and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 2 (2005), p-25-36
Propozycja technologii efektywnego energetycznie
wykorzystania odpadów przemysłowych
Poskrobko S.*, Łach J.
* Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny ul. Wiejska 45 C, 15-351 Białystok
e-mail: drposkrobko@wp.pl
** Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska ul. J., H. Dąbrowskiego 73, 42-200 Częstochowa
e-mail: lachjan@wp.pl
Streszczenie
Przedstawiono koncepcję badań mających na celu opracowanie technologii efektywnego energetycznie wykorzystania odpadów przemysłowych (biomasy i odpadów polimerowych) przetworzonych do postaci paliwa o ściśle określonych właściwościach energetycznych i emisyjnych. W ramach planowanych badań zostaną zweryfikowane technologie spalania, współspalania z węglem kamiennym oraz zgazowania w celu wytworzenia niskokondensującego gazu syntezowego. Oprócz wysokich sprawności przemian energii chemicznej paliwa w energię cieplną, istotą problemu są badania, na podstawie których można stwierdzić, na ile procesy spalania, współspalania i zgazowania paliw z odpadów charakteryzują się niską emisją zanieczyszczeń gazowych. Badania planuje się wykonać na rzeczywistych obiektach energetycznych oraz w skali laboratoryjnej.
Abstract
Concept of technology of energy effective utilization of waste products
The paper is devoted to the presentation of concept of investigations directed to the elaboration of the technology which makes possible effective utilization of industrial waste (i.e. biomass and polymer waste) as a fuel with closely defined thermal properties and emission rate of pollutants. In order to obtain low-condensed synthesis gas, in frames of research we would like to verify burning, co-firing with hard coal as well as gasification technologies. Beside high efficiency of fuel chemical energy conversion into thermal energy, investigations in real and laboratory's scale must estimate emission of pollutants.
1. Wstęp
W niniejszej pracy przedkłada się koncepcję technologii energetycznego wykorzystania biomasy odpadowej i innych odpadów polimerowych nie stanowiących wartościowych surowców wtórnych. Istota sprawy sprowadza się do optymalnego doboru parametrów wysokotemperaturowych przemian termicznych wymienionych odpadów, które w ten sposób mogłyby być przetworzone w wartościowe paliwo o określonej gęstości i ściśle zdefiniowanych właściwościach, określonych na podstawie analizy technicznej i elementarnej. W ramach tego rodzaju badań należałoby rozpatrzyć takie wysokotemperaturowe procesy energetyczne, jak: spalanie i zgazowanie.
Badanie procesu spalania tak wytworzonego paliwa, tzn. w postaci odpowiednio skalibrowanych odpadów polimerowych i wilgotnej biomasy o wartości opałowej około 10–11MJ/kg, można by zrealizować w warunkach rzeczywistych w kotle rusztowym typu OR oraz w kotle z rusztem schodkowym o mocy około 5MW. W przypadku kotła typu OR realne jest także badanie współspalania wytworzonego paliwa z węglem kamiennym. Oceny sprawności energetycznej kotłów można dokonać powszechnie znaną metodą. Tym samym da się określić tak istotną wielkość, jak koszt wytworzenia 1GJ ciepła dla możliwie najwyższej sprawności, która przecież w istotny sposób zależy od składu elementarnego i wilgotności kalibrowanego paliwa. Należałoby również prześledzić emisję zanieczyszczeń gazowych odprowadzanych do atmosfery, w tym emisję chlorowodoru i dioksyn. Jako produkt uboczny procesu spalania wystąpią bowiem: chlorowodór i związki chlorowcoorganiczne, ponieważ odpady polimerowe, stanowiące wysokokaloryczny składnik paliwa o szacowanej wartości opałowej około 19MJ/kg, mogą zawierać – w swoim składzie elementarnym – około 2,8–3% Cl. Duża zawartość chloru w części polimerowej wymusza m.in. taką kalibrację paliwa, aby udział Cl był mniejszy niż 1%. Pozostałymi składnikami paliwa mogłyby być: odpady w postaci wilgotnej biomasy z przemysłu celulozowo-papierniczego, czyli tzw. „masy łapanej” o wilgotności równej około 80%, osad ściekowy o wilgotności równej około 80% i kora drzewna o wilgotności równej około 60%. Można przypuszczać, że odpowiednia kalibracja paliwa spowoduje autotermiczność procesu, a udział chloru w paliwie powinien obniżyć się do wartości około 0,6–1%. Intencją proponowanego rozwiązania jest uniknięcie procesu suszenia wilgotnej biomasy.
