brunatnym w warunkach cyrkulacyjnej
warstwy fluidalnej
4.1. Badania doświadczalne
Drewno pohydrolityczne to produkt powstały w procesie hydrolizy zrębek lub trocin drewna (prowadzonych w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia). Jest to odpad z procesu wytwarzania furfuralu na drodze kwasowej hydrolizy hemiceluloz drzewnych. Odpad po procesie składa się głównie z mieszaniny ligniny i celulozy drzewnej. Produkt handlowy może występować w postaci peletów lub brykietów albo w formie sypkiej. Może być wykorzystywany jako paliwo w paleniskach kotłowych w energetyce zawodowej lub w małej energetyce. Nie stanowi on substancji niebezpiecznej, zatem nie wymaga klasyfikacji zgodnie z obowiązującymi przepisami. Nie stwarza również zagrożeń dla ludzi oraz środowiska naturalnego. Ponadto prace w kontrakcie z drewnem pohydrolitycznym, operacje technologiczne transport itp. nie wymagają stosowania specjalnych rozwiązań technicznych mających na celu poprawę stanu BHP. Jedynie w przypadku występowania drobnych frakcji sortymentowych w stanie suchym w zamkniętym pomieszczeniu o słabej wentylacji może wystąpić konieczność używania zabezpieczeń przed pyłami oraz urządzeń odpylających. W zamkniętych pomieszczeniach należy stosować sygnalizację przekroczenia dopuszczalnego stężenia tlenku węgla.
Drewno pohydrolityczne to materiał organiczny pochodzenia naturalnego, o skomplikowanym, bliżej nieustalonym składzie. Skład pierwiastkowy drewna pohydrolitycznego jest w niewielkim stopniu zróżnicowany w zależności od rodzaju drewna poddanego procesowi hydrolizy. Głównym składnikiem jest węgiel, zakres zawartości poszczególnych pierwiastków kształtuje się na poziomie:
130 • odór 4-6%,
• azot 0,3-0,6%, • siarka 0,3-0,5 %,
• tlen: około 15-25% (oszacowane z różnicy).
Lignoceluloza pohydrolityczna przechowywana na składowiskach przyzakładowych cechuje się wysoką zawartością wilgoci przekraczającą 65% [105]. Drewno pohydrolityczne w postaci przygotowanej do wykorzystania jako paliwo zawiera około 12-25% wilgoci całkowitej oraz 8- 14% substancji mineralnej w postaci popiołu. W Tabeli 55 pokazano drewno pohydrolityczne w postaci przygotowanej do wykorzystania jako paliwo.
Zawartość wilgoci całkowitej 12-25% (w zależności od warunków składowania). Wartość opałowa w stanie roboczym: 14 000-18 700 kJ/kg (w zależności od zawartości wilgoci). Zawartość chloru ˂ 0,005%. Zawartość alkaliów Na2O -ok. 0,5%, K2O - ok. 1,3%. Biodegradowalność (określona na podstawie oznaczenia dla brykietów i pelet, dla próbki analitycznej o zawartości wilgoci 4,1-6,4%), udział masowy frakcji biodegradowalnej XB daf -84,1-88,3%. W przeliczeniu na stan suchy i bezpopiołowy: XBdaf-97,6-98,2%, zawartość frakcji nie biodegradowalnej XNBd-1,6-2,2%. Brykiet oraz pelety wykazują dobrą wodoodporność. Z uwagi na wysoką zawartość tlenu w lignocelulozie w wyniku powolnego utleniania przy długotrwałym składowaniu mogą tworzyć się pewne ilości tlenku i ditlenku węgla. Procesy gnilne mokrego (wilgotnego) produktu mogą generować dodatkowe ilości metanu i tlenku węgla. Może to być groźne w przypadku składowania w zamkniętych pomieszczeniach bez sprawnego układu wentylacji. Długotrwałe składowanie dużych ilości rozdrobnionego i wilgotnego produktu może powodować samonagrzewanie wewnątrz zwałowiska, co może prowadzić do samozapalania. Należy kontrolować stopień samonagrzewania. W związku z tym proponuje się składowanie biomasy w hałdach o wysokości nie przekraczające 4 m. Długo pozostający produkt na zwałach należy okresowo „przekładać” i przegarniać.
