Obróbka wstępna biomasy na ...

Obróbka wstępna biomasy na potrzeby systemów energetycznych, Biopaliwa, Energia, Ogniwa paliwowe

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 30, 2007 r.
Anna Cocker-Maciejewska
OBRÓBKA WSTĘPNA BIOMASY NA POTRZEBY
SYSTEMÓW ENERGETYCZNYCH
BIOMASS PRE-TREATMENT
FOR ENERGY PURPOSES
Słowa kluczowe: biomasa, obróbka wstępna, systemy energetyczne.
Keywords: biomass, pre-treatment, energy systems.
There are many successful co-firing installations, nevertheless various constraints
can still be encountered, especially in direct co-firing mode, and with tendency to incre-
ase biomass/coal ratio, and use of low quality biomass. These constraints can include
handling, storage, milling and feeding problems, deposit formation (slagging and fouling),
agglomeration, corrosion, erosion, and ash utilization issues. One of the options to ad-
dress them is application of biomass pre-treatment, which, by modifying biomass proper-
ties, can address problems at their source. The aim of this work is to provide an overview
of possible constraints that can be encountered in systems co-firing coal with biomass,
and identify biomass pre-treatment options with potential to address them.
Discussed biomass pre-treatment options include sizing, drying, washing, pelletisa-
tion, torrefaction and pyrolysis, as well as combinations of some of them.
It is not possible to define one universal option for biomass pre-treatment for co-
firing purposes. It needs to be decided on an individual basis, depending on various ele-
ments such as quality of raw biomass, type of co-firing system, desired co-firing ratio,
and others.
133
Anna Cocker-Maciejewska
1. WPROWADZENIE
Energetyka konwencjonalna znacząco obciąża środowisko naturalne, a zaso-
by paliw kopalnych szybko maleją. W tej sytuacji rośnie zainteresowanie biomasą
jako paliwem odnawialnym.
Wykorzystanie biomasy jako paliwa w systemach energetycznych bez wąt-
pienia przynosi korzyści środowiskowe, jednak w przypadku instalacji opartych
wyłącznie na biomasie istnieją obawy dotyczące jakości paliwa oraz stabilności
jego dostaw – zasoby biomasy są często rozproszone, jej ilość zależna jest od
czynników pogodowych, a infrastruktura do jej dostarczania słabo rozwinięta.
Współspalanie biomasy z węglem w istniejących konwencjonalnych elektrow-
niach wydaje się być na dzień dzisiejszy rozwiązaniem optymalnym, w których w
sąsiedztwie elektrowni znajdują się zasoby odpadowej biomasy. W instalacjach
współspalania węgiel jako paliwo zasadnicze stabilizuje system, kompensując okre-
sowe zmiany jakości i ilości biomasy [Rickets et. al 2002]. Koszty operacyjne oraz
inwestycyjne współspalania są niższe [Rickets et. al 2002; IEA 2005] niż w syste-
mach opartych wyłącznie na biomasie. Dodatkowo współspalanie przynosi wy-
mierne korzyści środowiskowe [Christiansen, Fock 2000; Skodras, Grammelis,
Kakaras, Sakellaropoulos 2004; Hartmann, Kaltschmitt 1999; Malkki, Virtanen 2003;
Benetto, Popovici, Rousseaux, Blondin 2004; Benetto, Rousseaux, Blondin 2004;
Heller, Keoleian, Volk 2003; Heller, Keoleiana, Mannb, Volk 2004].
Istnieje wiele pozytywnych doświadczeń z instalacjami współspalającymi bio-
masę z węglem [Baxter 2005].Nadal jednak istnieje wiele przeszkód utrudniają-
cych rozpowszechnianie współspalania. Należą do nich problemy logistyczne
(kosztowny transport i magazynowanie biomasy) oraz problemy techniczne, ta-
kie jak: współmielenie i podawanie paliwa do kotła, tworzenie się osadów na
powierzchniach wymienników ciepła i elementach kotła (żużlowanie, osady syp-
kie), spiekanie, oraz korozja [Baxter 2005; Karki et al 2005; EUBION 2001; Jarvi-
nen, Alakangas 2001]. Problemy te potęgują się wraz ze wzrostem udziału bioma-
sy (zwłaszcza przy korzystaniu z biomasy o niskiej jakości w bezpośrednich
systemach współspalania) i mogą negatywnie wpływać na funkcjonowanie insta-
lacji. Większość tych problemów jest spowodowana tym, że w porównaniu z
węglem biomasa ma mniej korzystne właściwości jako paliwo.
