Jan NADZIAKIEWICZ, Waldemar ŚCIERSKI, Krzysztof PIKOŃ

Komentarze

Transkrypt

Jan NADZIAKIEWICZ, Waldemar ŚCIERSKI, Krzysztof PIKOŃ
Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 1 (2005), p-21-42
Ekonomika spalania odpad€w drzewnych w kotłach rusztowych
Poskrobko S., Łach J.
Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej
Katedra Termodynamiki i Mechaniki Płyn‚w
ul. Wiejska 45C, 15-351 Białystok
e-mail: [email protected]
Streszczenie
Konieczność ochrony środowiska naturalnego doprowadziła m.in. do zwiększenia
zainteresowania wykorzystaniem lokalnych zasob„w paliw odnawialnych. W ostatnich
latach poczyniono w kraju wiele inwestycji związanych z budową kotłowni, kt„rych celem
jest zaspokojenie lokalnych potrzeb energetycznych. Często jednak okazuje się, że
wytwarzana ilość energii cieplnej nie pokrywa się z ilością przewidzianą na etapie
formułowania założeń projektowych, co jest powodem braku akceptacji społecznej
zrealizowanej inwestycji. Przyczyną takiego stanu rzeczy może być np. błędnie
sporządzony bilans zapotrzebowania na ciepło, zły stan techniczny systemu
rozprowadzania ciepła ze źr„dła do odbiorc„w itp., ale zazwyczaj jest nią brak
szczeg„łowej analizy możliwości pracy zainstalowanych kotł„w w określonych warunkach
zapotrzebowania na ciepło. Niezależnie od aspektu ekologicznego, należy więc położyć
stosowny nacisk, i to już w ramach prac koncepcyjnych, na konieczność zapewnienia
uzasadnionego ekonomicznie bezpieczeństwa energetycznego, tzn. na szczeg„łową i
rzetelną analizę efektywności pracy systemu napaliwiania ciepłowni oraz wytwarzania i
przesyłu ciepła, kt„ra pozwoli uniknąć groźnych w skutkach błęd„w podczas eksploatacji.
W niniejszej pracy przedstawiono kluczowe zagadnienia związane z modelowaniem
wytwarzania energii cieplnej z odpad„w (zręb„w) drzewnych. Ich efektywne rozwiązanie
umożliwia planowanie lokalnej gospodarki paliwowo-energetycznej. W szczeg„lności,
udokumentowano zależność wielkości bilansowych kotła od takich podstawowych
parametr„w, jak: wilgotność paliwa, wsp„łczynnik nadmiaru powietrza oraz temperatura
powietrza doprowadzanego do komory spalania. Techniczno-ekonomiczną analizę
efektywności procesu spalania przeprowadzono na przykładzie typowego kotła wodnego z
rusztem schodkowym o mocy nominalnej około 5,8MW.
22
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
Abstract
Economics of wood wastes combustion in stokers firedboilers
Necessity of protection of natural environment resulted in enlargement of utilization of
local resources of renewable fuels. In last years, many investments were located in our
country in construction of many boiler rooms assigned for satisfying local thermal energy
needs. Often yet it turns out, that developed quantity of thermal energy does not agree,
particularly in peak periods, with forecast demand determined on stage of brief fore
design, what it is reason of lack of social acceptance of realized investments. Such state of
affairs can be caused e.g. by incorrect balance of heat demand or bad technical conditions
of heat distribution system from source to recipients, but usually by lack of detailed
analysis of possibility of work of installed boilers in definite conditions of heat demand.
Independently of ecological aspect, one should to lay emphasis in frames of conception on
assurance of economically justifiable covering of heat demand, i.e. on detailed and reliable
analysis of efficiency of work of fuel delivery system in heat-generating plant as well as
production and heat transmission. This way it is possible to avoid undesirable and often
dangerous mistakes in service conditions. In the paper, fundamental questions connected
with production of thermal energy from wood waste have been taken into account. Theirs
effective solution makes possible planning of fuel policy and energy management. In
particular, dependence of boiler balance quantities on such basic parameters, as: fuel (i.e.
wood waste) humidity, excess air coefficient as well as temperature of air leading to
combustion chamber, has been demonstrated. Analysis of efficiency of burning process
was based on example of water heater with step grate with heating power about 5,815
MW.
1. Wstęp
Racjonalizacja gospodarki paliwowo-energetycznej w Polsce wymusza ekonomiczne
gospodarowanie paliwami i energią, uwzględniające konieczność ochrony środowiska
naturalnego przed rosnącą ilością zanieczyszczeń (np. gaz…w, pył…w, ściek…w, odpad…w),
wytwarzanych w procesach termicznej konwersji energii i emitowanych do atmosfery bądź
zrzucanych do w…d (rzek, jezior, m…rz) lub do ziemi. Jest prawdopodobne, że już w
niedalekiej przyszłości znaczną rolę odgrywać będą paliwa tzw. „alternatywne”, w tym np.
formowane paliwa z odpad…w komunalnych bądź segregowane odpady komunalne
stanowiące najprostszą formę biomasy w postaci paliwa o nazwie RDF [1]. Wymienione
paliwa pełnić jednak będą rolę paliw uzupełniających w globalnym bilansie paliwowym.
Węgiel kamienny będzie bowiem jeszcze dość długo paliwem podstawowym. W tym
kontekście wydaje się, że w warunkach krajowych uzasadnione stają się np. technologie
wsp…łspalania węgla z odpadami. Nie pomniejszając roli wspomnianych paliw z odpad…w
komunalnych, należy jednak wskazać na potencjalnie możliwe znaczenie takiego paliwa
odpadowego, jak odpady drzewne, kt…re już są rozpowszechnioną formą biopaliwa stałego
i w wielu krajach (np. w Szwecji, Finlandii, Norwegii, Austrii, Szwajcarii) dość
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
23
powszechnie wykorzystywanego, i to z dobrym skutkiem, do cel…w energetycznych w
charakterze paliwa dodatkowego. Wiadomo bowiem, że w ten spos…b ogranicza się
destrukcyjne oddziaływanie produkcji energii na środowisko naturalne z uwagi na
redukcję emisji zanieczyszczeń do atmosfery, a to nadaje rozważanemu paliwu walor
ekologiczny. Tymczasem w Polsce brak jest jeszcze zorganizowanego rynku biomasy
drzewnej [2], co np. skutkuje tym, że wraz z wyczerpywaniem się surowca z wiatrołom…w
piskich zauważa się wyraźny niedob…r drewna odpadowego. Sytuacja ta wskazuje na
konieczność realnego szacowania zasob…w biomasy drzewnej i jej dostępności, a więc
prowadzenia wyjątkowo racjonalnej gospodarki biomasą drzewną przeznaczoną do cel…w
energetycznych, w tym doboru optymalnych technologii wytwarzania energii dla potrzeb
energetyki lokalnej. Kwestie te winny być zasadniczym elementem regionalnej gospodarki
paliwowo-energetycznej, mającej także na względzie zr…wnoważony rozw…j kraju, ochronę
środowiska i być może wpływ na zmniejszanie skali bezrobocia. Aczkolwiek obszar
wojew…dztwa podlaskiego, z dużymi kompleksami leśnymi i dość dobrze rozwiniętym
drobnym przetw…rstwem drzewnym, jest uznawany za najczystszy w Polsce, to jednak nie