131
Tabela 55. Drewno pohydrolityczne w postaci przygotowanej do wykorzystania jako paliwo
[opracowanie własne na podstawie zlecenia z Forem SA z 2011].
Właściwości Forma skompletowana
(brykiet,pellety)
Forma sypka
Wygląd Ciemnobrązowe brykiety lub
małe pellety
Ciemnobrązowy materiał sypki ze zbryleniami o średnicy do 10 mm o zmiennej zawartości
wilgoci
Zapach Słabo wyczuwalny,
niedrażniący
Słaby charakterystyczny zapach butwiejącego drewna Próg zapachu Nie określono (brak
dostępnych danych)
Nie określono (brak dostępnych danych)
pH Nie dotyczy( produkt jest
ciałem stałym) Nie dotyczy( produkt jest ciałem stałym) Temperatura
topnienia/krzepnięcia
Nie określono (brak dostępnych danych)
Nie określono (brak dostępnych danych) Początkowa temperatura
wrzenia i zakres temperatur wrzenia
Nie dotyczy( produkt jest ciałem stałym)
Nie dotyczy( produkt jest ciałem stałym) Temperatura zapłonu Powyżej 2500C w formie
rozdrobnionej (tygiel otwarty)
Powyżej 2500C (tygiel otwarty) Szybkość parowania Nie określono (brak
dostępnych danych)
Nie określono (brak dostępnych danych) Prężność par w 2000C Nie dotyczy( produkt jest
ciałem stałym)
Nie dotyczy( produkt jest ciałem stałym) Gęstość par Nie określono( produkt jest
ciałem stałym) Nie określono( produkt jest ciałem stałym) Gęstość względna
Gęstość pozorna Gęstość nasypowa
Nie określono( produkt jest ciałem stałym) 420-530 kg/m3 (brykiet) 580-610 kg/m3 (dla pellet w
zależności od uziarnienia)
Nie określono (brak dostępnych danych) Nie określono (brak dostępnych danych)
460-520 kg/m3
(w zależności od zawartości wilgoci)
Rozpuszczalność Ograniczona rozpuszczalność w wodzie
Ograniczona rozpuszczalność w wodzie
Współczynnik podziału: n-oktanol/woda
Nie określono (brak
dostępnych danych) Nie określono (brak dostępnych danych) Temperatura samozapłonu Powyżej 45000C Powyżej 45000C Temperatura rozkładu Nie określono (brak
dostępnych danych)
Nie określono (brak dostępnych danych) lepkość Nie dotyczy( produkt jest
ciałem stałym)
Nie dotyczy( produkt jest ciałem stałym) Właściwości wybuchowe Wysuszony pył materiału
(ścier) może wykazywać właściwości wybuchowe
Wysuszony pył materiału posiada właściwości
wybuchowe Właściwości utleniające Nie posiada właściwości
utleniających
Nie posiada właściwości utleniających
132
Celem badań była analiza procesu spalania i współspalania drewna pohydrolitycznego z węglem brunatnym w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej. Przeprowadzono również badania dla węgla kamiennego, do celów porównawczych. W badaniach szczególną uwagę skierowano na emisje zanieczyszczeń gazowych jak również skłonność paliwa do zanieczyszczania powierzchni ogrzewalnych. W pierwszej kolejności wykonano analizę paliw. Podstawowym paliwem, było drewno pohydrolityczne. Jako paliwo konwencjonalne do procesu współspalania wybrano węgiel brunatny z PGE KWB Turów.
Analizę biomasy (drewna pohydrolitycznego) wykonano w oparciu o normy CEN/TS. Analizę węgla brunatnego wykonano w oparciu o normy PN-G. Badania zasadnicze procesu współspalania i spalania prowadzono na pilotowym stanowisku z cyrkulacyjną warstwą fluidalną (Rys.18) o mocy 0,1MWth.
