BIULETYN WDROśEŃ - Czystsza Produkcja GIG Katowice

BIULETYN WDROśEŃ
CZYSTSZEJ PRODUKCJI
Egzemplarz bezpłatny
2/2012 (35)
Motto: Ziemi nie odziedziczyliśmy po naszych przodkach, Ziemię wypoŜyczyliśmy od naszych wnuków
Nowoczesne paliwa do spalania w kotłach rusztowych
SPIS TREŚCI
1. Nowoczesne paliwa do spalania w
Wprowadzenie
kotłach rusztowych
Celem stosowania nowoczesnych paliw energetycznych w
postaci brykietów i pelletów jest zmniejszenie kosztów 2. Biogaz jako odnawialne źródło energii
pozyskania ciepła oraz częściowe zastąpienie paliwa pierwotnego, jakim jest węgiel kamienny, odpadem
palnym (paliwo alternatywne) - kod odpadu 19 12 10 - w procesie spalania w kotłach rusztowych.
Produkcja nowoczesnych paliw energetycznych
WdroŜenie produkcji brykietów i pelletów z mieszanki węgla kamiennego (miał) i odpadu palnego
(paliwo alternatywne) miało na celu wytworzenie produktu handlowego w postaci paliwa stałego do
opalania kotłów rusztowych lub kotłów z palnikiem retortowym, wodnych lub parowych.
Zarówno węgiel kamienny, jaki i paliwo alternatywne zastosowane do produkcji brykietów i pelletów
charakteryzowały się niskimi kosztami zakupu, niską zawartością chloru, fluoru, siarki i popiołu oraz
wysoką wartością opałową, gdyŜ produkowane brykiety i pellety powinny posiadać parametry paliwa
podobne do powszechnie stosowanego węgla kamiennego. W skład paliwa alternatywnego wchodziły
zmieszane odpady komunalne tj.: tworzywa sztuczne, papier, tektura i drewno.
W poniŜszej tabeli zamieszczono wyniki analiz fizyko-chemicznych odpadów i węgla kamiennego,
zastosowanych do produkcji nowoczesnych paliw w postaci brykietów i pelletów.
Parametr
Ciepło spalania
Wartość opałowa
Chlor
Siarka
Wilgoć całkowita
Popiół
Wodór
Widok brykietów/pelletów
Jednostka
miary
kJ/kg
kJ/kg
%
%
%
%
%
Papier
14850
13614
0,26
0,06
5,28
15,53
5,07
Materiał
Tworzywa
Drewno
sztuczne
18216
17267
15395
16138
0,12
0,11
0,06
0,03
13,43
0,39
1,48
38,46
6,33
5,13
Węgiel
kamienny
23485
21215
0,558
1,04
10,77
19,28
-
PoniŜej zestawiono parametry energetyczne brykietów i pelletów
Jednostka
Parametr
Wartość
miary
Ciepło spalania
kJ/kg
22151
Wartość opałowa
kJ/kg
21203
Chlor
%
0,46
Siarka
%
0,63
Wilgoć całkowita
%
4,93
Popiół
%
21,70
Wodór
%
3,79
GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA Zakład Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza
Krajowe Centrum WdroŜeń Czystszej Produkcji
Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice
tel.: 32 259 21 38 e-mail: [email protected] http://cp.gig.katowice.pl
Opracowanie biuletynu: Eugeniusz Orszulik, Joanna Krzemień Redakcja i skład: Jacek Boba
Biuletyn dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
Węgiel kamienny oraz wybrane odpady, jako surowce do produkcji pelletów i brykietów charakteryzują
się niską zawartością chloru (0,11 - 0,56%) i siarki (0,03 – 1,04%) oraz dobrą wartością opałową (13,6 –
21,2 MJ/kg).
Skład mieszanki do produkcji brykietów i pelletów z węgla kamiennego i paliwa alternatywnego wynosił:
• do 8% wagowych, odpady papieru i tektury - kody odpadów: 15 01 01, 19 12 01, 20 01 01;
• do 7% wagowych, odpady tworzyw sztucznych – kody odpadów: 15 01 02, 16 01 19, 19 12 04;
• do 15% wagowych, odpady drewna - kody odpadów: 03 01 05, 15 01 03, 19 12 07, 20 01 38;
• do 70% wagowych, węgiel kamienny (miał).
