słoma – wykorzystanie w energetyce cieplnej

INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE NR 7
ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS NO. 7
SŁOMA
– WYKORZYSTANIE W ENERGETYCE CIEPLNEJ
STRAW
– IMPLEMENTETION IN HEATING
Redakcja naukowa: prof. dr hab. Anna Grzybek
Falenty 2012
WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel./fax 22 628-37-63; www.itep.edu.pl; e-mail: [email protected]
DYREKTOR INSTYTUTU
prof. dr hab. Edmund Kaca
Oddział w Warszawie
ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa
tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50
Kierownik Oddziału
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki
KOLEGIUM REDAKCYJNE
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki – przewodniczący
prof. dr hab. J.Lech Jugowar
prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki
prof. dr hab. Jan Pawlak
prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki
Recenzenci
prof. dr hab. Jan Pabis, prof. dr hab. Leszek Powierża
Kierownik Działu Wydawnictw: dr hab. inż. Halina Jankowska-Huflejt
Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt
Opracowanie redakcyjne: Iwona Ornoch
Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anita Konieczna, Kamil Roman,
Anna Wysocka
© Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2012
ISBN 978-83-62416-48-6
ISSN 2083-9545
Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel. 22 720-05-98; www.itep.edu.pl; e-mail: [email protected]
Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna „Gimpo”
02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 13,2. Nakład 200 egz.
Spis treści
1. WSTĘP (Anna Grzybek) ...........................................................................................9
2. WPŁYW WARUNKÓW UPRAWY ROŚLIN ZBOŻOWYCH NA ICH PLONY
(Anna Grzybek, Adam Świętochowski) .....................................................................13
2.1. Uwagi ogólne ......................................................................................................14
2.2. Metody badań .....................................................................................................14
2.3 Wyniki badań ......................................................................................................16
3. ZUŻYCIE PALIWA W UPRAWACH POLOWYCH (Anna Grzybek, Adam
Świętochowski, Agnieszka Trojanowska) ...................................................................22
3.1. Uwagi ogólne...........................................................................................................23
3.2. Metody badań..........................................................................................................23
3.3. Wyniki badań ...........................................................................................................23
4. WARTOŚĆ OPAŁOWA I CIEPŁO SPALANIA SŁOMY (Anna Grzybek,
Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska) .......................................................27
4.1. Metoda oceny .....................................................................................................28
4.2. Analiza wyników badań ......................................................................................28
5. ZMIANA WŁAŚCIWOŚCI SŁOMY PODCZAS PRZECHOWYWANIA (Anna
Grzybek, Adam Świętochowski) ................................................................................32
5.1. Uwagi ogólne......................................................................................................32
5.2. Metody badań.....................................................................................................33
5.3. Wyniki badań ......................................................................................................35
6. SUSZENIE SŁOMY ...................................................................................................47
6.1. Suszenie słomy w warunkach laboratoryjnych (Elżbieta Skorupska) ...............47
6.2. Suszenie słomy w prototypowych suszarkach (Robert Kubica, Wojciech
Mokrosz) ............................................................................................................67
7. ZAŁOŻENIA DO STANDARYZACJI PARAMETRÓW JAKOŚCIOWYCH SŁOMY
I TECHNOLOGII SPALANIA W KOTŁACH RUSZTOWYCH (Krystyna Kubica,
Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk) ...................................................82
7.1. Parametry jakościowe słomy ..................................................................................82
7.2. Założenia prawidłowej technologii spalania słomy ................................................86
8. ROZDRABNIANIE SŁOMY (Anna Grzybek, Elżbieta Skorupska, Adam
Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)......................................................................91
8.1. Uwagi ogólne ..........................................................................................................91
8.2. Metody badań ........................................................................................................92
8.3. Rozdrabnianie słomy w wozie paszowym .........................................................97
8.4. Rozdrabnianie słomy w rozrzutniku .................................................................100
8.5. Rozdrabnianie słomy w przyczepie samozbierającej ......................................103
8.6. Porównanie stopnia rozdrobnienia w różnych urządzeniach ..........................106
8.7. Rozdrabnianie słomy za pomocą rozdrabniacza Bąk .....................................107
8.8. Rozdrabnianie słomy rozdrabniaczem firmy Alchemik....................................111
8.9. Rozdrabnianie słomy rozdrabniaczem Tomaseer ...........................................115
8.10. Jednostkowe zużycie energii w procesie rozdrabniania ...............................117
8.11. Ocena składu granulometrycznego słomy i siana po rozdrobnieniu.............118
9. TECHNOLOGIE SPALANIA SŁOMY (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica) .............124
9.1 Charakterystyka procesu spalania paliw stałych ..............................................124
9.2 Charakterystyka stosowanych technik spalania słomy w warstwie .................126
9.3 Oddziaływanie słomy jako paliwa na instalację technologiczną kotłów ...........131
9.4. Wpływ rodzaju słomy oraz dodatku substancji nieorganicznych na sprawność energetyczną spalania i emisję zanieczyszczeń..................................141
9.5. Stan legislacji w Polsce i UE w zakresie emisji zanieczyszczeń ze spalania
biomasy w instalacjach o mocy do 50 MWth ..................................................160
10. ZAGROŻENIA KOROZYJNE W KOTŁACH WODNYCH OPALANYCH SŁOMĄ
(Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz) .................163
10.1. Charakterystyka zjawisk korozyjnych w procesie spalania słomy i możliwości przeciwdziałania ich występowaniu .....................................................163
10.2. Badania modelowe redukcji zagrożenia czynnikami korozyjnymi metodą
wymywania...................................................................................................170
10.3. Badania modelowe wpływu dodatków nieorganicznych na charakterystykę fizykochemiczną popiołów ze spalania słomy ....................................174
10.4. Badania pilotażowe wpływu addytywów nieorganicznych na charakterystykę fizykochemiczną popiołów ze spalania słomy w warunkach
przemysłowych .............................................................................................178
10.5. Wybrane aspekty oceny techniczno-ekonomicznej zmniejszania zawartości czynników korozyjnych metodami chemicznymi i fizycznymi..............180
11. MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE KOTŁÓW OPALANYCH SŁOMĄ
W ŚWIETLE ZAGROŻENIA KOROZJĄ (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica,
Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk) ..............................................183
11.1. Uwagi ogólne................................................................................................183
11.2. Charakterystyka aktualnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych
kotłów opalanych słomą...............................................................................183
11.3. Badania pilotażowe wpływu spalania słomy na zmiany właściwości
wybranych stali konstrukcyjnych .................................................................185
11.4. Wybrane aspekty oceny techniczno-ekonomicznej stosowania materiałów konstrukcyjnych o wysokiej odporności na zagrożenia korozją .......196
12. SUSZARNIA SŁOMY (Janusz Cieślak) ................................................................198
13. PODSUMOWANIE (Anna Grzybek) .....................................................................202
BIBLIOGRAFIA ...........................................................................................................203
Streszczenie ................................................................................................................207
Contents
1. INTRODUCTION (Anna Grzybek) ..............................................................................9
2. CEREALS YIELD ACCORDING TO CROP CONDITIONS (Anna Grzybek,
Adam Świętochowski)................................................................................................13
2.1. General remarks .................................................................................................14
2.2. Material and methods .........................................................................................14
2.3. Results ................................................................................................................16
3. FUEL CONSUMPTION IN CROPS (Anna Grzybek, Adam Świętochowski,
Agnieszka Trojanowska) .............................................................................................22
3.1. General remarks .....................................................................................................23
3.2. Material and methods .............................................................................................23
3.3. Results.....................................................................................................................23
4. CALORIFIC VALUE AND THE HEAT OF COMBUSTION OF STRAW (Anna
Grzybek, Adam Świętochowski, Agnieszka Trojanowska) .......................................27
4.1. Estimation method ..............................................................................................28
4.2. Results analysis..................................................................................................28
5. STRAW PROPERTIES CHANGE DURING STORAGING (Anna Grzybek,
Adam Świętochowski)................................................................................................32
5.1. General remarks.................................................................................................32
5.2. Material and methods.........................................................................................33
5.3. Results................................................................................................................35
6. STRAW DRYING ...................................................................................................47
6.1. Straw drying in laboratory conditions (Elżbieta Skorupska) ..............................47
6.2. Straw drying in prototype dryers (Robert Kubica, Wojciech Mokrosz)..............67
7. ASSUMPTIONS FOR THE STANDARDIZATION OF STRAW QUALITY
PARAMETERS AND FIRING TECHNOLOGIES IN GRATE BOILERS (Krystyna
Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk)......................................82
