INSTYTUT SZKŁA, CERAMIKI,
Transkrypt
INSTYTUT SZKŁA, CERAMIKI,
SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY PRZEWODNIK OPOLE, MAJ 2010 1 Oddział Inżynierii Materiałowej, Procesowej i Środowiska Ul. Oświęcimska 21, 45-641 Opole Strona: www.icimb.pl mail: [email protected] Autor : Ewa Głodek Poradnik współfinansowany jest przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego; Program Operacyjny Kapitał Ludzki; Priorytet – Regionalne kadry gospodarki; działanie 8.2 Transfer wiedzy; Podziałanie 8.2.1 Wsparcie dla współpracy sfery nauki i przedsiębiorstw Opracowanie jest wynikiem realizacji projektu unijnego POKL.08.02.0116-028/09 Źródła Energii Opolszczyzny – promocja, technologie wsparcie, wdrożenia. 2 SPIS TREŚCI 1. WPROWADZENIE .................................................................................................................................... 4 1.1. PODSTAWOWE INFORMACJE DOTYCZĄCE SPALANIA......................................................................... 6 1.2. CHARAKTERYSTYKA BIOMASY ........................................................................................................... 8 1.2.1. Wartość opałowa ............................................................................................................................ 8 1.2.2. Wilgoć ............................................................................................................................................10 1.2.3. Części lotne ....................................................................................................................................10 1.2.4. Popiół .............................................................................................................................................10 1.2.5. Gęstość ...........................................................................................................................................11 1.3. JEDNOSTKI MASY I OBJĘTOŚCI ......................................................................................................... 13 2. TECHNOLOGIE KONWERSJI BIOMASY ......................................................................................... 15 2.1. SPALANIE .................................................................................................................................................. 15 2.2. WSPÓŁSPALANIE BIOMASY Z WĘGLEM ............................................................................................ 17 2.2.1 Współspalanie w kotłach energetycznych .....................................................................................17 2.2.2. Spalanie biomasy w piecach obrotowych ......................................................................................19 3. WPŁYW SPALANIA BIOMASY NA ŚRODOWISKO ........................................................................ 21 LITERATURA .................................................................................................................................................... 23 Spis rysunków Rysunek 1: Udział energii odnawialnej (energetyka, transport i ciepłownictwo) 1999-2004 (Mtoe) [1]............... 4 Rysunek 2 Wzrost energii odnawialnych: prognozy w zakresie elektryczności do 2020 r. [1] ............................... 5 Rysunek 3 Wzrost energii odnawialnych: prognozy w zakresie ogrzewania i chłodzenia do 2020 r. [1] ............... 5 Rysunek 4 Technologie, produkty pośrednie i końcowe termochemicznej konwersji biomasy. .............................. 6 Rysunek 5 Schemat składu paliwa stałego .............................................................................................................. 7 Rysunek 6 Zależność wartości energetycznej od wilgotności słomy. .................................................................... 10 Rysunek 8 Rozwiązania technologiczne współspalania węgla i biomasy a) współspalania bezpośrednie, b) współspalania równoległe, c) współspalania pośrednie w przedpalenisku d) współspalania pośrednie - zgazowania lub pirolizy biomasy w gazogeneratorze ........................................................................................................................ 18 Rysunek 9 Rozkład temperatury gazów i materiału w piecu obrotowym oraz miejsca podawania paliwa konwencjonalnego i paliw alternatywnych, [5] .................................................................................................... 20 Spis tabel Tabela 1 Właściwości biomasy i węgla [13] ______________________________________________________ 8 Tabela 2 Skład elementarny oraz wartość opałowa biomasy [9][10] _________________________________ 9 Tabela 3 Temperatury mięknienia, topnienia i płynięcia substancji palnych [15, 16] _______________________ 11 Tabela 4 Gęstość biomasy i paliw kopalnych [9] _______________________________________________ 12 Tabela 5 Gęstość drewna [17] _____________________________________________________________ 12 Tabela 6 Współczynniki zamienne dla drewna mierzonego w stosach ________________________________ 13 Tabela 7 Sprawność wytwarzania ciepła [19] __________________________________________________ 16 Tabela 8 Typy palenisk do spalania biomasy, sposoby ich użytkowania oraz wymagania związane z jakością spalanego paliwa [18] ____________________________________________________________________ 16 3 1. WPROWADZENIE Pogarszający się stan środowiska oraz postępujące zmiany klimatu spowodowały konieczność stosowania czystych ekologicznie źródeł energii, do których zalicza się m.in. biomasę, stanowiącą jedno z największych potencjalnych odnawialnych źródeł energii. Zwiększenie udziału energii odnawialnej w strukturze paliwowej powoduje znaczne obniżenie emisji gazów cieplarnianych (emisja gazów cieplarnianych z OZE jest niska lub zerowa). Zastosowanie OZE ma również duże znaczenie dla zwiększenia bezpieczeństwa dostaw energii, wspierania rozwoju technologicznego, a także dla zwiększenia zatrudnienia i możliwości rozwoju regionalnego. Zgodnie z Dyrektywą Unijną nr 2009/28/WE udział