Spalanie brykietów i pelletów, a emisja substancji pyłowo - gazowych do atmosfery
Badania emisyjne substancji pyłowych i gazowych przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym
wyposaŜonym w kocioł wodny typu EKO GT – KWR 22, wyposaŜonym w ruszt stały.
Widok
stanowiska
badawczego
kotła
wodnego
typu EKO
GT – KWR
22
Dane techniczne kotła wodnego typu
EKO GT – KWR 22
Jednostka
Specyfikacja kotła
Wartość
miary
Wydajność cieplna
kW
25
2
Powierzchnia grzewcza
m
2,85
Ciśnienie robocze
MPa
0,10
o
Temperatura pracy
C
100
o
Temperatura spalin
C
200
18
0
12
0
60
20
Emisja substancji pyłowych i gazowych w procesie spalania pelletów i brykietów (tabela po prawej) jest
porównywalna z emisją w procesie spalania węgla kamiennego (wykres po lewej).
Emisje ze spalania brykietów i pelletów
mg/m3
1000
Jednostka
Substancja
Wartość
miary
800
SO2
Fluorowodór
mg/m3
p.o.
600
3
NO2
Amoniak
mg/m
52,67
CO
400
Siarkowodór
mg/m3
3,33
3
pył
Ditlenek siarki
mg/m
711,52
200
3
Chlorowodór
mg/m
17,13
0
Formaldehyd
mg/m3
p.o.
3
min.
Tlenek węgla
mg/m
828,00
Uwaga: p.o. – poniŜej oznaczalności
Podsumowanie
Uruchomienie produkcji nowoczesnych paliw do spalania w kotłach rusztowych w postaci brykietów i
pelletów umoŜliwia prowadzenia głębokiego odzysku entalpii chemicznej z odpadów. Analiza
ekonomiczna wytwarzania ciepła wykazała, Ŝe koszt wytworzenia 1 Mg wody gorącej o ciśnieniu 1,7 bar
i temperaturze 90/700C wynosi ok. 45,00 zł/Mgwody - w przypadku węgla kamiennego oraz ok. 30,25
zł/Mgwody - w przypadku zastosowania brykietów i pelletów. Koszt zakupu węgla kamiennego sortymentu
ekogroszek wynosi 720,00 - 1053 zł/Mg, a brykietu i pelletu 524,00 - 630,25 zł/Mg. Nowoczesne paliwa
są źródłem energii w wysokim stopniu chroniącym środowisko oraz przydatnym dla energetycznego
zbilansowania potrzeb instalacji kotłowych w kraju.
Brykiety i pellety mogą być stosowane w instalacjach kotłowych, bez jakichkolwiek przeróbek i kosztów
inwestycyjnych. (EO)
Materiały źródłowe:
1. Orszulik E., Jachyra J. : Współspalanie węgla kamiennego w kotłach energetycznych wyposaŜonych w palnik retortowy z
paliwem alternatywnym wytwarzanym na bazie odpadów innych niŜ niebezpieczne, Politechnika Śląska, Prace naukowe,
Monografie, Konferencje, Gliwice 2009, zeszyt 24, s. 139 – 153
2. Orszulik E., Jachyra J., Wasilewicz J.: Nowoczesne paliwa alternatywne do kotłów rusztowych małych i średnich mocy,
Politechnika Śląska, Gliwice 2011, Prace naukowe, Monografie, Konferencje, zeszyt 258, s. 69 - 100
3. Orszulik E., Jachyra J., Wasilewicz J.: The concept of energy production on the basis of modern alternative fuels,
Archives of Thermodynamics (w druku).