7.1. Straw quality parameters ........................................................................................82
7.2. Straw firing technologies .........................................................................................86
8. STRAW SHREDDING (Anna Grzybek, Elzbieta Skorupska, Adam
Świętochowski, Agnieszka Trojanowska)......................................................................91
8.1. General remarks .....................................................................................................91
8.2. Investigation methods ............................................................................................92
8.3. Straw shredding in feeding car ..........................................................................97
8.4. Straw shredding in manure spreader ..............................................................100
8.5. Straw shredding in self loading wagon ............................................................103
8.6. Shredding degree comparison in different devices .........................................106
8.7. Straw shredding with the use of Bąk shredder ................................................107
8.8. Straw shredding with the use of Alchemik firm shredder ................................111
8.9. Straw shredding with the use of Tomaseer shredder ................ .…................115
8.10. Unitary energy consumption in shredding process .......................................117
8.11. The estimation of particles size distribution of straw and hay after
shredding .......................................................................................................118
9. STRAW COMBUSTION TECHNOLOGIES (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica)......124
9.1 The characteristic of solid fuels combustion .....................................................124
9.2 The characteristic of implemented techniques for straw combustion in layer.....126
9.3 Straw influence as a fuel on boilers technological installation .........................131
9.4. Straw type influence and non-organic additives influence on combustion
energy efficiency and contamination emissions ..............................................141
9.5. Legislation state in Poland and EU for contamination emissions from
biomass combustion in installations with power up to 50 MWth .....................160
10. CORROSION RISKS IN WATER BOILERS FUELED BY STRAW
(Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica, Robert Kubica, Wojciech Mokrosz)..................163
10.1. The characteristic of corrosion phenomena occuring during straw firing,
anticorrosion means .....................................................................................163
10.2. The model investigations of corrosion risk reduction of straw by leaching
method implementation................................................................................170
10.3. The model investigation of non-organic additives influence on physicochemical characteristics of ashes from straw combustion ..........................174
10.4. Pilot study above non-organic additives influence on physicochemical
characteristics of ashes from straw combustion in industrial conditions .....178
10.5. Chosen aspects of technical and economical estimation for corrosion
factors decrease by chemical and physical methods implementation.........180
11. CONSTRUCTION MATERIALS FOR STRAW BOILERS ACCORDING
TO THE CORROSION RISC ASPECT (Marcin Jewiarz, Krystyna Kubica,
Robert Kubica, Wojciech Mokrosz, Andrzej Szlęk) ..............................................183
11.1. General remarks ..........................................................................................183
11.2. The characteristic of currently implemented construction materials
for straw boilers............................................................................................183
11.3. Pilot study for straw combustion influence on propeties changes
of chosen construction steels ......................................................................185
11.4. Choosen aspects of technical and economical estimations for construction materials implementation with high resistance to corrosion risk ........196
12. STRAW DRYER (Janusz Cieślak) ........................................................................198
13. SUMMARY (Anna Grzybek)..................................................................................202
BIBLIOGRAPHY..........................................................................................................203
Summary .....................................................................................................................208
Streszczenie
W prezentowanej publikacji przedstawiono badania związane z energetycznym wykorzystaniem słomy. Dotyczą one wybranych warunków uprawy roślin zbożowych,
w tym nawożenia. Istotny statystycznie wpływ na plon stwierdzono w przypadku nawożenia azotem i potasem, wpływ taki nie wystąpił natomiast w przypadku zróżnicowanego nawożenia fosforem. Badano zużycie paliw ciekłych w uprawie roślin zbożowych, w odniesieniu do poszczególnych operacji technologicznych i produktu końcowego, to jest ziarna i słomy. Zużycie paliwa (ON) w uprawie żyta wynosi 31–70 l·ha–1,
w uprawie pszenżyta – 67–88 l·ha–1, a w uprawie pszenicy – 55–113 l·ha–1. Przeprowadzono badania wartości opałowej i ciepła spalania słomy pszenicy, żyta, pszenżyta
i rzepaku. Średnia wartość opałowa badanej słomy wynosiła ok. 17 MJ·kg–1, a ciepła
spalania – 18,3 MJ·kg–1. Badano również zmiany jakości słomy w zależności od czasu
jej przechowywania, na niezadaszonym placu składowym oraz w magazynie zadaszonym. Parametrami badanymi były wilgotność i wartość opałowa oraz zawartość poszczególnych pierwiastków. Średnia wartość opałowa słomy przechowywanej w stogu,
w całym okresie grzewczym wynosiła ok. 12,3 MJ·kg–1 i była mniejsza od wartości
