Czy możliwe jest wykorzystanie paliw odpadowych w wielkich

Czy możliwe jest wykorzystanie paliw odpadowych w wielkich

Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 7 (2008), p-1-8
Czy możliwe jest wykorzystanie paliw odpadowych w wielkich
kotłach energetycznych?
Karcz H.1, Głąbik R.1 , Kantorek M1., Folga2 K., Komorowski W.2, Kurzelewski J.3
1
Politechnika Wrocławska, Katedra Kotłów i Turbin Wydział Mechaniczno-Energetyczny
ZBUS Combustion Głowno
3
Elektrownia Stalowa Wola
e-mail: [email protected]
2
Streszczenie
Bardzo duży potencjał paliwowy tkwi we wszelkiego rodzaju odpadach organicznych,
roślinnych i zwierzęcych.
Jeżeli odpady te można zakwalifikować do grupy biopaliw, stanowić one mogą znaczny
potencjał paliwowy dla elektrowni. W przypadku tego rodzaju paliwa, elektrownie
zawodowe będą miały potrójną korzyść: 1. wypełnią wymóg produkcji energii ze źródeł
odnawialnych,2. będą miały zapewnione stałe źródło dopływu surowca paliwowego,3. będą
miały dodatkowe źródło finansowe za utylizację odpadów.
Budowane instalacje nie mogą wpływać na pogorszenie jakości środowiska naturalnego i
standardy jakości środowiska będą dotrzymywane.
Abstract
Possibility of fuel from waste utilization in the high power engineering soker fired
boiless
All kinds of organic, plant and animal waste may become very important as regards the
production of fuel.
If such kinds of waste are included into the group of biofuels, they may become a
significant source of fuel for power plants. This kind of fuel may give professional power
plants the following three benefits:
1. power plants shall meet the requirement concerning the production of power using
renewable sources,
2. power plants shall be continuously supplied with the fuel source.
3. power plants shall gain an additional source of finance for waste utilization.
The constructed installations cannot decrease the quality of the natural environment and the
environmental quality standards must be complied with.
2
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008)
1. Wstęp
Ze względu na konieczność wytwarzania w najbliższym czasie tzn. do roku 2010 energii
elektrycznej ze źródeł odnawialnych przynajmniej do 10% ogólnej ilości nakazem dla
wszystkich elektrowni stała się konieczność poszukiwania takich źródeł paliw
odnawialnych i takich technologii ich spalania, aby wymóg ten został spełniony.
Dodatkowym dopingiem dla producentów energii elektrycznej z tzw. „zielonych źródeł”
jest pewność, że cała wyprodukowana przez nich energia elektryczna zostanie zakupiona
przez Zakład Sieci Elektrycznych po wyższych cenach. Powstała więc sytuacja, która z
jednej strony ułatwia sprzedaż wyprodukowanej energii po dogodnych cenach, a z drugiej
strony stwarza problem z wynalezieniem odpowiedniego biopaliwa i odpowiedniej
technologii jego spalania [1,8,9]. Główny problem przy obecnym stanie wiedzy na ten
temat tkwi nie w technologii spalania, lecz w wynalezieniu takiego rodzaju biopaliwa, które
zapewni w sposób stabilny i długotrwały dostawy źródła energii chemicznej do
wytwarzania energii cieplnej i energii elektrycznej. Jest oczywistym, że w dalszym ciągu
należy skupić się również na podnoszeniu sprawności termicznej i ekologicznej spalania
biopaliw. Doświadczenia jednak ostatnich lat wykazały, że zarówno w skali światowej jak i
w skali krajowej, głównym hamulcem wzrostu energii elektrycznej produkowanej z
biopaliw są same biopaliwa. Różnego rodzaju postacie drewna, które jeszcze 10 lat temu
znajdowały się przy ówczesnej ocenie w ilościach nieprzebranych, obecnie są już na
wyczerpaniu. Czy paliwa z drewna mogą zostać zastąpione paliwami z innych gatunków
roślin? W dużej mierze zależy to od wydajności energetycznej upraw, cyklu
produkcyjnego, wydajności produkcyjnej, biologicznego sposobu odnawialności,
dysponowanego areału upraw, warunków ekonomicznych i uwarunkowań prawnych. W
warunkach botanicznych Polski praktycznie tylko dwa gatunki roślin w dalszej
perspektywie mogą w jakimś stopniu spełnić wymogi Unijne odnośnie produkcji energii
elektrycznej. Jedną, z tych roślin jest wierzba energetyczna (nie wiadomo, dlaczego
nazwana „energetyczną”, bo na pewno nie jest to nazwa botaniczna), drugą zaś rośliną jest
rzepak. Kilkuletnie próby z pozyskaniem drewna z wierzby energetycznej dają nadzieję, że
w jakimś stopniu może być zaspokojone zapotrzebowanie na surowiec energetyczny.
Szacunkowo są to jednak znikome ilości w stosunku do potrzeb i na pewno nie przekroczą
2% zapotrzebowania na biopaliwo dla elektrowni i elektrociepłowni. Wydaje się, że dużo
większe nadzieje można pokładać w roślinach oleistych. Rośliny te dają bowiem olej o
wysokiej wartości energetycznej i masę zieloną, która z dużym powodzeniem może być
wykorzystywana w lokalnych kotłowniach.
2. Uwarunkowania środowiskowe spalania biomasy
Podstawowymi potencjalnymi zagrożeniami dla środowiska wynikającymi z budowy
instalacji do termicznego spalania paliw odpadowych należących do grupy OZE jest:
•
•
•
emisja zanieczyszczeń do powietrza
emisja zanieczyszczeń do gleby
wytwarzanie odpadów
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008)
3
Budowane instalacje nie mogą wpływać na pogorszenie jakości środowiska naturalnego i
standardy jakości środowiska muszą być dotrzymywane. Minimalizacja ujemnych
oddziaływań budowanych instalacji na środowisko polegać będzie na:
•
•
•
•
automatyzacji procesu spalania oraz oczyszczenia spalin w sposób gwarantujący
nie przekraczanie określonych poziomów emisji szkodliwych dla atmosfery.
wykorzystanie ciepła ze spalania OZE do celów wytwarzania energii cieplnej
odizolowanie od gruntu miejsc gdzie może wystąpić jego potencjalne
zanieczyszczenie – rejon przygotowania, transportu i załadunku OZE do instalacji
podczyszczanie wód opadowych i technologicznych odprowadzanych z dróg
transportowych oraz z placów przygotowania magazynowania i transportu OZE do
instalacji spalania. Dotychczasowe wyniki badań wykazały, że bezpośrednie i
pośrednie oddziaływanie procesu spalania OZE na poszczególne elementy
środowiska, na zdrowie ludzi, warunki życia, dobra materialne, dobra kultury i
zabytki są nieistotne.
3. Aspekty spalania OZE w przedpaleniskach kotłów energetycznych
Stosunkowo łatwe obniżenie kosztów jest możliwe dzięki zmniejszeniu cen paliwa w
wyniku sięgnięcia np. po paliwa „alternatywne”, dotychczas słabo wykorzystywane (takie
jak odpady komunalne, biomasa, paliwa wysoko zapopielone, osady ściekowe) i spalanie
ich w przedpaleniskach kotłów energetycznych opalanych pyłem węglowym. Niezależnie
od ekonomicznego profilu związanego z zastosowaniem tańszego paliwa, współspalanie
daje dodatkową możliwość stosunkowo łatwego zmniejszenia ilości niewykorzystanych
paliw i odpadów, zmniejszenia efektu cieplarnianego (np. spalanie biomasy powoduje
zerową emisję CO2), racjonalizację zużycia energii (wydatek energetyczny związany z
recyklingiem i produkcją plastiku z odpadów jest większy niż wymagany do wytworzenia
zupełnie nowego materiału) oraz umożliwia wyeliminowanie wielu problemów związanych
z gospodarką odpadami (składowanie, odór, emisja CH4, zanieczyszczenie gleby i wód
gruntowych itp.) Współspalanie paliw alternatywnych niesie ze sobą również pewne
trudności związane z możliwością korozji powierzchni ogrzewalnych kotłów
energetycznych powodowanej głównie przez kwasy zawarte w spalinach. Na intensywność
procesu korozji mają wpływ warunki spalania. W przypadku niedoboru tlenu i zawartości
w układzie chloru w ilości ponad 0,1%, tlenki metali łatwo zmieniają się w chlorki,
charakteryzujące się niższą temperatura topnienia i wrzenia a więc w niższych
temperaturach reagujące z parą wodną dając tlenki metali i HCI działający korozyjnie. Im
wyższa jest koncentracja chloru w paliwie tym wyższa jest korozja powierzchni zachodząca
w warunkach redukcyjnych. [4].
