25 – 33% N2 30 – 36%, H2O 10 – 15%
O
13
00
12030
11150
10960
Podg rze wacz
wody
P odg rze wacz
p owie trza
AH
9230
Podg rze wacz
wody
ECO
41x75=3075
7400
O800
6400
500
7150
O219
O2
19
4840
3900
Przykład zastosowania do kotła OR-10
Przykład zgazowania lub odgazowania i produkcji węgla drzewnego
główną zaletą tego rozwiązania jest możliwość przetworzenia biomasy i innych
paliw pochodzenia odpadowego w palny, niskokaloryczny gaz który może być
współspalany w istniejących kotłach energetycznych czy innych paleniskach
przemysłowych.
zmniejszenie poziomu emisji SO2 i NOx w kotle podstawowym, ograniczenie
dodatkowej emisji CO2 , wykorzystanie istniejącego potencjału wytwórczego,
relatywnie niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.
Przykładem praktycznego zastosowania w skali przemysłowej idei zastępowania
paliw kopalnych paliwami pochodzenia odpadowego i biologicznego jest
Elektrociepłownia w Lahti, w Finlandii, gdzie przy parowym kotle pyłowym ( typu
Bensona ,140 MWe) w roku 1998 uruchomiono zgazowywacz Foster Wheeler CFB
o mocy 40-70 MW.
Temperatura robocza procesu utrzymywana jest w zakresie 830 – 860 ºC, a
wydajność cieplna wytwarzanego gazu waha się przeważnie pomiędzy 40 a 70 MW
i zależy od składu i wilgotności podawanej mieszaniny paliwowej. Znaczna
wilgotność materiałów poddawanych zgazowaniu powoduje relatywnie niską
wartość opałową produkowanego gazu w granicach 2 – 4 MJ / m3.
Produkcja energii w procesie fermentacji biomasy
Powstają kolejne instalacje, wykorzystujące zrębki, odpady drzewne, realizuje się
projekty budowy lokalnych biorafinerii. Jedną z technologii możliwych do
wykorzystania w produkcji czystej energii jest beztlenowa fermentacja masy
organicznej.
materiałem do produkcji biogazu w procesie beztlenowej fermentacji, mogą być
odpady organiczne zarówno z przemysłu spożywczego, jak i rolnictwa:
kukurydza, trawa, odchody zwierzęce z chlewni, ferm drobiu oraz hodowli krów.
poprzez beztlenowy rozkład bakteryjny odpadów organicznych, w zbiorniku
fermentacyjnym otrzymujemy biogaz.
Produkcja biomasy na hektar
uprawy :
min. 10 ton suchej
masy/rok z
hektara
Z podanej produkcji biomasy 6000 m3 biogazu
można uzyskać:
W przeliczeniu na gaz Gz-50(z
3600
m3/hektar
uprawy
hektara) :
MATERIAŁ
wydajność z kg
(m3)
Czas fermentacji dni
słoma
0,367
78
liście
buraków
0,501
14
łęty
ziemniaczane
0,606
53
łodygi
kukurydzy
0,514
52
koniczyna
0,445
28
trawa
0,557
25
Tabela Ilość biogazu i czas fermentacji
W zbiorniku o objętości 1100 m3 można zdeponować w ciągu roku ok. 15500 ton
odchodów zwierzęcych oraz odpadów organicznych. Zakładając, że instalacja
będzie zasilana biomasą 3000 ton/rok oraz odchodami zwierzęcymi 12000 ton/rok,
możemy wyprodukować 960000 m3 /rok biogazu, co odpowiada 600000 m3 gazu
ziemnego.