W porównaniu do węgla, surowa biomasa ma zwykle wysoką wilgotność
obniżającą jej wartość opałową, oraz niską gęstość nasypową (gęstość energe-
tyczną). Podczas gdy wartość opałowa biomasy wynosi około 50% takiej samej
masy węgla (rys. 1), jej gęstość energetyczna to zaledwie 2–7% wartości dla
węgla (rys. 2). Dodatkowo biomasa jest paliwem o własnościach hydrofilowych,
słabych właściwościach przemiałowych [Baxter 2005], potencjalnie wysokiej za-
wartości chloru (zwłaszcza w słomie), a jej popioły maja niską temperaturę top-
134
Obróbka wstępna biomasy na potrzeby systemów energetycznych
Rys. 1. Średnia wartość opałowa węgla i
biomasy [MJ/kg]
Fig. 1. Average calorific values of coal and
biomass [MJ/kg]
Rys. 2. Średnia gęstość nasypowa (zawar-
tość energii w jednostce objętości)
węgla i biomasy [GJ/m
3
]
Fig.2. Average energy density (energy
content per unit of volume) of coal
and biomass [GJ/m
3
]
nienia, co powoduje formowanie osadów na elementach kotła i wymiennikach
ciepła.
Stosowane są różne techniki rozwiązywania powyższych problemów, takie
jak zdmuchiwanie osadów, wymiana skorodowanego sprzętu, oczyszczanie zło-
ża fluidalnego, dodawanie związków chemicznych do procesu, wprowadzanie
elementów dedykowanej infrastruktury. Jednak większość tych sposobów likwi-
duje jedynie zaistniałe skutki problemów.
Modyfikowanie niekorzystnych właściwości surowej biomasy przez jej ob-
róbkę wstępną jest opcją likwidującą problemy u ich źródła. W niniejszej pracy
krótko scharakteryzowano różne rodzaje obróbki wstępnej opisane w literaturze i
analizujc jakościowo ich skuteczność w rozwiązaniu problemów występujących
w systemach współspalania.
2. PRZEGLĄD SPOSOBÓW OBRÓBKI WSTĘPNEJ BIOMASY
Rozdrabnianie. Rozdrabnianie biomasy przez cięcie czy mielenie jest pod-
stawowym i bardzo popularnym sposobem obróbki wstępnej. Rozdrabnianie sto-
suje się często przed transportem biomasy, w celu zwiększenia jej gęstości nasy-
powej i obniżenia kosztów transportu. Jednak przechowywanie rozdrobnionej
biomasy może mieć negatywne skutki ze względu na podwyższoną aktywność
mikrobiologiczną materiału, która skutkuje utratą suchej masy, emisjami gazów
cieplarnianych (CH
4
, N
2
O) i nagrzewaniem się hałdy, co w skrajnych wypadkach
może prowadzić do samozapłonu [Wihersaari 2005]. Dlatego optymalnym wyj-
135
Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 30, 2007 r.
Anna Cocker-Maciejewska
ściem, niestety nie zawsze możliwym ze względów organizacyjnych, jest roz-
drobnienie biomasy bezpośrednio przed jej transportem, a następnie zużycie jej
jako paliwa w możliwie najkrótszym czasie.
Suszenie. Ten sposób obróbki wstępnej biomasy wpływa korzystnie na jej
wartość energetyczną i redukuje problemy związane z jej przechowywaniem (ta-
kie, jak straty suchej masy, procesy mikrobiologiczne powodujące emisje czy
samozapłon, rozwój grzybów). Suszenie w suszarniach jest procesem kosztow-
nym i wymaga rozdrobnienia biomasy (patrz 2.1). Dlatego w miarę możliwości
korzystne jest suszenie naturalne na świeżym powietrzu, jednak wadą takiego
rozwiązania jest ryzyko nieprzewidywalnych zmian pogody.