Rys. 18. Stanowisko pilotowe 0,1 MWth [106].
Schemat stanowiska przedstawiono na rys. 19. Instalacja składa się z komory paleniskowej o wysokości ok. 6,25 m i wewnętrznej średnicy 0,1m, połączonej z gorącym cyklonem o wewnętrznej średnicy 0,25 m. Odseparowane w cyklonie ziarna materiału warstwy fluidalnej zawracane są do komory paleniskowej układem nawrotu, składającym się z rury opadowej o wewnętrznej średnicy 0,075 m i nie- mechanicznego syfonu. Ponadto, instalacja
133
wyposażona jest w cztery elektrycznie grzane piece, trzy zainstalowane na komorze paleniskowej i jeden na rurze opadowej. Piece wykorzystywane są do nagrzania stanowiska do (lub powyżej) temperatury zapłonu stosowanego paliwa. Powietrze pierwotne wprowadzane jest w dolnej części komory paleniskowej i przechodzi ono przez podwójny ruszt ceramiczny. Powietrze pierwotne jest wstępnie podgrzane przez podgrzewacz do temperatury ok. 350C. Powietrze wtórne doprowadzane jest na wysokości ok. 1,2 m nad poziomem rusztu. Paliwo podawane jest w sposób ciągły w miejscu zsypywania się materiału recyrkulowanego do komory spalania powyżej rusztu ceramicznego. Na ciągu spalinowym zainstalowano filtr tkaninowy, jako drugi stopień odpylenia gazu. W razie potrzeby, filtr ten może być ominięty by-pasem. Spaliny opuszczające filtr tkaninowy (lub przepływające by-pasem) wyprowadzane są do atmosfery przez komin, z pomocą wentylatora wyciągowego. Instalacja wyposażona jest także w zaawansowany system sterowania oraz akwizycji parametrów ruchowych (głównie temperatury i ciśnienia), jak również w szereg portów do poboru próbek materiałów sypkich: popiołu dennego (BA), popiołu lotnego (FA) i materiału warstwy (CM). Na wylocie spalin do komina zainstalowano sondę do poboru gazów spalinowych, które były w sposób ciągły zasysane i analizowane za pomocą analizatora gazów typu FTIR.
W ramach badań zasadniczych wykonano następujące testy współspalania i spalania paliw:
• Mieszanka paliwowa w składzie: 10%mas. drewno pohydrolityczne, 90%mas. węgiel brunatny, bez dodatku wapienia.
• Mieszanka paliwowa w składzie: 10%mas. drewno pohydrolityczne, 90%mas. węgiel brunatny, dodatek wapienia w stosunku Ca/S=3.
• Mieszanka paliwowa w składzie: 50%mas. drewno pohydrolityczne, 50%mas. węgiel brunatny, dodatek wapienia w stosunku Ca/S=3.
• Spalanie wyłącznie drewna pohydrolitycznego, bez dodatku wapienia.
• Spalanie wyłącznie drewna pohydrolitycznego, dodatek wapienia w stosunku Ca/S=3. • Spalanie węgla kamiennego (dla celów porównawczych), dodatek wapienia w stosunku
Ca/S=3.
• Podczas wszystkich testów na stanowisku zamontowana była sonda do oceny procesów zanieczyszczania powierzchni ogrzewalnych.
134
Rys. 19. Schemat stanowiska pilotowego 0,1 MWth [106].
Zastosowane oznaczenia: BA – popiół denny, CM – materiał złoża cyrkulującego, FA – popiół lotny, FG – miejsce poboru próbek gazów spalinowych, HE – wymiennik ciepła, MFC – masowy kontroler przepływu, P – miejsce pomiaru ciśnienia, PG – powietrze pierwotne, PHG – podgrzewacz powietrza pierwotnego, SG – powietrze wtórne, SGH – podgrzewach powietrza wtórnego, T – miejsce pomiaru temperatury, ID Fan – wentylator wyciągowy, Drain port – miejsce poboru próbek stałych, Fuelfeed point – miejsce wprowadzania paliwa, Loopseal – zamknięcie syfonowe, Grid – ruszt, Solidsfeed point – miejsce zadawania materiału warstwy, Combustion chamber – komora paleniskowa, Cyclone – separator.
