Post on 16-Aug-2018
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.
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
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
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.
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
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