Modernizacje kotłowni

Sposób przygotowania biomasy i odpadów biodegradowalnych do spalania w energetycznych kotłach pyłowych.

1. Wstęp
O ile w kotłach rusztowych, a szczególnie w kotłach fluidalnych można jeszcze z dobrym skutkiem spalać inne, oprócz drewna formy biomasy pochodzenia roślinnego, a nawet w specjalnych przypadkach pochodzenia zwierzęcego, to w przypadku kotłów pyłowych, można jedynie spalać biomasę pochodzącą z drewna. Biomasa pochodząca z innych źródeł w przypadku kotłów pyłowych nie może być stosowana z uwagi na trudności transportowe i przemiałowe, które wynikają z jej struktury fizycznej i własności fizykochemicznych. [6]
W przypadku współspalania biomasy pochodzącej z drewna z pyłem węglowym występują również trudności wynikające z braku zdolności przemiałowych drewna. W czasie pobytu drewna w młynie węglowym jego substancja nie ulega przemiałowi, lecz jest zgniatana i miażdżona przez elementy mielące młyna.
Proces spalania biomasy w kotłach energetycznych zwłaszcza pyłowych powoduje powstanie znacznych strat niedopału w postaci lotnego koksiku. Problem powstania niedopału w lotnym popiele pojawia się szczególnie przy współspalaniu biomasy z węglem w kotłach pyłowych gdzie proces przemiału węgla i biomasy organicznej a szczególnie pochodzącej z drewna odbywa się jednocześnie w tych samych młynach węglowych przystosowanych do przemiału substancji węglowej, która posiada określoną zdolność przemiałową, a nie do przemiału substancji organicznej biomasy, która praktycznie nie posiada żadnych zdolności przemiałowych.
Ziarna biomasy w płomieniu pyłowym ulegają odgazowaniu i w postaci karbonizatu ulegają częściowemu spaleniu. Ponieważ posiadają bardzo małą gęstość przy znacznej powierzchni zewnętrznej, bardzo łatwo ulegają wynoszeniu przez przepływające spaliny ze strefy płomienia bogatego w tlen do stref ubogich w tlen i o niskiej temperaturze, gdzie następuje przygasanie i powstawanie niedopału w postaci lotnego koksiku. Spaliny, lotny popiół i lotny koksik po przedostaniu się do górnej strefy komory kotła znajdującej się nad palnikami pyłowymi stanowią mieszankę, w której zakończył się proces spalania. Niespalone gazy palne w postaci tlenku węgla (CO), wodoru (H), węglowodorów lekkich typu: metan (CH4) i acetylenu (C2H2) oraz karbonizatu, w postaci lotnego koksiku stanowią stratę niezupełnego (Sg) i niecałkowitego spalania (Sn).
Strata niezupełnego spalania w gazach palnych może stanowić stratę kotła 0,2÷0,3%, a strata niecałkowitego spalania w lotnym koksiku w zależności od udziału spalanej biomasy może stanowić stratę kotła sięgającą nawet 1÷2%. Straty te odnoszące się do globalnej sprawności termicznej kotła i są na tyle znaczne, że w istotny sposób obniżają efekty uzyskane z tytułu produkcji „zielonej” energii z biomasy. Straty te są tym dotkliwsze, że powstają głównie ze spalania biomasy pochodzącej z drewna, a więc z bardzo cennego źródła energii odnawialnej.
Zjawisku temu sprzyja szczególnie fakt, że „zielony certyfikat” jest przyznawany elektrowni za ilość wprowadzonej biomasy do układu nawęglania kotła, a nie efektywnego jej wykorzystania. W przypadku kotłów pyłowych biomasa, głównie pochodząca z drewna, jest współmielona z węglem w młynach węglowych, które są przystosowane do przemiału węgla o określonych własnościach przemiałowych. Natomiast substancja organiczna (głównie lignina i celuloza) nie posiada żadnych własności przemiałowych. Elastyczna tkanka ligniny czy celulozy nie ulega przemiałowi, lecz miażdżeniu. Z młyna węglowego wychodzą nie ziarna (pył) biomasy, lecz „źdźbła” i „drzazgi” o dość znacznych rozmiarach i bardzo rozwiniętej powierzchni zewnętrznej. Zjawisko to jest wynikiem sposobu rozdziału i separacji ziaren w młynie, który odbywa się na zasadzie różnic w ciężarze cząstek, nawet duże źdźbła pochodzące z drewna nie są oddzielone jako „nadziarno”. Zjawisko to wynika z faktu, że w stanie suchym, gęstość pozorna drewna może być nawet 3÷4 razy mniejsza niż gęstość węgla.