Koszt instalacji wynosi ok. 1 mln zł
Fot. 1. Zbiornik gromadzenia odpadów
Bilans kosztów i oszczędności
Wartość
uzyskanego
gazu:
Koszt :
0,86 zł za 1m3 gazu ziemnego
600000 m3 x 0,86 zł/r
zł = 516000
Odchody zwierzęce
0
zł/r
Biomasa 120 zł/tonę suchej 1000 ton x 120zł zł/r
masy
=120000
Nadzór eksploatacji
30000
zł/r
Amortyzacja *
200000
zł/r
Zużycie energii
30000
zł/r
Roczny koszt
eksploatacji :
380000
zł/r
Oszczędność :
136000
zł/r
Głównymi surowcami podlegającymi fermentacji beztlenowej są:
•Odchody zwierzęce
•Osady ściekowe z oczyszczalni ścieków
•Odpady organiczna
W czasie procesu fermentacji beztlenowej do 60% substancji
Organicznej jest zmieniona w biogaz. Biogaz składa się głównie z
Metanu – 55-70%, 32-37% CO2, 0,2-0,4% N.
Z 1 m3 odpadów organicznych można uzyskać średnio 20-30 m3 biogazu o
wartości opałowej 23MJ/m3.
Koszt budowy instalacji biogazowej o pojemności 200 m3 wynosi w zależności
od warunków 250.000-300.000 złotych. Okres zwrotu nakładów inwestycyjnych
na budowę biogazowni połączonej z produkcją kompostu wynosi
minimum kilka lat.
Przykładowa instalacja o oczyszczalni ścieków w Olsztynie kosztowała w 1995
Roku 390.000 złotych, przy średniej ilości ścieków 56.000 m3 dziennie
i produkcji biogazu 360.000 m3 rocznie.
W Polsce zainstalowanych jest około 20 biogazowni w komunalnych
Oczyszczalniach ścieków.
Decydujący wpływ na ilość wyprodukowanego biogazu ma skład chemiczny
materiału. Szczególnie pożądanymi związkami w procesie, mają tłuszcze oraz
skrobia, gdyż efektywnie podnoszą produkcję biogazu, nawet do 90 m3/tonę
biomasy.
Przy systemie o mocy 250 kWe, koszt budowy instalacji wynosi ok. 2 mln zł (8000
zł/kWe). Stosując standardowe kotły do spalania biomasy, instalacje stają się
opłacalne, począwszy od 0,8 MWe, a koszty sięgają wówczas 15000 zł/kWe.
Korzyści stosowania systemu beztlenowej fermentacji:
- Pozostały materiał z procesu doskonale nadaje się do nawożenia gleby
Wykorzystanie nieużytków na plantacje produkujące biomasę - zmniejszenie
bezrobocia na szczególnie zagrożonych obszarach wiejskich.
- Produkcja czystego gazu (porównywalnego z gazem ziemnym), który może być
spalany w instalacjach kogeneracyjnych z silnikami gazowymi, (silniki gazowe są
tańsze od podobnych instalacji do spalania odpadów drzewnych z obiegiem
parowym i turbiną). Ciekawa alternatywa dla małych ciepłowni, relatywnie niskie
koszty inwestycyjne.
- Łatwy transport oraz stosunkowo niskie koszty gazociągu.
- Otrzymany biogaz może być wykorzystany do: produkcji energii elektrycznej w
układzie kogeneracyjnym, do ogrzewanie domów, budynków użyteczności
publicznej oraz napędu sprzętu ciężkiego.
Jedną z firm wyspecjalizowanych w produkcji energii z biomasy jest
holenderska firma HoSt, która wykonuje analizy wykonalności
projektów, rozwoju technologii oraz dostarcza technologie
beztlenowej fermentacji i zgazowania biomasy.
Przykłady konstrukcyjne kotłów
3
4
1
5
6
2
Uwaga
Na przykładzie Elektrowni Opole
Elektrownia Opole o mocy 4x360MW spala w ciągu
godziny 600 ton miału energetycznego węgla
kamiennego. W 2010 roku elektrownia powinna
wytwarzać 7,5% na bazie energii odnawialnej,
czyli powinna spalać około 50 ton/h biopaliw.
Powstaje pytanie gdzie pozyskać takie ilości biopaliw?