oznacza, że nie należy tu jeszcze tworzyć zręb…w ekologicznej gospodarki energią i nie
promować odnawialnych źr…deł energii, w tym tak spektakularnego daru natury jak łatwo
pozyskiwanej biomasy, kt…ra powinna nabierać coraz większego znaczenia z punktu
widzenia konwersji i magazynowania energii. Wiadomo bowiem, że wszelkie sposoby
redukcji emisji zanieczyszczeń zmniejszają ingerencję w środowisko naturalne, a więc
sprzyjają zachowaniu unikalnych zasob…w przyrodniczych [3].
Jedną z form biomasy, od dawna wykorzystywaną na cele grzewcze, są odpady drzewne w
r…żnej postaci, w tym odpady leśne oraz produkty uboczne z proces…w przer…bki drewna i
odpady z licznych proces…w produkcyjnych. Drewno poprodukcyjne jest paliwem tanim, w
zasadzie powszechnie dostępnym i stosunkowo łatwo przetwarzanym do cel…w energetyki
cieplnej, o ile nie zawiera związk…w chemicznych, co ma miejsce np. w przypadku drewna
impregnowanego i płyt drewnopochodnych, gdy standardy emisyjne są znacznie bardziej
rygorystyczne i dotyczą dużej liczby substancji, w tym dioksyn i furan…w. Aczkolwiek
można brać pod uwagę, szczeg…lnie w warunkach Podlasia, potencjalne wykorzystanie w
zasadzie wszystkich asortyment…w drewna poprodukcyjnego, a więc np.: polan, grubizny
opałowej, kory, ścink…w, zręb…w drzewnych, gałęzi, chrustu, trocin, wi…r…w, zrzynk…w,
pyłu drzewnego, brykiet…w, pellet…w, ług…w odpadowych, śmieci, makulatury,
wodorost…w, pozostałości leśnych (wierzchołk…w drzew, karpiny, korzeni, gałęzi, liści), to
jednak najbardziej popularne są zręby. Mniejszym zainteresowaniem cieszą się trociny,
kt…re w postaci brykiet…w są jednak stosunkowo drogie. Wiadomo, że największym
źr…dłem zręb…w drzewnych, tzn. paliwa o w miarę jednorodnych właściwościach, jest
leśnictwo, aczkolwiek pozyskuje się je także z r…żnych zakład…w przemysłu drzewnego
(np.: tartak…w, celulozowni, stolarni itp.). Wyb…r optymalnego systemu pozyskiwania
zrębk…w leśnych ma charakter lokalny, albowiem stanowią o nim nie tylko względy natury
technicznej i ekonomicznej, ale także czynniki ekologiczne i społeczne. Niskie koszty
pozyskiwania, transportu, przygotowania oraz stosunkowo znaczne wartości opałowe
biomasy drzewnej, zależne przede wszystkim od jej pochodzenia, gatunku oraz
24
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
wilgotności, powodują, że – niezależnie od postaci – może być ona paliwem
poszukiwanym na rynku.
W elektrowniach lub elektrociepłowniach, odpady drzewne mogą być poddane
przemianom termicznym w komorach przedpaleniskowych wsp„łpracujących np. z
kotłami pyłowymi. Aczkolwiek udział tych odpad„w w bilansie paliwowym jest
stosunkowo niewielki, to jednak dają się zauważyć określone efekty ekonomiczne i
ekologiczne. Natomiast w warunkach lokalnych, na szczeblu gmin, odpady drzewne mogą
często odgrywać rolę podstawowego źr„dła energii, tym bardziej że paliwa drzewne można
także pozyskiwać z tzw. plantacji energetycznych (np.: wierzby, topoli bądź eukaliptusa),
ale problem ten wymaga jednak wnikliwych analiz biolog„w i gleboznawc„w.
Wydaje się, że stopniowa akceptacja powyżej wyspecyfikowanych działań przez
społeczności lokalne, a także przychylność dysponent„w funduszy ekologicznych i
konieczność racjonalizacji gospodarki energią, skłonią potencjalnych inwestor„w do
budowy lokalnych ciepłowni lub elektrociepłowni o niewielkich mocach (ok. 10-20MW)
opalanych odpadową biomasą drzewną. Faktem jest jednak, że sprawność funkcjonowania
takich system„w energetycznych jest zasadniczo uzależniona od stałych i pewnych źr„deł
pozyskiwania i dystrybucji paliwa, a w kraju w zasadzie nie rozwiązano jeszcze
problem„w związanych z uporządkowaniem i stabilizacją źr„deł biomasy jako paliwa.
Niepewne dostawy odpowiednich ilości paliwa drzewnego o odpowiedniej jakości to
czynnik istotnie hamujący rozw„j lokalnej energetyki cieplnej, kt„ra nie jest w stanie
zapewnić bezpieczeństwa energetycznego na poziomie lokalnym. Natomiast paliwa
konwencjonalne, mimo wysokich i na og„ł rosnących cen, są praktycznie dostępne w
każdej chwili („na telefon”). Sytuacja ta wymaga wdrożenia zintegrowanego systemu
paliwo-energetycznego w zakresie zagospodarowania odpad„w drzewnych, kt„rego
ważniejsze elementy to: określenie – metodą bilansu – rzeczywistych potrzeb i lokalnych
zasob„w energetycznych, rozeznanie ich relacji z og„lnokrajowym rynkiem paliwowym
oraz prawidłowy dob„r technologii wytwarzania energii cieplnej po możliwie niskiej cenie
za 1 GJ (tzn. analiza efektywności ekonomicznej produkcji ciepła). Istotnym czynnikiem
wpływającym na koszty wytwarzania energii jest umiejętne skojarzenie technologii
spalania z infrastrukturą ciepłowni. Istotna rolę w bezawaryjnie funkcjonującej ciepłowni
lub elektrociepłowni opalanej biomasą odgrywają rozwiązania system„w magazynowania
paliwa oraz podawania go do kotł„w (napaliwiania). W szczeg„lności dotyczy to
możliwości skutecznego oddziaływania na te parametry pracy kotła, kt„re mają zasadniczy
wpływ na kształtowanie się jego bilansu energetycznego. Wymiernym efektem stosownych
przedsięwzięć ma być przede wszystkim zmniejszenie zużycia paliwa. Na wytwarzanie
energii cieplnej po możliwie niskiej cenie za 1 GJ wpływa także spos„b rozliczania
koszt„w paliwa. System dokonywania opłat za paliwo, dostarczane do ciepłowni w postaci
odpad„w drzewnych (zręb„w, trocin itp.), opiera się najczęściej na ustaleniach z
dostawcami, dotyczących ceny jednego metra przestrzennego ( 1 mp ) paliwa. System ten,
choć prosty w realizacji, posiada wiele wad, kt…re niekorzystnie rzutują na ekonomikę
wytwarzania energii cieplnej w ciepłowni. Podstawową złą stroną tego sposobu rozliczeń
jest brak związku między ceną 1 mp zręb„w drzewnych a ich jakością, o kt„rej przede
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
25
wszystkim decyduje wilgotność, mająca kluczowy wpływ na wartość opałową, ale także
określone wymiary zręb„w i zawartość zanieczyszczeń. Decydujący wpływ na cenę
odpad„w drzewnych dostarczanych do ciepłowni bądź elektrociepłowni powinna więc
mieć ich wilgotność, ponieważ rozstrzyga ona o skali produkcji energii użytecznej
przeznaczonej do sprzedaży. Odstępstwa od zalecanych przez producenta wartości
opałowych w istotny spos„b wpływają bowiem na obciążenie cieplne kotła, kt„re z kolei
rzutuje na jego wydajność i sprawność, a więc i na spadek produkcji energii cieplnej oraz
wzrost koszt„w jej wytwarzania, o ile nie dysponuje się dodatkowym źr„dłem energii.
R„wnie ważnymi – jak wilgotność paliwa – czynnikami, wpływającymi na koszt produkcji
energii cieplnej, są parametry technologiczne, związane bezpośrednio z przebiegiem
procesu spalania w palenisku kotła. Należą do nich: temperatura powietrza dostarczanego
do komory spalania oraz jego ilość określana za pomocą wsp„łczynnika nadmiaru
