Biomasa ciepło i energia elektryczna

Dr hab. inż. Mariusz Filipowicz

Wydział Energetyki i Paliw,

Katedra Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego

ul. Kawiory 40, pok. 105

e-mail: filipow@agh.edu.pl

Pojęcie biomasy Pod pojęciem biomasy rozumie się wszelką

substancję organiczną produkowaną z udziałem dwutlenku węgla (z atmosfery) i wody (z gleby).

prof. dr hab. inż. I. Soliński

BIOMASA

Bezpośrednie

spalanie:

-drewno

-słoma

-makulatura

Przetworzenie na

paliwo płynne:

-olej z roślin oleistych

-alkohol

Przetworzenie na

paliwo gazowe:

-Biogaz z wysypisk

-Fermentacja

gnojowicy

-Fermentacja osadów

ściekowych

Potencjał energetyczny biomasy

Możliwe jest uzyskanie

następujących ilości

energii z różnych źródeł:

68 PJ

37,5 PJ

24 PJ 21,6 PJ

131,1

PJ

Drewno

Alkohol etylowy Estry kwasów

tłuszczowych

Słoma

Biogaz

Ogółem na cele

energetyczne: 282 PJ

Zasoby drewna i ich rozmieszczenie

Źródło: M. Rogulska, Rynek biomasy stałej w Polsce, www.ipieo.pl, stan z dnia 30.03.2011

r.

Źródło Szacunkowe możliwości

pozyskania surowca

Lasy 3250 dam3 – iglaste

1450 dam3 - liściaste

Przemysł

drzewny 1110 dam3

Zadrzewienia 265 dam3

Sady 750 dam3

Tab. 1. Szacunkowe możliwości pozyskania drewna z różnych źródeł

(I. Soliński, Biomasa, energia odnawialna)

Zasoby słomy i ich rozmieszczenie

Źródło: mgr Renata Jaworska, Rynek Biomasy w Polsce – mocne i słabe strony

Rodzaj słomy Pszenna Jęczmienna Kukurydziana

Wartość opałowa słomy

suchej [MJ/kg] 17,3 16,1 16,8

Zawartość wilgoci w słomie

świeżej [%] 12-22 12-22 50-70

Wartość opałowa słomy

świeżej [MJ/kg] 12,9-14,9 12,0-13,9 3,3-7,2

Tab. 2. Wartości opałowe słomy

Peletyzowanie biomasy

• 1. Wstępne rozdrabnianie surowca

w zależności od rodzaju surowca do tego procesu stosuje się rębaki, młyny impaktowe tnące lub połączenie tych urządzeń. Średnica materiału do rozdrobnienia nie może przekraczać 200mm, natomiast przy surowcu wstępnie rozdrobnionym wielkość cząstek nie powinna przekraczać 5mm. Najlepsze rezultaty osiągane są przy wilgotności surowca nie przekraczającej 20%.

• 2. Proces suszenia

do procesu peletyzacji najlepszym zakresem wilgotności jest 14-16%. W celu redukcji wilgotności z zakresu max. 50% do poziomu bliskiego 10% stosuje się suszarki rotacyjne na paliwo stałe. Pozwala to na zmniejszenie zużycia energii suszenia o około 30% w stosunku do suszarek napędzanych silnikami elektrycznymi. Można oczywiście stosować suszarki wykorzystujące napęd elektryczny lub gaz, wiąże się to jednak z dodatkowymi kosztami.

• 3. Proces pelletowania, inaczej granulacji.

najważniejszym elementem tego procesu jest młyn-granulator do pelletu.

• 4. Proces chłodzenia

po procesie granulacji, temperatura pelletu wynosi około 60-80 stopni, a wilgotność około 15%. Proces chłodzenia ma na celu obniżenie temperatury produktu oraz obniżenie poziomu wilgotności o około 3-4%.

• 5. Pakowanie

po procesie chłodzenia pellet nie jest jeszcze gotowy do wprowadzenie bezpośredniego do procesu spalania. Nie wolno dopuścić, aby schłodzony pellet miał kontakt z pelletami o większej wilgotności, dlatego należy używać maszyn pakujących.

