SPALANIE BIOMASY I JEJ WSPÓŁSPALANIE Z WĘGLEM - TECHNIKI, KORZYŚCI I BARIERY - KUBICA.pdf - Energetyka OZE - zybi06

KRYSTYNA KUBICA

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze

SPALANIE BIOMASY I JEJ WSPÓŁSPALANIE Z WĘGLEM -

TECHNIKI, KORZYŚCI I BARIERY

Wprowadzenie

Ograniczona wielkość zasobów naturalnych, w tym zasobów o charakterze paliw, jak również ograniczona

zdolność przyjmowania przez środowisko naturalne zanieczyszczeń bez niebezpiecznych zmian w

funkcjonowaniu globalnego ekosystemu, stanowią podstawę podejmowania działań na rzecz substytucji paliw

kopalnych odnawialnymi źródłami energii (OZE). Nadbudową działań praktycznych, polegających na realizacji

związanych z paliwami odnawialnymi kierunków badań oraz wdrażaniu nowych technologii, jest zespół dokumentów

politycznych i rozwiązań prawnych przyjaznych tego typu działaniom, promujących lub wręcz wymuszających takie

działania. Strategia rozwoju odnawialnych źródeł energii w krajach Unii Europejskiej została sformułowana w

Białej Księdze Komisji Europejskiej (Energy for the Future: Renewable Energy Sources. White Paper for a

Community Strategy and Action Plan) opublikowanej w listopadzie 1997 roku. Podstawowymi priorytetami polityki

Europejskiej są:

zapewnienie bezpieczeństwa dostaw energii,

konkurencyjność technologii europejskich,

ochrona środowiska.

W związku z perspektywami Polski na członkostwo w Unii Europejskiej oraz zobowiązaniami Polski, wynikającymi

z ratyfikowania i przyjęcia udziału w realizacji szeregu Konwencji i związanych z nimi Protokołów

międzynarodowych, dotyczących ochrony środowiska (między innymi z Ramową Konwencją Narodów

Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu i Protokołem z Kioto, Konwencją w sprawie transgranicznego

zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości, Konwencją Wiedeńską o ochronie warstwy ozonowej oraz

Protokołem Montrealskim w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową) ustawodawcze i wykonawcze władze

Polski przyjęły w ostatnich latach szereg dokumentów istotnych dla wzrostu wykorzystania energii ze źródeł

odnawialnych (OZE).

Są to między innymi Rezolucja Sejmu Rzeczpospolitej Polskiej z dnia 8 lipca 1999r.

w sprawie wzrostu wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych oraz dokumenty rządowe: „Założenia polityki

energetycznej Polski do 2020 roku", „Spójna polityka rozwoju obszarów wiejskich i rolnictwa", „Druga polityka

ekologiczna państwa", „Długookresowa strategia trwałego i zrównoważonego rozwoju Polski do 2025 roku", oraz -

najważniejszy dla sektora energetyki odnawialnej -dokument: „Strategia rozwoju energetyki odnawialnej".

Polska energetyka odnawialna znajduje się dopiero na początku drogi wiodącej do uzyskania znaczącej pozycji w

krajowym systemie zaopatrzenia w energię. W Polsce biomasa wykorzystywana jest aktualnie jako marginalne

źródło energii, chociaż jej produkcja oceniana jest na 30 - 40 mln ton rocznie, co odpowiada około 1 5 - 2 0 mln ton

węgla, [1]. Problem zmiany struktury źródeł energii pierwotnej został uwzględniony w „Programie polityki

energetycznej Polski do 2020 roku". Przewiduje on wzrost znaczenia odnawialnych źródeł energii (OZE) w bilansie

energetycznym kraju, wg scenariusza POSTĘPU-PLUS, o około 20% w stosunku do 1997 roku. energetycznej Unii

Biomasa i metody jej energetycznego zużytkowania

Biomasa, trzecie co do wielkości na świecie, naturalne źródło energii, zaliczana jest do odnawialnych źródeł energii

(OZE). Stanowi formę gromadzenia energii słonecznej jako produktu fotosyntezy, a więc procesu, w wyniku którego

rośliny produkują węglowodany z dwutlenku węgla zawartego w atmosferze i wody w obecności promieniowania

słonecznego, [2]. Według propozycji Unii Europejskiej biomasa obejmuje wszelką substancję organiczną pochodzenia

roślinnego lub zwierzęcego, jak też wszelkie pochodne substancje uzyskane z transformacji surowców pochodzenia

roślinnego lub zwierzęcego, [3]. Do biomasy, jako energetycznych zasobów odnawialnych, zalicza się drewno z

plantacji drzew szybko rosnących, jak np. odpowiednie gatunki wierzby będące efektem modyfikacji

genetycznych (np. wierzba typu Salix), drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym, słomę w

produkcji zbożowej, odpady organiczne w przemyśle rolno-spożywczym, gnojowicę i obornik w hodowli zwierząt.

Do biomasy zalicza się również substancje organiczne występujące w osadach ściekowych z komunalnych oczyszczalni

ścieków, [4], W zależności od rodzaju biomasy, stosowane są różne technologie jej przetwarzania. W dziedzinie

stosowanych w praktyce technologii energetycznego wykorzystania biomasy można wyróżnić trzy grupy rozwiązań

techniczno -technologicznych:

• bezpośrednie spalanie biomasy (słomy w balotach, drewna w formie zrębków,

osadów ściekowych w formie granulatu, trocin w formie brykietów);

• współspalanie węgla z biomasą (tzw. co-fińng), gdzie wykorzystuje się

konwencjonalne kotły, do których wprowadza się węgiel oraz biomasę wstępnie

zmieszane lub oddzielnie;

• termiczną utylizację biomasy połączoną z jej pirolizą i zgazowaniem

z ukierunkowaniem na produkcję ciepła albo na produkcję ciepła i elektryczności.

Ograniczenia w energetycznym zużytkowaniu biomasy

Pomimo korzystnych efektów ekologicznych, ekonomicznych i społecznych, stosowanie biomasy jako

paliwa stwarza jednak wiele problemów technicznych. Problemy te wynikają przede wszystkim z jej właściwości

fizykochemicznych, z których najważniejsze to [5, 6]:

szeroki przedział wilgotności (od kilku do 60%) powodujący trudności ze stabilizacją procesu spalania,

zawartość (od kilku do kilkudziesięciu procent) i skład chemiczny popiołu (obecność metali alkalicznych),

wymuszające stosowanie odpowiednich urządzeń usuwających popiół z instalacji kotłowych,

zbyt mała gęstość biomasy, utrudniająca transport, magazynowanie i dozowanie do paleniska oraz

niekorzystnie wpływająca na przebieg i stabilność procesu spalania,

wysoka zawartość części lotnych, powodująca szybki i trudny do kontroli przebieg procesu spalania,

stosunkowo niskie ciepło spalania na jednostkę masy, będące przyczyną utrudnień w magazynowaniu i

dystrybucji biomasy do paleniska,

skład chemiczny i jego duża niejednorodność - obecność w biomasie takich pierwiastków, jak tlen, azot, chlor,

prowadząca do emitowania w procesie spalania chlorowodoru, dioksyn i furanów.

Większości tych problemów można uniknąć poprzez zwiększenie gęstości biomasy na drodze kompaktowania (metodą

balotowania - słoma, brykietowania lub granulacji), stosowania odpowiednich konstrukcji urządzeń kotłowych,

zwłaszcza przystosowanych do spalania rozdrobnionej biomasy, oraz poprzez stosowanie współspalania z węglem.

Warunkiem efektywnej realizacja procesu współspalania w tradycyjnych, przystosowanych do spalania węgla, układach

kotłowych po stosunkowo niewielkich tylko modyfikacjach jest zachowanie optymalnego dla danego rodzaju biomasy

i urządzenia kotłowego objętościowego udziału biomasy w mieszance paliwowej [7]. Przekroczenie tego udziału

wymaga modyfikacji procesu spalania w danym urządzeniu, co zdecydowanie zwiększa koszty inwestycyjne.