opałowej słomy składowanej w magazynie o ok. 5,3 MJ·kg–1. Proces rozdrabniania jest
ważnym ogniwem produkcji energii z biomasy. Porównano stopień rozdrobnienia słomy
w różnych urządzeniach przez ocenę jej składu granulometrycznego. Badania procesu
suszenia (krzywe suszenia i szybkości suszenia) próbek słomy o różnym rozdrobnieniu,
otrzymanych z maszyn rozdrabniających (wóz paszowy, rozrzutnik i przyczepa samozbierająca oraz młynek bijakowy do rozdrabniania drobnego), prowadzone w warunkach
laboratoryjnych, umożliwiły stworzenie ciągu technologicznego przygotowania słomy do
spalania. Badano również proces suszenia słomy w postaci balotów i w formie rozdrobnionej w suszarkach prototypowych. Opracowano założenia do standaryzacji
parametrów jakościowych słomy i technologii spalania w kotłach rusztowych. Wartości
tych parametrów powinny spełniać następujące wymagania: optymalna zawartość
wilgoci 15–20%, zawartość chloru – <0,1%, właściwości popiołu – Rs <0,6. Przeprowadzono testy spalania słomy w instalacji laboratoryjnej i przemysłowej, badając jej
oddziaływanie jako paliwa na instalację technologiczną kotłów i zmiany właściwości
wybranych stali konstrukcyjnych. Scharakteryzowano zjawiska korozyjne w procesie
spalania słomy i omówiono możliwości przeciwdziałania ich występowaniu, a także
przeanalizowano wpływ rodzaju słomy oraz dodatku substancji nieorganicznych na
sprawność energetyczną spalania i emisję zanieczyszczeń. Badania wykazały, że powierzchnie próbek stali wybranych do badań w strefie utleniającej komory kotła opalanego słomą uległy określonym zmianom, potwierdzonym zarówno okiem nieuzbrojonym, jak i badaniami metodą chemicznej analizy instrumentalnej za pomocą mikroskopu skaningowego. Przeprowadzono badania modelowe redukcji zagrożenia czynnikami korozyjnymi metodą wymywania ze słomy składników mineralnych. Z badania
procesu pirolizy słomy wynika, że intensywne wydzielanie części lotnych zaczyna się
w temperaturze ok. 280–300°C, a maksymalna szybkość ubytku masy wynosi w przybliżeniu 10% na minutę. Omówiono wdrożoną, prototypową linię do suszenia słomy
w balotach. Cechą charakterystyczną takiej linii jest wykorzystanie do suszenia słomy
gazów odlotowych z kotłowni na biomasę. Linia przygotowania słomy do energetycznego wykorzystania składa się z następujących urządzeń: suszarni słomy, przeznaczonej do pracy cyklicznej, wentylatora, instalacji przeciwpożarowej, zespołu regulacji i kontroli parametrów pracy, układu wstępnego odpylania i separacji iskier oraz
układu wyprowadzenia spalin.
Summary
In this publication, research results above straw utilization on energy purposes have
been presented. They were related to chosen crop conditions and cereals fertilization. Nitrogen and potassium fertilization occurred as statistically significant in contrast to different doses of phosphorus fertilizer. Liquid fuels consumption was investigated in particular technological operations according to specific technological
operations and end products (grain and straw). Fuel consumption (diesel oil) was
31–70 l·ha−1 for rye crop, 67–88 l·ha−1 for triticale and 55–113 l·ha−1 for wheat. Calorific value and combustion heat were investigated for straw from different crops as
wheat, rye, triticale and rape. The average calorific value of investigated straw was
about 17.0 MJ·kg−1 with combustion heat 18.3 MJ·kg−1. Changes in straw quality
were also investigated according to storage time on a place without roof and inside
a storage with, roof with investigated parameters as moisture content, calorific value
and specific elements content. In average, the calorific value of straw stored in stack
was about 13.3 MJ·kg−1 for an heating period and it was lower than the calorific
value of straw stored in the storage by about 5.3 MJ·kg−1. Shredding process was an
important element in the chain of energy from biomass production. Straw shredding
degree was compared in different devices by the estimation of particle size distribution. The creation of technological line was allowed due to following investigations
the drying process of straw with different particles sizes in laboratory (drying curves
and drying speed curves) and straw from shredding machines (feeding car, manure
spreader, self loading wagon and hammer mill for fine grinding). Straw drying process was investigated for straw in ballots shape and shredded straw for the dryer
prototype. Assumptions were elaborated for the standardization of straw quality
parameters and firing technologies in grate boilers. Chosen values of these parameters should meet following criteria: optimal moisture content 15−20%, chlorine content – <0.1%, ash properties – Rs <0.6. Straw combustion tests were conducted in
laboratory and industrial installation for properties change investigation of structural
steels in boilers. Corrosion effects characteristic was discussed for straw combustion process together with protection means and non-organic additives influence on
combustion energy efficiency and emissions. Experiments proved that surfaces of
steel probes from the oxidizing zone of straw boiler were changed according to naked eye and scanning microscope. Model tests were carried out with the reduction
of straw corrosion factors by contaminants leaching implementation. From straw
pyrolisis process investigation occurred that intensive volatiles release started at
about 280–300°C with the maximum speed of weight loss 10% per minute. The
prototype technological line for straw drying was described. Exhaust gases implementation to straw drying was the characteristic feature of this line. The line to straw
preparation on energy purposes consisted of following devices: straw dryer, designed for cycling work, fan, fire protection system, the assembly of regulation and
control of operating parameters, dedusting initial system and sparks separation system and exhaust gases system.