2
Biogaz jako odnawialne źródło energii
Na świecie Ŝyje obecnie 6,9 miliarda ludzi i z roku na rok liczba ta nieustannie się powiększa. Wraz ze
wzrostem liczby ludności zmienia się równieŜ styl Ŝycia ludzi, obserwuje się znaczny postęp
cywilizacyjny. Wszystkie te czynniki powodują coraz większe zapotrzebowanie energetyczne, dlatego
człowiek nieustannie poszukuje nowych źródeł energii i pracuje nad polepszeniem efektywności
stosowanych technologii energetycznych. Dbałość o środowisko naturalne, a w szczególności chęć
ograniczenia emisji szkodliwych substancji – zwłaszcza gazów cieplarnianych, spowodowała
zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii. Jednym z efektów prób zwiększenia wykorzystania
odnawialnych źródeł energii w ostatnich latach jest wzrost zainteresowania biogazem.
Biogaz jest paliwem gazowym, które powstaje w procesie beztlenowej fermentacji masy organicznej.
Jego głównym składnikiem jest metan (CH4) i dwutlenek węgla (CO2), w mniejszych ilościach zawiera
on siarkowodór (H2S), amoniak (NH3) i wodę (w postaci pary wodnej) oraz niewielkie ilości azotu, tlenu
i wodoru. Do produkcji biogazu mogą być wykorzystane osady ściekowe z oczyszczalni ścieków, odpady
składowane na wysypiskach, odpady przemysłowe, rośliny energetyczne, odpady produkcji rolnej oraz
odpady przetwórstwa rolno - spoŜywczego. Wartość opałowa biogazu zaleŜy od zawartości metanu
w jego składzie i wynosi od 16 do 23 MJ/m3. Po odseparowaniu CO2 z biogazu jego wartość opałowa
moŜe wzrosnąć do około 35,7 MJ/m3 i jest porównywalna z wartością opałową gazu ziemnego w sieci.
Typowe wartości opałowe wybranych paliw
Nośnik energii
Wartość opałowa
węgiel kamienny
22 000 - 27 500
węgiel brunatny
7 800 - 10 000
koks
25 400 - 28 000
drewno
16 000 - 20 000
olej opałowy
41 570 - 43 100
benzyny silnikowe
44 750
gaz ziemny wysokometanowy
36 000
gaz miejski (propan-butan-powietrze)
25 000
energia elektryczna
3 600
Jednostka
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/m3
kJ/m3
kJ/kWh
Skład chemiczny i ilość produkowanego biogazu są zmienne i zaleŜą od rodzaju zastosowanego substratu
(surowca, materiału wsadowego) oraz warunków prowadzenia procesu.
Ze względu na miejsce powstawania biogazu wyodrębnia się 3 podstawowe rodzaje tego gazu:
biogaz wysypiskowy, powstający z odpadów organicznych na składowiskach odpadów;
biogaz rolniczy, powstający w gospodarstwach rolnych;
biogaz powstający w oczyszczalniach ścieków z osadów ściekowych.
Jak wskazuje nazwa biogaz - jest to produkt procesu biologicznego, zachodzi w procesach naturalnych,
które powszechnie odbywają się w przyrodzie. Niekontrolowane powstawanie biogazu wysypiskowego
stwarza szereg zagroŜeń:
lokalnych, do których naleŜą m.in. degradacja roślin, poŜary, zanieczyszczenia wód;
globalnych, poprzez zanieczyszczenie powietrza i wzrost efektu cieplarnianego.
Biogaz zawiera głównie metan, którego potencjał cieplarniany jest duŜo większy niŜ potencjał
cieplarniany dwutlenku węgla. Emisja metanu powstającego w czasie niekontrolowanej fermentacji po
przedostaniu się do atmosfery jest ponad 20 razy bardziej szkodliwa niŜ emisja CO2. JeŜeli powstawanie
biogazu odbywa się w sposób kontrolowany gaz jest ujmowany i bezpośrednio spalany w pochodniach
gazowych lub wykorzystywany jako paliwo energetyczne. Głównym produktem spalania biogazu jest
CO2. W gospodarstwach rolnych powstają odpady (tzw. obornik) trudne do utylizacji i uciąŜliwe
zapachowo. Odpady te mogą ulegać niekontrolowanej fermentacji pogłębiając efekt cieplarniany.