Charakterystyki rozkładu ziarnowego pyłu podawanego do palnika wykazują wyraźną tendencję do wymiarowego rozkładu ziarnowego w przekroju pyłoprzewodu oraz w dyszy palnika pyłowego. W środkowej części dyszy w zdecydowanej przewadze znajdują się ziarenka pyłu o najmniejszych rozmiarach, a na obrzeżu ziarna o największych rozmiarach.
Ponieważ szybkość spalania najmniejszych ziaren jest wielokrotnie większa od szybkości wypalania ziaren dużych, stopień wypalania karbonizatu w jądrze płomienia jest całkowity, a w części peryferyjnej, duże ziarna karbonizatu nie są spalone.
Ponieważ peryferyjna część płomienia pyłowego przylega do stref przyściennych komory kotła, gdzie temperatura i zawartość tlenu jest stosunkowo niska, duże ziarna karbonizatu nie mają niekiedy warunków do wypalenia się. Często w niesprzyjających warunkach ulegają wygaszeniu i w postaci karbonizatu opadają do leja żużlowego.
Wynoszenie cząstek lotnego koksiku, powstałego w wyniku odgazowania ziaren biomasy jest typowym problemem w kotłach pyłowych. Wynika to z niskiej gęstości pozornej ziaren karbonizatu i wysokiego współczynnika oporu, co objawia się znaczną przewagą siły wyporu nad siłą ciążenia i łatwością unoszenia cząstek przez przepływające gazy spalinowe.
W wyniku różnic w prędkościach przepływu, polu temperatur oraz koncentracji gazów, poprzez wir centralny przepływa bardzo duża ilość lotnego koksiku pochodzącego z biomasy. Wszystkie niespalone większe cząstki biomasy, które znajdują się w strefie oddziaływania wiru centralnego, są porywane przez przepływające z dużą prędkością spaliny i wynoszone z komory kotła.
Analiza koksiku z leja żużlowego i z lejów elektrofiltru w jednoznaczny sposób wykazała, że nawet 80% karbonizatu pochodzi ze spalanej biomasy. Powstaje więc sytuacja, w której mamy ewidentne straty niecałkowitego spalania jakże cennej substancji, jaką jest biomasa, oraz tworzymy następną stratę, jaką jest powstanie odpadu z żużla i lotnego popiołu, ponieważ zawierają więcej części palnych jak 5%. Tworzymy więc odpad, który należy składować lub przeznaczyć do dalszej utylizacji, a nie wykorzystać jako surowiec budowlany.
Przy współspalaniu pyłu biomasy i węgla w komorze kotła występuje również duża tendencja do szlakowania komory kotła i pozostałych powierzchni ogrzewalnych, co powoduje wzrost temperatury wylotowej spalin, a przed to obniżenie ogólnej sprawności kotła nawet o 1-2%. Największą jednak stratą jest strata niecałkowitego spalania w żużlu i lotnym popiele. Strata koksiku w żużlu w niektórych typach kotłów pyłowych może dochodzić nawet do 25-30%, a strata niecałkowitego spalania lotnego koksiku w lotnym popiele może wynosić 10-15%.
Strata niecałkowitego spalania koksiku w żużlu i lotnym popiele jest jeszcze bardziej dotkliwa, gdy zostaje odniesiona tylko do odnawialnych źródeł energii, z których w zdecydowanej części pochodzi.
Strata niecałkowitego spalania koksiku w żużlu i lotnym popiele wynika głównie z braku zdolności przemiałowych odnawialnych źródeł energii, ponieważ podawana do młyna substancja biomasy ma strukturę włóknistą, głównie ligniny i celulozy, która nie posiada żadnych własności przemiałowych.
W wyniku zgniatania podawanej do przemiału biomasy, z młyna węglowego zostają podawane do pyłoprzewodów źdźbła i fragmenty o rozmiarach milimetrowych, a nie ziarna o rozmiarach mikronowych.
