96 Andrzej Sitka et al.
Zwrot nakáadów energetycznych, rozumiany jako stosunek energii che-micznej uzyskanego paliwa do caákowitych nakáadów energetycznych na wy-tworzenie bioetanolu, jest wskaĨnikiem, który informuje nie tylko o efektywnoĞci energetycznej wytwarzania biopaliwa, ale takĪe o udziale ener-gii paliw kopalnych w wytworzonym biopaliwie. W literaturze fachowej spoty-kane są sprzeczne opinie na temat tego wskaĨnika. Z pracy [4] wynika, Īe caá-kowite zuĪycie energii w procesie produkcji bioetanolu, wliczając w to uprawĊ i nawoĪenie roli, jest wiĊksze niĪ áadunek energii chemicznej uzyskanego pali-wa (zwrot nakáadów energetycznych na poziomie 0,89), natomiast z pracy [2] wynika, Īe bioetanol ma wartoĞü energetyczną 1,21 do 1,30 razy wiĊkszą niĪ caákowite nakáady energetyczne poniesione na wytworzenie bioetanolu. Zgod-nie z [2] efektywnoĞü roĞZgod-nie z kaĪdym rokiem, z uwagi na staáy wzrost wydaj-noĞci plonów oraz coraz bardziej efektywne technologie fermentacji i destylacji bioetanolu. PowyĪsze dane odnoszą siĊ do bioetanolu wytwarzanego z kukurydzy w USA.
W warunkach polskich, w niewielkich gorzelniach rolniczych gáównym Ĩródáem energii do procesu destylacji etanolu jest wĊgiel. ĝrednie jego zuĪycie (definiowanego jako Paliwo Umowne o wartoĞci opaáowej 29 330 kJ/kg) wyno-si 0,8 kg na 1 dm3 etanolu [3]. Przyjmując wartoĞü opaáową etanolu Wo=21,37 MJ/dm3 moĪna policzyü, Īe dla samego tylko procesu destylacji (pomijając nakáady na uprawĊ roli) zwrot nakáadów energetycznych wyniesie 0,91. Trzeba jednak zaznaczyü, Īe duĪe zakáady produkujące bioetanol w Polsce dziaáają w oparciu o nowoczesne technologie amerykaĔskie, w których efektywnoĞü energetyczna wytwarzania etanolu jest duĪo wyĪsza (zwrot nakáadów energe-tycznych na poziomie 1,3).
Szansą na zasadniczą poprawĊ powyĪszych wskaĨników jest energetyczne wykorzystanie wywaru gorzelnianego, jako Ĩródáa energii do produkcji bioeta-nolu. Takie dziaáanie pozwoli na:
x zastąpienie paliwa kopalnego paliwem biomasowym,
x uniezaleĪnienie gorzelni od problemów ze zbytem suszonego wywaru do celów wykorzystania rolniczego (rynek paszowy jest bardzo zmienny, w zaleĪnoĞci od koniunktury w hodowli zwierząt zmienia siĊ popyt i cena DDGS),
x uzyskanie oszczĊdnoĞci w kosztach zakupu paliwa potrzebnego do procesu produkcji bioetanolu.
2. Bilans energetyczny procesu produkcji bioetanolu
Proces produkcji bioetanolu z ziarna kukurydzy omówiono na podstawie jednego z najnowoczeĞniejszych Zakáadów Produkcji Etanolu (ZPE) w Polsce. Zakáad produkuje 400 000 dm3/dobĊ etanolu, co oznacza produkcjĊ 13,3 Mg/h,
96 96
Zgazowanie i wytwarzanie energii cieplnej z… 97
320 Mg dobowo, i 106 000 Mg rocznie. Na potrzeby produkcji w zakáadzie zuĪywa siĊ gaz ziemny w kotáowni parowej (moc zainstalowana 39,5 MW, zuĪycie gazu 4 304 m3/h w celu wytworzenia 60 Mg/h pary o ciĞnieniu 1 MPa, temp. 191ÛC) i w suszarni DDGS (zuĪycie gazu 1 965 m3/h). Oraz energiĊ elek-tryczną w iloĞci 6,5 MW.
W oparciu o powyĪsze dane moĪna stwierdziü, Īe na 1 Mg etanolu w nowoczesnym zakáadzie produkcji etanolu zuĪywa siĊ:
x w przypadku suszenia wywaru gorzelnianego - 16,3 GJ energii cieplnej oraz 0,49 MWh energii elektrycznej,
x w przypadku innego (niĪ suszenie) sposobu zagospodarowania wywaru gorzelnianego – 11,2 GJ energii cieplnej i 0,40 MWh energii elektrycznej. W związku z powyĪszym w ZPE celowym jest wdroĪenie technologii, która pozwoliáaby na osiągniĊcie nastĊpujących efektów:
x zmniejszenie strumienia objĊtoĞci zuĪytego gazu ziemnego o dwie trzecie, eliminując lub ograniczając pracĊ istniejącej kotáowni gazowej,
x wykorzystanie póáproduktu z produkcji etanolu do uzyskania odpowiednich parametrów pary do zasilania procesów technologicznych,
x moĪliwoĞü spalania wywaru gorzelnianego (35% suchej masy) z produkcji w przypadku, kiedy jest nieopáacalna sprzedaĪ DDGS.