Wykorzystanie tych odpadów jako substratów do produkcji biogazu rolniczego nie tylko zmniejsza
emisję metanu, ale równieŜ eliminuje problem ich składowania i jest źródłem nawozów organicznych.
Biogaz moŜe być energetycznie wykorzystywany na wiele sposobów, najczęściej gaz ten stosuje się do:
produkcji energii cieplnej (w kotłowniach gazowych);
3
produkcji energii elektrycznej (silniki z generatorem elektrycznym);
produkcji energii elektrycznej i cieplnej (w tzw. jednostkach kogeneracyjnych);
Obecnie najlepszym sposobem wykorzystania
biogazu z punktu widzenia opłacalności procesu
(ekonomii) jest jego spalanie w jednostkach
kogeneracyjnych CHP (Combined Heat and Power).
Technologia kogeneracyjna (skojarzona) polega na
jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i
cieplnej. Energia cieplna produkowana jest w
wyniku odzysku ciepła z silnika urządzenia,
układów
chłodzenia
oraz
smarowania.
Wyprodukowana energia moŜe być zuŜywana na
cele własne lub sprzedawana do sieci gazowej lub
ciepłowniczej.
Biogaz moŜna równieŜ wykorzystywać w inny
sposób:
jako paliwo transportowe zasilające pojazdy;
do zasilania sieci gazowej;
w procesach technologicznych, np. do
produkcji metanolu;
jako paliwo dla ogniw paliwowych.
Z uwagi na zawartość w biogazie H2S, pary wodnej,
CO2 i innych zanieczyszczeń, konieczne jest
przeprowadzenie procesu uzdatniania biogazu.
Uzdatnianie biogazu moŜe obejmować procesy takie
jak osuszanie, odsiarczanie, oczyszczanie z innych
zanieczyszczeń lub tzw. wzbogacanie gazu w metan.
Chcą zapobiec korozji stosowanych urządzeń i całej
instalacji naleŜy biogaz odsiarczyć i odwodnić do
parametrów zgodnych z wymaganiami nałoŜonymi
przez producentów tych urządzeń. Wtłaczanie
biogazu do sieci gazowej wymaga jego
wcześniejszego wzbogacenia, czyli usunięcia CO2 co pozwala osiągnąć parametry zbliŜone do
parametrów gazu ziemnego. Gaz ziemny
wysokometanowy (sieciowy) charakteryzuje się
wartością opałową nie mniejszą niŜ 32 MJ/m3,
zawartością CH4 na poziomie 98% oraz CO2 około
0,2 %. Wymogi związane z magazynowaniem paliw
nakładają obowiązek spręŜania lub upłynniania
biogazu.
DuŜą przeszkodą w rozpowszechnieniu wszystkich sposobów wykorzystania biogazu jest znaczna
energochłonność procesów uzdatniania gazu oraz związane z tym wysokie nakłady finansowe.
W Polsce na przestrzeni ostatnich kilku lat obserwuje się stały wzrost ilości pozyskiwanego biogazu.
W 2010 roku pozyskano 4797 TJ co stanowi 1,67% w łącznym pozyskaniu energii ze źródeł
odnawialnych. Krajowa produkcja biogazu oparta jest głównie na biogazie otrzymywanym z fermentacji
osadów ściekowych z duŜych oczyszczalni ścieków. Biogaz wykorzystywany jest głównie
w elektrociepłowniach przemysłowych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. W Europie
zdecydowanym liderem w produkcji biogazu są Niemcy. (JK)
Materiały źródłowe:
1. Główny Urząd Statystyczny: Energia ze źródeł odnawialnych w 2010 r.,
2. Główny Urząd Statystyczny: Rocznik demograficzny 2011,
3. Główny Urząd Statystyczny: Zasady metodyczne sprawozdawczości statystycznej z zakresu gospodarki paliwami i energią oraz definicje stosowanych
pojęć, 2006,
4. Lewandowski W., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa 2007,
5. Jędrczak A., Biologiczne przetwarzanie odpadów, Wydawnictwo PWN, Warszawa 2007.
4