Wprowadzone do komory kotła ziarna biomasy o największych rozmiarach ulegają jedynie wysuszeniu i odgazowaniu i w postaci ziaren karbonizatu węglowego opadają do leja żużlowego, stanowiąc niedopał w żużlu. Natomiast mniejsze ziarna biomasy po odgazowaniu, z uwagi na znaczną siłę wyporu unoszone są ze spalinami z komory kotła, stanowią niedopał w postaci lotnego koksiku w lotnym popiele.
2. Czy stałe produkty spalania węgla w kotłach energetycznych są odpadem?
Stałe produkty spalania węgla są to substancje mineralne powstające w wyniku spalania węgla kamiennego i brunatnego w elektrowniach i elektrociepłowniach. Badania różnych rodzajów popiołów w aspekcie spełnienie wymagań dla substancji chemicznych wprowadzanych do obrotu na terenie UE jest jednym z istotnych priorytetów wykorzystania produktów spalania węgla w kotłach energetycznych.
Polska energetyka jest bowiem oparta w ponad 90% na węglu, co powoduje, że wszystkie problemy i zagadnienia z tym związane są niezwykle istotne i rodzić mogą daleko idące skutki. Każdego roku w Polsce wytwarzanych jest ok. 15 mln ton popiołów i żużli energetycznych oraz ok. 5 mln ton gipsów z odsiarczania spalin. Wspólnym wysiłkiem pokoleń udało się osiągnąć ponad 70% wykorzystanie tych minerałów wtórnych w gospodarce, w przemyśle cementowym do produkcji betonu w budownictwie oraz produkcji materiałów budowlanych w drogownictwie a ostatnio, w przypadku niektórych rodzajów popiołów także w rolnictwie. Popiół coraz szerzej z powodzeniem zastępuje surowce naturalne i spoiwa, których wytwarzanie związane jest z wysoką emisją gazów cieplarnianych. Jest to niewątpliwie duży sukces, pozwalający na oszczędzanie zasobów środowiska naturalnego w ramach koncepcji Zielonej Geotechniki oraz zwiększający konkurencyjność polskich firm i gospodarki.
3. Co decyduje o możliwościach wykorzystania produktów spalania powstałych w kotłach energetycznych?
O możliwości wykorzystania decydują cechy fizykochemiczne popiołu, zapotrzebowanie rynku na takie substancje, stan wiedzy i normalizacji w tym obszarze, dojrzałość techniczna, badania i rozwój technologii na bazie popiołu, udokumentowana nieszkodliwość i w wielu przypadkach przewaga techniczna nad materiałami naturalnymi. Jednym z najważniejszych problemów pozostają jednak obowiązujące i planowane regulacje prawne, które mogą skutecznie zniszczyć wszystkie te wieloletnie dokonania w dziedzinie gospodarczego wykorzystania popiołów.
Popioły są to substancje heterogeniczne. Ich właściwości zależą głównie od spalanej substancji i technologii spalania. Dość poważnie różni się popiół ze spalania węgla kamiennego w kotłach pyłowych od popiołu ze spalania biomasy w kotłach fluidalnych. Niektóre z nich mają wysokie pH, podwyższone poziomy metali ciężkich, fosforu, siarki, itp. i mogą budzić wątpliwości co do ich zachowania się w środowisku. Jednakże liczne badania popiołów, jednoznacznie określiły, że ich stosowanie nie powoduje zagrożenia dla środowiska i zdrowia istot żywych, przy czym warto zauważyć, że takich badań nie posiada np. cement czy nawozy sztuczne. Potwierdza to także praktyka, popioły mają uznane miejsce w gospodarce od dziesiątków lat i nie ma doniesień o skażeniu środowiska wskutek ich zastosowania. Problem w tym, że regulacje środowiskowe w UE nie są zharmonizowane z regulacjami dotyczącymi chemikaliów, które są znacznie bardziej wymagające i restrykcyjne. W tym przypadku możliwym jest, iż nawet jednostkowe przekroczenia w zakresie jednej z właściwości chemicznych danej substancji mogą stanowić podstawę do zmiany jej klasyfikacji na niebezpieczną. Ciekawe, że nawet raport ekspercki będący podstawą techniczną planowanych zmian w przepisach stwierdza: „Mogą być niektóre przypadki, gdzie zmiany w klasyfikacji związków chemicznych mogą prowadzić do zmian w klasyfikacji odpadów, które nie byłyby uzasadnione we wszystkich przypadkach pod względem potencjalnych skutków środowiskowych”.
To jest realne i istotne niebezpieczeństwo dla całej europejskiej energetyki węglowej, przy czym w przypadku Polski, gdzie udział węgla w wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła wynosi ponad 90%, nowe regulacje prawne miałyby najdalej idące skutki. Projekt nowelizacji listy odpadów, towarzyszący nowelizacji Dyrektywy Odpadowej, planuje nadać popiołom i żużlom z energetyki status odpadów niebezpiecznych. Zmieni to drastyczne cały obszar ich odzysku i wykorzystania, a także składowania. Oprócz przekreślenia większości dotychczasowego dorobku w obszarze wykorzystania popiołów, nadanie im statusu odpadu niebezpiecznego, skutkować będzie koniecznością zmiany statusu składowisk popiołów lub budowy nowych składowisk. Jeśli to niewielka, wydawałoby się regulacja, dostawienie do popiołów gwiazdki w katalogu odpadów, zostanie wprowadzona, to skutecznie pogrąży energetykę opartą na spalaniu węgla w Unii Europejskiej. Skutki tego najbardziej odczuje nasz kraj.
Można oszacować, że koszty zagospodarowania popiołów mogą wzrosnąć 10. a nawet 15. krotnie. Oznacza to dla polskich przedsiębiorstw energetycznych dodatkowe koszty liczone w miliardach złotych rocznie. Przy tym nie potrafimy dzisiaj określić, czy odejście od dotychczasowych metod zagospodarowania popiołów i żużli na rzecz ich lokowania na składowiskach odpadów niebezpiecznych, czy też zobojętnionych będzie na tak dużą skale w ogóle możliwe.
Za regulacje w tym obszarze odpowiada resort środowiska i gospodarki. Tylko rząd ma realny wpływ na zmiany regulacji prawnych w UE. Energetyka Zawodowa winna mocno lobbować odpowiedzialne za tą politykę resorty, ponieważ wydaje się, że problem w sferach rządowych nie jest rozumiany, a wskutek tego nie jest traktowany z należytą powagą.
Najważniejszy problem to pełne zrozumienie skutków wprowadzenia tych zmian przez każdą z elektrowni i elektrociepłowni oraz odpowiednie resorty rządowe. Wskutek tego powinna powstać prognoza wpływu tej zmiany na całą gospodarkę. Wnioski z takiego raportu powinny wskazać kierunki działań i jednostki zdolne je podjąć we właściwym czasie. Koordynatorem całości powinien być rząd, a energetyka powinna być wsparciem merytorycznym w tym obszarze. Wydaje się, że będzie także konieczne wsparcie ze strony naszych europosłów. Jedynie solidarne współdziałania, siła argumentów merytorycznych i właściwe tempo podejmowanych działań mogą uchronić naszą energetykę, a w następstwie gospodarkę przed poważnym wstrząsem.
4. Sposób poprawy własności przemiałowych biomasy i odpadów biodegradowalnych
Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym opalanym pyłem węglowym i pyłem biomasy, w którym biomasa jest przemielona w układzie młynowym, a uzyskany pył jest spalany w palniku pyłowym kotła energetycznego, charakteryzuje się tym, iż biomasa przed wprowadzeniem do układu młynowego zostaje poddana procesowi suszenia i niskotemperaturowej karbonizacji w gazie o temperaturze od 200 do 550oC i zawartości tlenu poniżej 10% udziału objętościowego.
Proces suszenia i wstępnej karbonizacji przeprowadza się z udziałem mieszaniny spalin wysokotemperaturowych o temperaturze 400-700oC i spalin niskotemperaturowych o temperaturze 100-300oC pobieranych z recyrkulacji z ciągu konwekcyjnego kotła.
Podczas powyższego procesu biomasa pozbywa się wilgoci, oxygazów i ulega procesowi częściowej karbonizacji, w której trakcie elastyczne włókna ligniny i celulozy tracą swą plastyczność i ulegają procesowi częściowego „uwęglania”. W procesie niskotemperaturowej karbonizacji uwęglana biomasa zmienia swoje właściwości fizyczne, osiągając własności przemiałowe, przy czym częściowo skarbonizowana biomasa niewiele zmienia swoje własności chemiczne, jedynie częściowo pozbywając się w trakcie procesu oxygazów, niewielkich ilości wodoru i związków węglowodorowych. Następnie wstępnie skarbonizowana biomasa podawana jest do układu młynowego, skąd po przemieleniu jest kierowana do spalania w palniku pyłowym usytuowanym w komorze spalania kotła energetycznego. Po przeprowadzeniu wstępnego procesu niskotemperaturowej karbonizacji uzyskuje się w typowym młynie węglowym jedynie ziarna pyłu biomasy o rozmiarach mniejszych od 200μm, co powoduje, że ilość niedopału w postaci koksiku w żużlu i w lotnym popiele praktycznie obniża się do zera. Biomasa może być spalana samodzielnie bez udziału pyłu węglowego w palniku pyłowym usytuowanym nad palnikiem pyłu węglowego. Powstałe w trakcie suszenia i karbonizacji opary wilgoci i oxygazy odprowadzane są z suszarki do komory spalania kotła energetycznego, gdzie gazy palne ulegają spaleniu, redukując jednocześnie zawartość NOx w spalinach wylotowych z komory spalania kotła energetycznego. Korzystnie wyżej wymienione gazy wprowadza się do komory spalania kotła energetycznego ponad płomieniem palników pyłowych.
Schemat instalacji do niskotemperaturowej karbonizacji biomasy przedstawiony jest na rys.1. Instalacja jest chroniona Zgłoszeniem Patentowym [1-2].
Technologia wstępnego przygotowania biomasy do współmielenia w kotłach energetycznych pozwala rozszerzyć zakres udziału biomasy we współmieleniu z węglem na wszystkie rodzaje substancji podlegających biodegradowalności oraz zwiększyć udział współmielenia biomasy w postaci pyłu nawet do 60% udziału masowego. Wstępna niskotemperaturowa karbonizacja biomasy pozwala nie tylko współspalać z węglem dowolny rodzaj biomasy w kotle, lecz również pozwala znacznie zwiększyć udział biomasy w spalanym paliwie bez pogorszenia sprawności termicznej kotła, poprzez wzrost straty niecałkowitego spalania w żużlu i w lotnym popiele.

Niskotemperaturowa karbonizacja biomasy

Schemat instalacji do niskotemperaturowej karbonizacji biomasy współspalanej z węglem.

1-komora kotła, 2-obrotowa komora suszenia i karbonizacji, 3-zasobnik biomasy, 4-podajnik ślimakowy biomasy, 5-zasobnik węgla, 6-mieszalnik spalin zimnych i gorących, 7-kanał odbioru produktów karbonizacji, 8-zasobnik karbonizatu, 9-podajnik ślimakowy karbonizatu, 10-zasilanie wodą chłodzącą, 11-młyn węglowy, 12-palnik pyłowy, 13-kanał spalin gorących, 14-zbiornik wody chłodzącej, 15-kanał spalin chłodnych.

5. Wnioski
1. Proces współspalania biodegradowalnych odpadów z węglem w pyłowych kotłach energetycznych jest skuteczny termicznie tylko wówczas, gdy biomasa zostanie poddana niskotemperaturowej karbonizacji. Wstępnie karbonizowana biomasa może być wówczas kierowana do procesu przemiału łącznie z węglem w młynie węglowym, a uzyskany pył węglowo-biomasowy spalany w tym samym palniku pyłowym w komorze spalania kotła energetycznego. Uzyskany w trakcie przemiału mieszaniny węglowo-biomasowy pył posiada strukturę ziarenek o wymiarach mniejszych od 200μm.
2. Biomasa zostaje poddana procesowi niskotemperaturowej karbonizacji poprzez nagrzew w redukcyjnej atmosferze do temperatury poniżej 550oC. W warunkach niskotemperaturowej szybkościowej pirolizy następuje proces odgazowania substancji organicznej biomasy się, w której wyniku uzyskuje gaz pirolityczny i karbonizat posiadający zdolności przemiałowe w młynach stosowanych do przemiału węgli. Aby uzyskać jakikolwiek produkt z biomasy, który może być rozdrobniony podobnie jak węgiel, należy substancję organiczną doprowadzić do termicznego rozkładu.