powietrza. Parametry te są zasadniczo zależne od producenta kotła, dlatego też należy
zwracać baczną uwagę na ich wartości w trakcie formułowania zapytania ofertowego.
Duża konkurencyjność na rynku wytwarzania energii zmusza bowiem do wnikliwej
analizy koszt„w już na etapie przygotowywania założeń projektowych. Decyzja co do
wyboru technologii powinna więc mieć oparcie m.in. w rzetelnej analizie możliwości
przygotowania odpowiedniej ilości i jakości paliwa (biomasy drzewnej) oraz wpływu
temperatury powietrza dostarczanego do komory spalania oraz jego ilości (tzn.
wsp„łczynnika nadmiaru powietrza) na ekonomikę wytwarzania energii cieplnej w kotłach
rusztowych.
Zagadnienia te są przedmiotem prezentowanych poniżej analiz technicznoekonomicznych, w kt„rych rozważa się przebieg spalania odpad„w drzewnych w kotle
rusztowym o mocy około 5,8MW. W przeprowadzonej dyskusji kładzie się szczeg„lny
nacisk na uwypuklenie zależności między zmianami wartości takich podstawowych
parametr„w bilansowych, jak: wilgotność paliwa, wsp„łczynnik nadmiaru oraz
temperatura powietrza a bilansem energetycznym kotła rusztowego, a w szczeg„lności:
zmniejszeniem zużycia paliwa. Rzeczywistym obiektem obserwacji była gminna
ciepłownia o mocy około 12MW, całkowicie opalana odpadami drzewnymi, zlokalizowana
obok dużego kompleksu leśnego w wojew„dztwie podlaskim, w środowisku stosunkowo
dobrze rozwiniętego drobnego przetw„rstwa drzewnego. Problematyka wytwarzania
energii cieplnej w wyniku spalania biomasy, będącej przecież gł„wnym odnawialnym
źr„dłem energii nabiera szczeg„lnej wagi na obszarze „Zielonych Płuc Polski”, a więc w
regionie o wyjątkowych walorach przyrodniczych. Racjonalne wykorzystanie potencjału
przyrodniczego staje się tu bowiem jednym ze strategicznych cel„w formułowanych w
ramowych programach rozwoju [3].
2. Analiza procesu spalania odpad€w drzewnych w kotle rusztowym
Analizę procesu spalania rozdrobnionych odpad„w drzewnych (zręb„w, trocin)
demonstruje się na przykładzie kotła wodnego (rys. 2.1) z ruchomym rusztem
schodkowym i tr„jciągową komorą konwekcyjną, w kt„rej zainstalowane są powierzchnie
ogrzewalne. Stanowi je płaszcz wodny, okalający g„rną część kotła, połączony z wodno–
26
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
rurkowym wymiennikiem ciepła. Rozważa się typowy kocioł przystosowany do spalania
rozdrobnionych paliw drzewnych, tj. zręb„w i trocin. Paliwo podawane jest na ruszt przez
przenośnik ślimakowy napędzany za pomocą motoreduktora, kt„ry napędza także ruszt
schodkowy. Ruchy rusztowin powodują, że paliwo, przesypujące się w d„ł rusztu,
przewraca się, dzięki czemu uzyskuje się dobre wymieszanie go z powietrzem, co
poprawia jakość spalania. Szybkość poruszania się rusztowin jest zsynchronizowana z
ilością podawanego paliwa. Powietrze pierwotne dostarczane jest od spodu rusztu,
natomiast powietrze wt„rne dostarcza się do g„rnej części kotła w celu spalenia związk„w
lotnych uwolnionych z paliwa. Powstałe spaliny przepływają do części konwekcyjnej kotła,
w kt„rej przekazują ciepło powierzchniom ogrzewalnym, podgrzewającym wodę
przepływającą przez kocioł.
Rys. 2.1. Schemat kotła typu BI-5.0: 1 - powietrze pierwotne, 2 - powietrze wt„rne, 3 woda gorąca, 4 - powierzchnie ogrzewalne, 5 - woda zasilająca, 6 - sonda spalin, 7 wentylator spalin, 8 – spaliny, 9 - przenośnik ślimakowy popiołu, 10 - ruszt kotła, 11 przenośnik ślimakowy paliwa, A1, A2, A3, A4, A5 – strumienie powietrza
Dla zapewnienia właściwego przebiegu procesu spalania rozdziela się dostarczane do kotła
powietrze na dwa zasadnicze strumienie (rysunek 2.1): powietrze pierwotne i wt„rne.
Strumień powietrza pierwotnego rozgałęzia się zaś na: powietrze (A1) doprowadzane pod
ruszt, tzw. powietrze zasilające (A2) i powietrze pierwotne paleniska (A3). Natomiast
powietrze wt„rne, doprowadzane nad palenisko, rozdziela się na strumień powietrza
wt„rnego kierowany nad ruszt i strumień powietrza komory wt„rnej. Powietrze (pierwotne
i wt„rne) jest dostarczane do kotła za pomocą promieniowych wentylator„w powietrza,
kt„re zasysają powietrze z przestrzeni nad kotłem za pomocą specjalnych czerpni i tłoczą
je rurami stalowymi do kotła. Kotły rusztowe opalane rozdrobnionym paliwem drzewnym
stanowią najliczniejszą grupę kotł„w zainstalowanych w ciepłowniach na biomasę. R„żnią
się one od kotł„w węglowych m.in. tym, że posiadają znacznie większą objętość komory
spalania oraz większą powierzchnię rusztu, kt„ry ma konstrukcję schodkową. Wynika to
między innymi z faktu, że odpady drzewne charakteryzują się dużą zawartością związk„w
lotnych (sięgającą 85%), będących gazami organicznymi, kt„re uwalniają się w czasie
ogrzewania paliwa (rozkładu substancji palnych zawartych w paliwie) i unoszą nad
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
27
warstwę paliwa. Duży udział w tych związkach mają gazy kondensujące, kt„re koncentrują
się gł„wnie na końcach płomienia, gdzie podlegają rozkładowi termicznemu, a więc
konieczne staje się stosowanie kom„r spalania o znacznej objętości. Kotły takie są
oferowane przez wielu producent„w, w tym także krajowych.
2.1.Przebieg procesu spalania odpad€w drzewnych
Na przebieg procesu spalania drewna w postaci rozdrobnionych odpad…w
drzewnych składa się wiele zjawisk fizycznych, fizykochemicznych i chemicznych, kt…re
występują r…wnocześnie lub w pewnej sekwencji na granicy ziarna i gazu [4], [5]. W
zjawiskach tych można wyodrębnić następujące procesy składowe (rys. 2.3):
0
 nagrzewanie i suszenie ( t  60  100 C ) w celu odparowania wilgoci z powierzchni
i wnętrza drewna, przy czym: (a).szybkość suszenia zależy od temperatury w komorze
spalania i szybkości nagrzewania paliwa; (b).duża wilgotność paliwa powoduje
absorpcję znacznej ilości ciepła na odparowanie wilgoci;
 odgazowanie ( t  300  400 0 C ), czyli rozkład termiczny drewna połączony z
uwalnianiem: związk„w lotnych (zawierających przede wszystkim: CO, CO2 , CH4 ,
C2 H4 , C2 H6 , H2 ), składnik„w ciekłych (wody, metanolu, kwasu octowego, aldehydu
octowego i smoły) oraz pozostałości stałej (węgla drzewnego, składającego się z
pierwiastka węgla, części mineralnych i nieodgazowanych węglowodor„w), przy
czym: (a).stopień odgazowania zależy od: temperatury w komorze spalania, szybkości
nagrzewania paliwa i udziału tlenu; (b).im wyższa temperatura i im łatwiejszy dostęp
powietrza tym większa ilość uwalnianych związk„w lotnych; (c).w niskiej
temperaturze i przy niedoborze tlenu powstaje mniej związk„w lotnych, a więcej
koksu (węgla drzewnego);
Nagrzewanie
i suszenie
Zapłon
związk€w
lotnych
Spalanie
związk€w
lotnych
Zapłon
węgla
drzewnego
Spalanie
węgla
drzewnego
Odgazowanie
Powstawanie
i chłodzenie
popiołu
Rys. 2.2 Procesy składowe spalania odpad„w drzewnych

zapłon mieszanki gazowo-powietrznej, zapłon produkt„w ciekłych, zapłon ziarna
0
paliwa stałego ( t  400  600 C );
28
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
0

spalanie ( t  700  1500 C ): (a).związk„w lotnych (proces homogeniczny
przebiegający nad paleniskiem); (b).pozostałości koksowej (proces heterogeniczny na
powierzchni węgla drzewnego obejmujący: utlenianie pierwiastka węgla, redukcję
dwutlenku węgla oraz utlenianie tlenku węgla i wodoru);

chłodzenie
popiołu
( t  1500 C  temperatura
otoczenia),
będącego
pozostałością po spaleniu węgla drzewnego i zawierającego: związki mineralne,
zanieczyszczenia oraz nie utleniony węgiel drzewny, przy czym: (a).mała zawartość
takich pierwiastk„w, jak sodu i potasu, odpowiedzialnych za mięknięcie popiołu,
powoduje, iż popi„ł jest w zasadzie usuwany w stanie sypkim, a tylko jego niewielka
część odpływa wraz ze spalinami (popi„ł lotny); (b).czynnikiem chłodzącym popi„ł
przed usunięciem go z kotła jest najczęściej powietrze spalania.
0
Składowe procesy fizykochemiczne w ziarnach, zachodzące podczas procesu spalania, to:
odparowanie wody z ich materiału, dyfuzja tlenu w kierunku powierzchni, dyfuzja
produkt„w utleniania od powierzchni do gazu, wymiana ciepła między gazem a ziarnem,
wydzielanie ciepła podczas reakcji chemicznych. Natomiast podstawowe procesy
chemiczne, to: termiczny rozkład węglowodor„w i uwolnienie części lotnych (piroliza),
utlenianie pozostałości po pirolizie w postaci węgla drzewnego (karbonizatu), redukcja
dwutlenku węgla do tlenku węgla, utlenianie produkt„w gazowych, w tym tlenku węgla.
W przypadku paliw stałych o dużej zawartości wilgoci pojawiają się poważne trudności
związane z ustaleniem jednoznacznych kryteri„w autotermicznego i stabilnego spalania.
Określając warunki autotermicznego spalania można oprzeć się na charakterystyce paliwa
zawartej we wsp„łrzędnych tr„jkąta Tannera [6], a mianowicie: zawartości substancji
mineralnych w paliwie, zawartości substancji palnych i wilgotności. Taka analiza jest
szczeg„lnie przydatna przy spalaniu paliw odpadowych, dla kt„rych trudno jest a priori
określić warunki spalania, np. osad„w ściekowych bądź odpad„w innych niż drzewne. W
prezentowanej analizie efektywności spalania odpad„w drzewnych procedura ta została
pominięta ze względu na jednorodny skład paliwa. Zagadnienie to może być przedmiotem
szczeg„łowej analizy w przypadku wsp„łspalania np. węgla z odpadami drzewnymi i inną
biomasą.
2.2.Tok analizy technicznej procesu spalania w kotle rusztowym
Poniższa analiza techniczna obejmuje proces spalania biomasy w postaci odpad„w
(zręb„w) drzewnych w palenisku typowego kotła wodnego z rusztem schodkowym.
Zasadniczym celem obliczeń jest weryfikacja proponowanej procedury postępowania, w
kt„rej punktem wyjścia są rzeczywiste parametry pracy kotła. Na rysunku 2.3
przedstawiono jego schemat ukierunkowany na ilustrację konstrukcji r„wnań bilansowych.
W tabeli 2.1 zestawiono zaś wartości liczbowe określonych parametr„w eksploatacyjnych,
kt„re pozyskano w efekcie pomiar„w przeprowadzonych w ciepłowni. Zawartość wodoru i
popiołu w paliwie są wielkościami zapożyczonymi z og„lnie dostępnej literatury.
Analogicznie jest w przypadku gęstości powietrza i spalin. Dane te wykorzystuje się w
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
29
formułowanych tu r„wnaniach. Proces spalania zręb„w drzewnych opisuje się
następującymi r„wnaniami bilansu masy i energii kotła:
B p  m pow  m 2  m 1  m pop  m sp
(2.1)
B p  Q rj  m pow  i pow  m 2  i2  m 1  i1  m pop  i pop  m sp  isp  Q ot ,
(2.2)
kt…re uzupełnia się szeregiem dodatkowych zależności, wiążących wielkości fizyczne
istotne dla przebiegu badanego zjawiska, w tym r…wnaniami stechiometrycznymi procesu
spalania [4], [5], [7], [8]. Zależności te i procedurę obliczeń przy zadanych wartościach
liczbowych parametr…w eksploatacyjnych wyspecyfikowanych w tabeli 2.1, w kt…rej
r…wnanie (2) służy do weryfikacji bilansu energetycznego kotła, przedstawiono w tabeli
2.2. Przedkładany tok postępowania może stanowić punkt wyjścia do szczeg…łowej analizy
techniczno-ekonomicznej rozważanego kotła rusztowego, ukierunkowanej na ocenę jego
ekonomiki w zależności od wartości poszczeg…lnych parametr…w eksploatacyjnych.
Tabela 2.1 Zestawienie zadanych wartości parametr…w eksploatacyjnych
Wielkość
Wartość opałowa suchej masy zręb…w
Paliwo
Spaliny
Q
r
j,s
Jednostka
Wartość
MJ / kg
19,6
%
50
%
1,0
%
6,2
-
1,25
Zawartość wodoru w paliwie
Wr
Ar
Hr
Wsp…łczynnik nadmiaru powietrza

Temperatura powietrza spalania
t pow
Gęstość powietrza spalania
 pow
kg / m
Entalpia właściwa powietrza spalania
i pow
kJ / kg
55
Wilgotność względna powietrza
 pow
%
60
Temperatura spalin wilgotnych
t sp
Gęstość spalin wilgotnych
Wilgotność zręb…w
Zawartość popiołu w paliwie
Powietrze
Symbol
0
0
25
C
3
1,176
C
250
 sp
kg / m 3
1,235
Ciepło właściwe spalin wilgotnych
csp
kJ /(kg  K )
1,150
Maksymalna zawartość CO2 w
spalinach
CO2 ,max
%
20,5
Zawartość tlenku węgla w spalinach
CO
%
0,55
30
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
Entalpia właściwa gorącego popiołu
i pop
Zawartość części palnych w popiele
Cp
Popi…ł
Temperatura wody gorącej
Woda
Temperatura wody zasilającej
Ciepło właściwe wody
Moc nominalna kotła
Kocioł
Strumień ciepła tracony do otoczenia
924
%
20,0
0
t1
t2
cw
Q
C
0
C
kJ /(kg  K )
4,1868
kW
5815
Q b
Q
kW
7268
kW
218
n
Moc paleniska kotła
kJ / kg
ot
130
90
Tabela 2.2. Tok analizy technicznej procesu spalania odpad…w drzewnych w kotle
rusztowym
Wielkość
Wartość opałowa
zręb„w
drzewnych
Teoretyczne
zapotrzebowanie
powietrza
spalania
Rzeczywiste
zapotrzebowanie
powietrza
spalania
Objętościowe
natężenie
przepływu
powietrza
spalania
Masowe
natężenie
przepływu
powietrza
spalania
Wz…r
 100  W r
Q rj , s  
 100
0, 2412 
Q
r
j
 2, 442  W r
 
100

 2303
1000
Symbol
 A
r
Sc  Q
22,4


12  0,21 3383 10 3
Wartość
kJ / kg 8,58  10 3

6

196
r
j
Q rj
Miano
t
V pow
m 3 / kg
2,627
m 3 / kg
3,284
t
  V pow
rz
V pow
rz
B p  V pow
rz
Vpow
m3 / s
2,782
rz
 pow Vpow
m pow
kg / s
3,272
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
A
Strumień
masowy popiołu
Wydatek masowy
wody gorącej
Wydatek masowy
wody zasilającej
Entalpia
właściwa wody
gorącej
Entalpia
właściwa wody
zasilającej
Masowe
natężenie
przepływu spalin
wilgotnych
Objętościowe
natężenie
przepływu spalin
wilgotnych
Rzeczywista
objętość spalin
wilgotnych
Teoretyczna
objętość spalin
wilgotnych
Teoretyczna
objętość pary
wodnej
w spalinach
Rzeczywista
objętość pary
wodnej
w spalinach
Rzeczywista
objętość spalin
suchych
Teoretyczna
objętość spalin
suchych
100  B p
 Cp 
1 

 100 
Q
31
r
m pop
kg / s
0,0106
m 1
kg / s
34,72
2
m
kg / s
34,72
cw  t1
i1
kJ / kg
544,3
cw  t 2
i2
kJ / kg
376,8
B p  m pow  m 2  m 1  m pop  m sp
m sp
kg / s
4,109
Vsp
m3 / s
3,328
Vsprz
m 3 / kg
3,928
t
Vsprz    1  V pow
Vspt
m 3 / kg
3,271
t
0,111H r  0,0124W r  0,0161V pow
Vwt
m 3 / kg
1,330
t
Vwt    1  0,0161  V pow
Vw
m 3 / kg
1,341
Vsprz  Vw
Vssrz
m 3 / kg
2,587
t
Vssrz    1  V pow
Vsst
m 3 / kg
1,930
d
c w  (t1  t 2 )
Q
d
c w  (t1  t 2 )
m sp
 sp
Vsp
Bp
32
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
Entalpia
właściwa spalin
wilgotnych
t sp  csp
isp
kJ / kg
287,5
Procentowa
wartość straty do
otoczenia
Q ot
100
B p  Q rj
S ot
%
3,0
Strata wylotowa
m sp  isp  m pow  i pow
Q wyl
 100
B p  Q rj
Q wyl
kW
1001,4
S wyl
%
13,8
m pop  C p  33829
Q c
kW
71,7
Q c
100
B p  Q rj
Sc
%
0,99
Vssrz 12644  CO 
Q rj
Sz
%
2,10
Q z
kW
152,7
Q pop
kW
9,79
S pop
%
0,135
Q str
kW
1453,6
S str
%
20,00
k
%
80,00
Procentowa
wartość straty
wylotowej
Strata
niecałkowitego
spalania
Procentowa
wartość straty
niecałkowitego
spalania
Procentowa
wartość straty
niezupełnego
spalania
Strata
niezupełnego
spalania
Strata gorącego
popiołu
100
B p  Q rj  S z
100
m pop  i pop
Q pop
Procentowa
wartość straty
gorącego popiołu
Suma strat
cieplnych kotła
Procentowa
wartość strat
cieplnych kotła
Sprawność kotła
Q wyl
100
B p  Q rj
 Q c  Q z  Q pop  Q ot
Q str
100
B p  Q rj