Peletyzowanie biomasy

Schemat układów roboczych granulująco-brykietujących:

a) z zamkniętą komorą zagęszczania: 1-mimośrod, 2-tłok, 3-ślimak podający materiał, 4-komora zagęszczania,5-zamknięcie

komory,

b) z otwartą komorą zagęszczania: 1-tłok, 2-korbowod, 3-komora zagęszczania, 4-brykiety, 5-grzałki, 6-ślimak podający materiał,

7-materiał,

c) ze ślimakowym układem roboczym, 1-ślimak zagęszczający, 2-matryca, 3-trzpień stożkowy,

d) układ roboczy „płaska matryca-rolki zagęszczające”: 1-rolka zagęszczająca, 2-materiał, 3-matryca,

4-aglomerat, e) układ roboczy „pierścieniowa matryca-rolki zagęszczające

Nieprzetworzone drewno:

a) drewno kawałkowe, b) zrębki drzewne,

c)wióry [11], d) trociny, e) kora

Pellet

Charakterystyka pelletów drzewnych podawana przez ich producentów

Parametr Producent (oznaczenie przypadkowe)

A B C D E

Średnica, mm 8 6 lub 8 8 - -

Długość, mm <20 20-35 do 40 - -

Gęstość nasypowa, kg/ 600 650-700 - 700 750

Gęstość materiału, kg/ 1200 min. 1100 1250 1100 -

Zawartość wilgoci, % <12 do 10 6,0 6-10 -

Zawartość popiołu, % <1,5 do 1 0,4 0,3-1 0,2

Wartość opałowa, MJ/kg ~18 - 19 18,0-19,5 19,5

Ciepło spalania, MJ/kg - 18,7-21,5 - 18,5-20,0 -

Zawartość siarki, % <0,08 - - - 0,01

Zawartość chlorków, % <0,03 - - - 0,01

Brykiet, to tak jak w przypadku pelletu zagęszczony surowiec pierwotny, którym

najczęściej są rozdrobnione odpady suchego drewna lub słoma czy łuski słonecznika

itp.. Proces brykietowania polega, na sprasowywaniu pod dużym ciśnieniem paliwa,

bez dodatku substancji klejących przy jednoczesnym wzroście temperatury. Pod

wpływem tych czynników wydziela sie lignina zawarta w surowcu, która po schłodzeniu

zastyga i spaja całość

Brykietowanie biomasy

Charakteryzuje się również niską zawartością

wilgoci wynoszącej 6 - 10%, dzięki czemu

osiągają wysoką wartość opałową, która w

zależności od użytego surowca osiąga poziom

17 - 21 MJ/kg.

Brykiety: ilość trocin odpowiadająca kostce brykietu (a),

przykładowe typy kształtów (b) oraz przykładowe sposoby

ich pakowania c)

Wymiary od kliku do kilkunastu centymetrów.

Produkowany jest w wielu kształtach np.: walca,

kostki czy nawet "ośmiokąta"

Charakterystyka brykietów drzewnych podawana przez ich producentów

Parametr Producent (oznaczenie przypadkowe)

I II III IV *1 V

Gęstość nasypowa, kg/ 500-600 842 - - -

Gęstość materiału, kg/ - - 900-1100 - -

Wilgotność, % ok. 9,5 - 5-8 do 10 <10

Zawartość popiołu, % do 2,5 1,46 0,33-1,00 do 0,7 2

Wartość opałowa, MJ/kg ok. 17,0 - 18,0-19,6 18,0 18,5

Ciepło spalania, MJ/kg - 19,388 19,5-21,0 - 20,5

Zawartość siarki, % do 0,1 nie wykryto - - nie zawiera

Zawartość azotu, % do 0,2 0,22 - - -

Zawartość chloru, % do 0,01 - - - -

*1 Brykiety typu walec z o średnicy 10 cm i długości ok. 10 (możliwe też wymiary walca: średnica od 5 cm do 7 cm, długość od 3cm do 15 cm).

Kotły na biomasę

Kotły na biomasę w tradycyjnych systemach grzewczych, wymagania techniczne dla

instalacji z kotłem na biomasę, przyszłość systemów biomasowych

Przykładowy kocioł na drewno

Działanie kotła zgazowującego

Gazyfikacja jest procesem rozkładu termicznego substancji, który zachodzi w wysokiej temperaturze. Proces

przebiega dwustopniowo, a jego produktem jest gaz. W komorze zgazowania drewna (komora załadowcza),

przy niedoborze powietrza pierwotnego i stosunkowo niskiej temperaturze ok. 450 - 800ᵒC, drewno zostaje

osuszone, a następnie odgazowane. W wyniku tego otrzymujemy gaz palny oraz pozostałość mineralną

(węgiel drzewny). Powstały gaz transportowany jest w dół urządzenia, do drugiej części pieca (komory

dopalania), gdzie pod wpływem powietrza wtórnego jest spalany w temperaturze ok. 1000 - 1200ᵒC. Gorące

spaliny oddają ciepło w wymienniku spaliny - woda i zostają odprowadzone do komina. Przepływ gazu

drzewnego jest zgodny z przepływem powietrza (spalanie współprądowe).

Podział kotłów na biomasę

• konstrukcje z załadunkiem ręcznym, tzw. kotły wsadowe,

• jak i zautomatyzowane kotły z podajnikiem. Te ostatnie konstrukcje z uwagi na rodzaj palnika i sposób podawania paliwa dzieli się dalej na:

- kotły retortowe

- kotły z palnikiem szufladowym

- kotły z palnikiem wrzutowym

- kotły z palnikiem tubowym (rurowym)

Kocioł z palnikiem retortowym

• Paliwo doprowadzane jest do palnika od spodu przenośnikiem

• Przenośnik w sposób ciągły wypycha paliwo do żaroodpornego tygla, gdzie spala się.

• Powietrze niezbędne do spalania podawane jest wentylatorem nadmuchowym

• Spalanie zachodzi zawsze tylko na powierzchni kopca w niewielkiej ilości paliwa i w

wysokiej temperaturze,

• Popiół powstały podczas spalania usuwany jest na bieżąco do popielnika, a na jego

miejsce podawana jest świeża biomasa.

• Regulacja wydajności kotła zachodzi poprzez zmianę prędkości obrotowej ślimaka i

wentylatora

Przykładowe rozwiązanie kotła retortowego do użytku domowego

1) Wyczystka górna

2) Panel wodny

3) Czopuch

4) Zbiornik

5) Deflektor

6) Drzwiczki paleniska

7) Wentylator

8) Motoreduktor

9) Retorta

10) Wyczystka przednia

11) Regulowane stopy

Moc

[kW]

Wymiary [mm] Spraw.

cieplna

[%] A

szer.

G

głęb.

H

wys.

L

szer.

całk.

20 950 650 1000 1700 85,5

25 950 650 1050 1700 85,5

35 950 650 1150 1700 85,5

KOCIOŁ KGS M, EKOENERGIA

Kocioł z palnikiem szufladowym

• Podawanie paliwa odbywa się specjalny tłokiem, który przepycha paliwo z zasobnika

na ruszt paleniska.

• Każdy ruch tłoka powoduje jednocześnie odżużlanie paleniska i usuwanie powstałego

popiołu do popielnika.

• Palniki szufladowe zwane też tłokowymi lub posuwowymi, dostępne są wersjach z

płaszczem wodnym i bez. Pierwsze rozwiązanie optymalizuje proces spalania,

zmniejszając niebezpieczeństwo spiekania popiołu

Przykład kotła do użytku domowego, Stalmark

Moc 25 KW, sprawność 89.3%

Kocioł z palnikiem wrzutowym

• Paliwo podawane jest tutaj w

pierwszej kolejności ukośnym

podajnikiem ślimakowym do

środkowej części kotła, skąd

rynną zsypową zrzucane jest do

specjalnego żaroodpornego tygla

od góry, w małych porcjach co

kilkanaście do kilkudziesięciu

sekund i niemal natychmiast

spalane.

Palniki tubowe

•Spalania wysokiej jakości pelletu o małej średnicy

(poniżej 10mm), ale także ziarna zbóż,

wysuszonych trocin i wiórów drzewnych.

• Podobne do palników na olej opałowy.

• Paliwo podawane jest małymi porcjami systemem

pneumatycznym, elastyczną rurą zasypową i po

automatycznym zapłonie spala się w komorze

spalania

Kotły na słomę

Kocioł wrzutowy płomienicowy 1- czujnik temperatury

2-kolektor dymny 3- wkład ceramiczny

4- rozdzielacz nawiewu powietrza

5- wentylator 6- komora spalania

7- płaszcz wodny 8- izolacja kotła

Kocioł wrzutowy płomienicowo-płomieniówkowy

1- czujnik temperatury 2-kolektor dymny

3- ceramika 4- rozdzielacz nawiewu

powietrza 5- wentylator

6- płaszcz wodny 7- izolacja kotła

8- komora spalania-płomienica

Pierwsze kotły wrzutowe, kotły płomienicowe, miały niska sprawność: 50-60 %. Przyczyną tego była utrata znacznej części energii w kolektorze dymnym, spaliny osiągały tam temperaturę aż 400°C.

Kluczem do

zwiększenia sprawności było wbudowanie systemu płomieniówek, dzięki czemu zwiększyła się droga przepływu spalin w kotle, a co za tym idzie dochodziło do lepszego dopalania części lotnych spalin. Wprowadzono także system pojedynczego lub podwójnego zawrotu spalin

Kocioł ze spalaniem przeciwprądowym

Rozdziela powietrze na dwa strumienie: pierwotne oraz wtórne. Taki kocioł zbudowany jest z trzech komór: -komory spalania (załadownicza), gdzie za pomocą wentylatora nawiewane jest powietrze pierwotne pod kątem prostym do powierzchni kostki, tak aby słoma pozostawała na miejscu i nie była porywana przez palące się gazy. W komorze dochodzi do podgrzania i zgazowania biomasy, czyli spalania z niedoborem tlenu. Powstałe gazy przepływają do drugiej komory -komory spalania gazów, gdzie gazy mieszają się z powietrzem wtórnym. Przepływ odbywa się pod prąd powietrza podmuchowego, co zapewnia dopalanie gazów i innych związków organicznych. Powstałe spaliny przepływają do wymiennika ciepła. -w wymienniku oddają ciepło, a następnie zostają skierowane do ciągu kominowego.

Schemat instalacji

Elementy instalacji biomasowej na Wydziale Energetyki i Paliw

Wizualizacja i oznaczenie elementów pomiarowych temperatury

IW0-IW7 czujniki temperatury w komorze spalania

Przykładowy pomiar – przebieg temperatur w komorze spalania

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60

Prz

yro

st t

em

par

atu

ry [

K]

Czas [min]

12.11.12 (18kg pelletu gigantus miskantus, 20kg słomy, 5kg drewna)

IW0

IW1

IW2

IW3

IW4

IW5

IW6

IW7

Słoma i kotły na słomę

Przykładowe instalacje kotłów na słomę

Schemat technologiczny kotłowni opalanej słomą w Lubaniu

Cztery kotły o mocy 2x3,5 MW + 1 MW. Kostki słomy ładowane są na stół podawczy, skąd trafiają do rozdrabniarki. Po rozdrobnieniu słoma dozowana jest podajnikiem ślimakowym, do śluzy ogniowej, a następnie trafia do kotła. W komorze spalania, odbywa się zgazowanie części lotnych. Otrzymany gaz mieszany zostaje z powietrzem wtórnym i ulega spaleniu w komorze spalania. Odgazowana słoma zostaje dopalona na ruszcie schodkowym przy udziale powietrza pierwotnego. Spaliny trafiają do odpylacza, a następnie zostają odprowadzone do komina. Koszt energii cieplnej wyprodukowanej w takiej kotłowni jest o 40% niższy, niż wyprodukowanej w tradycyjnej kotłowni opalanej węglem