W procesie produkcyjnym na jeden Mg etanolu powstaje ok. 8,7 Mg wywa-ru o wilgotnoĞci ok. 88%. ObniĪenie wilgotnoĞci wywawywa-ru do wartoĞci ok. 65% powoduje zmniejszenie masy wywaru do 2,7 Mg na 1 Mg etanolu i wzrost war-toĞci opaáowej do 5,4 MJ/kg. Przy tych parametrach energia chemiczna wywaru powstającego przy produkcji 1 Mg etanolu wynosi 14,58 GJ.
Z powyĪszej analizy wynika, Īe energia zawarta w wywarze gorzelnianym, powstającym przy produkcji 1 Mg etanolu, odwodnionym do 65 % wilgotnoĞci (14,58 GJ), caákowicie pokrywa zapotrzebowanie na energiĊ do procesu desty-lacji bioetanolu (11,2 GJ/Mg), pod warunkiem, Īe sumaryczna sprawnoĞü caáe-go procesu bĊdzie wynosiáa nie mniej niĪ 77%.
3. Badania wáasnoĞci fizyko-chemicznych
wywaru gorzelnianego
Wykonano analizĊ wáasnoĞci fizyko-chemicznych próbki wywaru gorzel-nianego, pobranej z linii produkcyjnej, produkującej bioetanol z kukurydzy. PróbĊ pobrano z wlotu do przenoĞnika podającego wywar do suszarni obroto-wej. Oznaczenia wykonano dla próby wysuszonej do stanu analitycznego a nastĊpnie wyniki przeliczono na stan suchy, suchy bezpopioáowy i roboczy. Wyniki oznaczeĔ i obliczeĔ zamieszczono w tabeli 1.
97 97
98 Andrzej Sitka et al.
Tabela 1. Wyniki analiz i obliczeĔ wáasnoĞci fizyko-chemicznych wywaru gorzelnianego
Analiza paliwa S T A N roboczy r analityczny a suchy d suchy i bezpopioáowy daf Wilgoü w próbce analitycznej W % 7,8
Wilgoü caákowita Wt % 65 7,8 Popióá A % 1,57 4,2 4,5 CzĊĞci lotne V % 28,25 74,4 80,7 84,5 Ciepáo spalania Qs kJ/kg 7 572 19 950 21 636 22 658 WartoĞü opaáowa Qi kJ/kg 5 416 18 439 20 204 21 158 WĊgiel Ct % 17,58 46,31 50,22 52,60 Wodór Ht % 2,29 6,02 6,53 6,84 Azot N % 1,65 4,35 4,72 4,94 Siarka caákowita St % 0,12 0,32 0,35 0,36 Chlor Cl % <0,100 0,100 0,108 0,114
Z tabeli 1 wynika, Īe wywar gorzelniany charakteryzuje siĊ ciepáem spala-nia znacznie wyĪszym niĪ wartoĞci typowe dla biomasy. Ciepáo spalaspala-nia wywa-ru gorzelnianego wynosi 22,6 MJ/kg, podczas gdy wartoĞü typowa dla drewna wynosi 18,1 – 21 MJ/kg, a dla sáomy 17,2 – 18 MJ/kg. Ciepáo spalania wywaru gorzelnianego ma wartoĞü zbliĪoną do ciepáa spalania wĊgli brunatnych, które wynosi 22,6 – 31,8 MJ/kg.
ZawartoĞü popioáu, 4,5% s.m. jest wiĊksza niĪ typowa wartoĞü dla drewna (0,8 – 1,6%) i mniejsza niĪ wartoĞci typowe dla sáomy: 4,5 – 6,5%. Wysoka zawartoĞü czĊĞci lotnych, 80,7% jest typowa dla biomasy. ZawartoĞü siarki i chloru, istotna ze wzglĊdu na emisjĊ spalin i zagroĪenie korozyjne elementów instalacji, jest stosunkowo niska.
4. Wyniki pomiarów wartoĞci opaáowej gazu w zaleĪnoĞci
od strumienia objĊtoĞci powietrza do zgazowania
KomorĊ zgazowarki stanowi stalowa rura o Ğrednicy zewnĊtrznej 2000 mm i dáugoĞci 6,5 m (rys.1). Komora od wewnątrz wyáoĪona jest wymurówką o gruboĞci 230 mm. Tak wiĊc, wewnĊtrzne wymiary komory to Ğrednica 1512 mm i dáugoĞü ok. 6000 mm. Na zewnątrz komory zamontowane są dwie bieĪ-nie. PomiĊdzy bieĪniami i na czĊĞci dyszowej jest zamontowany páaszcz cháo-dzący powietrzny, w którym podgrzewane jest powietrze, doprowadzane do dysz, stanowiące czynnik zgazowujący. Powietrze jest táoczone do przestrzeni
98 98
Zgazowanie i wytwarzanie energii cieplnej z… 99
páaszcza za pomocą wentylatora, podáączonego do nieruchomej czĊĞci páaszcza, Ğlizgowo poáączonej z páaszczem.