1  Qstr r
 Bp Q j


 100


Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
Woda gorąca
Woda zasilająca
m 1 , t1 , i1
Powietrze
 2 , t 2 , i2
m
m pow , t pow , i pow
m sp , t sp , isp
Typowy kocioł wodny
Paliwo
Bp , Q
33
Spaliny
r
j
 pop , t pop , i pop
m
Popi…ł
Rys. 2.3. Schemat typowego kotła wodnego
Dodajmy tu, że operuje się jedynie bezwzględnymi ilościami ciepeł (tzn. abstrahuje się od
ich znaku ustalanego w termodynamice technicznej). Ponadto, zakłada się, że chwilowa
moc cieplna kotła Qd jest r…wna jego mocy nominalnej Qn . W przypadku obliczeń
optymalizacyjnych należy jeszcze uwzględnić ograniczenia odnośnie wartości:
(a).temperatury
wody
zasilającej
i
wody
gorącej:
t1 ( p1 , i1 )  t1max
i
t 2 min  t 2 ( p 2 , i2 )  t 2 max , gdzie: p1 – ciśnienie wody gorącej, p 2 – ciśnienie wody
zasilającej; (b).ciśnienia wody zasilającej i wody gorącej: p1  ps (i1 )  p1 zn i
p2  p2 max , gdzie p1 zn - znamionowe straty ciśnienia; (c).mocy cieplnej kotła:
Q
 Q  Q
.
d max
d
d min
3.Ekonomika spalania odpad€w drzewnych
Zasadniczymi parametrami, kt„re rozstrzygają o efektywności pracy kotła, a więc o
ekonomice spalania zręb„w drzewnych w palenisku kotła rusztowego, są: wilgotność
r
odpad„w W , wsp„łczynnik nadmiaru

i temperatura t pow powietrza doprowadzanego
do komory spalania. Nie bez wpływu jest także rozdrobnienie zręb…w, zawartość związk…w
lotnych oraz zawartość i skład chemiczny popiołu (tzn. rodzaj i gatunek odpad…w
drzewnych). Rysunek 4 do 8 ilustrują wyniki uzyskane na podstawie powyżej om…wionej
procedury obliczeń. Ze wzrostem wilgotności W
r
zręb„w drzewnych maleje ich wartość
r
j
opałowa Q (rysunek 3.1), albowiem część ciepła, wywiązującego się podczas spalania
wilgotnego paliwa, jest zużywana na odparowanie zawartej w nim wilgoci. Ze wzrostem
wilgotności paliwa W
r
 (rysunek 3.2), rośnie zużycie
maleje więc moc cieplna kotła Q
d
34
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
paliwa B p (rys. 3.3) i rosną straty ciepła, a więc sprawność kotła
k
ulega znacznemu
obniżeniu (rysunek 3.4). Oznacza to, że ma się w…wczas do czynienia ze wzrostem kosztu
produkcji 1 GJ energii cieplnej K GJ (rysunek 3.5), a więc przedmiotowe
przedsięwzięcie wymaga coraz to większych nakład„w finansowych. Natomiast na
rysunku 3.6 do rysunku 3.8 demonstruje się potencjalne zyski możliwe do osiągnięcia
przez ciepłownię w przypadku kondycjonowania paliwa pozyskiwanego od dostawc„w, co
powinno mieć miejsce w racjonalnej gospodarce paliwo-energetycznej. Wyb„r technologii
kondycjonowania musi być jednak poprzedzony rzetelną kalkulacją ekonomiczną,
albowiem decyduje ona o faktycznych korzyściach finansowych, kt„re są mniejsze od
wskaźnik„w ekonomicznych przedstawionych na rysunku 3.6 do rysunku 3.8 o koszty
kondycjonowania zręb„w. Ze spadkiem wilgotności W
r
odpad…w drzewnych maleje
objętość paliwa V f  B p /  n zużywanego przez kocioł w jednostce czasu, gdzie
n
–
średnia gęstość nasypowa zręb…w wyrażona w kg / mp . W związku z tym, że aktualnie w
r
ciepłowniach są powszechnie stosowane odpady drzewne o wilgotności W  50% , to
można wprowadzić wskaźnik ekonomiczny określany mianem procentowej oszczędności
paliwa i dany wzorem:


V f (W r )

 100% ,
O f (W )  1 
 V (W r  50%) 
f


r
(3.1)
r
kt…rego przebieg w funkcji wilgotności W pokazano na rysunku 3.6. Ilość zręb„w
zaoszczędzonych w ciągu roku V f , z można także wyrazić w metrach przestrzennych
( mp / a ), przy czym
V f , z (W r )  B p ,a (W r  50%)  B p,a (W r ) ,
(3.2)
gdzie B p ,a jest rocznym zużyciem paliwa przez kocioł. Zależność tę zilustrowano
graficznie na rysunku 3.7. Jeśli przyjąć, że średnia cena zakupu 1 mp odpad…w
drzewnych wynosi P [ PLN / mp ] , to zysk roczny Z a [ PLN / a] , wynikający z
r
r
kondycjonowania zręb„w, wyniesie Z a (W )  P  V f , z (W ) . Przy konstrukcji rysunku
3.8 przyjęto, że P  15,0 PLN / mp .
Zapewnienie możliwie dużej powierzchni kontaktu między paliwem i omywającym je
powietrzem, a więc r…wnomiernego i intensywnego spalania, wymaga rozdrobnienia
zręb…w drzewnych. Niedokładne wymieszanie cząstek odpad…w drzewnych z powietrzem
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
35
spalania oraz niedoskonałość paleniska sprawiają jednak, że niezbędne jest dostarczanie
do kotła większej ilości powietrza niż to wynika ze stechiometrii procesu spalania.
Optymalna wartość wsp„łczynnika nadmiaru powietrza  dla rozważanego kotła mieści
się w przedziale od 1,20 do 1,30 [9, 10], albowiem wtedy sprawność kotła  k jest
najwyższa. Zbyt mała wartość tego wsp…łczynnika powoduje, że spalanie staje się
niezupełne i niecałkowite, a więc pojawiają się straty niezupełnego i niecałkowitego
spalania. Nadmiar powietrza nie może być r…wnież zbyt duży, gdyż wraz ze wzrostem λ
spada temperatura spalania w komorze paleniskowej, a więc zwiększa się strata wylotowa
(odlotowa) S wyl kotła. Rysunek 3.9 do rysunku 3.12 ilustrują wpływ wsp„łczynnika
nadmiaru powietrza

 kotła przy zużyciu paliwa
na: (a).chwilową moc cieplną Q
d
Q d [MW ]
 MJ 
 kg 
 
Q rj
6.5
15
6
5.5
5
10
4.5
0
10
20
30
40
50
r
60
0
W r %
r
r
Rys. 3.1 Q j  Q j (W )
10
20
30
40
50
60 W r % 
  Q (W r )
Rys. 3.2 Q
d
d
36
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
k
B p [t / h]
0.84
4
3.5
0.80
3
2.5
0.76
2
0
0
10
20
30
40
50
10
30
40
50
 
60 W r %
60 W r %
r
Rys. 3.3 B p  B p (W )
Rys. 3.4
 k   k (W r )
O f [%]
 PLN 


 GJ 
KGJ
20
11.6
15
12.5
11
10
7.5
10
5
2.5
9.4
0
10
20
30
40
50
60
W r %
r
Rys. 3.5 K GJ  K GJ (W )
0
10
20
30
40
50
60 W r %
r
Rys. 3.6 O f  O f (W )
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
 mp 
 a 
Of ,z
37
 PLN 


 a 
Za
4500
6Œ104
3000
4Œ104
1500
2Œ104
0
10
20
30
40
50
60
W r %
0
r
20
30
40
50
60 W
r
r
Rys. 3.7 V f , z  V f , z (W )
Q d [MW ]
10
Rys. 3.8 Z a  Z a (W )
Bp [%]
6.0
24
20
5.5
16
12
5.0
8
4
4.5
1
2
3
  Q ( )
Rys. 3.9 Q
d
d