energii odnawialnej w całkowitym zużyciu energii (energia elektryczna, ogrzewanie, chłodzenie, transport) do 2020 roku, powinien kształtować się na poziomie 20%. Ustalono cele strategiczne dla każdego z państw członkowskich (projekt Dyrektywy UE 2008/0016) - dla Polski w wysokości 15%. Ociągnięcie tego celu przez państwa UE, będzie wymagało ogromnego wzrostu we wszystkich trzech sektorach energetyki odnawialnej czyli w energetyce, biopaliwach oraz ciepłownictwie i chłodnictwie. Na rysunkach 1-3 przedstawiono udział OZE w produkcji energii w UE oraz prognozowany wzrost energii odnawialnej w sektorze ogrzewania i chłodzenia oraz sektorze energetycznym. Jednym z głównych źródeł wzrostu wykorzystania OZE będzie biomasa. Światowy potencjał energetyczny biomasy wynosi 3*1015 MJ/rok jednak wykorzystuje się go tylko 7% (35% w krajach rozwijających się i 3% w krajach uprzemysłowionych). W Szwecji ponad 14% energii produkowanej jest z biomasy. W Austrii udział 10% tego rodzaju energii w ogólnym bilansie został osiągnięty w okresie nie przekraczającym 10 lat. W Polsce szacuje się, że potencjał całkowity możliwej do zagospodarowania biomasy wynosi około 407,5 PJ (rolnictwo 195 PJ, leśnictwo 101PJ, sadownictwo 57,6 PJ i przemysł drzewny 53,9PJ) [2]. RES –H OZE – ciepłownictwo, RES – E OZE – energia elektryczna (z wyłączeniem elektrowni wodnych, skala po prawej stronie), RES –T OZE – transport (skala po prawej stronie) Rysunek 1: Udział energii odnawialnej (energetyka, transport i ciepłownictwo) 1999-2004 (Mtoe) [1] 4 RES-E - energy output [TWh/year] 1200 el. wiatrowe morskie Wind offshore el. wiatrowe Wind onshore el. wodna fal i pływów Tide & wave helioelektrownie (bez fotowoltaiki) Solar thermal electricity fotowoltaika Photovoltaics 1000 Historical development Dane statystyczne Future development Prognoza rozwoju 800 600 Hydro duże el.large-scale wodne małe el.small-scale wodne Hydro 400 el. geotermalne Geothermal electricity el. na bioodpady Biowaste el. na biomasę Solid biomassstałą 200 Biogas biogazownie 2020 2019 2018 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 0 Rysunek 2 Wzrost energii odnawialnych: prognozy w zakresie produkcji energii elektrycznej do 2020 r. [1] RES-H - energy output [Mtoe/year] 140 120 Historical development Dane statystyczne Future development Prognoza rozwoju Solar thermal energia termiczna słońca heat 100 energia geotermalna – Geothermal pompy ciepła heat pumps 80 60 energia geotermalna – Geothermal bez nonpomp heat ciepła pumps energia termiczna Biomass biomasy heat 40 20 2020 2019 2018 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 0 Rysunek 3 Wzrost energii odnawialnych: prognozy w zakresie ogrzewania i chłodzenia do 2020 r. [1] Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 roku (Dz. U. nr 156 poz. 969) biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji. Do celów energetycznych można wykorzystać następujące postacie biomasy: - drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym oraz odpadowe opakowania drewniane; słomę – zbożową, z roślin oleistych lub strączkowych oraz siano; plony z plantacji roślin energetycznych; odpady organiczne gnojowicę, osady ściekowe, osady ściekowe w przemyśle celulozowo-papierniczym, makulaturę, odpady organiczne z cukrowni, roszarni lnu; gorzelni; browarów; itp.; biopaliwa płynne do celów transportowych, np. oleje roślinne, biodiesel, bioetanol z gorzelni i agrorafinerii; - biogaz z gnojowicy, osadów ściekowych i wysypisk komunalnych. 5 Biomasę łatwo przetwarza się w paliwo do postaci stałej, płynnej lub gazowej. Energetyczne zasoby biomasy obejmują dwie grupy: Do pierwszej należą nośniki energii w fazie stałej, nadające się do spalania, pirolizy oraz tlenowo-parowego zgazowania do mieszaniny tlenku i dwutlenku węgla, wodoru i metanu. Gaz ten można przetwarzać w energię elektryczną i ciepło wg wariantowych technologii, ale również do metanolu, czy paliw silnikowych wg technologii Fischera-Tropscha, co realizuje się już w skali przemysłowej. Do drugiej zalicza się przetwarzanie określonych składników biomasy w paliwa płynne i biogaz, będący przede wszystkim mieszaniną średnio 60% obj. metanu oraz 40% dwutlenku węgla. Biomasę można przetwarzać na drodze trzech grup procesowych: fizycznych, termicznochemicznych oraz biologicznych, Dziś gospodarka światowa dysponuje czterema technologiami przetwarzania biomasy, które ilustruje rysunek 4. W niniejszej pracy skupiono się na jednej z technologii tzn. na spalaniu biomasy. Rysunek 4 Technologie, produkty pośrednie i końcowe termochemicznej konwersji biomasy. 1.1. Podstawowe informacje dotyczące spalania Pojęcie „spalanie” rozumiane jest zwykle jako szybka reakcja chemiczna związana z wyzwoleniem znacznych ilości ciepła i światła. Aby spalić paliwo konieczne jest doprowadzenie do niego odpowiedniej ilości tlenu dostarczanego przeważnie z powietrzem. Paliwo i powietrze do spalania nazywane są substratami, podczas gdy spaliny i stałe pozostałości po paliwie (popiół i żużel) stanowią produkty spalania. Każde paliwo składa się z części palnej oraz balastu (substancja mineralna oraz wilgoć) oraz z gazowych składników niepalnych, jak np. azot czy dwutlenek węgla. Schemat ilustrujący rodzaje substancji zawartej w paliwie stałym przedstawiono na rysunku 5. Skład chemiczny i fizyczny substancji jest najważniejszą informacją określającą jej przydatność jako paliwa. Podstawowa informacja o składzie paliwa określa rodzaj i ilość pierwiastków ulęgających spaleniu (tabela 1, 2). 6 Rysunek 5 Schemat składu paliwa stałego Dla poprawnego spalania potrzebne jest spełnienie warunków dobrego wymieszania paliwa z powietrzem oraz odpowiedniej temperatury w palenisku. Minimalną ilość powietrza potrzebną do spalania określa się przy wykorzystaniu wzorów stechiometrycznych. Zależność stechiometryczna ma miejsce, gdy dostarczymy dokładnie tyle powietrza, ile jest potrzebne, aby całe paliw zostało spalone - współczynnik nadmiaru powietrza (lambda) wynosi wtedy 1. W praktyce spalanie następuję gdy > 1, gdyż osiągniecie całkowitego spalania przy stechiometrycznej ilości tlenu jest niemal niemożliwe. Wartość współczynnika nadmiaru powietrza zależy przede wszystkim od rodzaju spalanego paliwa, sposobu jego spalania, a także i od konstrukcji paleniska czy palnika oraz od warunków ich eksploatacji. Orientacyjne wartości współczynników nadmiaru powietrza wynoszą: Paliwa gazowe Paliwa ciekłe Paliwa stałe – pył Paliwa stałe warstwa Kominek, piekarnik Piec na drewno Ciepłownia, pelety Ciepłownia, zrębki =1,05 -1,2 =1,1-1,2 =1,05-1,3 =1,4-2,2 >3 = 2,1-2,3 = 1,2-1,3 =1,4-1,6 Zmiana współczynnika nadmiaru powietrza powoduje zmianę ilości i składów produktów spalania. Za mała ilość powietrza powoduje niedopalenie się cząstek węgla i powstanie tlenku węgla, a także przedostawanie się do spalin niespalonych węglowodorów. Z kolei zbyt duża ilość powietrza powoduje wychładzanie kotła (część powietrza nie bierze udziału w spalaniu) i obniżenie sprawności, a także sprzyja powstawaniu szkodliwych tlenków azotu NOx. Rodzaj i jakość paliw oddziałuje na jego zachowanie w czasie spalania. Jak wcześniej wspomniano na proces ten ma wpływ skład chemiczny paliwa i popiołu, zawartość części lotnych, balastu, wilgoci, kaloryczność, gęstość itp. Im bardziej paliwo jest niejednorodne i 7 gorsza jest jego jakość tym bardziej wyrafinowany musi być system spalania. Dlatego tez w kotłach o małej mocy należy spalać paliwo o dobrej jakości i podobnych właściwościach. 1.2. Charakterystyka biomasy Energetyczna ocena biomasy na tle paliw konwencjonalnych może dotyczyć wielu ich właściwości, jednak za najważniejsze należy uznać skład elementarny, zawartość masy inertnej (balastu) a przede wszystkim wilgoci. Porównanie tych właściwości przedstawiają tabele 1-4. Skład elementarny biomasy i węgli stosowanych w energetyce jakościowo jest taki sam. Różnice występują natomiast w udziałach poszczególnych pierwiastków i związków chemicznych. Biomasa zawiera średnio około czterokrotnie więcej tlenu, dwukrotnie mniej węgla, oraz mniej siarki i azotu. Konsekwencją tego składu jest wysoka zawartość części lotnych. Tabela 1 Właściwości biomasy i węgla [13] 1.2.1. Wartość opałowa Wielkością charakterystyczną paliwa jest jego wartość opałowa. Zależy ona od rodzaju i ilości składników palnych w paliwie oraz zawartości wilgoci. Znając procentowe zawartości składników palnych można określić wartość opałową paliwa. Dla biomasy i materiałów pochodnych można wykorzystać zależność Wd = 341c + 1322 h -120(o+n) - 15,3p + 68,6 s [kJ/kg] gdzie: c, h, o, n, p, s - zawartość węgla, wodoru, tlenu, azotu, popiołu i siarki w paliwie w % masowych, 8 Tabela 2 Skład elementarny oraz wartość opałowa biomasy [9][10] Wielkość Udział masowy składnika kg m.s. i /kg m.s. c h o * n s*10 -3 cl*10 -3 Popiół kg i/kg p Części lotne % s.m. Wd MJ/kgsm Słoma Słoma zbóż (mieszana) – ogółem Słoma żytnia Słoma pszeniczna Słoma pszenżyta Słoma jęczmienna Słoma kukurydziana Słoma rzepakowa Łodygi słonecznika Słoma lnu Ziarno zbożowe (ogółem) Ziarno żyta Ziarno pszenicy Ziarno pszenżyta ziarno rzepaku Rośliny zbożowe (ogółem) Żyto Pszenica Pszenżyto Siano łąkowe i specjalne uprawy trawy Trzcina Trawa łąkowa Konopie (włókno konopne +słoma) 0,451 0,059 0,425 0,005 0,737 2,503 0,057 76,2 17,2 0,466 0,456 0,439 0,475 0,457 0,471 0,425 0,470 0,060 0,058 0,059 0,059 0,053 0,059 0,051 0,059 0,419 0,421 0,435 0,456 0,433 0,393 0,381 0,415 0,006 0,005 0,004 0,005 0,007 0,008 0,011 0,007 Ziarno 0,848 0,818 0,556 0,888 1,167 2,703 1,464 1,241 3,961 1,922 2,653 4,046 3,533 4,668 8,131 3,689 0,048 0,057 0,060 0,048 0,067 0,062 0,122 0,044 76,4 77,0 75,2 77,3 76,8 75,8 72,7 74,8 17,5 17,2 17,1 17,5 17,7 17,1 15,8 17,8 0,443 0,064 0,449 0,019 1,058 0,863 0,023 80,8 17,0 0,457 0,436 0,435 0,605 0,064 0,065 0,064 0,072 0,437 0,447 0,461 0,237 0,019 1,078 0,023 1,205 0,017 1,067 0,039 1,000 Całe rośliny 1,606 0,426 0,692 - 0,020 0,027 0,021 0,046 80,9 80,0 81,0 85,2 17,1 17,0 16,9 26,5 0,453 0,061 0,429 0,012 1,370 1,807 0,042 78,2 17,1 0,480 0,452 0,440 0,058 0,064 0,060 0,404 0,427 0,442 0,011 0,014 0,011 1,123 1,197 1,795 3,420 0,857 1,401 0,042 0,041 0,044 79,1 77,6 78,2 17,7 17,1 17,0 0,451 0,059 0,397 0,013 1,650 7,588 0,071 74,2 17,1 0,414 0,461 0,063 0,056 0,423 0,367 0,009 0,013 1,416 1,350 4,983 13,900 0,085 0,088 72,0 74,8 16,4 16,5 0,461 0,059 0,422 0,007 1,034 1,981 0,048 81,4 17,0 Specjalne Siano ze zbiorów pielęgnacyjnych Trawa z koszenia poboczy dróg Drewno popularnych drzew liściastych Drewno popularnych drzew lisciastych Drewno świerkowe z korą Drewno sosnowe z korą Drewno bukowe z korą Drewno wierzbowe (plantacje szybkorosnace) 0,455 0,061 0,411 0,011 1,281 3,112 0,057 75,4 17,4 0,371 0,051 0,321 0,015 1,923 8,771 0,231 61,7 14,1 0,50 0,063 0,428 0,01 0,234 0,087 0,0080 82,0 18,8 0,478 0,062 0,448 0,001 0,402 0,167 0,0060 83,2 18,4 0,497 0,063 0,433 0,001 0,190 0,970 0,006 82,9 18,8 0,532 0,059 0,403 0,001 0,600 0,050 0,004 81,3 19,2 0,479 0,062 0,451 7 0,002 0,201 0,070 0,005 84,0 18,4 0,471 0,061 0,442 5 0,005 0,487 0,061 0,02 80,3 18,4 * - wielkość zamykająca sumę udziałów 9 1.2.2. Wilgoć Zawartość wilgoci jest jednym z podstawowych parametrów określających przydatność paliwa. W sposób istoty wpływa na kaloryczność paliwa i odgrywa znaczącą rolę w procesie spalania, nie bez znaczenia jest również przy ocenie możliwości sprzedaży i składowania. Niekorzystną cechą biomasy jest jej wysoka (nawet do 50%) i zmienna (w zależności od rodzaju biomasy i okresu jej sezonowania) zawartość wilgoci. Na rysunku 6 przedstawiono zależność wartości energetycznej od wilgotności. Zawartość wilgoci w biomasie wpływa na zmniejszenie wartości opałowej. Świeże ścięte drzewo zawiera 40-50% wilgoci przy wartości opałowej 8400 kJ/kg, z kolei w stanie powietrzno-suchym po upływie roku zawiera od 15-25% wilgoci, a jego wartość opałowa wzrasta do 12500-14600 kJ/kg. Wilgoć wpływa również na przebieg samego procesu spalania, powodując powiększenie objętościowego strumienia spalin. Spalanie paliw o dużej zawartości wilgoci może spowodować obniżenie temperatury spalania, co wpływa niekorzystnie na sam proces, gdyż utrudnia dopalenie paliwa. Mogą pojawić się duże straty związane z niezupełnym i niecałkowitym spalaniem. Rysunek 6 Zależność wartości energetycznej od wilgotności słomy. 