Maszyny i urządzenia w przeróbce odpadów - projekt

Temat: Przygotowania biopaliwa z wierzby energetycznej, lub malwy

pensylwaoskiej do procesu współspalania z węglem energetycznym.

WERSJA OKROJONA

Akademia Górniczo-Hutnicza imienia Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

Marek M.

Rok III

Dnia 17.06.2015

1. Cel Projektu

Celem projektu jest zaprojektowanie linii technologicznej służącej do wytworzenia biopaliwa
do współspalania z węglem. Wytworzone paliwo zostaje spalone w kotle trzyciągowym firmy
SEFAKO model WR, będący używany do ogrzewania wody w obiekcie przemysłowym.
Paliwo produkowane będzie w formie dwojakiej: w postaci zrębek, oraz pelletów w ilości
9Mh/h .

2. Wstęp teoretyczny

Zagadnienie produkcji biopaliw od czasu przystąpienia Polski do Unii Europejskiej jest bardzo
istotne, z powodu ilości zanieczyszczeń emitowanych przez Polskę, której sektor energetyczny
jest oparty na energii powstałej na skutek spalania węgla. Domieszka biopaliw, powstałych na
skutek przetworzenia ścinek drewnianych, różnych roślin, a także niektórych surowców wtórnych
pozwala na zredukowanie ilości zanieczyszczeń, takich jak emisja zanieczyszczeń gazowych i
popiołów. Komisja Europejska do 2020 r. proponuje ograniczyć o 20% emisję gazów
cieplarnianych, zwiększyć do 15% udział energii odnawialnej i biopaliw

Samo biopaliwo występuje w wielu formach, takich jak:



stałe – słoma w postaci bel lub kostek albo brykietów, granulat trocinowy lub słomiany –
tzw. pellet, drewno, siano i inne przetworzone odpady roślinne;



ciekłe – biobenzyny, otrzymywane w drodze fermentacji alkoholowej węglowodanów do
etanolu, fermentacji butylowej biomasy do butanolu lub z estryfikowanych w biodiesel
olejów roślinnych (np. olej rzepakowy) czy etanol z kukurydzy – jedyne biopaliwo
produkowane w Stanach Zjednoczonych na skalę przemysłową;



gazowe: powstałe w wyniku fermentacji beztlenowej ciekłych i stałych odpadów rolniczej
produkcji zwierzęcej (gnojowica, obornik, słoma etc.) – biogaz, oraz powstałe w procesie
zgazowania biomasy – gaz generatorowy (gaz drzewny).

W poniższej pracy omówiony zostanie sposób produkcji paliwa ze zrębek, oraz pelletów z malwy,
oraz wierzby energetycznej, ponieważ do jej przetwarzania i uprawy nie potrzeba wielkich
nakładów pracy, jak i kapitału, a przynosi ono wymierne korzyści finansowe i środowiskowe.
Dodatkowo za użyciem tych roślin przemawia ich wyjątkowo szybki wzrost, oraz stosunkowo
niskie wymagania w stosunku do gleb na których prowadzona jest uprawa.

Zakres projektu będzie obejmował rośliny energetyczną po ścięciu jej i przetransportowaniu na
miejsce produkcji. Następnie opisane zostaną niezbędne procesy technologiczne, które zostaną
użyte do produkcji paliw gotowych do współspalania wraz z węglem.

Biopaliwo do współspalania z węglem uzyskuje się najczęściej przy użyciu dwóch roślin,
mianowicie malwy pensylwańskiej, zwanej także ślazowcem pensylwańskim, lub Sidą a także
wierzby energetycznej.

Malwa pensylwańska jest to roślina szybko rosnąca, oraz wieloletnia. Z jednego nasadzenia
plantacja może przetrwać nawet 30 lat. Ślazowiec charakteryzuje się niewielkimi wymogami
glebowymi ( roślina rośnie nawet na niektórych gruntach V klasy) , jest to roślina głęboko
ukorzeniona, co pomaga jej przetrwać okresy suszy. Posiada także wysoką tolerancję na zmiany
temperatury, co dobrze wpływa na jej uprawę w naszym klimacie. Przy jej hodowli ważny jest
odpowiedni wysiew, lub stworzenie odpowiednich warunków do przeprowadzenia rozmnażania
wegetatywnego. Co do zbiorów, z każdego obsianego hektara, rolnik może spodziewać się od 15
do nawet 40 ton każdego roku, co jest dobrym wynikiem. Jej wartość opałowa dochodzi nawet do
15 MJ/kg. Zieloną masę ślazowca zjadają chętnie króliki, owce, trzoda chlewna, wszelkie ptactwo
łącznie ze strusiami, a po krótkotrwałym przyzwyczajeniu również krowy i konie, zaś część
drzewną wykorzystuje się po przetworzeniu jako biopaliwo. Na korzyść korzystania z niej jako
dodatku do współspalania z węglem energetycznym można zaliczyć jej niewielką wilgotność
(15%-30%), niską zawartość popiołów (około 2%), za zastosowaniem metody współspalania z
miałem węglowym, przemawia także fakt, że w czasie spalania węgla spada emitowana ilość
tlenków azotu i siarki do atmosfery. Wadami tej rośliny są 2 letni okres przez który nie uzyskuje
się plonu towarowego, oraz niewielka jej odporność na zachwaszczenie.

Sida może być spalana w piecach w postaci pelletu, brykietu czy zrębki, ale również stanowić
optymalnie wydajny wsad do biogazowni. Brak szkodliwych pierwiastków w jej budowie nie
naraża kotłów na szybkie ich zużycie i częstą konserwację.

Wierzba wiciowa, a także krzewiasta, znane także jako wierzby energetyczne są roślinami
dwupiennymi, owadopylną . Posiada mniejsze spektrum niż malwa, jeżeli chodzi o warunki
glebowe ( występuje maksymalnie na glebach IV kategorii), pH waha się od 5,5 do 7,5.
Dodatkowo na korzyść może przemawiać fakt, że roślina ta lubi tereny podmokłe. Nie jest ona
wymagająca zarówno pod względem pracochłonności, jak i nakładów finansowych. Przeciętne
plony wierzby wiciowej 3-letnim systemie rotacji zbioru na plantacjach przemysłowych wynoszą
od 6 do 12 t /ha suchej masy. W zależności od czasu wzrostu rośliny można uzyskać różną
wartość energetyczną ( najbardziej korzystne jest dla wierzby 3 letniej, dającej ok 19,56 MJ/kg ,
gdy dla 1 rocznej wynosi 18,55 MJ/kg).

Pomimo tego, że zrębki często wystarczają na pokrycie zapotrzebowania urządzenia
energetycznego na biomasę, najdrobniejsze frakcje powstałe w trakcie rozdrabniania drewna
można poddać czynnościom pelletowania, lub brykietowania. Prawie każdy rodzaj biomasy stałej
można poddać tym procesom. Na skalę przemysłową pelletyzuje się i brykietuje przede
wszystkim: wióry, trociny i zrębki z wybranych gatunków drewna oraz słomę pszeniczną i
rzepakową. Proces ten wymaga materiału wyższej jakości niż brykietyzacja, trwałość produktu
zwiększa udział żywicy w materiale wyjściowym.

Przygotowana do spalania biomasa(zrębki, brykiet,pellety), powinna cechować się następującymi
właściwościami:
•brakiem zanieczyszczeń mechanicznych - (najczęściej są nimi: piasek i kamienie),
•określoną wilgotnością (12-14%), materiał przeznaczony do pelletyzacji/brykietowania musi być
wcześniej sezonowany, a następnie suszony lub nawilgocony,
•odpowiednim rozdrobnieniem - skład granulometryczny materiału powinien zapewnić
maksymalne wypełnienie pustych przestrzeni międzyziarnowych, lepsze rozdrobnienie zwiększa
powierzchnię zewnętrzną zapewniając lepsze sprasowanie.

Obecnie w Polsce znajdują się około 53 firmy, które zajmują się wytwarzaniem pelletu. Ich
zbieraniem danych o nich zajmuje się projekt pellet@tlas, który miał początek w roku 2006

Pellety ugruntowują swoje miejsce wśród paliw stosowanych w ogrzewnictwie, charakteryzując
się dynamicznym wzrostem produkcji i zużycia. W 2007 roku wyprodukowano w Polsce 350 000

ton pellet. 83% tej ilości wyeksportowano, a 17% (60 000 ton) zostało wykorzystane w kraju. Z
tej ilości w małych domowych instalacjach kotłowych i kominkowych przeznaczonych do
ogrzewania domów jednorodzinnych, których liczbę szacuje się na ok.5000, spalono 35000 ton, a
resztę w instalacjach większych mocy i systemach ciepłowniczych. Możliwości rozwoju
wewnętrznego rynku są bardzo duże. Gdyby wykorzystać całą ilość wytworzonych w Polsce
pellet można by opalać nimi ok. 70 000 kotłów w domach jednorodzinnych o zapotrzebowaniu
0,5 GJ/m

2

rok lub 140 000 kotłów o zapotrzebowaniu 0,25 GJ/m

2

rok. Poruszając się tylko w

obszarze domów średnio energooszczędnych, istnieją bardzo duże możliwości rozwoju rynku
instalacji kotłowych wykorzystujących pellety. Największej troski wymaga rozwinięcie
dystrybucji pelet na rynku krajowym. Polscy producenci pellet zafascynowani rynkami
zagranicznymi nie przywiązywali wagi do sprzedaży na rynku wewnętrznym, gdzie występowały
braki pelet i duże wahania cen. Na początku 2008 roku zaobserwowano początki działań kilku
większych wytwórców pellet, które zmierzają do tworzenia własnych sieci dystrybucji, co
pomoże użytkownikom w wyborze instalacji i dystrybutora pellet.
W Polsce pellety są spalane przede wszystkim w niewielkich instalacjach ciepłowniczych o mocy
do 200 kW, tylko niewiele trafia do elektrociepłowni i dużych kotłowni (są to zazwyczaj pellety
kiepskiej jakości)

Zrębki i pellet jako paliwo posiadają szereg zalet- są odpowiednie do pieców oraz kotłów na miał
węglowy, eko-groszek, kominków, itp. - Można je spalać z powodzeniem zarówno w kotłowniach
przemysłowych o dużej mocy, jak i w domowych kotłach o niewielkiej mocy, a także w
kominkach przystosowanych do pelletu oraz w tradycyjnych kominkach przy zastosowaniu
specjalnego koszyka.

- ma wysoką kaloryczność - powyżej 18MJ/kg -2 kg pelletu odpowiadają 1l oleju opałowego

- jest zawsze suchy - wilgotność poniżej 10% -W przeciwieństwie np. do węgla czy drewna,
pellet ma zawsze stałą niską wilgotność, dlatego nie dymi i spala się efektywnie. Nie trzeba
zmieniać nastaw pieca przy każdej partii zasypanego opału, ponieważ ma on stabilne parametry.

- zawiera niewielką ilość popiołu - poniżej 2%- powoduje to zmniejszenie potrzeby wywozu
odpadów po spalaniu.

Dodatkowo produkcja pelletu zapobiega powstawaniu pyłu drzewnego, który jest niebezpieczny z
powodu możliwości wystąpienia eksplozji.

3. Możliwości i kierunki wykorzystania.

Pod określeniem współspalania biomasy z węglem rozumie się zespół procesów polegających na
spalaniu węgla z różnego rodzaju odpowiednio dobranymi biopaliwami stałymi lub produktami
pochodzącymi z ich przetwórstwa. Ta technologia łączy ze sobą wykorzystanie odnawialnych
źródeł energii z użytkowaniem energii z paliw kopalnych. Współspalanie realizowane jest
najczęściej w ramach już istniejącej w siłowni infrastruktury może być stosowane we wszystkich
dotychczasowych procesach spalania, tj. w złożu stacjonarnym, w złożu fluidalnym i w
strumieniu pyłowym. Optymalizacja parametrów energetycznych i wysokości emisji w
elektrowniach i elektrociepłowniach zachodzi na podstawie kolejnych doświadczeń
eksploatacyjnych. W chwili obecnej współspalanie biomasy jest realizowane na skalę
przemysłową w kilkunastu krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach. W Polsce, ze względu
na ilość energii pozyskiwanej ze spalania węgla istotny jest rozwój technologii współspalania,
szczególnie mając na względzie politykę energetyczną UE.

Istnieje wiele technologii umożliwiających energetyczne wykorzystanie biomasy przy użyciu
istniejących jednostek kotłowych opalanych węglem kamiennym. Ze względu na sposób
podawania biomasy do kotła technologie współspalania można podzielić na:

- współspalanie bezpośrednie polegające na równoczesnym spalaniu mieszaniny paliwa
węglowego i biomasy w jednej komorze. Zachodzi w przypadku, kiedy do procesu spalania
doprowadzany jest osobno strumień węgla i biomasy (bądź biogazu) lub gotowa mieszanka węgla
i biomasy (tzw. mieszane paliwo wtórne).

- współspalanie pośrednie, do którego możemy zaliczyć: spalenie biomasy lub biogazu w tzw.
przedpalenisku. Entalpia powstających tam spalin wykorzystywana jest w komorze spalania, w
której zabudowane są powierzchnie ogrzewalne bądź bezpośrednio jako czynnik grzejny w
wymiennikach ciepłowniczych. Drugi przypadek dotyczy zgazowania lub pirolizy biomasy w
gazogeneratorze. Powstający gaz kierowany jest do komory spalania kotła, gdzie spalany jest w
palnikach gazowych

- współspalanie równoległe polegające na spaleniu biomasy w osobnym kotle i przesłaniu
wyprodukowanej w nim pary lub gorących skroplin do odrębnego kotła węglowego.

Odpady, które powstały na skutek produkcji biomasy, są to odpady zielone (liście, pędy, części
nie zdrewniałe). Są one doskonałym materiałem na pasze dla bydła, lub trzody chlewnej.
Kolejnym kierunkiem, w jakim można wykorzystać owe odpady jest ich kompostowanie oraz
zgazowanie, w wyniku którego może powstać biogaz.

Istnieje kilka negatywnych cech pellet, oraz zrębek produkowanych z użyciem roślin
energetycznych.
Niewątpliwie jedną z nich dla wykorzystania biomasy roślin energetycznych do produkcji paliwa
alternatywnego jest fakt, iż jakość wyprodukowanego paliwa jest ściśle skorelowana ze składem
biomasy danego gatunku. Głównie chodzi tutaj o wyższą zawartość popiołu oraz niższą wartość
opałową biomasy roślin energetycznych w porównaniu z trocinami z korowanego drewna
pochodzącego z lasu. Kolejną może być stosunkowo wysoki koszt ich produkcji , spowodowany
w dużej mierze potrzebą ich suszenia, co jest procesem energochłonnym.

4. Schemat technologiczny

5.Opis procesów wytwarzania biopaliwa:

5.1 Rozdrabnianie

Dane techniczne:

Model

RM 71

Typ

stacjonarny

Po użyciu shreddera zaś krzywa prezentuje się w sposób następujący

Mechanizm napędowy

Mielenie Silnik elektryczny

(37 kW; 1500 r/min)

Wyrzut

Asynchroniczny silnik elektryczny
АИР100L6У2
( 2,2 kW; 750 r/min.)

Częstotliwość obrotów, obr/min.

1460

Wymiar materiału wsadowego

Średnica: 15mm

Wydajność, m³/h

Do 8 (około 12Mg/h)

Wymiar zrębek (długość, średnica)
mm

1 - 8

Podawanie materiału

wertykalne

Wysokość wyrzucania materiału, m

2

Wymiary maszyny



długość 2900 mm



wysokość 2955 mm



szerokość 3360 mm

Waga, kg

1255

5,2 Przesiewanie

Dane techniczne

MAG 20.0

wymiary maszyny
ustawienie transportowe dł. x szer. x wys.:
ustawienie robocze:
sterowanie
ciężar

13000 x 2550 x 3400 mm
16520 x 6250 x 3110 mm
Siemens S7
12,7 t

bęben sitowy
średnica:
długość:
perforacja bębna

2000 mm
5500 mm
3mm

zasobnik
objętość:
wysokość zasypowa:

6 m

3

(ok 9t)

2700 mm

5.3 Pelletowanie
Dane techniczne:

Materiał‚ wsadowy

słoma, siano, trociny, liście, zboża, otręby zbóż, makulatura,
wierzba energetyczna, miskantus, śluzowiec pensylwański, torf,
wodorosty, łodygi kukurydzy, wysłodki buraczane, miał
węglowy

Parametry materiału
wsadowego

wilgotność: 16% - 18%
frakcja: 2 -3 mm
temperatura: pokojowa

0

20

40

60

80

100

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

5

6

7

8

ϕ(d) [%]

d[mm]

Krzywa składu ziarnowego po zastosowaniu

shreddera

Wydajność

3000 kg/h

Napęd matrycy

2 x 55 kW

Napęd ślimaka kondycjonera

1,5 kW

Napęd kondycjonera

3 KW

Napęd ślimaka
wprowadzającego

1,5 kW

Średnica pelletu

6, 8,10,12 mm

Średnica wnętrza matrycy

450 mm

Wymiary:
długość/szerokość/wysokość

2540/2300/2250

Waga

4000 kg

Podsumowanie:

Używanie zrębek, oraz pelletu z malwy energetycznej, oraz wierzby jest procesem pozwalającym
na zmniejszenie zanieczyszczeń w trakcie współspalania. Tworzenie takiego biopaliwa w Polsce
jest jeszcze mało rozwinięte, lecz wraz z upływem lat można zwiększyć jego udział w energetyce.
Aktualnie z czystej biomasy korzysta jedynie cztery zakłady energetyczne w kraju. Większym
wzięciem cieszy się współspalanie biopaliwa z węglem.

Biopaliwo nie są jednak wolne od wad. Główną z nich jest prędkość narastania osadów na po-
wierzchniach ogrzewalnych kotłów ulega zwiększeniu, zarówno z powodu niższej temperatury
mięknięcia popiołu spalanej mieszanki węgiel-biomasa, jak i przesunięcia składu chemicznego w
kierunku związków o większej skłonności do osadzania się na powierzchniach ogrzewalnych.
Niższa temperatura mięknięcia i topnienia powoduje, że warstwa popiołu (w formie przynajmniej
częściowo stopionego żużla) zalegająca na rurach jest bardziej podatna na osadzanie się nowych
cząstek, co w konsekwencji powoduje szybki przyrost osadu i powiększenie jego rozmiarów w
stosunku do osadów powstałych ze spalania węgla. Mimo to jednak z przeprowadzonych analiz
wynika, że popiół i żużel ze współspalania nie powodują skażenia środowiska metalami ciężkimi,
substancjami promieniotwórczymi i zanieczyszczeniami biologicznymi, stąd mogą być
składowane na powierzchni terenu lub gospodarczo wykorzystane na podobnych warunkach jak
popiół i żużel uzyskiwane ze spalania węgla kamiennego bez dodatków. Popiół i żużel mogą
stanowić wypełnienia podziemnych wyrobisk górniczych lub materiał do rekultywacji i
makroniwelacji terenów, zaś sam popiół lotny może być dodatkiem do produkcji cementów i
betonów. Zastosowany kocioł posiada możliwość współspalania paliw, jednakowoż maksymalna
ilość wsadu pelletów, lub materii organicznej wynosi 20%. Przy większym wsadzie mogłaby
zmniejszyć się wydajność kotła.

Najbardziej opłacalna z punktu widzenia ekonomicznego jest produkcja zrębek, jednakże czasami
powstała frakcja jest zbyt mała, by dokonać jej spalania, wtedy należy zastosować proces
pelletyzacji materiału.

Źródła:

http://www.biomalwa.com/malwa.html

http://www.paze.pl/pliki/broszura_oze.pdf , str. 25-26

http://www.spalanie.pwr.edu.pl/badania/biomasa/Pelety.pdf

http://www.sefako.com.pl/Oferta/Produkty_Fabryki_Kotlow_SEFAKO_S.A./Kotly_wodnorurow
e_rusztowe_weglowe_i_do_wspolspalania_biomasy/Kotly_wodne_trzyciagowe

http://hemmel.com.ua/en/production/rm_800.7

http://www.spalanie.pwr.edu.pl/badania/biomasa/Pelety.pdf

http://fluid.wme.pwr.wroc.pl/~spalanie/dydaktyka/spalanie_wyklad_energetyka/SPAL_BIOM_I_
ODP/Wspolspalanie_biomasy_z_weglem.pdf

http://www.pelletsatlas.info/pelletsatlas_docs/showdoc.asp?id=090313120033&pdf=true

http://husmann.com.pl/produkty-husmann/przesiewacze-bebnowe/

http://www.sefako.com.pl/resources/document/Katalogi/WR_3-ciagi.pdf

http://www.protechnika.com/pr110.html