Spalanie i współspalanie biomasy z
paliwami kopalnymi
dr inż. Stanisław Kruczek
Zakład urządzeń kotłowych
Politechnika Wrocławska
Grzegorz Skrzypczak
Rafał Muraszkowski
Vulcan Power
Poznań, Maj 2007
Biomasa- Prawo i Polityka
" Biała Księga  Energia dla przyszłości: odnawialne z
ródła energii
Do 2015 roku należy mieć 12% udziału energii odnawialnej.
" Protokół z Kioto- ograniczenie emisji ditlenku węgla
" (Dotychczasowe) Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 maja
2003 w sprawie szczegółowego obowiązku zakupu energii elektrycznej
z odnawialnych z
ródeł energii (...)- 7,5% udziału energii odnawialnej w
bilansie sprzedaży energii elektrycznej.
" Traktat o Przystąpieniu Republiki Czeskiej, Estonii, Cypru, A
otwy,
Litwy, Węgier, Malty, Polski,
Słowenii i Słowacji do Unii Europejskiej. 2003
7,5% udziału energii odnawialnej w krajowym zużyciu energii
elektrycznej brutto
Struktura przyrostu mocy w energetyce odnawialnej w
Struktura przyrostu mocy w energetyce odnawialnej w
Polsce do roku 2010 wg Strategii rozwoju energetyki
Polsce do roku 2010 wg Strategii rozwoju energetyki
odnawialnej
odnawialnej
3
Udział produkcji energii elektrycznej z poszczególnych
Udział produkcji energii elektrycznej z poszczególnych
z
ródeł odnawialnych w Polsce
z
ródeł odnawialnych w Polsce
w roku 2010 wg modelu SAFIRE, EC BREC 2001
w roku 2010 wg modelu SAFIRE, EC BREC 2001
Scenariusz energii
Scenariusz środowiskowy 12,5 %
odnawialnej 7,5%
energetyka
inne
wiatrowa
0%
inne
33%
biomasa
0%
energetyka
39%
wiatrowa
49%
energetyka
biogaz
wodna
energetyka
biomasa
7%
biogaz
3%
wodna
60%
4%
5%
4
BIOMASA JAKO PALIWO
BIOMASA JAKO PALIWO
bale
bale
pelety
pelety
pył
pył
Osad
Osad
papierniczy
papierniczy
trociny
trociny
zrębki
zrębki
5
Cykl wykorzystania biomasy  (odnawialność)
Cykl wykorzystania biomasy  (odnawialność)
6
Krajowe zasoby biomasy potrzebnej do procesów
Krajowe zasoby biomasy potrzebnej do procesów
współspalania
współspalania
y
ródła biomasy
" Leśnictwo.
" Rolnictwo:
Odpady i półprodukty z produkcji rolnej,
Uprawy energetyczne.
" Inne:
Przemysł drzewny,
Przemysł spożywczy,
Przemysł papierniczy
Osady komunalne
7
Rozmieszczenie kotłów grzewczych na słomę w woj.
Rozmieszczenie kotłów grzewczych na słomę w woj.
dolnośląskim
dolnośląskim
kotły grzewcze na
słomę
elektrownie
wodne
instalacje
fotowoltaiczne
kolektory słoneczne do 6 m2
8
Problemy związane z produkcją energii z biomasy
Problemy związane z produkcją energii z biomasy
" Problemy wymagające rozwiązania aby biomasę
użyć jako paliwo wynikają z jej własności fizyko-
chemicznych
" niska gęstość i wilgotność stwarzają problemy
ekonomiczne z transportem i magazynowaniem
" Problemy w czasie spalania to zagrożenie
zanieczyszczaniem się powierzchni i korozją
wysokotemperaturową wynikające ze składu
substancji mineralnej
" Dodatkowy problem to rozdrobnienie biomasy i
doprowadzenie jej do kotłów lub
gazogeneratorów
9
Problemy związane z produkcją energii z biomasy
Problemy związane z produkcją energii z biomasy
poprzez spalanie
poprzez spalanie
Zachowanie się substancji mineralnej biomasy ma wpływ na
parametry eksploatacyjne kotła:
" Rosnące zagrożenie tworzenia się osadów w palenisku oraz
na konwekcyjnych powierzchniach ogrzewalnych
" Rosnąca szybkość korozji wysokotemperaturowej po stronie
spalin
" Redukcja sprawności układów odpylania
" skłonność do aglomeracji złoża w kotłach fluidalnych
10
Korozja i aglomeracja złoża
Korozja i aglomeracja złoża
" 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 z prędkością 1-2 nm/h. W wyższych
temperaturach (650-700�C) mogą topić się siarczany przyspieszając
znacznie zjawisko korozji.
" W przypadku spalania samej biomasy lub przy jej pewnym udziale w węglu
wydziela się KCl, który kondensuje się na rurach przyspieszając
dramatycznie proces korozji.
" Nieco ostrzej problem korozji i tworzenia się  lepkich zarodków popiołu
(oklejanie materiału złoża) występuje w kotle fluidalnym. W tym przypadku
skłonność popiołu do zmiany fazy w złożu powoduje jego miejscową
aglomerację, a stąd utratę stabilności złoża.
11
Aglomeracja złoża
Aglomeracja złoża
Zdjęcia z mikroskopu elektronowego zaglomerowanych cząstek
piasku przy spalaniu biomasy w złożu fluidalnym
12
Podsumowanie- zachowanie się substancji mineralnej przy
Podsumowanie- zachowanie się substancji mineralnej przy
spalaniu biomasy
spalaniu biomasy
" Obecność związków metali alkalicznych w biopaliwach
stwarza problemy ze zwiększoną skłonnością popiołów
do tworzenia osadów, stąd zanieczyszczenie i
szlakowanie powierzchni ogrzewalnych.
" W przypadku wysokich zawartości metali alkalicznych
względem siarki, tworzą się chlorki metali alkalicznych,
które biorą udział w procesie korozji i zanieczyszczenia
powierzchni.
" W przypadku obecności znacznych ilości siarki w paliwie
unika się tworzenia chlorków.
13
Podsumowanie- zachowanie się substancji mineralnej przy
Podsumowanie- zachowanie się substancji mineralnej przy
spalaniu biomasy FB
spalaniu biomasy FB
" W złożu fluidalnym, w którym przebiega
równocześnie ze spalaniem proces
odsiarczania, brak jest odpowiedniej ilości
SO2 w spalinach. Dlatego też tworzą się
chlorki potasu, które powodują zjawisko
zanieczyszczania powierzchni i korozję
nawet dla paliw o małej zawartości chloru
14
Podsumowanie- zachowanie się substancji mineralnej przy
Podsumowanie- zachowanie się substancji mineralnej przy
współspalaniu biomasy PC
współspalaniu biomasy PC
" W kotłach pyłowych duże ilości SO2 i wysokie
temperatury spalania przyspieszają tworzenie się
krzemianów potasu i siarczanów, które zmniejszają
problem zanieczyszczania powierzchni.
" Parowanie potasu w warunkach pyłowej komory
paleniskowej zwiększa temperaturę topnienia
pozostałego popiołu, co zmniejsza niebezpieczeństwo
szlakowania komory. Jest to zjawisko korzystne w
przypadku kotłów ze stałym odprowadzeniem żużla, a
stwarza problemy w kotłach z ciekłym odprowadzeniem
żużla.
15
Podsumowanie- zachowanie się substancji
Podsumowanie- zachowanie się substancji
mineralnej przy współspalaniu biomasy
mineralnej przy współspalaniu biomasy
" Obecność chlorków metali alkalicznych w osadach
zależy od konstrukcji kotła, typu biomasy i stosunku
węgla do biomasy.
" W kotłach pyłowych KCl jest przekształcony do
krzemianów potasowych, K2SO4 i HCl, stąd KCl nie
występuje w osadach i szybkość korozji jest
nieznaczna.
" w kotłach fluidalnych gdzie tylko część KCl jest
przekształcana do siarczanu, a pozostała przechodzi do
osadów stwarzając warunki sprzyjające korozji
wysokotemperaturowej
16
Koncepcje współspalania biomasy z węglem
Koncepcje współspalania biomasy z węglem
pośrednie 17
Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych
urządzeń kotłowych do spalania
i współspalania biopaliw
Elektrociepłownia Biłgoraj o mocy elektrycznej 2.6 MW z dwoma kotłami o
mocy cieplnej 5MW
3
4
1
5
6
2
 Wodny kocioł fluidalny ze złożem stacjonarnym o mocy 5 MW
Instalacja spalania odpadów drzewnych Zakłady Drzewne BARLINEK
Kocioł OL-20 opalany łuską słonecznikową, projektowany przez RAFAKO-
zainstalowany na Ukrainie
Schemat ciepłowni Lubań
2 kotły wodne po 3,5MW i 1 kocioł wodny 1 MW
Kocioł płomienicowo-płomieniówkowy z przedpaleniskiem ceramicznym
z wirową komorą spalania o mocy 20MWt
Instalacja zgazowania z układem oczyszczania gazu firmy
FOSTER WHEELER
Rys. 4 Instalacja zgazowania z układem oczyszczania gazu
RDF, Biomasa
Woda
Materiał zasilająca
złoża kocioł komora
kotła
główny
Płomień
kontrolny
Odzysk
ciepła
z gazu
Zgazowy
wacz
Ukł.
fluidalny
podawania
Filtry
paliwa
Para
NP
Woda Popiół
chłodząca lotny
:
Ruszty konstrukcji ALSTOM do spalania biomasy
Ruszt posuwowo-zwrotny
Ruszt wędrowny, łuskowy
wwędrownyTravelling
feste Rostst�be
bewegliche Rostst�be
mit Ros twagen und Antrieb
Kocioł Fluidalny zainstalowany w elektrociepłowni Świecie-
współspalanie Kora-węgiel Drzewny
Nową alternatywą mająca na celu ochronę środowiska są małe
z
ródła energii w układzie skojarzonym o mocach od
kilkudziesięciu kW do kilkunastu MW.
Układy skojarzone występujące w ciepłownictwie to:
" turbina gazowa  generator  kocioł odzyskowy,
" silnik spalinowy z wewnętrznym spalaniem  generator 
sieciowy podgrzewacz wody.
" kocioł na parę przegrzaną z wykorzystaniem paliw
odnawialnych (odpady drzewne, słoma)
 turbina parowa lub tłokowy silnik parowy  generator 
sieciowy podgrzewacz wody.
Tłokowa maszyna parowa
Przekroje silnika parowego nowej generacji
1.powierzchnia prowadząca tłoka, 2. tuleja cylindrowa, 3. blok cylindra, 4. uszczelnienia teleskopowe, 5. przegroda cieplna,
1. 6. prowadnica wodzika krzyżakowego, 7. blok napędowy, 8. kanały parowe, 9. osłona tłoczyska, 10. prowadnica,
2. 11. regulator, 12. mimośród, 13. wał rozrządu, 14. wał korbowy, 15. element odciążający wał korbowy i wał rozrządu.
Maszyna ta, zaprojektowana jest do pracy na  sucho tj.
tłoki i zawory ślizgowe oraz uszczelnienia zamontowane
na tłoczyskach i trzpieniach zaworów ślizgowych nie
muszą być smarowane olejem. Urządzenie o modułowej
budowie, ma zastosowanie w małych i średnich
elektrociepłowniach o mocy elektrycznej do 2000 kW.
Silnik parowy (rys.1) może pracować w szerokim
zakresie obciążeń. Zwarta budowa, idealne wyważenie
posuwisto-zwrotnych i obrotowych elementów
konstrukcji, nie wymagają dużych fundamentów.
Prędkości obrotowe tej maszyny wynoszą 750, 900,
1000, 1500 obr/min.
Najczęściej stosowane zestawy silników podano w tabeli
1. W tabeli 2 podano parametry przykładowych obiegów
elektrociepłowni z silnikiem tłokowym.
 Zestaw 7 Zestaw12 Zestaw 14
Prędkości obrotowe napędu 1000, 1200, 1500 obr/min 900, 1000 750, 900
generatora obr/min obr/min
Skok tłoka 70 mm 126 mm 140 mm
Ilość modułów 1-5 1-6 1-6
Moc 1 modułu do 40 kWel do 200 kWel do 200 kWel
Możliwość stopniowania 1,2  stopniowe 1,2,3  stopniowe 1,2,3  stopniowe
ciśnienia rozprężanie rozprężanie rozprężanie
Moc elektryczna na zaciskach
1460 kWel 1000 kWel 660 kWel 140 kWel
generatora
Moc cieplna wymiennika wody
~8,6 MWt ~5,4 MWt ~3,6 MWt ~1 MWt
sieciowej
3,75 kg/s 2,50 kg/s 1,67 kg/s 0,50 kg/s
Strumień przepływu pary
(13,5 t/h) (9 t/h) (6 t/h) (1,8 t/h)
Ciśnienie pary na wejściu do
2,8 Mpa 2,8 Mpa 2,8 Mpa 2,1 Mpa
silnika
Temperatura pary na wejściu do
400 �C 350 �C 350 �C 280 �C
silnika
Entalpia pary na wejściu do
3235 kJ/kg 3121 kJ/kg 3121 kJ/kg 2974 kJ/kg
silnika
Entropia pary na wejściu do
6,96 kJ/kg�"K 6,78 kJ/kg�"K 6,78 kJ/kg�"K 6,65 kJ/kg�"K
silnika
Ciśnienie pary na wyjściu z
0,05 MPa 0,05 MPa 0,05 MPa 0,05 MPa
silnika
Temperatura pary na wyjściu z
110 �C 110 �C 110 �C 110 �C
silnika
Entalpia pary na wyjściu z
2702 kJ/kg 2702 kJ/kg 2702 kJ/kg 2702 kJ/kg
silnika
Entropia pary na wyjściu do
7,75 kJ/kg�"K 7,75 kJ/kg�"K 7,75 kJ/kg�"K 7,75 kJ/kg�"K
silnika
Na rysunku przedstawiono wykres  entalpia w funkcji ciśnienia, na którym
zaznaczono spadki entalpii czynnika roboczego w tłokowej maszynie parowej
oraz w wymienniku wody sieciowej.
k J / k g
4 0 0 0
3 5 0 0
i 1
3 0 0 0
i 2
i 7
i0
3
2 5 0
K
2 0 0 0
Rys. 2. Ekspansja pary w tłokowej maszynie parowej
p u n k t
k r y t y c z n y
1 5 0 0
1 0 0 0
i 6
5 0 0
i 4 i 5
0
0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2
C i ś n i e n i e
p a r y M P a
tp
nla
Eai
i
"
e
i
"
t
6
5
0
5
5
0
6
0
0
t
=
4
�
5
C
0
5
0
0
3
5
0
3
0
0
2
2
5
0
0
0
4
0
0
3
7
4
 Schemat elektrociepłowni z tłokową maszyną parową
1.kocioł parowy na biomasę, 2. stacja redukcyjno-schładzająca, 3. tłokowa maszyna parowa, 4. generator, 5. podgrzewacz wody sieciowej,
2. 6. wodooddzielacz, 7. zbiornik kondensatu, 8 pompa nisko-ciśnieniowa, 9. odgazowywacz, 10 pompa wysokociśnieniowa.
 Przykładowo dla elektrociepłowni z tłokową maszyną parową o mocy
elektrycznej 660 kW, podano charakterystyki pracy urządzeń (rys. 4).
Charakterystyka elektrociepłowni o mocy cieplnej 3600 kW i mocy elektrycznej 660 kW
Potrzeby paliwowe elektrociepłowni o mocy cieplnej 3 600 kW i mocy elektrycznej
660 kW może zapewnić plantacja wierzby Salix Viminalis.
Moc elektryczna elektrociepłowni 660 kW
Moc termiczna elektrociepłowni 3 600 kW
Obciążenie cieplne elektrociepłowni w zimowym okresie
100 %
grzewczym (6 miesięcy)
Obciążenie cieplne elektrociepłowni w letnim okresie grzewczym
50 %
(6 miesięcy)
Energia wyprodukowana w elektrociepłowni przez cały rok 100 757 520 MJ
Plony suchej masy wierzby Salix Viminalis z 1ha/rok 20 t
Wartość opałowa suchej masy wierzby Salix Viminalis 17,5 MJ/kg
Obszar plantacji wierzby Salix Viminalis zaspokajającej w pełni
~290 ha
potrzeby paliwowe elektrociepłowni
W Polsce, aktualnie, najbardziej rozpowszechnionym
rodzajem upraw energetycznych jest wierzba Salix Viminalis. Aby
założyć 1 ha plantacji wierzby należy przeznaczyć na to
od 20 000 do 30 000 sadzonek. Cena 1 sadzonki wynosi w
przybliżeniu 0,30 zł. Po trzech latach osiąga się plony w
wysokości 12-15 t z ha biomasy o wilgotności 45-50% i wartości
opałowej 13 000 - 16 000 kJ/kg. Wierzbę ścina się zimą, kiedy to
jej wilgotność jest najniższa. Potem, w stanie powietrzno suchym,
wilgotność ta obniża się do około 20%. Zbiory takie osiąga się, co
trzy lata, przez okres około 30 lat. Po upływie jednego roku, od
założenia plantacji można otrzymać własne sadzonki, przydatne
do zwiększenia areału plantacji.
O atrakcyjności uprawy wyżej wymienionej wierzby, w naszych
warunkach, świadczy czternastokrotnie większy roczny przyrost
masy drzewnej, w porównaniu z typowym lasem, o tej samej
powierzchni plantacji.
Korzyści wynikające ze współspalania biomasy
Korzyści wynikające ze współspalania biomasy
" Niskie koszty inwestycyjne
" Niewielka zmiana parametrów kotła przy niskim
udziale cieplnym biomasy
" Wysoka sprawność
" Wykorzystanie istniejącej infrastruktury i urządzeń
" Okresowe fluktuacje biomasy mogą być
rekompensowane zmiana udziału biomasy do węgla
" Możliwość użycia dużej ilości biomasy pozwalającej
na istotną redukcje CO2 jak SO2 i NOx
39
Wpływ dodatku biomasy na emisję
Wpływ dodatku biomasy na emisję
" Badania własne nad spalaniem ślazowca, (Petemi), pyłu
drzewnego w tym odpadów z produkcji płyt MDF oraz dane
literaturowe pokazują, że obecność biomasy pozytywnie
wpływa na stopień wypalenia paliwa, jak i na emisję
tlenków azotu i ditlenku siarki.
 Stopień redukcji NOx zależy od udziału biomasy
w mieszance, ale przede wszystkim od sposobu jej
doprowadzania do kotła
 Konwersja siarki w procesie współspalania biomasy
i węgla do SO2 jest odwrotnie proporcjonalna do udziału
biomasy (powyżej 15%) i jest mniejsza dla grubszych
cząstek. Można to wytłumaczyć tym, że część siarki z
paliwa przechodzi do popiołu, wiec nie bierze udziału w
40
tworzeniu się ditlenków siarki
Wykorzystanie biomasy w różnych systemach
Wykorzystanie biomasy w różnych systemach
energetycznych
energetycznych
" Domowe Systemy Grzewcze (< 15 kW)
=>
" Małe Systemy Grzewcze (15 - 150 kW )
=>
" Średnie systemy grzewcze(150 kW - 5 MW)
=> produkcja energii w rozproszonych układach
energetycznych
" Duże Elektrownie (5 - 3000 MW)
=> produkcja energii
=> wskazane spalanie i współspalanie biomasy
41
Wnioski
Wnioski
" Energia z biomasy powinna odegrać kluczową rolę
w rozwoju sektora paliw odnawialnych w Polsce.
" Cele ilościowe nałożone na Polskę wymuszą
pozyskiwanie biomasy z upraw energetycznych ,
ponieważ potencjał biomasy leśnej jest ograniczony.
" Utworzenie rynku biomasy dla energetyki jest
zagadnieniem ważnym, ale dosyć złożonym i trudnym.
" Problemy techniczne są rozwiązywane na bazie
istniejących badań i doświadczeń eksploatacyjnych
42
W ostatnim okresie czasu, większość elektrowni zawodowych, jak
 Dolna Odra ,  Opole ,  PAK prowadzi badania nad
współspalaniem biomasy z węglami. W kraju posiadamy moc
zainstalowaną w elektrowniach zawodowych , elektrociepłowniach
około 33000MW mocy elektrycznej. Zdecydowana większość
elektrowni zawodowych i elektrociepłowni posiada wysokoskuteczne
instalacje odsiarczające jak i również wysokosprawne urządzenia
odpylające. W kraju pracuje dziesiątki tysięcy kotłów rusztowych
opalanych węglem kamiennym o wartości opałowej 22000-
25000kJ/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 około 90%. Prowadzone badania w
pyłowych kotłach energetycznych wykazują, że przy współspalaniu,
w większości przypadków, używa się zrębków, mieszając z węglem
i podając do młynów. Według autorów w pierwszej kolejności należy
modernizować kotły rusztowe opalane węglem z przejściem na
biopaliwa
W kraju mamy zainstalowane 33000MW mocy elektrycznej.
Aktualnie wykorzystujemy około 30000MW.
Jeżeli chcemy spełnić wymogi ochrony środowiska powinniśmy
produkować około 4% energii elektrycznej z biomasy: 4% z
30000 MW wynosi 1200MW
Zakładając średnią sprawność elektrowni około 38%
potrzebujemy 3158 MW energii cieplnej.
Kolejnym założeniem jest uzyskanie 15000MJ ze spalenia
1 kg biomasy. Wynika z tego, iż należy spalać 210kg/s biomasy.
Roczne zapotrzebowanie na biomasę, przy założeniu 7000h
pracy elektrowni wynosi 5305440 t/rok. Do tych obliczeń należy
także wziąć pod uwagę fakt, iż z 1 ha można uzyskać około 15
ton biomasy rocznie. Z powyższych założeń i obliczeń wynika, że
należy zasiać około 353700 ha upraw energetycznych.
DZI
KUJ