1
2
3

Rys. 3.10 B p  B p ( )
% 
38
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
k [%]
 PLN
 GJ 
KGJ
80
13
75
12
70
11
10.5
65
1
2

3
1
Rys. 3.11
 k   k ( )
3

Rys. 3.12 K GJ  K GJ ( )
%
k
2
KGJ
K
 PLN


 GJ 
10.5
85
10.0
80
0
25
50
Rys. 3.13
75
100 125
150
o
t pow C
 
k  k (t pow )
9.7
0
25
50
75 100 125 150t powoC
Rys. 3.14 K GJ  K GJ (t pow )
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
39
B p  3050 kg / h , tzn. jak w warunkach nominalnych (rysunek 3.9); (b).procentowy
wzrost zużycia zręb…w B p (rysunek 3.10) dany wzorem
B p 
Bp ,n ( )  B p ,n (  1,25)
B p ,n (  1,25)
100% ,
(3.3)
w kt…rym B p ,n ( ) oznacza zużycie odpad„w drzewnych niezbędne do utrzymania mocy
  Q  5815 kW ; (c).sprawność kotła
cieplnej kotła na poziomie Q
d
n
k
(rysunek
3.11); (d).koszt wytwarzania 1 GJ energii cieplnej K GJ (rysunek 3.12). Przedstawione
r
wyniki otrzymano przy założeniu, że wilgotność zręb…w W  50% . Ich analiza
prowadzi do wniosku, że ze wzrostem  ma się do czynienia z wyraźnym wzrostem
zużycia paliwa B p ,n , widocznym spadkiem sprawności kotła  k i wymownym wzrostem
kosztu produkcji 1 GJ
energii cieplnej K GJ . Ponadto, kocioł nie osiąga mocy
nominalnej Qn przy zużyciu paliwa B p ,n (  1,25)  B p ,n (  1,25) . Fakt ten
świadczy o tym, jak istotną kwestią jest zapewnienie przebiegu spalania z właściwą
wartością  . Jednak w wielu ciepłowniach realizuje się ten proces z wartością
wsp„łczynnika nadmiaru powietrza znacznie większą od wartości optymalnej, a to w celu
zabezpieczenia się przed wystąpieniem niezupełnego i niecałkowitego spalania.
Ekonomikę spalania odpad„w drzewnych w kotle rusztowym badano także w zależności
od temperatury powietrza t pow doprowadzanego do komory spalania z przestrzeni nad
kotłem dzięki specjalnym czerpniom podłączonym do wentylator…w powietrza. W takim
0
przypadku ma ono temperaturę około 25  30 C . Przed wprowadzeniem do kotła,
powietrze może być podgrzewane w podgrzewaczach powietrza. W przypadku badanego
0
kotła, w kt„rym nominalna temperatura spalin wylotowych wynosi 250 C , możliwe jest
bowiem zainstalowanie podgrzewacza w kanale spalinowym. Wiąże się to jednak ze
zwiększeniem mocy wentylator„w spalin. Tytułem przykładu, na rysunku 3.13 i rysunku
3.14 zaprezentowano wpływ temperatury powietrza spalania t pow na sprawność kotła
(rysunek 3.13) i koszt wytwarzania 1 GJ energii cieplnej K GJ . Podgrzanie powietrza
przed dostarczeniem go do strefy spalania wyraźnie polepsza bilans energetyczny kotła, co
w ostatecznym efekcie daje zmniejszenie zużycia paliwa B p , albowiem na skutek wzrostu
entalpii właściwej i pow powietrza wyraźnie rośnie sprawność kotła
k .
Jednak
przeprowadzając czynności modernizacyjne, zmierzające do podwyższenia temperatury
40
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
t pow , należy roztropnie dobierać stosowne źr„dło ciepła. Proces ten powinien bowiem
odbywać się bez uszczerbku dla bilansu energetycznego kotła.
4. Podsumowanie
W niniejszej pracy dokonano analizy efektywności pracy typowego kotła rusztowego
opalanego zrębami i trocinami drzewnymi, przy czym w zależności od: wilgotności paliwa
W r , wsp„łczynnika nadmiaru  oraz temperatury t pow powietrza doprowadzanego do
komory spalania. Uzyskano zadawalającą zgodność wynik…w obliczeń z rzeczywistymi
wartościami parametr…w pracy kotła zainstalowanego w jednej z ciepłowni miejskich.
W oparciu o przedstawioną analizę można stwierdzić, że cena zakupu paliwa – w
odniesieniu do koszt…w wytworzenia 1 GJ energii cieplnej – ściśle zależy od jego
wilgotności. Każda dostawa zręb…w drzewnych, określana w metrach przestrzennych lub
w tonach, powinna więc być przeliczana na jednostkę ciepła, jaką można wyprodukować z
dostarczonego paliwa. Pobieranie pr…bek z poszczeg…lnych dostaw byłoby jednak
uciążliwe. Ciepłownie lub elektrociepłownie powinny więc szacować wartość opałową w
spos…b przybliżony, jednak na tyle dokładny, aby nie ponosić z tego tytułu zbyt dużych
strat.
Istotny wpływ na ekonomikę spalania odpad…w drzewnych wywiera wsp…łczynnik
nadmiaru  oraz temperatura t pow powietrza. Zmniejszanie  , jak wykazują obliczenia,
powoduje mniejsze zużycie paliwa w przeliczeniu na 1 GJ wyprodukowanej energii oraz
wzrost sprawności kotła  k . Należy jednak pamiętać, że trudno jest osiągnąć
stechiometryczną r„wnowagę procesu spalania, dlatego też istnieje minimalna wartość
wsp„łczynnika nadmiaru  dla paliwa o określonych właściwościach i dla określonej
konstrukcji kotła. Tak więc ocena efektywności w zależności od tej wielkości pozwala
por„wnać poziom rozwiązań konstrukcyjnych oraz dowieść, że jeśli np.   3 , to koszty
wytwarzania energii cieplnej są nadmiernie wysokie, albowiem ma się do czynienia ze
znacznym obniżeniem sprawności kotła  k . Trudno jest jednak oczekiwać aprobaty rynku
dla tego typu propozycji. Ważną rolę w doborze optymalnej wartości  dla określonych
warunk„w pracy paleniska odgrywa zastosowany system pomiarowy sprzężony z
systemem sterującym pracą kotła. Od wielu lat, w celu optymalizacji procesu spalania,
powszechnie stosuje się pomiar udziału tlenu w spalinach wylotowych. Okazało się, że
proces może przebiegać bardziej efektywnie, jeśli dodatkowo – obok pomiaru udziału tlenu
– odbierane są sygnały pomiarowe CO [11]. Dobre rezultaty daje także prowadzenie
ciągłego monitoringu części palnych w popiele lotnym [10]. Zastosowanie tych metod
kontroli procesu umożliwia dob„r najkorzystniejszego stosunku nadmiaru powietrza w