Balowanie biomasy (rys. 3). Balowanie zwiększa gęstość energetyczną bio-
masy pozytywnie wpływając na koszty jej transportu i przechowywania oraz zmniejsza
zawartość wilgoci, przez co umożliwia łatwiejsze składowanie biomasy [Livingston
2005]. W formie balotów biomasa może być bezpośrednio użyta praktycznie jedy-
nie w instalacjach z kotłami rusztowymi. W instalacjach wyposażonych w inne
kotły wymagana jest jej dalsza obróbka. (np. dodatkowe rozdrobnienie).
Brykietowanie biomasy (rys. 4). Brykietowanie zwiększa gęstość energe-
tyczną i polepsza właściwości przemiałowe biomasy, dzięki czemu możliwe jest
jej współmielenie z węglem. Problemem są właściwości hydrofilowe brykietów.
Przechowywanie brykietów w wilgotnych pomieszczeniach może doprowadzić
do degradacji biologicznej oraz rozpadu ich struktury, dlatego do ich składowa-
nia powinny być zapewnione specjalne warunki.
Płukanie biomasy. Nową metodą obróbki wstępnej biomasy, usuwającą
związki alkaliczne jest płukanie. Do płukania może być używana zwykła woda
[Jenkins, Bakker, Wei 1996; Davidsson, Koresgren, Pettersson, Jaglid 2001].
Rys. 3. Baloty ze słomy
Fig. 3. Straw bales
Rys. 4. Biomasa w formie brykietów
Fig. 4. Biomass briquettes
136
Obróbka wstępna biomasy na potrzeby systemów energetycznych
W rezultacie płukania obniża się właściwości korozyjne biomasy, formowanie
osadów w złożu, a w konsekwencji ogranicza się zużywanie urządzeń. Płukanie
jest szczególnie przydatne w przypadku słomy, ze względu na wysoką zawartość
chloru i substancji alkalicznych. Negatywną stroną procesu jest zwiększanie wil-
gotności biomasy, co w konsekwencji wymaga (często kosztownego) suszenia.
Peletyzacja biomasy. Taka metoda obróbki wstepnej biomasy zwiększa jej
gęstość energetyczną, przez co obniżeniu ulegają koszty transportu, umożliwia
mieszanie tak przetworzonego paliwa razem z węglem w instalacjach z automa-
tyczną linią podawania, mielenia, itp., polepsza właściwości przemiałowe, umoż-
liwia też zwiększenie udziału współspalanego paliwa (co jest istotne przy ograni-
czonej wielkości kotła). Problemem jest wrażliwość pelet na wodę – po kontakcie
z wodą mogą pęcznieć i rozpadać się (rys. 5), więc podobnie jak brykiety wyma-
gają specjalnych warunków składowania. Pelety są aktualnie najpopularniejszą,
najbardziej pożądaną i uniwersalną formą biomasy, stosowaną zarówno w du-
żych systemach współspalania, jak i małych, lokalnych kotłach na biomasę [Berg-
man, Boersma, Zwart, Kiel 2005].
Rys. 5. Biomasa w formie peletów (na lewo) oraz pelety po ekspozycji na wilgoć (po
prawej)
Fig. 5. Biomass pellets (left) and pellets after exposition to moisture (right)
Karbonizacja (torrefaction). Proces karbonizacji termo-chemicznej prze-
prowadzany jest w warunkach beztlenowych, w temperaturze około 200–300°C
[ECN 2004; Bergman, Boersma, Zwart, Kiel 2005]. Produktem tego procesu jest
substancja stała, zwana często karbonizatem (char). Poprzez karbonizację bio-
masa uzyskuje właściwości upodobniające ją do węgla: własności hydrofobowe,
dzięki którym przechowywanie biomasy jest bezpieczne i pozbawione ryzyka
degradacji biologicznej oraz znacznie polepszone właściwości przemiałowe, dzięki
którym zredukowane jest zużycie energii na mielenie. Ograniczeniem karbonizacji
jest fakt, że nie zwiększa ona gęstości energetycznej paliwa, w związku z tym w
praktyce jest wskazane połączenie karbonizacji z peletyzacją. Pelety karbonizo-
wane (torrefied pellets) mają wysoką gęstość energetyczną, są odporne na wilgoć
137
Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 30, 2007 r.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl