Spalanie i współspalanie biomasy z paliwami kopalnymi
Autorzy:
dr inż. Stanisław Kruczek - Zakład Urządzeń Kotłowych, Politechnika Wrocławska,
Grzegorz Skrzypczak, Rafał Muraszkowski - Vulcan Power, Wrocław
(„Czysta Energia” – czerwiec 2007)
Rozwój technologii pozyskiwania energii z odnawialnych źródeł jest podyktowany
rozwiązaniami prawnymi wprowadzonymi w UE, które zmierzają do zwiększania udziału
energii cieplnej i elektrycznej ze źródeł odnawialnych do poziomu 7,5% w 2010 i 12,5 % w
2015 r.
Uzyskanie takiego udziału w produkcji energii jest możliwe tylko poprzez wdrażanie technik
produkcji energii niekonwencjonalnej w dużej energetyce zawodowej. Jedna z technologii to
współspalanie biomasy w kotłach energetycznych i ciepłowniczych.
Spalanie lub współspalanie biomasy jest atrakcyjne ze względu na relatywnie niskie koszty
produkcji energii cieplnej czy elektrycznej oraz niewielką emisję w porównaniu z innymi
konwencjonalnymi źródłami energii.
Ważny dobór technologii
Wymaga to jednak doboru odpowiedniej technologii spalania z uwagi na jej odmienny skład w
porównaniu z paliwami konwencjonalnymi. Biomasa spalana osobno czy w mieszaninie z węglem
stwarza problemy wynikające z tworzenia się osadów na powierzchniach ogrzewalnych, co może
prowadzić do ich szlakowania i korozji wysokotemperaturowej. Równocześnie spalanie i
współspalanie biomasy z węglem ze względu na dużą zawartość części lotnych, a małą zawartość
azotu i siarki przebiega w odmienny sposób niż samego węgla. W rezultacie udział biomasy przy
współspalaniu z węglem oddziałuje na emisję tlenków azotu, dwutlenku siarki i metali ciężkich.
Zasadniczy wpływ na zachowanie się substancji mineralnej przy spalaniu biomasy ma obecność
metali alkalicznych Na, K, Ca oraz chloru i siarki. Sód i potas w wysokich temperaturach spalania,
które występują w kotłach pyłowych, odparowują, wchodząc w reakcję z innymi składnikami spalin
(proces ten inaczej przebiega w złożu fluidalnym), tworząc związki niskotopliwe, które osadzają się
na powierzchniach konwekcyjnych. Pojawiają się osady mikronowe zeszklone, niejednorodne na
rurach, gdzie głównym składnikiem jest K2SO4, a w małej ilości występują Si, Ca, Mg. Proces
tworzenia się osadów w obecności siarczanów, a w szczególności związków chloru, znacznie
przyspiesza korozję wysokotemperaturową. W konwencjonalnych kotłach mechanizm korozji to
zwykle proces utleniania, który przebiega wolno.
W przypadku spalania samej biomasy lub przy jej pewnym udziale w węglu wydziela się KCl,
który kondensuje, na rurach przyspieszając proces korozji.
Nieco ostrzej problem korozji i tworzenia się „lepkich” zarodków popiołu objawia się w kotle
fluidalnym. W tym przypadku skłonność popiołu do zmiany fazy w złożu powoduje jego miejscową
aglomerację, a przez to utratę stabilności złoża.
Spalanie biomasy z węglem
Większa i dominująca część obecnie produkowanej energii w Polsce oparta jest na spalaniu paliw
kopalnych, wśród których węgiel brunatny charakteryzuje się najwyższą emisją CO2 do atmosfery.
W najbliższej przyszłości duże znaczenie w strukturze wykorzystania źródeł energii powinna mieć
biomasa.
Cel, jakim jest złagodzenie „efektu cieplarnianego” oraz obniżenie emisji SO2, NOx, i CO2,
wymusił pilną potrzebę opracowania procesów efektywnego i ekologicznego czystego wytwarzania
ciepła oraz energii elektrycznej ze źródeł opartych na spalaniu węgla brunatnego. Obecnie jednym z
najbardziej odpowiednich procesów do tego celu jest spalanie w warstwie fluidalnej mieszanki
biomasy i węgla brunatnego. Obecność CO w spalinach powoduje stratę niezupełnego spalania, a
wysokie stężenie CO powoduje niebezpieczne zanieczyszczenia środowiska.
W tabeli 1 przedstawiono wielkości stężeń CO otrzymane podczas procesu spalania mieszanek
biomasy i węgla.
Tab. 1. Wielkości stężeń CO w spalinach w procesie fluidalnego spalania biomasy i węgla
Udział
masowy
Stężenie CO
Warunki
biomasy
Autor
mg/Nm3
Typ paliwa
prowadzenia procesu
w mieszance,
(6% O2)
spalania
xb
Kocioł
z cyrkulacyjną
Węgiel
warstwą fluidalną o
Leckner
173-30
0-1
kamienny/zrębki
mocy 8MWt.
jodły
T = 1125°K,
W = 1,6m/s, Ca/S =
0.
Stanowisko
Węgiel
laboratoryjne
brunatny/leśne
z cyrkulacyjną
Armesto
167-27
0-0,4
odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123°K, w =
1,51m/s, Ca/S=2,5
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel
z pęcherzykową
brunatny/leśne
Armesto
445-255
0-1,
warstwą fluidalną
odpady
T = 1079-1123°K, w
drzewne
= 0,16-0,18 m/c,
Ca/S=2,9-3,6
Leckner prowadził badania na kotle z cyrkulacyjną warstwą fluidalną o mocy 8 MWt. Jako paliwa
bazowe wykorzystał węgiel kamienny oraz zrębki jodły. Otrzymał stężenia CO na poziomie 173-30
mg/Nm 3
n przy udziale masowym ziaren biomasy w mieszance 0,01-1. Autor analizy stwierdził, iż
znaczne obniżenie stężenia CO, zwłaszcza w przypadku mieszanek o dużym udziale biomasy, było
spowodowane zdecydowanie szybszym utlenianiem CO w cyklonie. W przypadku mieszanek o
dużym udziale węgla strumień przepływającego materiału warstwy przez cyklon zawierał znaczną
ilość koksiku i jego spalanie w tym rejonie powodowało powstanie CO. W przypadku biomasy
powstały koksik bardzo szybko ulegał spaleniu jeszcze w obrębie komory paleniskowej, dlatego w
cyklonie następowało już ostateczne utlenianie CO do CO2.
Badania procesu spalania mieszanek paliwowych przeprowadził również na jednostkach
pilotowych z pęcherzykową i cyrkulacyjną warstwą fluidalną Armesto . Autor ten wykorzystał
węgiel brunatny i leśne odpady drzewne. Badania wykazały, że wzrost sprawności procesu spalania
oraz spadek stężenia CO w spalinach rósł wraz ze zwiększeniem udziału masowego leśnych
odpadów drzewnych w mieszance paliwowej. Stężenia CO dla procesów spalania w pęcherzykowej
i cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej wyniosły odpowiednio od 445 do 255 mg/m3 przy udziale
masowym biomasy w zakresie od 0 do 1 i od 167 do 27 mg/m3 przy udziale masowym ziaren
biomasy odpowiednio od 0 do 0,4. Wykorzystanie biomasy w procesie fluidalnego spalania węgla
może przyczynić się do obniżenia emisji CO, a tym samym redukcji straty niezupełnego spalania.
Wpłynie to na wzrost sprawności spalania, a jednocześnie na poprawę efektywności wykorzystania
źródeł energii. Ponadto prowadzenie procesu spalania w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej
charakteryzuje się niższymi emisjami CO w stosunku do warstwy pęcherzykowej.
Emisja SO2
W celu nieprzekroczenia dopuszczalnych stężeń SO2 do atmosfery skuteczność odsiarczania musi
być utrzymywana na odpowiednim poziomie – w zależności od rodzaju spalanego paliwa. Według
badań w przypadku węgla brunatnego o zawartości siarki ok. 1% i wartości opałowej poniżej 17,3
MJ/kg należałoby utrzymywać skuteczność odsiarczania na poziomie 92%. Natomiast odnośnie
spalania węgla kamiennego o zawartości siarki poniżej 1% skuteczność odsiarczania nie powinna
być niższa od 80%. Z przedstawionego porównania wynika, że spalanie węgla brunatnego pociąga
za sobą konieczność uzyskania wyższych skuteczności odsiarczania spalin. Z technicznego punktu
widzenia taką skuteczność można osiągnąć, ale kosztem wysokiego nadmiaru kamienia wapiennego
i zwiększenia masy odpadów stałych. Badania na skalę przemysłową wykazały możliwości
wykorzystania biomasy o wysokiej zawartości Ca, K, Na do redukcji stężenia SO2 w spalinach
podczas wspólnego spalania biomasy i paliw bogatych w siarkę, tj. torfu czy węgla. Rezultaty z
badań wykazują, że stężenie tlenu i temperatura warstwy fluidalnej są najbardziej istotnymi
czynnikami wpływającymi na procesy redukcji SO2. Ponadto wiązanie siarki może być osiągnięte
bez równoczesnego wzrostu stężenia CO czy NO. Badania dowiodły, że wysoka redukcja SO2 przy
spalaniu węgla i lucerny na poziomie ok. 80% może być uzyskana nawet przy temp. poniżej 873°K.
Kicherer uzyskał nawet stężenie SO2 również obniżające się wraz ze wzrostem ilości słomy w
mieszance. Efekt ten spowodowany był głównie niższą zawartością siarki w słomie, jakkolwiek
obecność CaO i MgO także mogła mieć znaczący wpływ. W tabeli 2 przedstawiono wyniki badań
uzyskane w procesie współspalania biomasy z węglem, przeprowadzonych przez Lecknera i
Armesto .
Tab. 2. Wielkości stężeń SO2 w spalinach w procesie fluidalnego spalania mieszanek biomasy i węgla
Udział masowy
Stężenie SO
biomasy
Warunki prowadzenia
Autor
2
Typ paliwa
mg/m3 (6% O
w mieszance,
procesu spalania
2)
xb
Kocioł
z cyrkulacyjną
Węgiel
warstwą fluidalną
Leckner
1216-37
0-1
kamienny/zrębki jodły
o mocy 8MWt.
T = 1125°K, w = 1,6
m/s, Ca/S = 0.
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny/leśne z cyrkulacyjną
Armesto
1851-905
0-0,4
odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123°K, w = 1,51
m/s, Ca/S = 2,5
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny/leśne z pęcherzykową
Armesto
1894-51
0-1
odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1079-1123°K, w =
0,16-0,18m/s, Ca/S =
2,9-3,6
Leckner uzyskał stężenie SO
3
3
2 w zakresie od 1216 mg/mn do 37 mg/mn , przy udziale masowym
biomasy od 0 do 1, uwzględniając przy tym związanie siarki w popiele z węgla na poziomie 10-
15%. Niska zawartość popiołu powstającego ze spalania biomasy miała mało istotny wpływ na
proces wiązania siarki w tym przypadku. Podobne badania na stanowisku laboratoryjnym
przeprowadził Armesto . Stężenie SO
3
3
2 w spalinach wyniosło od 1851 mg/mn do 905 mg/mn dla
mieszanek o udziale masowym ziaren biomasy odpowiednio od 0 do 0,4 w przypadku
pęcherzykowej warstwy fluidalnej oraz od 1894 mg/m 3
3
n do 51 mg/mn dla mieszanek o udziale
masowym ziaren biomasy odpowiedni 0 do 1 w przypadku pęcherzykowej warstwy fluidalnej. W
badaniach tych uzyskano również ponad 90% skuteczności wiązania siarki przy stosunku molowym
Ca/S wynoszącym 3,3. Niższy stosunek Ca/S powodował wzrost stężenia SO2 w spalinach, dalszy
wzrost Ca/S w zakresie 3,7-6,7 nie przyniósł znacznego efektu poprawy wiązania siarki.
Zauważono również, że wzrost prędkości gazu powodował niewielkie obniżenie stężenia SO2 w
spalinach.
Emisja NOx
Ze względu na niską temperaturę podczas procesu spalania w warstwie fluidalnej NOx powstają
głównie z azotu zawartego w paliwie. Reakcja utleniania jest gwałtowna, formuje się zazwyczaj
NO, natomiast NO2 tworzy się stopniowo w chłodzącym się strumieniu spalin i stanowi najwyżej
10% wszystkich NOx emitowanych do atmosfery. Podczas odgazowania paliwa azot dzielony jest
pomiędzy uwalniane części lotne i powstały koksik, a ich proporcje uzależnione są od rodzaju
paliwa. Udziały te porównywane są z udziałem części lotnych w danym paliwie. Dominującymi
związkami azotu w pierwotnych i wtórnych produktach odgazowania są NH3 oraz HCN. Im
młodszy węgiel jest spalany, tym szybciej wydzielane z części lotnych związki azotowe (HCN,
NH3) utleniają się do NOx. Dlatego też wielkości emisji NOx podczas spalania węgla brunatnego
będą wyższe w porównaniu z emisją ze spalania węgla kamiennego. Z drugiej strony można
stwierdzić na podstawie wyników badań, że im większy udział części lotnych w węglu, tym
większa możliwość redukcji emisji NOx z wykorzystaniem technik stopniowania powietrza czy też
reburningu. Mechanizm formowania NOx przebiega równolegle z heterogenicznymi i
homogenicznymi reakcjami rozkładu. W procesie spalania węgla i biomasy występują różnice,
które mają wpływ na wielkość stężenia NOx w spalinach. Uwalnianie części lotnych i azotu jest
intensywniejsze dla „talerzowatych” kształtów ziaren niż dla kulistych czy cylindrycznych. Ponadto
odbywa się równomiernie, kiedy rozmiar ziaren i zawartość wilgoci wzrasta. Jest to spowodowane
obniżeniem etapu szybkości suszenia ziarna. W przypadku małych ziaren czas początkowego
ogrzewania jest krótszy w porównaniu z czasem odgazowania. W tym przypadku można założyć,
że ziarno jest bardzo szybko ogrzewane i spalane. Biomasa zawiera więcej części lotnych niż
węgiel i azot zawarty w częściach lotnych może odgrywać ważną rolę w formowaniu i redukcji NO.
W przypadku biomasy azot w częściach lotnych występuje jako NH3, natomiast HCN jest głównym
źródłem azotu w częściach lotnych pochodzących z węgla.
Wraz ze wzrostem udziału słomy w mieszance paliwowej z węglem stężenie NH3 w częściach
lotnych rosło liniowo, gdy stężenie HCN obniżało się. Lin i Dan Johnsen w swoich badaniach
stwierdzili, że przy spalaniu słomy i węgla w warstwie fluidalnej, ze względu na różnice gęstości
pomiędzy ziarnami słomy i węgla, uwalnianie części lotnych oraz spalanie koksiku następowało w
różnych miejscach komory paleniskowej. Badacze zaobserwowali, iż podczas spalania słomy
więcej ziaren znajdowało się na powierzchni warstwy, niż w przypadku spalania węgla. Różnice
występowały również w wielkości konwersji azotu do NO. Podczas spalania słomy konwersja była
na poziomie 18-45%, natomiast w przypadku węgla konwersja była niższa i wynosiła 12-20%.
Autorzy wielu prac naukowych przedstawili wpływ katalitycznego oddziaływania koksiku i popiołu
na formowanie i redukcję NOx i N2O. W przypadku spalania w warstwie fluidalnej obecność CaO,
MgO i Fe2O3 w paliwie może prowadzić do formowania związków katalitycznie wpływających na
reakcję rozkładu NOx i N2O.
Dużą rolę odgrywać może również znaczne stężenie koksiku, który ma bardzo rozwiniętą i
chemicznie aktywną powierzchnię. W trybie spalania jednak samej biomasy, charakteryzującej się
wysoka zawartością części lotnych i niską zawartością węgla pierwiastkowego, efekt może być
mniej widoczny.
W tabeli 3 przedstawiono wielkości stężeń NOx w procesie fluidalnego spalania biomasy z
węglem. Leckner stwierdził formowanie się wyższych stężeń NOx podczas spalania zrębków jodły
3
n ), niż podczas spalania samego węgla (113 mg/mn ), nawet mimo wyższej zawartości
azotu w węglu (1,5%) w stosunku do zrębków jodły (0,15%). Zauważono następnie, iż mogło być
to spowodowane wzrostem stężenia koksiku w komorze paleniskowej wraz ze zwiększeniem
udziału węgla w mieszance paliwowej. Leckner przy niskim udziale węgla w mieszance (15%)
otrzymał najwyższe stężenie NO
3
x w spalinach, wynoszące 215 mg/mn . Odmienne zależności w
stosunku do stężenia NOx uzyskał Armesto . W badaniach tego autora wielkość stężenia NOx w
spalinach wynosiła od 275 mg/m 3
3
n do 220 mg/mn dla mieszanek o udziale masowym ziaren
biomasy odpowiednio od 0,0 do 0,4, w przypadku cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej oraz od 101
mg/m 3
3
n do 94 mg/mn dla mieszanek o udziale masowym biomasy odpowiednio od 0,0 do 0,28, w
przypadku pęcherzykowej warstwy fluidalnej. Stwierdzono, iż mogło to być spowodowane wyższą
zawartością azotu w węglu brunatnym (1,25%) w porównaniu z zawartością azotu w biomasie
(0,53%).
Tab. 3. Wielkości stężeń NOx w spalinach w procesie fluidalnego spalania mieszanek biomasy i węgla
Udział masowy
Stężenie NO
biomasy
Warunki prowadzenia
Autor
x
Typ paliwa
mg/m3 (6% O
w mieszance
procesu spalania
2)
xb
Kocioł
z cyrkulacyjną
Węgiel
warstwą fluidalną
Leckner
113-215-154
0,-0,85-1
kamienny/zrębki jodły
o mocy 8MWt.
T = 1125 K, w = 1,6
m/s, Ca/S=0.
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny
z cyrkulacyjną
Armesto
275-220
0,-0,4
/leśne odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123 K, w = 1,51
m/s, Ca/S=2,5
Stanowisko
laboratoryjne
Węgiel brunatny
z pęcherzykową
Armesto
101-94
0-1
/leśne odpady
warstwą fluidalną
drzewne
T = 1123-1128K, w =
,18m/s, Ca/S = 2,9-3,6
Inny naukowiec, Kicherer, uzyskał redukcję stężenia NOx w spalinach, której wielkość była
proporcjonalna do ilości spalanej słomy. Słoma zachowywała się jak paliwo reburningowe,
powodując obniżenie stężenia NOx. Przy spalaniu samego węgla autor osiągnął stężenie NOx na
poziomie 500 mg/m 3
n , natomiast przy dodatkowym spalaniu biomasy w postaci słomy stężenie NOx
wyniosło 260 mg/m 3
n . Podobne rezultaty i zachowanie biomasy obserwowano przy wspólnym
spalaniu słomy i węgla w badaniach innych autorów.
Stwierdzono, że spalanie biomasy z węglem powoduje zmniejszenie emisji typowych dla spalania
węgla zanieczyszczeń – SO2 i NOx,. Pokazano, iż udziały SO2 i NOx w spalinach maleją
proporcjonalnie do udziału sieczki w strumieniu paliwa podawanego do kotła pyłowego.
Jednocześnie jednak obserwowano większą emisje zanieczyszczeń (cząstki koksu, WWA i CO), a
w przypadku spalania słomy odnotowano duży udział HCl w spalinach (ok. 200 ppm).
Analiza popiołu
W badaniach spalania biomasy stwierdzono, iż dużym problemem jest zjawisko aglomeracji.
Dotyczy to głównie biomasy charakteryzującej się wysoka zawartością sodu i potasu. Jako materiał
warstwy wykorzystuje się często piasek kwarcowy, którego głównym składnikiem jest SiO2. Jego
temperatura mięknięcia wynosi 1723°K. W wyniku reakcji tlenków metali alkalicznych lub ich soli
z SiO2 powstaje eutektyczna mieszanka o temperaturze mięknięcia odpowiednio 1147 i 1037°K.
Zjawisko to pogarsza warunki przepływowe w komorze paleniskowej, co bezpośrednio wpływa na
jakość procesu spalania i jego stabilność. Występowanie zjawiska aglomeracji może być również
wynikiem dużego gradientu temperatury w warstwie, spowodowanego słabym wymieszaniem
paliwa. Duża zawartość tlenków metali alkalicznych (K2O i Na2O) powodowała również
zanieczyszczenie powierzchni wymiany ciepła w kotle. Odkładanie popiołu z biomasy na
elementach stalowych kotła może ponadto przyczynić się do ich korozji. Naukowcy Saxena, Rao i
Kasi zbadali kilka alternatywnych wobec piasku kwarcowego materiałów, tworzących warstwę w
procesie fluidalnego spalania biomasy. Należą do nich m.in. dolomit, magnezyt, i tlenek żelazowy.
W badaniach stwierdzono, że mieszanki eutektyczne powstałe w wyniku reakcji Fe2O3 i tlenków
czy solo alkalicznych miały temperaturę mięknienia równą 1408°K.
Innym rozwiązaniem zjawiska aglomeracji jest wspólne spalanie biomasy z węglem, zawierającym
wyższe zawartości popiołu, jako mieszanki paliwowej. Powoduje to obniżenie koncentracji sodu i
potasu w popiele. W badaniach przeprowadzono testy spalania lucerny w warstwie fluidalnej.
Sześciokrotnie powtórzone jednogodzinne testy przy temperaturze warstwy około 1123°K
doprowadziły do powstania spieczonej warstwy. Elementarna analiza spieczonego materiału
wykazała obecność krzemianów potasowo-aluminiowych, które mogły mieć niską temperaturę
topnienia na poziomie 973°K. Podczas spalania węgla wraz z lucerną nie zaobserwowano zjawiska
spiekania w próbie trwającej ponad trzy godziny.
Analizę popiołu lotnego, powstałego w procesie fluidalnego spalania mieszanek węgla, drewna i
torfu, przeprowadzono w badaniach. W porównaniu z popiołem lotnym ze spalania drewna i kory
drzewnej otrzymane popioły z procesu spalania mieszanek charakteryzowały się mniejszą
zawartością wapnia, potasu, magnezu i chloru. Dodanie węgla lub torfu do mieszanki z biomasą
powodował podwyższenie zawartości aluminium, żelaza, magnezu i siarki w popiele. Poziom
metali śladowych utrzymywał się na zbliżonym pułapie w stosunku do popiołu z drewna.
Podczas fluidalnego spalania paliw metale ciężkie mogą występować w popiele dennym, popiele
lotnym oraz spalinach. Wiązanie metali ciężkich w materiale warstwy fluidalnej podczas spalania
ziaren drewna było badane przez Ho. Autor uzyskał efektywne wiązanie wymienionych metali już
przy temperaturze 973°K. Autorzy pracy stwierdzili, że przy temperaturze 1103°K tylko 0,8-4%
kadmu było obecne w fazie gazowej, natomiast przeważająca jego część została związana na
dużych ziarnach popiołu lotnego. Ołów i miedź zachowują się w warstwie fluidalnej podobnie i
głównie umiejscowione są w popiele dennym, przy czym większe wartości przypadają dla Cu (28-
30% Cu zawartego w popiele) niż dla Pb (14-16% Pb zawartego w popiele). Udział cynku w
popiele dennym wyniósł 65-685, natomiast w spalinach 0,1-0,3%. Ponadto ołów i cynk, które były
obecnie w fazie gazowej przy temperaturze 1103°K (odpowiednio 7-15% i 24-27%) zostały
wychwycone w strumieniu dużych ziaren popiołu lotnego w ciągu konwekcyjnym.
W badaniach stwierdzono, iż uwalnianiu Cd, Cu i Pb sprzyja wysoka zawartość Cl i S.
Zmiana proporcji biomasy i węgla w mieszance paliwowej prowadzić będzie do wzrostu lub
obniżenia stężenia metali alkalicznych w popiele. Stwarza to możliwość występowania lub
eliminacji zjawiska aglomeracji materiału warstwy fluidalnej. Ponadto stwierdzono, iż w wyniku
dobrego wiązania metali ciężkich w materiale warstwy fluidalnej będą one występować głównie w
popiele dennym i lotnym.
Plusy i minusy współspalania
Współczesne energetyczne kotły parowe mają paleniska pyłowe, w których spala się od 200 do 600
ton pyłu węglowego na godzinę. Zastąpienie węgla biomasą w dużych kotłowniach pyłowych jest
niemożliwe z powodu trudności z dostawą i magazynowaniem, wymaganym dla takiego kotła ilości
paliwa. Ponadto trudno dokonać wymaganego dla kotłów pyłowych rozdrobnienia biomasy w
młynach węglowych.
Interesująca jest natomiast koncepcja współspalania biomasy z węglem, ponieważ nawet niewielki
udział biomasy w wytwarzaniu energii elektrycznej oznacza znaczne wykorzystanie jej
energetycznego potencjału. Pozwoli na obniżenie wzrostu stężenia CO2 w atmosferze. Biomasa
charakteryzuje się zerowym bilansem CO2, który związany jest z zamknięciem obiegu C-CO2-C.
Spalanie mieszanki biomasy i węgla brunatnego to również interesujące rozwiązanie ze względu na
uzupełniające się wzajemne właściwości tych dwóch paliw. W przeciwieństwie do typowych
charakterystyk tych węgli biomasa ma niski poziom zawartości siarki, powodując małą emisję SO2
w procesie jej spalania. Wysokie stężenie CaO w popiele pochodzącym z biomasy również może
przyczynić się do poprawy skuteczności redukcji SO2. Z drugiej strony wyższa zawartość popiołu w
węglu brunatnym daje możliwość obniżenia stężenia metali alkalicznych pochodzących z biomasy
podczas procesu spalania mieszanek tych paliw.
Jednym z poważniejszych problemów powstających przy spalania biomasy jest przyspieszona
korozja elementów grzewczych kotła. Związane ze spalaniem słomy zagrożenia korozyjne
metalowych powierzchni nie są jeszcze dobrze poznane. najwięcej wiadomo na temat korozji w
kotłach opalanych słomą oraz w kotłach przeznaczonych do jednoczesnego spalania słomy i węgla.
Korozja ta ma przede wszystkim charakter wysokotemperaturowy i w znacznej mierze zależy od
zawartości potasu i chloru w słomie. Korozja chlorowa jest szczególnie intensywna, kiedy biomasa
dodatkowo spala się z gorszym węglem. Występuje wówczas niekorzystna kombinacja
oddziaływania chlorków metali alkalicznych powstających podczas spalania słomy oraz SO2 ze
spalania węgla. Zachodząca w osadzie reakcja siarkowania chlorku potasu z udziałem SO2 ze spalin
powoduje wyzwolenie gazowego chloru, który atakuje żelazo i chrom ze stali.
Duża różnorodność związków mineralnych, które powstają w kotłach podczas spalania biomasy i
węgla, powoduje, że identyfikacja rodzaju osadów i oddziaływań korozyjnych tych związków jest
bardzo złożonym problemem.
Podczas spalania biomasy lub współspalania biomasy z węglem w złożu fluidalnym dochodzi do
zjawiska zwanego defluidyzacją. Jest ono spowodowane aglomeracją materiału złoża w wyniku
oddziaływania popiołu. Zwykle materiał złoża to piasek (SiO2), którego temperatura topnienia
(1450oC) jest daleko poza temperaturą pracy złoża fluidalnego (800-900oC), ale obecne w popiele
ze tlenki i sole metali alkalicznych mogą reagować z Si materiału złoża.
W ostatnim okresie czasu większość elektrowni zawodowych, np. „Dolna Odra” , „Opole” ,
„PAK”, prowadzi badania nad współspalaniem biomasy z węglami.
W kraju posiadamy moc zaistalowaną w elektrowniach zawodowych oraz elektrociepłowniach
szacowaną na ok. 33000MW mocy elektrycznej. Zdecydowana większość elektrowni zawodowych
i elektrociepłowni posiada wysoko skuteczne instalacje odsiarczające, a także wysoko sprawne
urządzenia odpylające.
W kraju pracują dziesiątki tysięcy kotłów rusztowych opalanych węglem kamiennym o wartości
opałowej 22000-25000 kJ/kg. Zdecydowana większość nowych kotłowni o mocy od kilku do
kilkudziesięciu MW nie posiada instalacji odsiarczających, a urządzenia odpylające w
zdecydowanej większości (cyklony i multicyklony) mają sprawność ok. 88-90%. Prowadzone
badania w pyłowych kotłach energetycznych wykazują, że przy współspalaniu w większości
przypadków używa się zrębków, które miesza się z węglem i podaje do młynów.
Autorzy są przekonani, że w pierwszej kolejności należy modernizować kotły rusztowe opalane
węglem z przejściem na biopaliwa.
Źródła
S. Kruczek: Kotły. Konstrukcje i obliczenia. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 200.