r„żnych warunkach pracy, ograniczając przy tym do minimum stratę wylotową
Q wyl .Istotne zmniejszenie wsp…łczynnika nadmiaru powietrza  < 1 ma miejsce w
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
41
przypadku realizacji procesu zgazowania odpadowej biomasy drzewnej. W tym przypadku
w pierwszym etapie procesu np. w pierwszym stopniu komory przedpaleniskowej
następuje zgazowanie biomasy. Produktami procesu jest popi…ł (a nie żużel jak w
przypadku spalania) oraz gaz syntezowy o wartości opałowej około 4-5 MJ/kg. Powstały
gaz spalany jest w drugim stopniu przedpaleniska w tzw. komorze dopalającej. Ciepło z
procesu odzyskiwane jest w oddzielnym wymienniku sprzężonym z przedpaleniskiem w
tzw. kotle odzysknicowym.
Temperatura powietrza dostarczanego do komory spalania ściśle zależy od konstrukcji
systemu dystrybucji powietrza pierwotnego i wt…rnego w kotle. Możliwie wysoka
temperatura przyczynia się do wzrostu sprawności kotła, albowiem wpływa na
zmniejszenie zużycia paliwa, co z kolei powoduje obniżenie koszt…w produkcji ciepła.
Należy jednak zweryfikować procedury bilansowe dla kotła, ponieważ powietrze może być
podgrzewane przez źr…dło ciepła bezpośrednio związane z kotłem. Najczęściej spotyka się
bowiem rozwiązanie, w kt…rym podgrzew powietrza jest realizowany w kanałach
spalinowych. Istotne dla procesu spalania jest umiejętne dozowanie powietrza (tzw.
stopniowanie) do r…żnych stref procesu. Zabieg ten w gł…wnej mierze wpływa na
prowadzenie procesu w strefie spalania (strefa egzotermiczna) w warunkach bardzo
zbliżonych do stechiometrycznych. Natomiast możliwie wysoka temperatura
dostarczanego powietrza do strefy suszenia, pirolizy i gazyfikacji wyraźnie usprawnia
przebieg tych proces…w jako endotermicznych. W takim przypadku, oszacowanie
efektywności procesu wymaga jednak weryfikacji eksperymentalnej, w kt…rej określa się
wpływ zar…wno temperatury t pow jak i wsp„łczynnika nadmiaru  powietrza.
Istotny wpływ na koszt wytworzenia jednostki energii cieplnej, szacowany na kolektorze
odbiorczym, ma organizacja pracy ciepłowni i wsp…łpracujących z nią jednostek. Nowe
technologie związane z pozyskiwaniem odpad…w drzewnych, ich transportem,
magazynowaniem itp. znacznie obniżają koszty produkcji ciepła. W niniejszym
opracowaniu nie przedstawiono jednak analizy pracy kotła w zakresie polepszania
warunk…w spalania poprzez zmianę temperatury oraz stopniowanie powietrza
dostarczanego do r…żnych stref procesu spalania. Nie przedstawiono także istotnego dla
bilansu kotła wpływu temperatury spalin wylotowych na koszty wytwarzania energii
cieplnej. Natomiast spos…b postępowania przedstawiony w niniejszej pracy pozwala – z
wystarczającym przybliżeniem – na dokonanie wstępnej oceny efektywności wytwarzania
energii cieplnej w kotłach oraz – co jest bardzo istotne – na por…wnanie i weryfikację
parametr…w pracy kotł…w oferowanych przez r…żnych producent…w. Opisana procedura
może być r…wnież pomocna na etapie formułowania zapytań ofertowych.
Przedstawiona analiza technologiczno - ekonomiczna może być uzupełniona o dodatkową
kalkulację, w kt…rej uwzględni się wyliczenia wpływu na koszt produkcji 1 GJ ciepła
wszystkich przedstawionych w pracy parametr…w technologicznych jednocześnie. Należy
się spodziewać, że w takim przypadku koszt eksploatacji ciepłowni jeszcze zostanie
pomniejszony. Pomniejszenie koszt…w może nastąpić r…wnież w…wczas gdy ewentualne
nadwyżki wyprodukowanego ciepła zostaną zmagazynowane w zasobniku ciepła.
Rozładowanie zasobnika nastąpi w okresach szczytowego dobowego obciążenia. Procedura
42
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
magazynowania ciepła jest szczeg„lnie uzasadniona w przypadku np. wspomagania
spalania biomasy drzewnej paliwem konwencjonalnym.
Literatura
[1] Wilk R, Wandrasz A.J.: Wsp…łspalanie węgla i paliw z odpad…w – badania
eksperymentalne. Paliwa z odpad…w, Tom III, Praca zbiorowa pod redakcja J.W.
Wandrasza i J. Nadziakiewicza, Wydawnictwo „Helion” Gliwice 2001, s. 17 – 25.
[2] Nikodem W.: Biomasa odpadem paliwowym dla energetyki lokalnej i zawodowej.
Paliwa z odpad…w, Tom IV, Praca zbiorowa pod redakcją J.W. Wandrasza i K.
Pikonia, Wydawnictwo „Helion” Gliwice 2003, s. 61 – 71.
[3] Malzahn E.: Zagadnienia ochrony środowiska w regionach przyrodniczo cennych,
VIII
Międzynarodowa
Konferencja
Naukowo-Techniczna
„Termiczne
unieszkodliwianie odpad…w. Procesy termiczne w gospodarce odpadami w regionach
przyrodniczo-cennych”, 15-18 września (2004), Hajn…wka, Praca zbiorowa pod
redakcją J. W. Wandrasza Polskie Zrzeszenie Inżynier…w i Technik…w Sanitarnych,
Oddział Wielkopolski, Poznań, 2004, s.7-20.
[4] Nadziakiewicz J.: Spalanie stałych substancji odpadowych, Wydawnictwo Gnome,
Katowice, 2001.
[5] Kordylewski W.: Spalanie i paliwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław, 2001.
[6] Wandrasz J.W., Zieliński J.: Procesy fluidalne utylizacji odpad…w, Ossolineum,
Wrocław, 1984.
[7] Pomiary cieplne. Część I i II, Praca zbiorowa pod redakcją T. Fodemskiego, WNT,
Warszawa, 1995.
[8] Radwański E., Skowroński P., Twarowski A.: Problemy modelowania system…w
energetycznych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993.
[9] Laudyn D., Strzelczyk F.: Elektrownie, WNT, Warszawa, 1990.
[10] Pronobis M.: Modernizacja kotł…w energetycznych, WNT, Warszawa, 2002.
[11] Bettles N.D., Stuart D.D.: Rola pomiar…w CO w optymalizacji proces…w spalania,
Materiały informacyjne firmy LAND Combustion, www landist .pl/ products/
produkts/html.

Podobne dokumenty