1.2.3. Części lotne Części lotne są to składniki substancji lotnych biomasy, które wydzielają się przy podgrzewaniu paliwa powyżej 1000C. Cechą charakterystyczną biopaliw stałych jest duża zawartość części lotnych. Wg [10] około 67% energii cieplnej doprowadzanej z paliwem wydziela się w czasie spalania części lotnych. Dlatego efektywne spalanie tego typu paliw wymaga specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych komór spalania, m.in. powietrze do spalania wprowadzane jest powyżej złoża paliwa, tam gdzie pojawiają się części lotne. Szczególnie kłopotliwe jest współspalanie biomasy z węglem kamiennym. Relatywnie duża, zawartość części lotnych w porównaniu z węglem kamiennym (przeciętnie 70-80%, a węgle 1050%) w istotny sposób komplikuje proces współspalania. 1.2.4. Popiół Popiół jest produktem wtórnym, otrzymanym przez działanie wysokiej temperatury na substancje mineralne biomasy. Zawartość popiołu w biomasie jest znacznie mniejsza od zawartości popiołu w większości węgli, natomiast skład chemiczny i mineralny popiołów jest znacząco różny. Popiół pochodzący z biopaliw stałych zawiera duże ilości składników alkalicznych, przede wszystkim soli sodu i potasu. Związki te powodują znaczne obniżenie temperatur topliwości popiołu (tabela 5). Popioły ze spalania biomasy cechują się niższymi 10 temperaturami mięknięcia (zwykle od 750 do 1000°C), podczas gdy dla popiołów z większości węgli wynosi około 1000°C i więcej. Zmianę temperatury mięknięcia popiołu można odnotować nawet przy stosunkowo niewielkich udziałach masowych współspalanej biomasy. Zwiększeniu ulega wówczas prędkość narastania osadów na powierzchniach ogrzewalnych kotłów zarówno z powodu niższej temperatury mięknięcia popiołu spalanej mieszanki węgiel-biomasa, jak i w wyniku przesunięcia składu chemicznego w kierunku związków o większej skłonności do osadzania się na powierzchniach ogrzewalnych. Rezultatem tego procesu jest m.in. wzrost temperatury spalin wylotowych, a co za tym idzie obniżenie sprawności brutto kotła w przypadku spalania mieszaniny węgla z biomasą w porównaniu do sprawności uzyskiwanej podczas spalania samego węgla. W niektórych technologiach popiół spełnia pozytywną rolę. W piecach opalanych biomasą warstwa popiołu w dolnej części pieca akumuluje cześć ciepła i tworzy powierzchnię nagrzewania, oddając ciepło do końcowego etapu spalania - dopalania koksu. W palenisku rusztowym obecność warstwy popiołu na powierzchni rusztu chroni rusztowiny przed nadmiernym promieniowaniem płomienia. Tabela 3 Temperatury mięknienia, topnienia i płynięcia substancji palnych[15] Rodzaj substancji palnej Drewno iglaste Drewno liściaste Słoma zbożowa ogólnie Słoma żytnia Słoma pszeniczna Słoma jęczmienna Słoma rzepakowa Słoma kukurydziana Siano łąkowe Miskant cukrowy Ślazowiec pensylwański Słonecznik bulwiasty Róża bezkolcowa Węgiel gazowy Węgiel brunatny młody Początek spiekania 1171 1190 931 935 1008 720 1120 930 852 760 680 620 730 - Temperatura mięknienia 1389 1265 960 1002 998 980 1273 1050 918 >1500 740 690 >1500 1290 1120 Temperatura topnienia 1521 1310 1162 1147 1246 1130 1460 1120 1160 >1500 >1500 960 >1500 1500 1380 Temperatura płynięcia 1530 1420 1214 1188 1302 1173 1403 1140 1207 >1500 >1500 1120 >1500 1530 1430 1.2.5. Gęstość Gęstość nasypowa jest stosunkiem masy luźno nasypanego (ułożonego) materiału do jego objętości. Gęstość drewna zależy od wielu czynników jak gatunek i budowa drewna, wilgotność, miejsce na przekroju i długości strzały, warunków siedliskowych i wzrostu drzewa. Istotny wpływ na gęstość ma wilgotność drewna, w związku z czym wyróżnia się w przypadku drewan (tabela 5): gęstość drewna suchego o wilgotności 0%, gęstość drewna w stanie powietrzno-suchym, w Polsce przyjmuje się wilgotność 15%, gęstość drewna bezpośrednio po ścięciu, a więc drewna o największej zawartości wody. Gęstość biomasy mieści się w zakresie wartości od 50 kg/m3 dla słomy do 800 kg/m3 dla drewna (tabela 4, 5). Natomiast dla węgla brunatnego wielkość ta wynosi od 800 kg/m3 do 1200 kg/m3 dla 11 węgla kamiennego. Mała gęstość energetyczna biomasy powoduje określone kłopoty transportowe i konieczność użycia dużych powierzchni do składowania. Dlatego należy ją uszlachetnić poprzez np. zbrykietowanie (tabela 4). Wtedy tez biomasa staje się paliwem niewiele odbiegającym wartością opałową od gorszych sortymentów węgla kamiennego. Z powodu małej gęstości, biopaliwa stałe generalnie źle się dozuje do paleniska. Mogą wystąpić problemy z blokowaniem systemu dozowania i utratą ciągłości podawania paliwa. Tabela 4 Gęstość biomasy i paliw kopalnych [9] Gęstość nasypowa Substancja [kg/m3 suchej masy] Drewno Drewno iglaste metrowe 284 Drewno liściaste metrowe 396 Zrębki drewna iglastego 166 Zrębki drewna liściastego 232 Pelety drewniane 528 Trociny 160 Słoma Bele okrągłe 88 Duże prostopadłościenne bele 94 Sieczka siana ze stogów 122 Sieczka 50 Węgiel Brunatny 562 Brykiety węgla brunatnego 700-725 Kamienny 816 Brykiety 980-1080 Tabela 5 Gęstość drewna [17] Gęstość w stanie Rodzaj drzewa zupełnie suchym Brzoza Buk Cis Daglezja Dąb Grab Jesion Jodła Lipa Modrzew Olcha Orzech Osika Platan Sosna Świerk Wiąz 460-610-800 490-680-880 610-640-740 320-470-730 390-650-930 410-650-820 450-650-860 320-410-710 320-490-560 404-550-820 450-510-600 450-640-750 360-450-560 380-580-650 300-490-860 300-430-640 440-640-820 Gęstość przy wilgotności 12-15% kg/m3 510-650-830 540-720-910 640-670-810 350-510-750 430-690-960 - 540-830-860 450-650-860 350-450-750 350-530-600 440-590-850 490-550-640 570-680-810 400-490-600 420-620-680 330-510-890 340-470-680 480-680-850 Gęstość po ścięciu 800-850-900 820-1070-1270 ok. 1160 640-700 900-1150 660-970-1200 600-800-1140 800-900 580-880 800-900 800-850-930 900-1000 610-810-990 820-832-850 750-820-850 700-800-850 750-990 12 1.3. Jednostki masy i objętości Drewno jako paliwo występuje pod wieloma postaciami: szczapy (drewno rąbane), zrębki, trociny i wióry, kora, brykiety, pelety. Wielopostaciowość drewna jako paliwa utrudnia przyjęcie jednoznacznych i jednakowych jednostek miar dla porównania różnych rodzajów paliwa drzewnego. W leśnictwie do określenia objętości drewna wykorzystuje się dwa rodzaje miar: metr przestrzenny i metr sześcienny. Metr przestrzenny (mp) to porcja drewna ułożonego liczona wraz z wolnymi przestrzeniami pomiędzy kawałkami drewna zajmująca objętość 1 m3 Metr sześcienny (m3) to objętość jaką ta sama porcja drewna zajmuje po usunięciu wolnych przestrzeni. Przeliczniki, które są stosowane przez Lasy Polskie przedstawiono w tabeli 6. W obliczeniach można przyjąć następujące przeliczniki: 0,43 dla zrębków (1mp = 0,43 m3 ) 0,65 dla drewna (1mp = 0,65 m3 ) Tabela 6 Współczynniki zamienne dla drewna mierzonego w stosach Grupa W korze Bez kory Sortyment m³ bez kory m(p) w korze na m(p) w na m³ bez kory korze m³ bez kory m(p) bez kory na m(p) bez na m³ bez kory kory Grupa S2 – sosna, modrzew, daglezja dł. 1,0; 1,2 2,0; 2,4 5,0; 6,0; 7,0 0,65 0,62 0,60 1,54 1,61 1,67 0,75 0,72 - 1,33 1,39 - Grupa S2 – świerk, jodła dł. 1,0; 1,1; 1,2 2,0; 2,4 3,0; 4,0; 5,0 0,70 0,67 0,65 1,43 1,49 1,54 0,78 0,75 - 1,28 1,33 - Grupa S2 buk, grab dł. 1,0; 1,2 2,0-2,5 2,6-3,5 0,70 0,63 0,60 1,43 1,59 1,67 0,75 - 1,33 - Grupa S2 - brzoza i pozostałe liściaste 1,0; 1,2 2,0-2,5 2,6-3,5 0,65 0,60 0,57 1,54 1,67 1,75 0,75 - 1,33 - Grupa S3a dł. ≤4 m ≥4 m 0,50 0,40 2,00 2,50 - - Grupa S4 sosna, modrzew, daglezja i liściaste swierk, jodła 0,65 0,70 1,54 1,43 0,75 0,75 1,33 1,33 Grupa M1 0,40 2,50 - - Grupa M2 0,25 4,00 - - Zrębki leśne przemysłowe 0,43 2,33 13 Karpina przemysłowa i opałowa 0,40 2,50 Dłużyce i kłody grupy S1 na środku wywozowym po transporcie 0,38 2,63 - - Zrębki leśne i opałowe 0,46 2,17 - - S2 : S2a - drewno stosowe użytkowe o średnicy górnej (dg) bez kory od 7 cm i średnicy dolnej (dd) bez kory do 24 cm, S2b - jw., z wyborem - kierunek przeznaczenia drewna zależny jest od nabywcy, np. na palety, opakowania itd., S3 : S3a - żerdzie do przerobu przemysłowego (przeznaczone głównie do zrębkowania) o długości od 2,5 m i średnicy znamionowej (dz) od 7 do 11 cm w korze. S3b - żerdzie ogólnego przeznaczenia, mierzone w sztukach grupowo o długości od 4 m i średnicy znamionowej (dz) w korze od 7 do 14 cm. S4 - drewno opałowe o średnicy górnej (dg) bez kory od 5 cm i średnicy dolnej (dd) bez kory do 24 cm. Drewno małowymiarowe (M): Drewno to o wymiarach średnicy dolnej (dd) w korze do 7 cm i bez kory do 5 cm dzieli się na dwie grupy jakości: M1 - drobnica użytkowa (przeznaczona do zrębkowania) o długości od 1,5 m wzwyż; M2 - drobnica opałowa Przedstawione przeliczniki stosuje się w przypadku tego samego sortymentu. Porównując rożne postaci drewna tj. szczapy, trociny, zrębki należy pamiętać, iż w tej samej objętości znajdują się różne ilości drewna. Orientacyjne przeliczniki przedstawiono niżej. 1 mp zrębków, wiórów lub trocin w zależności od ich zagęszczenia 1 m3 drewna 1 mp drewna opałowego ułożonego w stosie 1 mp drewna kawałkowego w postaci szczap ok. 0,4 m3 drewna ok. 2,5 mp zrębków, wiórów lub trocin lekko zagęszczonych 0,65 – 0,85 m3 drewna w zależności od rozmiaru i kształtu drewna kawałkowego 0,45 – 0,65 m3 drewna Niejednoznaczne jest również używanie jednostek masy w przypadku różnych postaci drewna, gdyż 1 kg drewna suchego i 1 kg drewna mokrego oznaczają także zupełnie inne ilości drewna. Ten sam m3 litego drewna nasycony wodą może ważyć 2 razy lub więcej niż m3 drewna suchego. Masa drewna [kg] = Vd [m3] x d [kg/m3] + Vw [m3] x w [kg/m3] Vd, Vw – objętość drewna suchego, wody d, w – gęstość drewna suchego (tabela 4,5), wody Przykład obliczeń cen energii cieplnej Dokonano zakupu 1 mp drewna za cenę 85 zł. Jaki jest koszt energii w zakupionym drewnie? Obliczenia: Dla rozwiązania zadania przyjmujemy, że 1 mp = 0,65 m3. 14 Jeżeli wysuszymy drewno do 20% wilgotności (18 miesięcy pod zadaszeniem), to energia zawarta w drewnie wynosi Energia [MJ] = (0,65 x V [mp] x [kg drewna wilgotnego/m3] x (100-wilgotnośc drewna [%])/100) * Wd [MJ/kg sm] = 0,65*1*720*0,8*18,4 = 6889 MJ Jeżeli spalimy drewno w kotle o sprawności 60 % uzyskamy 6,9 [GJ] * 0,6= 4,1 [GJ] energii cieplnej, a więc cena 1 GJ energii użytecznej wyniesie: 85 zł : 4,1 GJ = 20,7 zł/GJ Jeżeli spalimy drewno w kotle o sprawności 80 % uzyskamy 6,9 GJ x 0,80 = 5,52 GJ energii użytecznej, czyli cena 1 GJ energii użytecznej wyniesie: 85 zł : 5,52 GJ = 15,39 zł/GJ 2. TECHNOLOGIE KONWERSJI BIOMASY 2.1. Spalanie Istnieje wiele technologii konwersji biomasy. Produktem końcowym przetwarzania mogą być: bioetanol, palne gazy, bądź też ciepło powstające w procesie spalania. Ciepło można z kolei wykorzystać do produkcji energii elektrycznej, bądź na potrzeby ogrzewania. Biomasa znajduje zatem zastosowanie jako paliwo dla energetyki, ogrzewnictwa, a przetworzona na bioetanol może również służyć jako paliwo dla silników spalinowych. Obecnie najpowszechniej stosowaną technologią jest spalanie. O efektywności procesu spalania decyduje ilość otrzymanego ciepła. Dlatego też jakość procesu może być oceniana przez sprawność urządzenia przetwarzającego paliwo. Obowiązuje zasada - im wyższa sprawność - tym więcej energii uzyskuje się ze spalenia jednostki paliwa. W tabeli 7 przedstawiono sprawność poszczególnych urządzeń . Istnieje wiele rozwiązań instalacji spalania lub współspalania biomasy. Wybór odpowiedniej technologii spalania uzależniony jest od mocy układu, parametrów paliwa (skład chemiczny paliwa i popiołu, zawartość części lotnych, balastu, wilgoci, kaloryczność, gęstość itp.) oraz wielkości paliwa (biopaliwa mogą być spalane w postaci drewna kawałkowego, zrębków, brykietów, peletów, pyłu, balotów itp.). Kotły do spalania biomasy dostępne są w szerokim zakresie mocy od kilkunastu kW do kilkuset MW. Istnieją dwie podstawowe metody spalania biopaliwa: pierwsza związana jest ze spalaniem w złożu, warstwie lub stosie stacjonarnym druga natomiast polega na spaleniu cząstek paliwa zawieszonych lub wdmuchiwanych do paleniska. Paliwo do paleniska może być podawane od góry, dołu lub frontowo. Proces może być prowadzony w sposób ciągły, z nieprzerywanym podawaniem paliwa lub w sposób nieciągły z wsadowym podawaniem jednorazowej porcji paliwa. W tabeli 8 przedstawiono typy palenisk do spalania biomasy, sposoby ich użytkowania oraz wymagania związane z jakością spalanego paliwa. 