Badanie procesów zgazowania mogłoby dotyczyć zarówno wyżej omówionego paliwa jak i nieużytecznych typowych odpadów drzewnych. Zasadniczy cel sprowadzałby się do uzyskania palnego gazu syntezowego niskokondensującego. Istotny element tych badań to dążenie do takiego wykorzystania energii odpadowej, które umożliwi uzyskanie efektu ekologicznego. Postulat ten przekłada się na konieczność zapewnienia niskoemisyjności procesu. Należałoby przewidzieć, że szczegółową analizę trzeba ukierunkować na ocenę możliwości zastosowania – w energetyce zawodowej i komunalnej – następujących metod zgazowania: (1).zgazowanie proponowanego paliwa z odpadów i wilgotnych odpadów drzewnych o wilgotności około 60% w reaktorze (przedpalenisku), w którym czynnikiem zgazowującym będzie powietrze dostarczane do strefy reakcji z niedomiarem (0 < λ < 1), przy czym badania można by przeprowadzić w rzeczywistej instalacji, o wydajności wynoszącej – w zależności od wartości opałowej wsadu – od 50 do 100kg/h, aktualnie przystosowanej do zgazowania (unieszkodliwiania) odpadów niebezpiecznych na
międzynarodowym drogowym przejściu granicznym w Kuźnicy Białostockiej; (2).zgazowanie odpadów drzewnych za pomocą przegrzanej pary wodnej z niewielką ilością powietrza w obecności węgla drzewnego, koksu z węgla kamiennego i antracytu (substancji o wysokim stopniu uwęglenia), przy czym badania trzeba by przeprowadzić najpierw w skali laboratoryjnej.
Istota problemu sprowadza się do określenia takiej kompozycji proponowanego paliwa z udziałem odpadów polimerowych, aby proces konwersji przebiegał najefektywniej. Wymaga to stworzenia takich warunków depolimeryzacji określonych tworzyw sztucznych, które w dalszych procesach termicznych pozwolą na możliwie maksymalną ich karbonizację, a w końcowym etapie procesu – na ich spopielenie. Należy odnotować, że w działających instalacjach tego typu nie osiągnięto jeszcze zadawalającego przejścia tworzyw sztucznych w koks. Część nieskarbonizowanych tworzyw sztucznych unosi się bowiem z pyłem lotnym, co ma niekorzystny wpływ na elementy wymiennikowe kotła odzysknicowego, przekładający się na obniżenie jego sprawności, oraz na instalację oczyszczania spalin, a przede wszystkim na elementy filtracyjne filtrów tkaninowych i ceramicznych.
2. Charakterystyka przedmiotu badań
Realizacja zarysowanych badań miałaby w zamierzeniu doprowadzić do opracowania technologii: (1).niskoemisyjnego, efektywnego energetycznie wykorzystania biomasy odpadowej i innych odpadów polimerowych wytwarzanych w przemyśle celulozowo-papierniczym, przy czym istotnym elementem stawianego celu byłoby określenie odpowiedniej kompozycji odpadów do postaci paliwa; (2).przemian termicznych rozdrobnionych odpadów drzewnych do postaci gazu niskokondensującego i zbadanie możliwości zastosowania tego gazu do spalania w silnikach spalinowych.
Osiągnięcie tak postawionego celu wymagałoby rozwiązania takich problemów, jak: (1).optymalizacja procesu spalania paliw kalibrowanych z odpadów wytwarzanych w przemyśle celulozowo-papierniczym i ich współspalania z węglem kamiennym przy zachowaniu niskiej emisji zanieczyszczeń gazowych odprowadzanych do atmosfery, przy czym zasadniczym warunkiem uzyskania efektu ekologicznego jest określenie odpowiedniej kalibracji paliwa oraz jego wilgotności; (2).optymalizacja procesu niskociśnieniowego zgazowania paliw kalibrowanych z odpadów wytwarzanych w przemyśle celulozowo-papierniczym, przy czym w warunkach podstechiometrycznych (przy współczynniku nadmiaru powietrza 0 < λ < 1) i z zastosowaniem katalizatorów alkalicznych w celu uzyskania tzw. niskokondensującego gazu syntezowego o zwiększonym udziale wodoru; (3).dobór parametrów procesu zgazowania biomasy, głównie odpadów drzewnych, w reaktorze ze stałym nośnikiem ciepła (np. złożem ceramicznym lub kwarcowym) w środowisku przegrzanej pary wodnej i z zastosowaniem substancji organicznej o wysokim stopniu uwęglenia (koksu, węgla drzewnego, antracytu) w celu uzyskania gazu syntezowego niskokondensującego oraz wykazanie możliwości jego efektywnego spalania w silnikach spalinowych. W celu uzyskania gazu o wysokim udziale palnych składników nie kondensujących, szczególnie tlenku węgla i wodoru, zgazowanie biomasy należałoby przeprowadzić w środowisku katalizatorów.
Istotą proponowanej problematyki naukowo-badawczej jest eksperymentalne określenie i porównanie efektywności energetycznej powyżej wymienionych przemian termicznych paliw z odpadów przemysłowych i z odpadowej biomasy drzewnej w kontekście ich zastosowania w lokalnych systemach tak energetyki zawodowej i komunalnej jak i przemysłowej, przy czym ze szczególnym uwzględnieniem możliwości uzyskania niskiej emisji zanieczyszczeń gazowych odprowadzanych do atmosfery. W szczegółowych analizach poszczególnych przypadków przemian termicznych, które należałoby przeprowadzić w ramach proponowanych badań, trzeba uwzględnić możliwość zastosowania technologii zgazowania paliw odpadowych w gazogeneratorach, które mogą pracować jako przedpaleniska kotłów opalanych pyłem węgla kamiennego. Współpraca gazogeneratorów z powszechnie stosowanymi w Polsce kotłami typu OP (reburning, niskoemisyjne współspalanie pyłu węglowego i gazu syntezowego w strefie opromieniowanej z zastosowaniem spalania wirowego) powinna przyczynić się do zmniejszenia emisji, głównie NOx, do atmosfery.
W kraju istnieją realne możliwości wdrożenia współspalania gazu syntezowego w kotłach pyłowych o niskiej mocy (np.: OP70, OP130, OP140, OP160, OP215 i OP230), albowiem kotły te stanowią w większości wyposażenie elektrociepłowni (np. Elektrociepłowni Białystok). Ponadto, na rynku odczuwa się niedosyt nowych technologii niskoemisyjnego spalania, które w przyszłości mogą stanowić lokalne, efektywne energetycznie źródła energii, wykorzystujące lokalne zasoby paliw odnawialnych i zasoby paliw wytwarzanych z odpadów.
Podjęcie proponowanych badań jest uzasadnione tym, że rozwiązania, które można by poddać badaniom eksperymentalnym, powinny przyczynić się do: (1).rozwoju wysokosprawnych i niskoemisyjnych technologii wytwarzania energii dla potrzeb lokalnych odbiorców i zakładów przemysłowych, w których realizacja procesu wytwarzania dóbr materialnych wymaga energochłonnych technologii; (2).efektywnego wykorzystania energetycznego odpadów, które w niedalekiej już przyszłości mogą spełniać rolę komplementarną w stosunku do paliw konwencjonalnych.
3. Stan wiedzy w zakresie badań
Technologia zgazowania paliw stałych, w tym głównie węgla, zapoczątkowana w XIX stuleciu, była stosowana przede wszystkim do wytwarzania gazu miejskiego. Gazu syntezowego wytwarzanego na bazie węgla kamiennego (tzw. gazu czadnicowego) używano zaś z powodzeniem w różnych gałęziach przemysłu – np. w hutnictwie i przemyśle chemicznym – jako gazu opałowego. Podstawowym surowcem do produkcji gazu był i jest węgiel kamienny. Gaz syntezowy, wytwarzany na małą skalę z wykorzystaniem odpadów z drzew liściastych, a głównie brzozy, stosowany był w latach 1920 – 1950 do napędu silników samochodowych. Jedna z pierwszych instalacji przemysłowych w Polsce do pirolitycznego zgazowania drewna, tzw. retorta Giecewicza, pracowała przez długie lata w Hajnowskim Przedsiębiorstwie Suchej Destylacji Drewna. Zamknięcie tej instalacji nastąpiło dopiero w końcu lat 70-tych minionego wieku. Zastąpiono ją technologią Lambiotta o dużo większej zdolności przerobowej a konstrukcję retorty dostosowano – po wielu modernizacjach – do pracy w systemie automatycznego sterowania procesem. Zadaniem tej technologii było wytwarzanie węgla drzewnego
(koksu) oraz takich produktów ciekłych, jak: oleje, smoły, alkohole i kwas octowy. Tzw. parogazy (produkt pirolizy drewna) są obecnie wykorzystywane do celów energetycznych, jak np. do produkcji pary technologicznej. Podobna technologia pirolitycznego zgazowania drewna funkcjonuje w Gryfinie k. Szczecina. W kraju praktycznie brak jest tego typu lub podobnych instalacji zgazowania odpadów drzewnych pracujących na potrzeby energetyki zawodowej i komunalnej. Badania naukowe w tym zakresie są zaś prowadzone w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu [1, 2]. Ich efektem było wdrożenie prototypu generatora gazu, w którym prowadzony jest proces zgazowania odpadów drzewnych. Gaz syntezowy spalany jest w przedpalenisku kotła odzysknicowego. Ze względu na to, że w gazie tym znaczny jest udział związków organicznych kondensujących, to – jak na razie – nie może on być spalany w silnikach gazowych. Światowe osiągnięcia w zakresie zgazowania drewna [3 – 9], w tym uzyskania gazu niskokondesującego, związane są z działalnością badawczą takich dużych koncernów, jak np.: TEXACO [2], SHEL [2], FOSTER WHEELER [10], LURGI [5], AHLSTROM [2] czy ENTECH [11]. Natomiast zaawansowane badania podstawowe nad rozwojem konstrukcji reaktorów zgazowania biomasy prowadzone są m. in. w Institute of Gas Technology (University of Missouri) [2] oraz w Manufacturing and Technology Conversion International (USA) [2].
Stan rozwoju przedmiotowych technologii nie osiągnął jeszcze – jak się wydaje – takiego poziomu, aby z fazy prac badawczo-rozwojowych przejść do etapu wdrożeń. Upowszechnione są jednak, w skali komercyjnej, gazogeneratory zgazowujące biomasę (z niedomiarem powietrza) w różnych postaciach (drewna, segregowanych odpadów komunalnych i przemysłowych, w tym paliw z odpadów, osadów i szlamów ściekowych itp.) i wytwarzające niskokaloryczny gaz syntezowy [12]. Proces zgazowania odbywa się z zastosowaniem powietrza jako czynnika zgazowującego, dostarczanego z niedomiarem do stref reakcji. Reaktory zgazowujące odpady drzewne, działające na tych właśnie zasadach, wdrożono jako przedpaleniska kotłów energetycznych opalanych pyłem węglowym. Znanym przykładem takiego wdrożenia jest reaktor fluidalny Foster Wheeler – tzw. zgazowywacz CFB [10]. Technologię tę zastosowano w Elektrociepłowni w Lahti w Finlandii [10], gdzie zgazowywacz o mocy 40 – 70MWt pracuje jako przedpalenisko przy
kotle pyłowym o mocy 360MWt, realizując w ten sposób niskoemisyjną technologię
współspalania gazu syntezowego z odpadów drzewnych z pyłem węglowym. Prowadzone są badania nad wdrożeniem tej technologii w przypadku, gdy wsadem do reaktora byłyby odpady komunalne wysegregowane do postaci biomasy [11]. Podstawowym problemem w potencjalnym wdrożeniu zgazowania odpadów komunalnych jest m. in. to, że zawierają one dużo chloru (powyżej 1%). Wydaje się, że zgodnie z opinią wyrażoną w monografii [2], zaawansowane technologie zgazowania, proponowane przez wymienione powyżej koncerny i instytuty badawcze, będą dostępne w „niedalekiej przyszłości” w skali komercyjnej dla zastosowań energetycznych w formie układów kogeneracyjnych zasilających silniki turbinowe gazem syntezowym.
Wspomniane wdrożenia (np. technologii FOSTER WHEELER czy LURGI) oraz prowadzone badania podstawowe i wdrożeniowe [2] ukierunkowane są na wypracowanie działań mających na celu podniesienie efektywności dużych obiektów energetycznych. Proponowane zaś badania w zakresie zgazowania odpadowej biomasy miałyby się
zasadniczo ograniczyć do określenia możliwości technologicznych zastosowania niskoemisyjnego wytwarzania energii z przeznaczeniem do wdrożenia w lokalnej energetyce zawodowej i komunalnej oraz w zakładach przemysłowych, w których realizowane są procesy technologiczne uzależnione od istnienia własnych źródeł „czystej” energii. Zgazowanie biomasy drzewnej, w tym odpadów polimerowych i innej biomasy, prowadziłoby się w gazogeneratorach z zastosowaniem stałego nośnika ciepła oraz substancji o wysokim stopniu uwęglenia (koksu, węgla drzewnego, antracytu), której zastosowanie uzasadnia się koniecznością uszlachetnienia powstałego gazu syntezowego w obecności katalizatorów zgazowania np. Ca(OH)2. Badania te można by również prowadzić
w reaktorach, w których proces zgazowania realizowany jest za pomocą powietrza. Doświadczenia własne pokazały, że zastosowanie wapna hydratyzowanego w procesie powietrznego zgazowania odpadów niebezpiecznych z niedomiarem powietrza może doprowadzić do wyraźnego zmniejszenia: udziału smoły (czyste ścianki reaktora) w gazie syntezowym oraz zużycia paliwa (oleju opałowego). Stosowny test prowadzony był podczas czynności rozruchowych spalarni odpadów niebezpiecznych na międzynarodowym drogowym przejściu granicznym w Kuźnicy Białostockiej. Istotnym elementem planowanych działań byłoby również badanie spalania w kotłach rusztowych kalibrowanego – na bazie biomasy i odpadów polimerowych – paliwa z odpadów powstałych w przemyśle papierniczym.
Proponowana problematyka mieści się w aktualnie rozwijanych na świecie badaniach, mających na celu opanowanie wytwarzania niskokondensujących gazów syntezowych, przy czym zarówno ze wspomnianych odpadów przemysłowych jak i odpadów drzewnych. Modyfikacja tradycyjnych procesów zgazowania powietrznego za pomocą katalizatora alkalicznego umożliwiłaby udzielenie odpowiedzi na pytanie: na ile i w jakim zakresie proces ten jest ekonomicznie uzasadniony ? Przedsięwzięcie to stworzyłoby także sposobność określenia np. kosztu wytworzenia 1GJ ciepła w tego typu instalacjach. Wyniki badań procesu spalania kalibrowanego paliwa z odpadów w kotłach rusztowych umożliwiłyby zaś rokowania odnośnie możliwości energetycznych i eksploatacyjnych tych urządzeń. Ponadto, pozwoliłyby udzielić odpowiedzi na pytanie: na ile konieczne jest wdrażanie nowych kosztownych technologii, co w tym przypadku ma istotny wpływ na jednostkowy koszt produkcji. Skala problemu, m.in. w przypadku odpadów popapierniczych, ma istotne znaczenie lokalne. Celulozownia INTERCEL w Ostrołęce wytwarza np. około 60 000ton rocznie odpadów (pomijając korę drzewną), z których można by wytworzyć paliwo o wartości opałowej 10–11MJ/kg. Zagospodarowanie takiej masy paliwa w lokalnym systemie energetycznym może przynieść duże korzyści. Aktualnie odpad ten jest deponowany na wysypisku śmieci.
4. Metodyka badań i oczekiwane wyniki
Badanie procesów spalania kalibrowanych paliw z odpadów (polimerowych i biomasy odpadowej z przetwórstwa celulozy) i ich współspalania z węglem kamiennym można by prowadzić na obiektach rzeczywistych w kotłach rusztowych stosowanych powszechnie w energetyce komunalnej. W optymalizacji eksperymentalnej nie uwzględni się więc wpływu zmian temperatury powietrza pierwotnego i wtórnego. Zmiany temperatury powietrza spalania należałoby więc przeanalizować na podstawie wyników wariantowych analiz
numerycznych. Można przewidywać, że postawiony problem rozwiąże się poprzez sukcesywną realizację badań eksperymentalnych, obejmujących najpierw spalanie kalibrowanego paliwa z odpadów celulozowo-papierniczych o wstępnie oszacowanej wartości opałowej 10–11MJ/kg w kotle wodnym z rusztem schodkowym o mocy około 5MW, przy czym na analizę procesu składać się powinny takie elementy, jak:
(1).analiza techniczna i elementarna składników stanowiących kompozycję paliwa oraz dobór udziału poszczególnych składników tworzących paliwo;
(2).badanie ciepła spalania, przy czym z uwzględnieniem wilgotności poszczególnych składników paliwa oraz mieszaniny tych składników tworzącej przedmiotowe paliwo; (3).badanie bilansowe kotła, mające na celu określenie jego charakterystyki sprawnościowej dla określonej (tzn. optymalnej) kalibracji paliwa, składu i charakterystyki popiołu oraz emisji zanieczyszczeń gazowych odprowadzanych do atmosfery, w tym chlorowodoru.
Kolejnym elementem przedmiotowych badań powinna być analiza współspalania kalibrowanego paliwa z odpadów celulozowo-papierniczych o wstępnie oszacowanej wartości opałowej 10–11MJ/kg z węglem kamiennym w kotle parowym z rusztem płaskim typu OR, przy czym należałoby przewidywać, że zakres i metodyka badań efektywności pracy kotła będą identyczne, jak w przypadku spalania. W celu optymalizacji kosztów związanych z powyższymi badaniami spalania i współspalania niezbędne są wariantowe analizy obliczeniowe, w których trzeba wykorzystać m.in. dotychczasową wiedzę w zakresie modelowania procesu spalania biomasy drzewnej. Zarazem, wyżej omówione eksperymenty mogłyby być przeprowadzone w formie pilotażowej w kotle rusztowym o mocy 25kW typu „Moderator”, przeznaczonym do spalania odpadów drzewnych. Badania emisji zanieczyszczeń gazowych (SO2, CO, CO2, NOx) zostaną wtedy wykonane w formie
ograniczonej za pomocą analizatora spalin typu TESTO 350.
Następnie wskazana byłaby realizacja eksperymentalnych badań niskociśnieniowego zgazowania kalibrowanego paliwa z odpadów celulozowo-papierniczych o wstępnie oszacowanej wartości opałowej 10–11MJ/kg w atmosferze niedoboru powietrza, przy czym np. w istniejącym obiekcie zlokalizowanym na terenie międzynarodowego drogowego przejścia granicznego w Kuźnicy Białostockiej. Instalacja ta jest przeznaczona do unieszkodliwiania odpadów niebezpiecznych, przy czym jej wydajność wynosi 100kg/h przy wartości opałowej odpadów (paliwa) równej około 15MJ/kg. Schemat tego obiektu przedstawiono na rys.1. Metodyka przeprowadzania badań mogłaby polegać na: (1).doborze odpowiedniej kompozycji paliwa o możliwie wysokiej wartości opałowej (możliwie wysokim udziale węgla pierwiastkowego C) i zawartości chloru w paliwie około 1%; (2).doborze optymalnych parametrów niskociśnieniowego powietrznego zgazowania paliwa z odpadów poprzez:
M M M 1 2 3 4 5 7 6 8 M 1 1 0 0 oC 250 oC 150oC 130oC 70oC 90oC Układ zasilania olejem opałowym Układ zasilania powietrzem Układ zasilania wodą Układ zasilania sprężonym powietrzem 9
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego do powietrznego zgazowania paliw z odpadów przemysłu celulozowo-papierniczego: (1).Komora gazyfikacyjna; (2).Termoreaktor; (3).Wymiennik ciepła (kocioł odzysknicowy); (4).Wieża chłodzenia spalin; (5).Zbiornik sorbentu; (6).Filtr suchy; (7).System odbioru i nawrotny; (8).Komin; (9).Mechanizm załadowczy.
