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