15 Tabela 7 Sprawność wytwarzania ciepła [19] Rodzaj kotła/pieca Kotły wyprodukowane przed 1980 r. Kotły wyprodukowane po 1980 r. Kotły wyprodukowane po 2000 r. Kotły z palnikami atmosferycznymi i regulacją włącz wyłącz Kotły z palnikami wentylatorowymi i ciągłą regulacją procesu spalania Kotły kondensacyjne Piece ceramiczne/kaflowe Piece metalowe Kotły wrzutowe z obsługą ręczną o mocy do 100 kW Kotły wrzutowe z obsługą ręczną o mocy do 100 kW Kotły wrzutowe z obsługą ręczną o mocy powyżej 100 kW Kotły wrzutowe z obsługą ręczną o mocy powyżej 100 kW Kotły automatyczne o mocy powyżej 100 kW do 600 kW Kotły automatyczne o mocy powyżej 100 kW do 600 kW Kotły z palnikiem retortowy Kotły automatyczne z mechanicznym podawaniem paliwa o mocy powyżej 500 kW Paliwo stałe (węgiel, koks) Paliwo stałe (węgiel, koks) Paliwo stałe (węgiel, koks) Paliwo gazowe lub płynne Sprawność przetwarzania paliwa 0,5-0,65 0,65-0,75 0,82 0,65-0,86 Paliwo gazowe lub płynne 0,75-0,88 Paliwo gazowe Paliwo stałe Paliwo stałe Paliwo stałe (słoma) 0,95-1,0 0,25-0,4 0,55-0,65 0,57-0,63 Paliwo stałe(drewno polana, brykiety drewniane, pelety, zrębki drewniane) Paliwo stałe (słoma) 0,65-0,72 Paliwo stałe(drewno polana, brykiety drewniane, pelety, zrębki drewniane) Paliwo stałe (słoma) 0,77-0,83 Paliwo stałe(drewno polana, brykiety drewniane, pelety, zrębki drewniane) Paliwo stałe (węgiel) Paliwo stałe (słoma, drewno, pelety) 0,80-0,85 Rodzaj paliwa 0,65-0,7 0,65-0,75 0,80-0,85 0,85 Tabela 8 Typy palenisk do spalania biomasy, sposoby ich użytkowania oraz wymagania związane z jakością spalanego paliwa [18] Uwagi Dozowanie paliwa manualne Granulaty Dozowanie paliwa automatyczne popiół Wilgoć <2 5-20% typ Piece Zakres mocy 2-10 kW Paliwa Polana drzewne Kotły 5-50 kW Polana, szczapy <2 5-30% Piece i kotły Paleniska podsuwowe Paleniska z rusztem mechanicznym 2-25 kW 20 kW2,5 MW 150 kW15 MW 20 kW – 1,5 MW Granulaty Zrębki, odpady drzewne Wszystkie rodzaje biomasy <2 8-10% <2 5-50% <5% 5-60 % drewno, trociny <5% 5-35% 2-5 MW zrębki <5% 3-5 MW Baloty słomy <5% 4065% 20% 3-5 MW Baloty słomy <5% 20% przedpalenisko Palenisko obrotowe podsuwowe Palenisko cygarowe Palenisko do spalania całych 16 balotów Palenisko do spalania słomy Palenisko fluidalne BFBC Palenisko fluidalne CFBC Palenisko pyłowe Współspalanie Palensko fluidalne BFBC Palenisko fluidalne CFBC Spalanie cygarowe Palenisko pyłowe 2.2. 100kW 5MW Pocięta słoma <5% 20% 5-15MW Różne rodzaje biomasy d<10mm <5% 5-60% Różne rodzaje biomasy d<5mm <5% 20% Różne rodzaje biomasy d<10mm <5% 5-60% <5% 20% <5% <20% 15-100MW 5-10 MW 50-150MW 100-300MW 5-20 MW 100 MW 1GW Baloty słomy Różne rodzaje biomasy d<2-5mm Współspalanie biomasy z węglem Pod określeniem współspalania biomasy z węglem rozumie się zespół procesów polegających na spalaniu węgla z różnego rodzaju odpowiednio dobranymi biopaliwami stałymi lub produktami pochodzącymi z ich przetwórstwa. Ta technologia łączy ze sobą wykorzystanie odnawialnych źródeł energii z użytkowaniem energii z paliw kopalnych. Współspalanie realizowane jest najczęściej w ramach już istniejącej w siłowni infrastruktury może być stosowane we wszystkich dotychczasowych procesach spalania, tj. w złożu stacjonarnym, w złożu fluidalnym i w strumieniu pyłowym. Współspalanie realizowane jest również w układach wypalania klinkieru. 2.2.1 Współspalanie w kotłach energetycznych Istnieje wiele technologii umożliwiających energetyczne wykorzystanie biomasy przy użyciu istniejących jednostek kotłowych opalanych węglem kamiennym. Ze względu na sposób podawania biomasy do kotła technologie współspalania można podzielić na: - współspalanie bezpośrednie polegające na równoczesnym spalaniu mieszaniny paliwa węglowego i biomasy w jednej komorze (rysunek 6a) , - współspalanie pośrednie, do którego możemy zaliczyć: spalenie biomasy lub biogazu w tzw. przedpalenisku. Entalpia powstających tam spalin wykorzystywana jest w komorze spalania, w której zabudowane są powierzchnie ogrzewalne bądź bezpośrednio jako czynnik grzejny w wymiennikach ciepłowniczych. Drugi przypadek dotyczy zgazowania lub pirolizy biomasy w gazogeneratorze. Powstający gaz kierowany jest do komory spalania kotła, gdzie spalany jest w palnikach gazowych (rysunek 6c,d) - współspalanie równoległe polegające na spaleniu biomasy w osobnym kotle i przesłaniu wyprodukowanej w nim pary lub gorących skroplin do odrębnego kotła węglowego (rysunek 6b). 17 (c) (d) Rysunek 7 Rozwiązania technologiczne współspalania węgla i biomasy a) współspalanie bezpośrednie, b) współspalanie równoległe, c) współspalanie pośrednie w przedpalenisku d) współspalanie pośrednie zgazowanie lub pirolizy biomasy w gazogeneratorze Mimo niewątpliwych zalet (takich jak prostota procesu, mniejsza emisja CO, NOx i SO2 oraz prawie zerowy bilans CO2), bezpośrednie współspalanie biomasy i węgla w kotłach energetycznych rodzi szereg trudności. Związane są one przede wszystkim z właściwościami fizykochemicznymi biomasy znacznie różniącymi się od węgla spalanego w kotłach energetycznych. Różnice polegają na: - wyższej zawartości wilgoci w surowej biomasie, która wpływa negatywnie na efektywność procesu spalania, - wyższej zawartości części lotnych zmieniająca warunki zapłonu i spalania, - niższej wartości opałowej surowej biomasy, - istotnych różnicach w składzie ilościowym (jakościowo skład chemiczny jest zbliżony) , - różnym czasie przebywania obu paliw w komorze spalania wynikającym ze znacznej różnicy gęstości cząsteczek biomasy i węgla. Pozostałe ograniczenia współspalania biomasy w kotłach energetycznych związane są z problemami natury: - logistycznej Szacuje się, że w warunkach klimatycznych naszego regionu Europy, plantacja biomasy o powierzchni 1 km2 będzie produkowała rocznie ilość suchej masy roślinnej, wystarczającą do zasilania instalacji (zasilanej wyłącznie biomasą) o mocy <300 kW. Elektrownie o mocy powyżej 30-40 MWel wymagają paliwa z plantacji o powierzchniach rzędu 100 km2. Zdobycie takiej ilości biomasy jest problematyczne. - ekonomicznej Szacunkowe dane wskazują , że zwiększenie o 1% zawartości biomasy o wilgotności 40-60% (a więc uzyskiwanej bezpośrednio po ścięciu) w strumieniu paliwa podawanego do kotła w celu jej współspalania z węglem powoduje 0,5-1% spadek sprawności kotła. Kompensacja tej wielkości wymaga zwiększenia ilości energii chemicznej pochodzącej z paliw kopalnych, co wpływa na zmniejszenie korzystnych efektów współspalania. 18 - technicznej, Współspalanie biomasy powoduje zwiększenie intensywności szeregu negatywnych procesów występujących podczas spalania paliw np.: osadzania materiałów sypkich na powierzchniach ogrzewalnych wymienników ciepła, korozję nisko- i wysokotemperaturową oraz emisję niepożądanych produktów ubocznych w spalinach i popiele, związaną głównie z częstą zmianą składu paliwa i jego fluktuacjami. Koncepcja produkcji energii odnawialnej w procesie współspalania biomasy i węgla jest prosta technologicznie, lecz najgorsza z punktu widzenia jakości wykorzystania energii biomasy. Racjonalnym wydaje się stosowanie takich technologii konwersji biomasy (np. zgazowanie, piroliza, itp.), które prowadzą do zwiększenia stopnia jej wykorzystania energetycznego (np. kogeneracja), nie powodując obniżenia sprawności termodynamicznej obiegu. 2.2.2. Spalanie biomasy w piecach obrotowych Przemysł cementowy w procesie wypalania klinkieru posiada duże możliwości wykorzystania poza konwencjonalnymi różnego typu innych paliw, takich jak biomasa, czy niektórych rodzajów odpadów zaliczanych do biomasy. Piece do wypału klinkieru dzięki swojej konstrukcji oraz wysokotemperaturowemu procesowi spełniają szereg warunków, gwarantujących całkowity rozkład termiczny spalanych paliw. Do głównych zalet pieca obrotowego należy zaliczyć: brak pozostałości ze spalania, pozostałości po spaleniu pozostają w klinkierze (całkowita absorpcja metalicznych i niemetalicznych produktów spalenia), wysoka skuteczność oczyszczania gazów odlotowych, co pozwala ograniczyć emisję metali (kondensują one na cząstkach pyłu, wychwytywanych w urządzeniach odpylających, które zawracane są do procesu), ciepło ze spalania odpadów jest w całości wykorzystane podczas wypalania klinkieru, zmniejsza się zużycie nieodnawialnych paliw oraz proporcjonalnie do tego emisja CO2. Utylizacja biomasy, odpadów komunalnych (zawartość biomasy do 50%) i przemysłowych w piecach cementowych prowadzona jest systematycznie w kilkudziesięciu krajach świata. Warunkiem właściwego przeprowadzenia spalania paliw alternatywnych w tym biomasy w piecu cementowym jest precyzyjne wyznaczenie jednostkowej ilości tego paliwa. Stosowane w przemyśle cementowym paliwa alternatywne nie mogą zmieniać składu chemicznego wytwarzanego produktu. Dlatego też paliwa wytworzone na bazie odpadów komunalnych i przemysłowych, muszą spełniać określone wymogi ze względu na wartość opałową, zawartość popiołu, zawartość zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych, określoną dla danego rodzaju procesu technologicznego. O miejscu wprowadzania paliwa decyduje jego skład chemiczny, właściwości fizyczne oraz wartość opałowa. Wynika to m.in. z wymaganego rozkładu temperatury materiału w poszczególnych strefach pieca, który decyduje o jakości klinkieru. Na rysunku 8 przedstawiono miejsca podawania paliwa konwencjonalnego i paliw alternatywnych w różnych piecach do wypału klinkieru [5]. W piecach z cyklonowymi wymiennikami ciepła (metoda sucha) paliwo alternatywne podawane jest głównie do strefy spalania paliwa podstawowego, za pomocą palnika piecowego bądź palnika dodatkowego lub do spalania wtórnego: do komory wzniosu oraz prekalcynatora. W przypadku wprowadzania paliwa do 19 strefy dekarbonizacji stosowane są specjalne śluzy, działka pneumatyczne bądź palniki. W zależności od stanu skupienia i właściwości fizycznych paliwa może ono być podawane do komory wzniosu lub do kalcynatorów. Można spalać w nich paliwa w ilości zapewniającej nawet 60% całkowitego zapotrzebowania ciepła. PA-2 PA-1 PA-2 PA-1 Paliwo alternatywne PA-1 PA-2 - oleje przepracowane - farby, rozpuszczalniki - BRAM, PASr, PASi - biogaz - mączka mięsno-kostna - tłuszcze PA-1 Paliwo alternatywne PA-2 - zużyte opony - papier - węgiel drzewny - łupki - mułki - PASr, PASi PA-2 PA-1 Rysunek 8 Rozkład temperatury gazów i materiału w piecu obrotowym oraz miejsca podawania paliwa konwencjonalnego i paliw alternatywnych, [5] Wykorzystanie paliw z biomasy może wiązać się z występowaniem niekorzystnych zjawisk i utrudnień w prowadzeniu procesu. Wzrost wykorzystania paliw alternatywnych w procesie wypalania klinkieru cementowego, wynikający z dążenia do obniżenia kosztów produkcji, może być przyczyną wzrostu ilości substancji lotnych (alkaliów, SO3 i Cl), które mogą 20 powodować zakłócenia w procesie produkcji. W piecach obrotowych z cyklonowymi wymiennikami ciepła istnieją szczególnie korzystne warunki dla powstawania obiegów składników lotnych wewnątrz instalacji piecowej. Alkalia (K2O, Na2O) i Cl- wprowadzone z nadawą surowcową oraz z paliwem do układu piecowego, ulegając kolejnej sublimacji w wysokich temperaturach, tworzą duże stężenia w fazie gazowej, które mogą wielokrotnie przekroczyć zawartość tych składników w surowcu wprowadzanym do pieca. Może to być przyczyną tworzenia się narostów w wymiennikach cyklonowych oraz na wlocie pieca [12]. W metodzie suchej nie ma problemu w przypadku wyższej zawartości siarki w paliwach. Wysokoalkaiczne środowisko panujące w układzie przepływowym pieca i wymiennika wywiera bardzo duży wpływ na wysoką zdolność wiązania SO2, która wynosi nawet ponad 95%. 3. WPŁYW SPALANIA BIOMASY NA ŚRODOWISKO Zastosowanie biomasy, jako alternatywy dla paliw kopalnych niesie ze sobą szereg korzyści, między innymi: - „zerowy” bilans emisji CO2, ponieważ podczas procesu spalania biomasy do atmosfery emitowana jest taka ilość CO2, jaką roślina przetworzyła w trakcie procesu fotosyntezy. - zmniejszenie emisji SO2, spowodowane mniejszą zawartością siarki w paliwach pochodzenia roślinnego oraz możliwością wiązania siarki przez popioły ze spalania biomasy, mające charakter alkaliczny, - ograniczenie spalania paliw kopalnych. Tabela 9 Wpływ spalania drewna, oleju opałowego i gazu na stan środowiska naturalnego [20] Pomimo wielu zalet, wykorzystanie biomasy jest również przyczyną powstawania zanieczyszczeń. W tabeli 9 przedstawiono wpływ spalania wybranych paliw na stan środowiska naturalnego. Przy wykorzystaniu oceny typu „Life Cycle Assesement” porównano trzy typy paliwa: drewno, lekki olej opałowy i gaz ziemny [20]. Ocena ta polega na porównaniu ilości powstałych zanieczyszczeń nie tylko bezpośrednio w procesie spalania, ale także podczas przygotowania, transportu, rafinacji bądź rozdrabniania paliwa. Produktami spalania biomasy mogą być lotne związki organiczne (LZO), jak również wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), mające charakter muta-, i kancerogeny. Głównymi zanieczyszczeniami powstającymi w procesie energetycznego 21 wykorzystania biomasy są: NOX oraz pył a zwłaszcza jego subfrakcje PM10 i PM2,5. Pyły zawierają metale ciężkie, jak również wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), dioksyny i furany (PCDDs i PCDFs). Wskutek tego PM10, PM2,5 odpowiedzialne są za choroby układu oddechowego i krążeniowego, różnego rodzaju alergie, a w efekcie za wzrost śmiertelności ludności na terenach o wysokich wskaźnikach imisji tych substancji. Emisja NOX uzależniona jest od parametrów procesu spalania, konstrukcji kotła oraz stosunku powietrza pierwotnego i wtórnego w kotle. Decydującym parametrem w przypadku emisji mikrocząsteczek są natomiast warunki w jakich prowadzony jest proces spalania najwięcej mikrocząstek powstaje podczas niezupełnego spalania. Dla prymitywnego paleniska i źle dobranych parametrów może ona osiągnąć 90% całkowitej emisji mikrocząstek, podczas gdy w nowoczesnym kotle emisję mikrocząstek spowodowaną niecałkowitym spalaniem, można zmniejszyć do wartości poniżej 1% całkowitej emisji cząstek PM2,5 oraz PM10. Aby zminimalizować emisję zanieczyszczeń, uzyskać tanie i czyste ciepło należy: - wykorzystywać paliwa o odpowiednich właściwościach fizykochemicznych i stabilnej jakości dostosowanych do typu/rodzaju kotła, - stosować nowoczesne kotły/piece, - zapewnić odpowiednią eksploatację instalacji spalania w ciągu całego roku, zwłaszcza w sezonie grzewczym. 22 LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] KOM/2007/0001 Komunikat Komisji do Rady Europejskiej i Parlamentu Europejskiego Europejska polityka energetyczna Bruksela dnia 10.01.2007 wersja ostateczna Lewandowski Witold: Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT Warszawa 2006 Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Stelmach S.: Procesy termiczne utylizacji odpadów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej Gliwice 2007 pod redakcją: Ścieżko M., Zuwała J., Pronobis M.: Współspalanie biomasy i paliw alternatywnych w energetyce, Wydawnictwo Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla o Politechniki Śląskiej, Zabrze-Gliwice 2007 Duda J.: Energooszczędne i proekologiczne techniki wypalania klinkieru cementowego, Prace IMMB, wydanie specjalne, Opole 2004 Duda J.: „Energetyczne i ekologiczne aspekty wykorzystania odpadów przemysłowych i komunalnych w procesie produkcji cementu” materiały międzynarodowej konferencji „Wykorzystanie odpadów przemysłowych i komunalnych w procesie produkcji cementu”, prace IMMB nr 23, Opole 1998 Cemex Polska, Cementownia Chełm „Paliwa alternatywne w Cementowni Chełm S.A.”, VII Międzynarodowe Seminarium „Odzysk energetyczny – rola przemysłu cementowego w gospodarce odpadami” 30.05.2006 Kraków Szymanowicz R.: Wytwarzanie energii odnawialnej w procesie wspólnego spalania biomasy i wegla. Warunki pracy kotłów w świetle wyników badań, Energetyka 10/2007 Wandrasz J., Wandrasz A.: Paliwa formowane biopaliwa i paliwa z odpadów w procesach termicznych, Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa 2006 Rybak W.: Spalanie i współspalanie biopaliw stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006 Adamus H.: Zastosowanie przedpaleniska przy kotłach energetycznych, Energetyka 10/2006 Janecka L., Kalinowski W.: Wpływ stosowania paliw alternatywnych na obieg składników lotnych w procesie wypalania klinkieru; IV Międzynarodowa Konferencja Naukowa Energia i Środowisko w technologiach materiałów budowlanych, ceramicznych, szklarskich i ogniotrwałych, Instytut Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych, Karpacz 17.09-19.09.2008 Kubica K., Ściążko M., Raińczak J.: Współspalanie biomasy z węglem http://conbiot.ichpw.zabrze.pl/21_Co-combustion_of_coal_and_biomass.pdf Praca Statutowa Instytutu SCMOiB Laboratorium Badań Środowiska 7/284/S, Metody oznaczania frakcji biomasy w paliwach alternatywnych z odpadów stałych (N). Kowalczyk-Juśko A. Popiół a różnych roślin energetycznych http://tchie.uni.opole.pl/ecoproc09a/KowalczykJusko_PECO09_1.pdf Wandrasz J., Wandrasz A.: Paliwa formowane biopaliwa i paliwa z odpadów w procesach termicznych, Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o. Warszawa 2006 Strona internetowa Instytutu Technologii Drewna http://www.itd.poznan.pl/pl/index.php?id=35 Nussbaumer T: Combustion and Co-combustion of Biomass: Fundamentals, Technologies, and Primary Measures for Emission Reduction Energy & Fuels 2003 nr 17,str. 1510-1521 Dz.U. 2002 nr 12 poz. 114 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 15 stycznia 2002 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego [20] Aerosols from biomass combustion pod redakcją Nussbaumer T. http://www.ieabcc.nl/publications/aerosols.pdf 23