Efekty ekologiczne energetycznego wykorzystania biomasy

Bezpośrednie spalanie biomasy

Bezpośrednie spalanie biomasy z akceptowalną ek o no mic z n ie i ekologicznie sprawnością energetyczną

wymaga zastosowania odpowiednich rozwiązań technicznych instalacji energetycznej, przystosowanej do spalania

paliwa o wysokim udziale części lotnych, jakim jest biomasa. Na rynku urządzeń grzewczych o małej mocy od

kilkunastu kW do 2 MW opalanych biomasą znajduje się sporo nowatorskich rozwiązań technicznych. Dalszy rozwój

instalacji spalających biomasę, uwzględniający wymagania techniczno - technologiczne jej spalania, winien być

ukierunkowany na podwyższenie standardu inżynieryjno -materiałowego.

Zastępowanie węgla biomasą jako paliwem jest jednakże korzystne. Pod względem energetycznym 2 tony biomasy

równoważne są 1 tonie węgla kamiennego. Najbardziej odczuwalnym negatywnym efektem spalania węgla na

poziomie lokalnym, zwłaszcza w urządzeniach grzewczych małej mocy, jest emisja pyłów oraz zanieczyszczeń

organicznych, w tym wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) o charakterze muta-,

t e r a t o - i kancerogennym, zaliczanych do grupy trwałych związków organicznych (TZO) oraz lotnych związków

organicznych (VOCs), [8 - 10]. Nie bez znaczenia jest także emisja tlenków azotu i związków siarki, powodująca

występowanie zjawiska kwaśnych deszczów. Największym zaś globalnym problemem ekologicznym jest nadmierna

emisja dwutlenku węgla, związku odpowiedzialnego za występowanie efektu cieplarnianego.

Względną ekologiczną efektywność zastosowania słomy i zrębków drzewnych w miejsce spalanego węgla w

źródłach małej i średniej mocy przedstawiają rysunki 1 i 2. Jak wynika z przedstawionych danych, emisja do

atmosfery poszczególnych zanieczyszczeń podczas spalania biomasy jest znacznie niższa, niż podczas spalania węgla. W

procesie spalania biomasy bilans emisji CO 2 jest zerowy, ponieważ tyle się go emituje do atmosfery, ile rośliny pobierają

w procesie fotosyntezy. W przypadku wielorocznych roślin energetycznych (np. wierzby Salix Virmiculis) , ilość

pochłanianego może przewyższać ilość emitowanego dwutlenku węgla. Ze względu na znikomą ilość siarki w

biomasie, zastępowanie nią węgla wpływa również na obniżenie emisji tlenków siarki, rozwiązując tym samym problem

odsiarczania spalin.

Dokonane oszacowanie ekologicznych skutków zamiany węgla przez biomasę w gospodarstwie indywidualnym

wskazuje, iż - przy założeniu średniego zużycia około 8 ton węgla w skali roku na jedno gospodarstwo domowe - można

zredukować emisję poszczególnych zanieczyszczeń o:

- dla CO

92 %

- dla SO 2

97 %

- dla NO 2

80%

- dla pyłu

99,9 %

- dla TOC

77 %

- dla WWA 99,9 %

- dla B(a)P 99,9 %.

W przypadku bilansu CO 2 uzyskuje się efekt całkowitej redukcji emisji, wynikający z faktu, iż biomasa w okresie

wegetacji pochłania analogiczną ilość dwutlenku węgla.

Wspólspalanie węgla i biomasy

Współspalanie rozdrobnionej biomasy w mieszaninie z węglem może być efektywnie realizowane zarówno w

kotłach małej mo cy s to s o w an ych w ogrzewnictwie indywidualnym, jak i w energetyce przemysłowej w kotłach

rusztowych, fluidalnych i pyłowych. Warunkiem jest zachowanie optymalnego udział biomasy w mieszance

paliwowej. Gwarantuje to efektywny pod względem energetycznym i ekologicznym przebieg procesu spalania.

Zwiększenie udziału biomasy niesie za sobą konieczność modyfikacji organizacji procesu spalania w kotle [7].

Na rysunku 3 przedstawiono względną ekologiczną efektywność współspalania węgla z biomasą (zrębkami

drzewnymi).