(a).określenie efektywności procesu w strefie utleniania (heterogenicznej) w zależności od: zawartości węgla w paliwie, temperatury warstwy paliwa (głównie półkoksu powstałego w wyniku przemiany paliwa) na ruszcie reaktora, udziału i prędkości przepływu powietrza przez warstwę paliwa, przy czym pomiar mógłby być dokonany w kanale powietrznym nadmuchu powietrza pod ruszt reaktora, a to z uwagi na trudność pomiaru prędkości przepływu powietrza przez warstwę paliwa;
(b).określenie wpływu zawartości pierwiastka C w paliwie na efektywność procesu poprzez realizację badań modelowych, polegających na dodaniu do paliwa rozdrobnionego np. koksu drzewnego, który zostałby rozmieszczony bezpośrednio na ruszcie tak, aby dostarczane do reaktora powietrze miało – w pierwszej fazie procesu – kontakt z koksem; (c).ocenę wpływu katalizatora Ca(OH)2 na efektywność procesu, a przede wszystkim
określenie możliwości uzyskania gazu syntezowego niskokondensującego;
(d).określenie składu gazu syntezowego dla poszczególnych przypadków procesu zgazowania i na tej podstawie wyznaczenie jego wartości opałowej;
(3).określeniu zasad doboru optymalnych parametrów procesu niskociśnieniowego zgazowania powietrznego przy uwzględnieniu sprawności energetycznej oraz sprawności
konwersji części organicznej paliwa w gaz syntezowy (tzw. „sprawności zgazowania”). Końcowym przedmiotem badań eksperymentalnych byłoby zgazowanie biomasy w postaci rozdrobnionych odpadów drzewnych z zastosowaniem niskociśnieniowego powietrzno – parowego generatora gazu ze stałym nośnikiem ciepła i z warstwą substancji organicznej o wysokim stopniu uwęglenia. Przewiduje się, że zjawisko będzie miało charakter modelowy, a więc powinno zostać zrealizowane na laboratoryjnym stanowisku badawczym, którego schemat przedstawiono na rys.2. Metodyka przeprowadzania badań powinna polegać na:
3 1 2 4 T T T P para wodna popiół powietrze 1 8 5 0 5 Zasyp odpadów drzewnych kryza
Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego do modelowego zgazowania biomasy: (1).Warstwa węgla drzewnego (koksu); (2).Komora zgazowania (stały nośnik ciepła, rozdrobniony odpad drzewny); (3).Nagrzewnica powietrza; (4).Wylot gazu z króćcami do poboru próbek; (5).Chłodnica gazu, T – pomiar temperatury, P – pomiar ciśnienia.
(1).doborze optymalnych parametrów procesowych niskociśnieniowego zgazowania parowo-powietrznego (para przegrzana) rozdrobnionych odpadów drzewnych o różnej wilgotności (wartości opałowej) w celu uzyskania gazu syntezowego niskokondensującego oraz analizie możliwości jego zastosowania do spalania w silnikach gazowych, przy czym wielkości zwykle pozyskiwane w ramach analizy elementarnej paliwa można by przyjąć na podstawie literatury dla drewna liściastego, głównie: brzozy, olchy, topoli, osiki i grabu, a
badania wartości opałowej i wilgotności poszczególnych gatunków drewna należałoby określić na drodze eksperymentalnej;
(2).określeniu efektywności procesu w zależności od: rozkładu temperatury w komorze reakcyjnej generatora i w warstwie substancji o wysokim stopniu uwęglenia, temperatury podawanego powietrza, prędkości przepływu czynników zgazowujących mierzonej w kanale wlotowym do reaktora, udziału powietrza jako czynnika utleniającego substancje organiczne i utrzymującego egzotermiczność procesu, udziału pary wodnej jako czynnika endotermicznego sprzyjającego wytwarzaniu gazów palnych: CO i H2, wysokości i
porowatości początkowej złoża warstwy substancji organicznej o wysokim stopniu uwęglenia np. koksu drzewnego, wysokości i porowatości złoża stałego nośnika ciepła w komorze reakcyjnej generatora oraz stopnia rozdrobnienia i wilgotności odpadów drzewnych;
(3).określeniu składu gazu syntezowego z uwzględnieniem udziału par składników kondensujących, w tym: wyznaczeniu wartości opałowej gazu oraz ocenie wpływu katalizatora alkalicznego, dodanego do komory reakcyjnej generatora, na skład gazu syntezowego oraz jego wartość opałową;
(4).określeniu zasad doboru optymalnych parametrów procesu niskociśnieniowego zgazowania powietrzno-parowego rozdrobnionych odpadów drzewnych przy uwzględnieniu sprawności energetycznej oraz sprawności konwersji części organicznej paliwa w gaz syntezowy (tzw. „sprawności zgazowania”), przy czym sprawność konwersji zostanie określona również w stosunku do gazu bez uwzględnienia substancji kondensujących.
5. Wnioski - efekty badań
Efektem proponowanych badań może być jednoznaczne określenie możliwości spalania i zgazowania odpadów przemysłowych z przetwórstwa celulozy. Porównanie efektywności energetycznej i ekologicznej obu metod umożliwi dokonanie oceny, co jest bardziej efektywne: spalanie czy zgazowanie ? W drugim przypadku oczekuje się sformułowania wytycznych do projektu gazogeneratora na biomasę do wytwarzania niskokondensującego gazu syntezowego. Badania laboratoryjne procesu parowo-powietrznego zgazowania rozdrobnionych odpadów drzewnych w obecności np. koksu oraz stałego nośnika ciepła pozwolą zaś na określenie parametrów procesowych, w oparciu o które można by przystąpić do dalszych badań na większą skalę.
Wyniki wyżej omówionych badań pozwoliłyby jednocześnie na określenie podstawowych właściwości paliwa wytworzonego z odpadów (jego składu elementarnego i technicznego) z przeznaczeniem do spalania i współspalania z węglem kamiennym w kotłach rusztowych jak również do zgazowania w gazogeneratorach w celu uzyskania kalorycznego gazu syntezowego, w tym gazu o niskiej zawartości substancji kondensujących.
Literatura
[1] Chmielniak T.J., Kotowicz J., Ściążko M.: Elektrownie gazowo-parowe z częściowym zgazowaniem węgla, Seminarium Komitetu Problemów Energetyki PAN i Instytutu
Elektroenergetyki PP, Nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej z paliw konwencjonalnych, Poznań 27 – 28 luty, 1997, s.47.
[2] Ściążko M., Zieliński H. (red.): Termochemiczne przetwórstwo węgla i biomasy, Wydawnictwo Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla i Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN, Zabrze – Kraków 2003.Pozycja literaturowa 2
[3] Kurkela E. et al.: Updraft gasification of peat and biomass, Biomass, 1989, p.12. [4] Lyytinen H.: Biomass gasification as a fuel supply for lime kilns, description of recent
installations, TAPPI Journal, 1991, p.77.
[5] Liebner W.: MPG – Lurgi SVZ Multi Purpose Gasification, another commercially proven gasification technology, EPRI/GTC Gasification Technologies Conference, 1998, s.1.
[6] Spliethoff H.: Status of Biomass Gasification for Power Production, IFRF Combustion Journal, Article Number 22109, November 2001.
[7] Sutton D., Kelleher B., Ross J.: Review of literature on catalysts for biomass gasification, Fuel Process, Technology, R 73, 2001, s.155.
[8] Rakowski J.: Technologiczne aspekty zgazowania paliw stałych, I Konferencja Naukowo-Techniczna: Energetyka Gazowa, Prace IMiUE i ITC Politechniki Śląskiej, 2000, s. 67.
[9] Stiegel G.J., Maxwell R.C.: Gasification technologies: the path to clean, affordable energy in the 21st century, Fuel Processing Technology, 71 (2001), p.79.
[10] Foster Wheler – prospekt.
[11] Poskrobko S., Łach J., Pilawski A.: Thermal neutralizing of municipal waste in base unit chambers. Proceedings of the Trnth International Symposium”Heat Transfer and Renewable Sources of Energy HTRSE-2004”, Szczecin – Międzyzdroje, September 8– 11. 2004, J. Mikielewicz, and W. Nowak(Editiors), pp. 97 – 104.
[12] Poskrobko S.: Paliwa z odpadów – biomasa dla energetyki zawodowej, Laboratorium Przegląd Ogólnopolski, wydanie specjalne – Odpady, Wydawnictwo Elamed, Katowice, 2004,s.26 – 32.