135
4.2. Analiza uzyskanych wyników
Wyniki analizy paliw zestawiono w Tabeli 56 –drewno pohydrolityczne oraz Tabeli 57 – węgiel brunatny oraz węgiel kamienny.
Tabela 56. Wyniki analizy drewna pohydrolitycznego [badania własne,106].
Lp. Parametr Jedn. miary Wartość
1. Zawartość wilgoci przemijającej %mas. 10,76 2. Zawartość wilgoci higroskopijnej %mas. 4,61
3. Wilgoć całkowita %mas. 15,37
4. Popiół %mas. 6,22
5. Części lotne %mas. 51,94
6. Pozostałość koksowa %mas. 26,47
7. Węgiel %mas. 55,78 8. Wodór %mas. 4,77 9. Siarka %mas. 0,20 10. Azot %mas. 0,30 11. Tlen %mas. 17,38 12. Wartość opałowa
(dla zawartości wilgoci 15, 37 %) kJ/kg 21055
Drewno pohydrolityczne wykazało się korzystną zawartością wilgoci – 15,37%mas.
(należy pamiętać, że wilgotność zależy od warunków przechowywania i transportu). Ponadto zaobserwowano wysoką, w porównaniu do typowych biopaliw stałych, zawartość popiołu - 6,22% mas.. Drewno pohydrolityczne wykazało typową, niską dla biopaliw zawartość siarki - 0,2% mas., jak również wysoką zawartość części lotnych. Wartość opałowa, dla zawartości wilgoci 15% mas. cechowało się wysoką wartością 21 055 kJ/kg.
Tabela 57. Wyniki analizy wykorzystanych w badaniach węgli [badania własne, 106]
Parametr Zawartość węgla Zawartość siarki Zawartość popiołu Wartość opałowa Zawartość wilgoci Symbol C S A Qi Wt
Jednostka %mas. %mas. %mas. kJ/kg %mas.
Węgiel brunatny KWB
Turów 32,44 1,02 16,7 11 500 37,9
136
Dla drewna pohydrolitycznego wykonano również analizę sitową, którą przedstawiono graficznie na Rys. 20.
Rys. 20. Rozkład ziarnowy paliwa drewno pohydrolityczne [badania własne].
Podczas badań jako sorbent wykorzystano wapień (podstawowy składnik CaCO3), którego próbkę uzyskano z PGE GiEK S.A. Oddział Elektrownia Turów. Zawartość związków chloru w biomasie i paliwach tego typu jest istotna, ze względu na procesy, w których związki chloru przyczyniają się do korozji elementów kotła. Zawartość HCl podczas pierwszej godziny testu utrzymywała się na poziomie ok. 10 ppm, aby następnie obniżyć się do poziomu ok. 5 ppm. Można zatem stwierdzić, że przy spalaniu mieszanki, w której dominującym składnikiem był węgiel brunatny, zawartość HCl w gazach spalinowych kształtowała się na poziomie 5-10 ppm.
Innym istotnym składnikiem gazów spalinowych jest amoniak (NH3). Zawartości amoniaku utrzymywała się na w miarę stałym poziomie, w zakresie 25-30 ppm.
Podczas wszystkich testów prowadzono pobór próbek stałych:
• Popiołu lotnego, popiół zbierano spod filtra workowego (Rys.20, w miejscu oznaczonym „-FA 2- DRAIN PORT”).
• Popiołu dennego, popiół zbierano spod rusztu (Rys. 20, w miejscu oznaczonym „-BA- DRAIN PORT”).
137
• Materiału cyrkulującego, materiał pobierano spod syfonu (Rys. 20, w miejscu oznaczonym „-CM- DRAIN PORT”).
Materiał zbierany podczas każdego testu przechowywany był osobno, a następnie poddany został analizie na zawartość najistotniejszych pierwiastków. Analizę dokonano metodą XRF (X-rayfluorescence, czyli fluorescencji rentgenowskiej), za pomocą analizatora MiniPal firmy PAN Analytical. Była to tzw. analiza tlenkowa, tzn. zawartość poszczególnych pierwiastków przedstawiono jako zawartość ich tlenków. Wyniki analiz próbek zestawiono w Tabelach 58, 59 i 60.
Tabela 58. Analiza tlenkowa próbek stałych zebranych podczas testu 1: spalanie mieszanki w
składzie: drewno p. 10%, węgiel b. 90%, bez odsiarczania [badania własne]. Tlenek Jednostka Popiół denny Materiał cyrkulujący Popiół lotny Al2O3 %mas. 21,9 27,9 36,8 SiO2 %mas. 73,9 66,4 47,6 SO3 %mas. 0,46 0,76 1,7 K2O %mas. 1,06 1,28 2,23 CaO %mas. 0,609 0,73 2,11 TiO2 %mas. 0,51 0,681 1,79 V2O5 %mas. 0,016 0,021 0,077 Cr2O3 %mas. 0,012 0,019 0,031 MnO %mas. 0,022 0,021 0,017 Fe2O3 %mas. 1,43 1,94 7,26
Podstawowymi składnikami pobranych próbek materiałów sypkich były krzem i glin. Oba pierwiastki stanowią składnik glinokrzemianów, minerałów występujących wraz z pokładami węgla. Obecność zarówno tlenków krzemu jak i glinu charakterystyczna była dla testów, podczas których w mieszance paliwowej znajdowała się istotna zawartość węgla brunatnego (50-90%mas.).
138
Tabela 59. Analiza tlenkowa próbek stałych zebranych podczas testu 2:spalanie mieszanki w składzie:
drewno p. 10%, węgiel b. 90%, dodatek wapienia Ca/S=3.
Tlenek Jednostka Popiół denny Materiał cyrkulujący Popiół lotny Al2O3 %mas. 31,7 32,5 28,1 SiO2 %mas. 48,3 46,5 33,3 SO3 %mas. 4,81 4,39 9,38 K2O %mas. 1,58 1,5 1,5 CaO %mas. 9,4 8,04 19,8 TiO2 %mas. 1,06 0,983 1,42 V2O5 %mas. 0,043 0,041 0,069 Cr2O3 %mas. 0,015 0,017 0,023 MnO %mas. 0,021 0,017 0,031 Fe2O3 %mas. 2,81 2,83 5,94
Tabela 60. Analiza tlenkowa próbek stałych zebranych podczas testu 3:spalanie mieszanki w składzie:
drewno p. 50%, węgiel b. 50%, dodatek wapienia Ca/S=3.
Tlenek Jednostka Popiół denny Materiał cyrkulujący Popiół lotny Al2O3 %mas. 24,1 29,9 30,8 SiO2 %mas. 62,6 57,3 40,9 SO3 %mas. 1,78 2,35 6,12 K2O %mas. 1,32 1,38 1,6 CaO %mas. 7,31 5,86 12,2 TiO2 %mas. 0,661 0,981 1,67 V2O5 %mas. 0,019 0,037 0,083 Cr2O3 %mas. 0,0099 0,011 0,03 MnO %mas. 0,04 0,019 0,026 Fe2O3 %mas. 1,9 1,97 6,07
Podczas testu, kiedy spalane było wyłącznie drewno pohydrolityczne zaobserwowano niższą zawartość glinu (tzn. 8%mas. w popiele dennym, 12 %mas. w popiele lotnym, wobec 20-30 %mas. w testach z dodatkiem węgla). W materiale cyrkulującym pochodzącym z testu spalania tylko lignolelulozy nie wykryto glinu (Tabela 61).
139
Tabela 61. Analiza tlenkowa próbek stałych zebranych podczas testu 5:spalanie drewna
pohydrolitycznego, dodatek wapienia Ca/S=3.
Tlenek Jednostka Popiół denny Materiał cyrkulujący Popiół lotny Al2O3 %mas. 7,97 0,0 12,0 SiO2 %mas. 82,3 90,3 35,0 SO3 %mas. 2,35 3,53 16,0 K2O %mas. 0,97 0,684 1,07 CaO %mas. 4,97 4,04 31,3 TiO2 %mas. 0,16 0,2 0,691 V2O5 %mas. 0,005 0,005 0,026 Cr2O3 %mas. 0,0085 0,03 0,055 MnO %mas. 0,025 0,019 0,047 Fe2O3 %mas. 0,962 0,855 3,22
Podczas spalania drewna pohydrolitycznego, pierwiastkiem dominującym w składzie popiołów był krzem. Taki skład popiołu należy uznać za korzystny. Biopaliwa stałe zawierające w składzie substancji mineralnej krzem uważane są za wartościowe. W przeciwieństwie do nich, biopaliwa w których istotnymi składnikami popiołu są związki metali alkalicznych, uważane są za paliwa trudne.
Podczas testów z dodatkiem wapienia w mieszance paliwowej, zaobserwowano w składzie popiołów podwyższone zawartości zarówno SO3 jak i CaO. Należy to interpretować jako obecność produktu odsiarczania CaSO4, jak również obecność pewnej, nieprzereagowanej ilości wapienia (CaCO3), w szczególności w popiele lotnym.
Zaobserwowano wzbogacenie popiołów lotnych w tlenki żelaza (6-7%mas). podczas spalania mieszanek z węglem i 3 %mas. podczas spalania tylko drewna pohydrolitycznego. Związki żelaza wchodzą w skład minerałów towarzyszącym pokładom węgla. Należy zwrócić również uwagę na zawartość potasu. Zarówno podczas testów, w których podstawowym paliwem był węgiel brunatny, jak również dla testu, kiedy spalano wyłącznie drewno pohydrolityczne, zawartości tlenku tego alkalicznego pierwiastka są zbliżone (0,9 – 2,23 %mas., we wszystkich materiałach sypkich). Fakt, że podczas testów, w których spalane było drewno pohydrolityczne, popioły i materiał cyrkulujący nie uległy wzbogaceniu w związki potasu, świadczy o niewielkiej skłonności paliwa do zanieczyszczania powierzchni ogrzewalnych, co znalazło również potwierdzenie podczas inspekcji sondy do osadów.
140
Przeprowadzone analizy pozwalają na sformułowanie następujących wniosków końcowych:
• Drewno pohydrolityczne na tle grupy paliw określanych jako biomasa stała, cechuje się korzystnymi właściwościami, na podkreślenie zasługuje wysoka wartość opałowa i niska zawartość siarki.
• Przeprowadzone badania na stanowisku pilotowym z cyrkulacyjną warstwą fluidalną wykazały, że drewno pohydrolityczne nadaje się do procesu współspalania z węglem. • Przeprowadzone badania bez i z użyciem wapienia jako sorbentu wykazały, że drewno
pohydrolityczne dzięki niewielkiej zawartości siarki przyczyniać się będzie do obniżenia emisji tlenków siarki, bądź też do obniżenia zużycia sorbentu.
• Wykazano, że zastosowanie drewna pohydrolitycznego nie spowoduje zwiększenia emisji tlenków azotu ani też amoniaku.
• Zarejestrowane niskie zawartości chlorowodoru wskazują, że drewno pohydrolityczne nie powinno przyczyniać się do intensyfikacji procesów korozji.
• Podczas testów spalania i współspalania drewna pohydrolitycznego na sondzie do osadów zebrała się śladowa ilość osadu. Drewno pohdrolityczne jest paliwem o niewielkiej skłonności do zanieczyszczania powierzchni ogrzewalnych.
• Zastosowanie jako paliwa drewna pohydrolitycznego nie powinno spowodować intensyfikacji problemów eksploatacyjnych, w stosunku do spalania węgla brunatnego czy też węgla kamiennego. Nie należy spodziewać się negatywnego oddziaływania na instalację kotłową.
141