Jak wynika z przedstawionych danych, efektywna redukcja emisji zanieczyszczeń jest wyższa, aniżeli wynikałoby to

z addytywności dodatku biomasy do węgla. Dodatek biomasy do węgla, oprócz ograniczenia emisji CO2, powoduje

efekt synergizmu w odniesieniu do emisji CO, zanieczyszczeń organicznych (TOC), w tym WWA oraz lotnych

związków organicznych (VOCs), [10, 12]. Ponadto przy spalaniu mieszanek paliwowych obserwuje się zmniejszenie

ilości SO 2 i NO X w spalinach oraz zmniejszoną ilość części palnych w popiele (żużlu). Efekty te zaobserwowano nie

tylko w przypadku rusztowych palenisk węglowych małej mocy [10], ale także w przemysłowych kotłach rusztowych

[13] i fluidalnych [14].

Oprócz omówionych efektów ekologicznych w postaci zmniejszenia emisji substancji szkodliwych dla środowiska,

w tym SO 2 , NO X i zanieczyszczeń organicznych, a także redukcji emisji CO2, odpowiedzialnego za efekt

cieplarniany, nie do pominięcia są również inne, rzadziej wspominane w literaturze przedmiotu efekty ekologiczne,

mające jednak niebagatelne znaczenie dla środowiska. Efekty te polegają na możliwości ograniczania postępującej

degradacji środowiska w wyniku wydobywania paliw kopalnych i deponowania w środowisku odpadów z

przemysłu wydobywczego oraz ograniczeniu procesów erozji gleby, regulacji gospodarki wodnej i asymilacji

zanieczyszczeń powietrza w wyniku prowadzenia upraw energetycznych biomasy.

Ekonomiczne i społeczne efekty energetycznego wykorzystania biomasy

Do ważnych czynników stymulujących rozwój bioenergetyki, obok względów ekologicznych, zaliczyć należy

efekty ekonomiczne i społeczne tych działań.

Wykorzystanie potencjału energetycznego biomasy pozwala bowiem na oszczędzanie, ograniczonych zarówno

ilością jak i dostępnością w aktualnych warunkach rozwoju technicznego, zasobów paliw nieodnawialnych oraz

obniżenie kosztu wytwarzania energii. W tablicy 1 przedstawiono analizę kosztów wytwarzania energii cieplnej

z węgla i różnych rodzajów biomasy na przykładzie wybranej gminy woj. Śląskiego [15].

Działania na rzecz wprowadzania w życie technologii spalania lub współspalania biomasy stanowią również bodziec

rozwoju nowoczesnych technologii. Wynikający z rozwoju tych technologii postęp w wielu sektorach gospodarki

wywołuje w efekcie rozwój lokalnych rynków pracy i poprawę warunków ekonomicznych życia ludności.

Dywersyfikacja źródeł pozyskiwania energii zwiększa bezpieczeństwo energetyczne kraju, a realizacja

międzynarodowych zobowiązań w zakresie redukcji emisji szkodliwych substancji do atmosfery stanowi o

wiarygodności Polski na arenie międzynarodowej.

Podsumowanie

♦ Spalanie biomasy oraz jej współspalanie z węglem w znaczącym stopniu ogranicza emisję zanieczyszczeń z

procesów pozyskiwania energii. Szczególnie istotnym, z uwagi na zamknięty obieg węgla pierwiastkowego w

przyrodzie, jest uzyskiwanie w tych procesach zerowej emisji CO 2 . Energetyczne wykorzystanie biomasy niesie

za sobą również pozytywne skutki ekonomiczne i społeczne.

♦ Przy wdrażaniu technologii spalania i współspalania biomasy należy mieć jednakże świadomość ich ograniczeń,

co pozwala na wybór optymalnego w danych warunkach wariantu oraz dopracowanie niezbędnych elementów

układu logistyczno-technologicznego. Spalanie i współspalanie biomasy warunkowane jest bowiem zarówno

przygotowaniem instalacji energetycznej wraz z modyfikacją systemu dozowania węgla i biomasy, jak

również opracowaniem sposobu przygotowania do celów energetycznych biomasy o stabilnej jakości, zarówno

pod względem właściwości fizycznych (zawartość wilgoci), jak i chemicznych (części lotne, wartość opałowa).

Integralnym i niezwykle istotnym z punktu widzenia rozwoju procesów współspalania jest sposób przygotowania

stabilnej jakościowo mieszanki paliwowej węgiel - biomasa dla kotłów węglowych oraz eksploatacyjna

adaptacja istniejących układów technologicznych do właściwości uzyskanej mieszanki.