Ponieważ korozja jest powodowana głównie przez HCl, można jej przeciwdziałać przez
separację chloru z paliw alternatywnych (np. wstępna separacja PCV, NaCl) jeśli paliwem
są odpady komunalne, bądź też wyłapywanie HCI lub Cl2 w palenisku, w instalacji
mokrego odsiarczania lub przed odpylaczem. Usunięcie chloru dokonuje się głównie
poprzez. wtrysk sorbentu, którym przeważnie jest tlenek lub węglan sodu bądź wapnia (te
same sorbenty jak dla chloru stosuje się również w celu usunięcia innych halogenów — np.
fluoru bądź bromu). Jednak najefektywniejsza wydaje się być separacja z paliwa
materiałów zawierających chlor. Emisja toksycznych produktów ubocznych jest w
4
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008)
znacznym stopniu efektem okresowej fluktuacji stężenia tlenu w palenisku skutek zmian
parametrów spalanego paliwa (np. składu chemicznego, wartości opałowej itp).
Szczególnie widoczne jest to podczas spalania odpadów, gdzie utrzymanie stabilnej niskiej
emisji staje się dosyć skomplikowane (węgiel i biomasa charakteryzują się bardziej
jednorodnym składem chemicznym i w związku z tym ich spalanie jest łatwiejsze).
Niedomiar tlenu w palenisku powoduje wyższą emisję CO, PAH (węglowodory
poliarotmatyczne) oraz dioksyn. Stwierdzono, że emisja CO, a co za tym idzie i innych nie
spalonych związków zawierających węgiel jest najniższa jeśli stężenie tlenu w spalinach
wynosi około 6—l0%. Przy zbyt niskiej koncentracji tlenu występuje szybki wzrost emisji
z uwagi na powstanie w palenisku warunków redukcyjnych, zaś gdy stężenie O przekracza
10% zachodzi tzw. „zimne spalanie” również charakteryzujące się podwyższoną
koncentracją produktów ubocznych w spalinach.[3].
4. Technologia „KJN” spalania OZE jako metoda współpracy z kotłem
Specyfika instalacji współspalania biomasy w kotle metodą „KJN” jest znacznie
odbiegająca od dotychczasowego bezpośredniego prowadzenia współspałania biomasy z
pyłem węglowym w kotłach energetycznych. Spalanie biomasy w kotle metodą „KJN” ma
charakter pośredni i cechuje się oddzielnym spalaniem niezupełnym w przedpalenisku i
następnie dopalaniem gazów palnych, głównie CO w komorze paleniskowej kotła. Spalanie
biomasy w przedpalenisku ma charakter etapowy stąd budowa przedpaleniska składająca
się z dwóch części: pieca obrotowego w którym następuje proces suszenia i odgazowania
OZE oraz fluidalnej komory do spalania gazów pizolitycznych i karbonizatu. Podczas
procesu odgazowania wydzielają się lotne lotnych części palne i karbonizat, które spalają
się w komorze spalania. Gazy palne i gazy spalinowe o temperaturze ok. 1050 °C kanałem
łączącym fluidalną komorę spalania z kotłem przedostają się do komory paleniskowej
kotła, do której doprowadzony jest pył węglowy. Wywiązujące się ciepło w przedpalenisku
jest częściowo przekazywane czynnikowi chłodzącemu poprzez promieniowanie do
orurowanych ścian komory fluidalnej a w znacznej mierze wprowadzane jest do kotła.
Powierzchnie ogrzewalne komory fluidalnej po stronie czynnika chłodzącego włączone
zostały pomiędzy I a II stopniem podgrzewacza wody. Dodatkowe przejęcie strumienia
ciepła we fluidalnej komorze spalania może jednak spowodować odparowanie części wody
tworząc mieszankę parową już w podgrzewaczu wody. Rozwiązania takie są stosowane w
budowie kotłów, lecz ilość pary wytworzonej w podgrzewaczu wody musi być ograniczona
ze względu na wzrost objętości mieszaniny, wzrost oporów przepływu i pogorszenie
przejmowania ciepła w rurach ekranowych komory kotła. Powyższe zjawisko stanowi
pewne zagrożenie w eksploatacji kotła z pracującym przedpaleniskiem. Dążenie do
ograniczenia ilości ciepła przejętego przez podgrzewacz wody wymusza prowadzenie
procesu spalania gazów pirolitycznych i karbonizatu w komorze fluidalnej z niedomiarem
powietrza(spalanie niezupełne), któremu towarzyszy znaczący udział CO w spalinach.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008)
5
Rysunek 4.1. Schemat instalacji przedpaleniska.
Przedpalenisko oraz technologia spalania biomasy oraz wszelkiego rodzaju odpadów
przynależnych do OZE oraz mających aspekty A.P.E, chroniona jest patentami, wzorami
użytkowymi i zgłoszeniami patentowymi, których właścicielem jest TKW i ZBUS
Combustion Głowno [P1-P16].
Zabudowa przedpaleniska do spalania OZE nie wprowadza znaczących zmian w
parametrach eksploatacyjnych kotła. Instalacja AKPiA wraz systemem sterowania pracą
przedpaleniska została włączona do istniejącego nadrzędnego systemu sterowania kotłem.
Przedpalenisko posiada:
•
•
•
•
•
•
•
układ magazynowania, przygotowania i transportu biomasy, w skład którego
wchodzą:
rębak zgrubny i rębak dokładny
zespół dwóch naczep rozładowczych
zespół podajników prętowych
układ taśmociągów transportujących
waga do ważenia ilości podawanej biomasy
-komorę obrotową
6
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008)
•
komorę spalania z dnem fluidyzacyjnym
5.Wnioski
Wykorzystanie wierzby energetycznej jako nośnika energii przy opalaniu wielkich kotłów
energetycznych jest trudne do zrealizowania z uwagi na znaczne rozczłonkowanie plantacji,
małą ich wydajność energetyczną i znaczne trudności logistyczne.
Wierzba energetyczna może być natomiast z dużym powodzeniem wykorzystana do
opalania małych kotłowni komunalnych zlokalizowanych w pobliżu plantacji.
Współspalanie biomasy pochodzącej z produkcji leśnej W kotłach pyłowych opalanych
węglem kamiennym - za wyjątkiem elektrowni Połanieckiej nie powinno przekraczać 7 ÷
8% sumarycznej energii doprowadzonej w paliwie do kotła.
Spalanie różnego rodzaju biomas niezależnie od ich struktury fizycznej, właściwości
fizykochemicznych, zawartości wilgoci i stopnia rozdrobnienia jest możliwe do realizacji w
przedpalenjsku kotła pyłowego przy pomocy technologii „KJN”.
Zamieszczone wyniki badań obliczeniowych mają zastosowanie do analizy
przedstawionego w artykule złożonego problemu przepływu turbulentnego,
trójwymiarowego w komorze paleniskowej kotła pyłowego. Są to metody. które pozwalają
przewidzieć przepływ w komorze paleniskowej oraz określić poła temperatur, stężeń i
prędkości oraz wyznaczyć obciążenie cieplne ekranów. Jest to bardzo ważne narzędzie dla
projektanta przy rozwiązywaniu układów przedpaleniskowych, młynowo - palnikowych
występujących przy modernizacji kotłów.
6. Spis patentów
[P1 Karcz H., Wosik W.: Patent nr 162314 z dnia 19.02.1990r. pt. „Sposób chłodzenia i
czyszczenia głowicy palnika olejowego dwuczynnikowego, układ do chłodzenia,
czyszczenia głowicy palnika olejowego dwuczynnikowego”.
[P2] Karcz H.: Patent nr 181624 z dnia 18.01.1997r. pt. „Układ zapłonu ciężkich paliw
płynnych w komorze spalania kotła energetycznego”.
[P3] Karcz H.: Patent nr 175529 z dnia 05.11.1994r. pt. „Sposób i układ automatycznego
sterowania pracą gazodynamicznych palników mazutowych, rozpałkowo podtrzymujących w kotłach energetycznych”.
[P4] Karcz H., Kopeć A., Ziona J.: Patent nr 165780 z dnia 18.02.1990r. pt. „Węzeł
armatury przypalnikowej do współpracy z palnikiem mazutowym rozpałkowym,
zwłaszcza do rozpalania kotłów energetycznych”.
[P5] Karcz H., Zembrowski M., Tracz B., Ładogórski P., Garncarz T., Jodkowski W.,
Borowik Zb., Wosik W. .: Patent nr 164172 z dnia 01.10.1990r. pt. „Palnik do
spalania paliwa ciekłego”.
[P6] Karcz H., Andryjowicz Cz., Butmankiewicz T., Sikorki Wł..: Zgłoszenie patentowe
P351001 z dnia 03.12.2001r. pt. „Sposób i skrzynia doprowadzenia powietrza do
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008)
7
procesu spalania w komorach spalania kotłów energetycznych lub przemysłowych
pieców technologicznych”.
[P7] Karcz H. i in.: Patent nr 351191 z dnia 14.12.2001r. pt. „Zespół dozoru płomienia.”
[P8] Karcz H., Butmankiewicz T., Sikorki Wł: Zgłoszenie patentowe P360207 z dnia
19.05.2003r. pt. „Sposób i instalacja do spalania odpadów zwierzęcych”.
[P9] Karcz H., Butmankiewicz T. .: Zgłoszenie patentowe P362586 z dnia 02.10.2003r. pt.
„Sposób i urządzenia do termicznej utylizacji odpadów organicznych”.
[P10] Karcz H., Butmankiewicz T., Andryjowicz Cz.: Zgłoszenie patentowe P362326 z
dnia 22.09.2003r. pt. „Sposób i instalacja termicznej utylizacji osadów
pościekowych”.
[P11] Karcz H. ., Jodkowski W., Butmankiewicz T: Zgłoszenie patentowe P363891 z
dnia 05.12.2003r. pt. „Urządzenie do spalania i odpadów organicznych”.
[P12] Karcz H., Butmankiewicz T. : Zgłoszenie patentowe P368330 z dnia 02.06.2004r.
pt. „Sposób termicznej utylizacji odpadów zwierzęcych i organicznych”.
[P13] Karcz H., Butmankiewicz T.: Wzór użytkowy nr 114966 z dnia 29.07.2004r. pt.
„Dno sitowe kotła fluidalnego”.
[P14] Karcz H., Butmankiewicz T..: Zgłoszenie patentowe P 370751 z dnia 18.10.2004r.
pt. „Instalacja i sposób odwadniania i suszenia osadów ściekowych”.
[P15] Karcz H., Butmankiewicz T., Nunberg J., Jodkowski W.: zgłoszenie patentowe
P372523 z dnia 02.03.2005 pt." Sposób i instalacja termicznej utylizacji toksycznych
produktów odpadowych".
[P16] Karcz H., Butmankiewicz T., Jodkowski W., Nunberg J.: Urządzenie napędowe
komory pieca do termicznej utylizacji toksycznych produktów odpadowych.
Zgłoszenie patentowe W116125 z dnia 15.05.2006.
Literatura
[1] Karcz H., Miller R., Jodkowski W., Butmankiewicz J., Kozakiewicz A.: „Przyszłość
„zielonej energii” w Polsce, Ekopartner 2007r. nr 3 (185), s 10-11
[2] Karcz H.,., Jodkowski W., Butmankiewicz J., Kozakiewicz A.: „Perspektywy
produkcji „zielonej energii” w Polsce”. Wygł. Międzynarodowa X Konferencja
Kotłowa 2006r, pt. „Aktualne Problemy Budowy i Eksploatacji Kotłów”, Szczyrk „
Orle Gniazdo” 17-20 październik 2006r. Prace Naukowe JM, UE POL. Śląsk. 10 th,
International Conference on Boiler Technology. Seria Monografie. Konferencje 2006r,
z 16, t 2, s 37-52
[3] Kobyłecki R., Bis ZB.: Aspekty współspalania paliw alternatywnych z węglem w
kotłach fluidalnych – szansa czy zagrożenie?, Gospodarka Paliwami i Energią, 2003r,
nr 2, s 2-8
8
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 7(2008)
[4] Karcz H.., Kotulski A., Kozakiewicz A: „Ograniczenie korozji wysokotemperaturowej
przy wykorzystaniu oprogramowalnych sterowników”. Wygł. Na konferencji
Naukowo – Technicznej pt. Kontrola Sterowania i Automatyzacja Procesu Spalania w
Kotłach energetycznych” Zakopane 23- 25 maj 2005r.
[5] Modliński ZB.: „Przepływ ze spalaniem w komorach paleniskowych kotłów
energetycznych – modelowanie emisji CO i NOx „ Instrukcja użytkowa pakietu
obliczeniowego COMSTAR
[6] Wala T., Mirski M: „Przewidywanie efektów modernizacji kotłów z zastosowaniem
metod numerycznych”
[7] Kruczek H., Zając K., Modliński Zb: “Impast of waste flue gas additional supply on
PC boiler main operational parameters”.
[8] Karcz H., Butmankiewicz J., Kozakiewicz A.: Możliwość wytwarzania „ zielonej
energii” w elektrowniach. Czysta Energia 2005r nr 11, s. 14-16, rys. 2, bibliogr. 9 poz
[9] Głąbik. R., Rzepa K., Modliński Zb., Sikorski Wł., Kosiorek – Herbuś A., Karcz H.,:
„Obliczenia cieplne kotła OP-150 dla różnych udziałów energetycznych biomasy w
paliwie.”
[10] Głąbik. R., Rzepa K., Modliński Zb., Sikorski Wł., Kosiorek – Herbuś A., Karcz H.,:
„Obliczenia cieplne kotła OP -150 dla różnych udziałów energetycznych biomasy w
paliwie”. Wygł. Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006r, pt. Aktualne
Problemy Budowy i Eksploatacji Kotłów”, Szczyrk „ Orle Gniazdo” 17-20 październik
2006r. Prace Naukowe JM, UE POL.Śląsk. 10 th, International Conference on Boiler
Technology. Seria Monografie. Konferencje 2