♦ Wielopłaszczyznowość zagadnienia energetycznego wykorzystania biomasy jest powodem trudności w

kompleksowym rozwijaniu i wdrażaniu opracowanych technologii. Z jednej strony udokumentowany szeregiem

prac badawczych, pozytywny wpływ stosowania biomasy jako źródła energii na stan środowiska naturalnego

zachęca do wprowadzania nowych rozwiązań, z drugiej strony konieczność zmiany mentalności, dostrzeżenia

wymiernych efektów ekonomicznych i socjologicznych stanowi barierę dalszego postępu w tej dziedzinie.

Osiągnięcie celu, jakim jest zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energii pierwotnej w

Polsce, wymaga więc nie tylko pokonania problemów natury technicznej, lecz również odpowiednich działań

organizacyjnych w zakresie propagowania nowych rozwiązań, prawa i finansów.

LITERATURA:

1. Kowalik P., Karbo - Energochemia - Ekologia, 1, 7, 1992

2. Ciechanowicz W., Bioenergia a energia jądrowa, Wyższa Szkoła Informatyki Stosowanej i Zarządzania, Warszawa

2001

3. Grassi G., Trebbi G., Pikę D.C., Electricity from biomass, CPL Press, Newburyt Berkshire, Eds. 1992, pp

4. Kowalik P., Wytwarzanie energii elektrycznej z biomasy w warunkach polskich, V Konferencja Naukowo -

Techniczna nt „Ogólnopolskie Forum Odnawialnych Źródeł Energii - 98", Gdańsk, 13-16 październik 1998

5. Werther J., Saenger M., Hartge E.-U., Ogada T., Siagi Z., Combustion of agricultural residues, Progress in

Energy and Combustion Science, 26, 2000

6. Balatinecz J.J., The potential of densification in biomass utilisation, w: Cote WA, editor: Biomass utilization,

London, Plenum Press, pp.l 81-189, 1983

7. Kubica K., Raińczak J., Współspalanie węgla i biomasy w instalacjach kotłów rusztowych, Materiały z

Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt „Spalanie paliw alternatywnych w energetyce i

przemyśle cementowym", Opole, 20 -21 luty 2003

8. Kubica K., Termochemiczne przemiany substancji organicznej węgla w procesie jego spalania w złożu

stacjonarnym, Karbo, 9, t.45, 2000

9. Kubica K., Williams A., Ross A.B., Andersson J., Danihelka P., Emission of Pollutants from Biomass and Coal

Combustion in Low Power Output Heating Applicances, 7-th Polish - Danish Workshop on „BIOMASS FOR

ENERGY", Poland, December 7-10, 2000

10. Jones J.M., Poukashanian M., Ross A.B., Danos L., Bartle K.D., Williams A., Kubica K., Andersson J., Kerst M.,

Danihelka P., The Combustion of Coal and Biomass in a Fixed bed Furnace, 5-th European Conference on

Industrial Furnaces and Boilers, Portugalia, 11-14 kwietnia 2000

11. Kubica K., Aspekty ekologiczne związane z produkcją i spalaniem biomasy, Materiały z Konferencji nt

„Energetyczne wykorzystanie biomasy – zielonego węgla w źródłach niekonwencjonalnych", Ustroń, 28.02 -

1.03.2002

12. Kubica K., Raińczak J., Rzepa S., Ściążko M., Influence of „biofuel" additin on emission of pollutants from fine

coal combustion, Proc. 4* Polish – Danish Workshop on Biofiuels, Starbieniewo, Polska, 12-14 czerwca 1997

13. Kubica K., Raińczak J., Bastek P., Badania nad efektywnym energetycznie i ekologicznie współspalaniem

węgla i biomasy w kotle WR-10 w EPEC Elbląg, Sprawozdanie IChPW nr 2910/02

14. Hughes E.E., Tillman D.A., Biomass cofirin: status and prospects 1996, Fuel Processing Technology, vol. 54, pg.

127 - 142, 1998

15. Kubica K., „Zielony węgiel" w śląskich miastach, Biuletyn Ekologiczny PKE OG, nr 7-8, 2002

SPALANIE BIOMASY I JEJ WSPÓŁSPALANIE Z WĘGLEM - TECHNIKI, KORZYŚCI I BARIERY - KUBICA.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: