WSTĘP
Aktualna sytuacja paliwowo - energetyczna w związku
z wyczerpywaniem się zasobów kopalnych paliw, zmusza do poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Między 2010 a 2020 rokiem na świecie mogą wystąpić problemy z zaopatrzeniem w ropę i gaz, ponieważ światowe zasoby są o 80 procent mniejsze, niż do tej pory sądzono - tak podał brytyjski dziennik "The Independent" powołując się na najnowsze badania naukowców. Według raportu przedstawionego przez naukowców z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji, popyt na ropę osiągnie szczyt krótko po 2010 roku, a na gaz niedługo później, co spowoduje gwałtowny wzrost cen, a w konsekwencji poważne skutki dla gospodarki światowej, o ile ludzkość nie zacznie stosować alternatywnej - odnawialnej energii.
Wg definicji przyjętej w ustawie z dnia 10 kwietnia 1997 r. - Prawo energetyczne - pod pojęciem niekonwencjonalnego (alternatywnego) źródła energii rozumieć należy takie, które nie wykorzystuje w procesie przetwarzania spalania organicznych paliw kopalnych.
Do niekonwencjonalnych źródeł energii można, więc zaliczyć energię wodną, wiatrową, słoneczną, geotermalną, pochodzącą ze spalania
i przetwarzania różnego rodzaju odpadów i szeroko pojmowanej biomasy.
Różnorodne źródła energii niekonwencjonalnej są łatwo dostępne
i geograficznie rozproszone.
1. CO TO SĄ PELETY?
PELETY - jest to ekologiczne paliwo przyszłości, po polsku pellet to granulat lub śrut drewniany, jest bardzo popularny w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Europie Zachodniej. Obecnie naturalny rozwój tej technologii jest wsparty zaleceniami Unii, wg. której wzrost udziału energii odnawialnej
w 2010 r ma osiągnąć poziom 12%, przy 5,5% aktualnie. W Polsce wskaźnik ten wynosi około 1,5%. Granulat drewniany jest naturalnie czystym paliwem z biomasy, pochodzącej niemal w 100% z drewna. Niemal, ponieważ niektórzy producenci stosują również słomę jako jeden ze składników.
W skład granulatu wchodzą trociny, wióry, ścinki, kora drzew i inne odpadki obróbki drewna. Nie zawiera on żadnych substancji typu kleje, lakiery,
a substancją wiążącą jest naturalne lepiszcze. Surowiec ten jest następnie przygotowany do jednorodnej masy, sprasowany pod ciśnieniem rzędu
15-60 MPa, wytłoczony do odpowiedniej średnicy i wysuszony.
Pelety są to elementy o kształcie cylindrycznym, o średnicy 6-10 mm
i długości 20-30 mm powstałe ze sprężenia trocin, ścinki, wiórów i innych odpadków powstałych przy obróbce drewna. Oznacza to, że
z niepotrzebnych drewnianych resztek powstaje pełnowartościowy materiał opałowy.
Produkcja pelet opanowana została kilkadziesiąt lat temu w przemyśle spożywczym, gdzie produkuje się tzw. paszę granulowaną. Technologia ta bez większych modyfikacji została przeniesiona do energetyki, do produkcji paliwa z biomasy.
Najwyższej jakości pelety wykonywane są z czystych trocin drewnianych bez użycia jakichkolwiek dodatków. Międzynarodowe normy nakazują, aby średnica pelet drewnianych wahała się w granicach 6-30 mm ( niestety nie istnieje jeszcze polska norma określająca parametry pelet - najpopularniejsza jest niemiecka norma DIN 51731). Ich długość nie może być większa niż 50 mm. W praktyce popularność zdobyły pelety średnicy 6-8 mm i długości około 25 mm. Te rozmiary umożliwiają bardzo wydajne spalanie i pełną automatyzację małych kotłów i pieców spalających to paliwo. Pelety o dużych rozmiarach wykorzystywane są w energetyce zawodowej i SA spalane masowo głównie w elektrociepłowniach pracujących na terenie Skandynawii.
1.1. Charakterystyka granulatu drewnianego
Norma DIN 51731 określa wszystkie parametry fizyko - chemiczne pięciu gatunków pelet. Do zastosowań domowych najbardziej przydatne są pelety gatunku HP5.
Własności pelet drewnianych HP5
Średnica [mm] |
6-10 |
Długość [mm] |
10-38 |
Wartość opałowa [MJ/kg] |
16-19,5 |
Moc energetyczna [kWh/kg] |
ok.4,7 |
Gęstość nasypowa [kg/m3] |
630-750 |
Wilgotność [%] |
6-12 |
Zawartość popiołów [%] |
<1,5 |
Zawartość siarki [%] |
<0,1 |
Zawartość chloru [%] |
<0,01 |
Zawartość CO2 [%] |
ok. 0 |
Zajmowana objętość [m3] |
ok. 1,5 |
2. CO TO JEST BIOMASA?
BIOMASA to substancja powstająca w wyniku procesów życiowych, jakie toczą się na powierzchni ziemi i w głębinach wód. Będą to, zatem wszystkie rośliny i zwierzęta i wszystko to, co one wytworzą w czasie życia, oraz to, co pozostanie, gdy ich procesy życiowe ustaną.
Biomasa to całkowita ilość żywej materii organicznej (najczęściej wyrażana wg suchej masy/m2, czyli tzw. masa bezwodna, zaś inną jednostką są g świeżej masy tzn. naturalnej masy organizmów) w danej biocenozie, czy biotopie.
Biomasa pozostawiona na powierzchni gleby w postaci mulczu (resztki pożniwne, zielony nawóz, chwasty) poprawia jej sprawność, a po przyoraniu i humifikacji staje się próchnicą. Może być źródłem odnawialnych nośników energii. Racjonalne spalanie biomasy nie powoduje zwiększenia ilości dwutlenku węgla w atmosferze (tylko w ograniczonym zakresie zwiększa stężenie dwutlenku siarki). Materiały i paliwa odpadowe z biomasy,
tzn. odpadki drewniane, trociny, kora, słoma, siano, darń, łęty, strąki fasoli, pestki owoców, zepsute ziarno, mogą być spalane w sposób ekologicznie bezpieczny i efektywny energetycznie.
Energia powstająca ze spalania biomasy jest tańsza od energii powstającej
z wnętrza ziemi. Przetwarzanie energii pochodzącej
z obumarłej biomasy jest bardzo proste, naturalne i nie niesie za sobą negatywnych skutków zarówno dla człowieka, jak i dla środowiska,
w którym żyjemy. Energia biomasy nie przyczynia się do powstawania „efektu cieplarnianego”. Spalanie biomasy oznacza efektywniejsze wykorzystanie energii oraz powstawanie mniejszej ilości popiołów
i związków toksycznych. W Ameryce pewien właściciel wytwórni pasz,
z których sprzedażą miał coraz większe problemy, wpadł na pomysł, by poddać granulacji trociny z pobliskiego tartaku. Tak powstały słynne „pelety”, czyli ekologiczny granulat paliwowy.
Istniejące i niewykorzystane zasoby biomasy energetycznej w Polsce szacowane są ogółem na około 40 mln ton rocznie . Każdego roku
z powodu braku odpowiednich technologii leśnicy zostawiają w lasach ponad 9 mln metrów sześciennych odpadów drzewnych. Odpady te nie są obojętne dla lasów. Stanowią pożywkę dla grzybów i szkodników, poważnie obniżając stan sanitarny polskich obszarów leśnych. Na polach całego kraju po żniwach zostaje ponad 26 mln ton słomy. Tylko niecałe 3% z tej masy zagospodarowuje się na cele energetyczne. Gdyby podnieść ta liczbę do około 30%, to rocznie oszczędności z tego tytułu przekroczyłyby kwotę 2,4 mld złotych.
3. PROCES GRANULACJI BIOMASY, CZYLI JAK POWSTAJA PELETY.
Surowcem do produkcji granulatu paliwowego z biomasy (pelet paliwowych) może być każdy rodzaj roślin. Mogą nim być również odpady pochodzenia roślinnego (bez dodatków syntetycznych), powstające w procesach przeróbki roślin użytkowych.
Największe znaczenie gospodarcze i najwyższą wartość handlową mają pelety wykonane z drewna. Do przeróbki najbardziej nadają się gatunki
surowców i odpadów drzewnych np. karpina, kora, gałęzie i chrust.
Z energetycznego punktu widzenia jest to taki sam rodzaj drewna, jak grubizna przeznaczona do produkcji desek, ale dzięki swej formie
i budowie surowiec ten schnie bardzo szybko, daje się łatwo rozdrabniać
i ma bardzo niską cenę. Dla obniżenia kosztów transportu surowiec ten najlepiej jest jednak zrębkować, czyli poddać zgrubnemu rozdrobnieniu, już
w lesie lub w jego pobliżu.
Do granulacji i do dalszego wykorzystania na cele energetyczne doskonale nadają się i inne rodzaje biomasy, np. słoma, trzcina, liście, igliwie, siano, itp. Rodzaj użytego surowca ma jednak znaczenie podczas samego procesu granulacji.
Pozyskując surowiec, nie powinno się go przewozić do zakładu przetwórczego natychmiast po zbiórce. W większości przypadków jest on mocno nasiąknięty wodą (słoma, trzcina). Przed właściwym procesem granulacji surowiec musi wyschnąć. W zakładzie wymagałoby to zbyt dużego i niepotrzebnego wydatku energii. Ponadto mokry surowiec jest ciężki, a to z kolei wpływa na koszty transportu.
3.1. Rozdrobnienie zgrubne
Po wstępnym osuszeniu surowiec powinno się poddać zgrubnemu rozdrobnieniu. Najlepiej dokonać tego jeszcze w lesie, na plantacji lub
w otoczeniu niewiele oddalonym od tych miejsc. Osuszony materiał łatwo poddaje się procesowi rozdrabniania, a uzyskany produkt łatwiej i taniej przewozić do zakładu przetwórczego. Mniej wówczas wozimy przysłowiowego „powietrza", a więcej rzeczywistego surowca. Rozdrabnianie surowca drzewnego zwie się zrębkowaniem
i wykonywane jest za pomocą urządzenia zwanego rębakiem. Rębak wykorzystuje w swej pracy właściwości drewna i dzięki temu przy minimalnym wydatku energii dzieli duże elementy drewniane na kawałki
o średnich wymiarach nie przekraczających 5×5 cm. W maszyny tego typu przeważnie są wyposażone specjalistyczne firmy zajmujące się pielęgnacją obszarów leśnych, zatem przedsiębiorcy produkującemu pelety pozostaje tylko nawiązać kontakt z taka firmą i odbierać od niej gotowy produkt
w postaci zrębków. Nieco inaczej postępuje się z surowcem dtugowłóknistym, jak słoma czy trawa. Najbardziej ekonomicznym procesem przygotowania tego typu substancji do dalszej granulacji jest siekanie go na odcinki długości 5 do 10 cm za pomocą sieczkarni. Tak uzyskana sieczka bardzo łatwo będzie mogła być zgranulowana w dalszych etapach procesu produkcyjnego.
3.2. Suszenie
Wstępnie rozdrobniony surowiec zwykle ma wilgotność nie niższą niż 18 do 25%. Jest to stan tzw. „powietrzno-suchy". Nierzadko zdarza się także, że zrębki zostały przygotowane ze świeżo ściętych roślin i wtedy ich wilgotność przekracza 30, a nawet więcej procent. To stanowczo za dużo, by można było od razu skierować tak przygotowaną biomasę do granulacji. Granulatory pracują
z trocinami o wilgotności poniżej 15%, a najlepiej żeby to było mniej niż 12%. Zatem surowiec trzeba najpierw osuszyć.
Do tego celu najlepiej nadają się specjalnej konstrukcji przeciwprądowe suszarnie fluidalne. Są bardzo wydajne i zadowalają się bardzo małą ilością energii, ale są niestety dość drogie. Znacznie popularniejsze są prostej konstrukcji suszarnie bębnowe - niemal identyczne jak te, których używa się do suszenia płodów rolnych.
Energię do suszenia najlepiej jest uzyskać ze spalenia niewielkiej części surowca pierwotnego. Do tego celu doskonale nadaje się kora drzew,
a także odpadowe ścinki nie nadające się do granulacji. Z doświadczenia wynika, że na ten cel można zużyć od 3 do 7% pierwotnego surowca. To doprawdy niewiele, a dzięki niskiej cenie tego paliwa uzyskany efekt ekonomiczny jest bardzo korzystny. Kotły, w których wytwarzane jest ciepło do suszenia, też będą mogły być wykorzystane jeszcze raz w dalszym etapie produkcji. Tym razem do przygotowania pary służącej tzw. kondycjonowaniu granulowanej biomasy.
Suszenie z wykorzystaniem innego rodzaju energii (elektryczna, cieplna, itp.) może być uzasadnione tylko w wyjątkowych przypadkach. Taka ewentualność może zachodzić np., gdy energia pochodzi ze źródeł odpadowych. Czasami do suszenia wykorzystuje się też energię nadmiarową bezpowrotnie traconą w porach jej niepełnego wykorzystania.
W każdym z takich przypadków należy przeprowadzić szczegółowy rachunek ekonomiczny, porównujący różne źródła zaopatrzenia w energię cieplną wykorzystywaną w procesie technologicznym.
3.3. Rozdrobnienie ostateczne
Wysuszone zrębki poddaje się ostatecznemu rozdrobnieniu w urządzeniu zwanym młynem młotkowym. Jest to pierwsze z newralgicznych urządzeń umieszczonych w ciągu linii peletującej. Od jakości jego konstrukcji w dużej
mierze zależy sukces w całym procesie produkcyjnym.
Odpowiednio wysuszone zrębki kierowane są do komory młyna
(rys. nr 2), gdzie rozdrabnia się je do postaci trocin. Wielkość ziaren, czyli intensywność rozdrobnienia w dobrej jakości młynach młotkowych, może być płynnie regulowana.
Rys. 2 Przekrój młyna młotkowego CPM
Ponieważ elementy młyna młotkowego pracują pod ogromnym obciążeniem, jakość materiałów użytych do jego budowy oraz optymalizacja jego konstrukcji mają kapitalne znaczenie zarówno dla jego trwałości, jak
i dla ekonomiczności jego pracy.
3.4. Kondycjonowanie
Suche trociny o właściwej ziarnistości muszą być teraz poddane procesowi, który zwie się „kondycjonowaniem".
Dzięki temu zabiegowi w ogóle stało się możliwe wyprodukowanie granulatu
o tak rewelacyjnych, właściwościach, jakie mają współczesne pelety.
Najogólniej mówiąc, kondycjonowanie jest procesem podgrzewania trocin w strumieniu przegrzanej pary. W temperaturze około 120°C
i w obecności pary wodnej lignina - jeden z podstawowych składników drewna - zaczyna mięknąć, ulega częściowej hydrolizie i wykazuje właściwości podobne do kleju. Bezpośrednią przyczyną takiego procesu jest zwiększenie powierzchni styku między cząsteczkami ligniny i celulozy, spowodowane większą elastycznością. Tak powstała gorąca masa naparowanych trocin jest miękka i ma tendencję do samoistnego trwałego sklejania się - i to bez dodatkowego lepiszcza. A właśnie o to chodzi w całym procesie produkcji pelet.
Kondycjonowanie przeprowadzane jest w urządzeniu umieszczonym zwykle tuż nad granulatorem i zwanym kondycjonerem. Jego dodatkowym zadaniem jest też homogenizacja całej masy kierowanej do granulatora.
Ten ostatni efekt nabiera szczególnego znaczenia w przypadku granulowania biomasy zawierającej mało ligniny, a zatem np. słomy, trawy czy trzciny. W takim przypadku dla zapewnienia spoistości pelet nie wystarczy samo kon-dycjonowanie. Aby pelety miały właściwą jakość, konieczne jest dodanie odrobiny substancji pełniącej rolę lepiszcza. Tym lepiszczem zwykle jest tania i w pełni ekologiczna melasa cukrowa lub skrobia techniczna. Dodatek tych substancji zwykle nie przekracza 0,5% masy gotowych pelet, stąd dobre zmieszanie (homogenizacja) składników ma duże znaczenie dla jakości powstających pelet.
3.5. Granulacja właściwa
Właściwie spulchnione i podgrzane trociny wprost z kondycjonera kierowane są do komory granulatora (rys. nr 2). Tu poddane zostaną granulacji. Odbywa się to poprzez przeciskanie masy trocinowej przez oka matrycy formującej, która ma kształt dużego stalowego pierścienia średnicy około pół metra. Na jego obwodzie wykonanych jest szereg otworów służących do formowania pelet. Wielkość i kształt otworów
w matrycy decyduje o kształcie i wielkości powstających pelet. Masę trocinową przeciskają przez matrycę dwie lub trzy stalowe rolki poruszające się po wewnętrznej powierzchni matrycy.
Rys. 4 Przekrój granulatora
Granulator to drugie z newralgicznych urządzeń całej linii. Skonstruowanie
i wyprodukowanie dobrego granulatora jest nie lada wyzwaniem. Siły, jakim poddawane są jego elementy, trudno jest porównać z jakimikolwiek innymi
siłami występującymi w procesach technologicznych. Dość powiedzieć, że do napędu tego niezbyt dużego urządzenia używa się silników elektrycznych o mocy rzędu 250 kW.
Dobre granulatory mają masywny korpus odlewany z żeliwa szarego. Żeliwo lepiej niż inne znane materiały tłumi drgania, a ponadto jest bardzo odporne na korozję. Dodatkową ochronę przed drganiami stanowi specjalna, bardzo sztywna konstrukcja mechaniczna.
Napęd wału głównego w granulatorze przeznaczonym do produkcji pelet paliwowych zwykle jest przekazywany bezpośrednio z silnika. Systemy
z napędem pasowym - popularne w granulatorach paszowych - nie sprawdziły się przy produkcji pelet paliwowych.
3.6. Chłodzenie granulatu
Wysypujący się z granulatora produkt nie jest jeszcze gotowy. Wskutek olbrzymiego ciśnienia wywieranego na trociny podczas prasowania ich temperatura jeszcze bardziej wzrosła, co powoduje, że granulat jest kruchy,
a zarazem łatwo się skleja w duże bryły. Trzeba go, zatem schłodzić. Chłodzenia granulatu dokonuje się w specjalnej komorze-chłodziarce,
w której prąd zimnego powietrza skierowany w przeciwną stronę niż granulat w bardzo krótkim czasie skutecznie obniża temperaturę pelet. Przy okazji powietrze porywa ze sobą wszystkie niezwiązane cząsteczki trocin, podnosząc jakość gotowego granulatu. Powietrze po przejściu przez komorę chłodzącą kierowane jest do zespołu filtrów. Porwane trociny zostają
w cyklonie oddzielone od powietrza i specjalnym przewodem kierowane są powtórnie do kondycjonera i granulatora. Czyste powietrze usuwane jest na zewnątrz.
3.7. Dystrybucja
Gotowe pelety mogą być przechowywane w silosach podobnych do tych, w których przechowuje się zboże. Pelety można także przechowywać na pryzmach pod dachem. Oczywiście produkt ten należy starannie chronić przed zawilgoceniem. Do klientów pelety dostarczane są zwykle w postaci:
luźnej - wówczas dostarczane są za pomocą cysterny,
w workach papierowych objętości około 20 kg,
w workach objętości l m3, tzw. „big bag". W worku tym mieści się około 750 kg pelet.
4. PRAKTYCZNE I ŚRODOWISKOWE ARGUMENTY ZA UŻYWANIEM PELET
Paliwo peletowe zawiera tzw. „naturalny węgiel”, czyli ten węgiel, który krąży w przyrodzie, uczestnicząc w procesach życiowych. Oznacza to, że używając pelet jako źródła ciepła przyczyniamy się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych powodujących szkodliwy wzrost temperatury globu.
Zawiera bardzo niską zawartość w spalinach SO2 i zerowa emisja CO2.
Ma niską zawartość popiołu (może być on wykorzystywany jako pełnowartościowy, naturalny nawóz).
Używając pelet, ograniczymy uzależnienie energetyki od paliw kopalnianych, takich jak gaz ziemny, węgiel czy ropa naftowa.
Pelety są najczystsze z znanych paliw.
Urządzenia spalające pelety (kotły) w zasadzie nie wymagają czyszczenia lub mogą być czyszczone bardzo rzadko.
Pelety nie wytwarzają pyłów ani gazów wywołujących alergie.
Praktyczne, czyste worki z peletami ułatwiają przechowywanie, zajmując przy tym jedną trzecią mniej miejsca niż węgiel.
Pelety należą do tzw. odnawialnych źródeł energii OZE.
Zawsze będzie istniało zapotrzebowanie na wyroby z drewna, a zatem zawsze będzie istniał surowiec do produkcji pelet.
W trakcie produkcji pelet do środowiska nie przedostają się żadne odpady.
Produkcja pelet znacznie obniża koszty w przemyśle drzewnym poprzez bardzo efektywne zagospodarowanie odpadami.
Pelety nie są „paliwem strategicznym”. Ceny tego paliwa nie zależą od aktualnej sytuacji politycznej i nie podlegają silnym wahaniom jak ceny ropy czy gazu.
4. Podsumowanie
Źródła energii alternatywnej - w tym przypadku granulacja biomasy - prowadzą do uniezależnienia się od koniunktury politycznej, wahań światowych cen surowców kopalnych, a nawet do pełnego uniezależnienia się od importu paliw, których ceny w miarę wyczerpywania się złóż będą rosły. Podejmowanie inicjatyw i inwestycji w zakresie energetyki niekonwencjonalnej stwarza realną możliwość intensyfikacji regionalnego rozwoju gospodarczego, w tym powstania nowych miejsc pracy oraz
w żywotny sposób przyczynia się do poprawy stanu środowiska. Jest to racjonalny sposób na poważne ograniczenie plagi wypalania traw czy spalania słomy na polach. W obecnej chwili w naszym kraju niekonwencjonalne źródła energii pokrywają niespełna 1,5 % zapotrzebowania na energię. Tymczasem w przypadku Polski mogłyby one zabezpieczyć całkowicie zapotrzebowanie kraju na wszystkie rodzaje energii, pozwalając jednocześnie na uniknięcie degradacji środowiska naturalnego, gdyż istniejące i niewykorzystane zasoby biomasy energetycznej w Polsce szacowane są na około 40 mln ton rocznie. Im szybciej uda się pokonać przeszkody stojące na drodze do intensywnego wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii, tym łatwiejsze będzie rozwiązanie wielu problemów gospodarczych, ekologicznych i społecznych. W Polsce na przeszkodzie w rozwoju produkcji granulatu stała i nadal stoi sytuacja społeczna i polityczna. Na hałdach Górnego Śląska zalegają miliony ton węgla, który bardzo trudno sprzedać z zyskiem.
Z tego powodu utrata pracy grozi kolejnym 70 tysiącom górników. Mimo tych utrudnień sytuacja w zakresie wykorzystania ekologicznych źródeł energii uległa ostatnio znaczącej poprawie. A powołana niedawno Rada ds. Rozwoju Wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii być może będzie katalizatorem intensywniejszego zagospodarowania alternatywnych źródeł energii. Celem Rady jest, bowiem wspomaganie procesu tworzenia dogodnych warunków do rozwoju energetyki niekonwencjonalnej.
Literatura:
B. Serdeński „Ekotechnika 1/25/2003”
GUS „Ochrona środowiska 2001”;Warszawa 2001
http://www.ecoenergy.xu.pl/
W. Lewandowski „Proekologiczne źródła energii odnawialnej”; WNT, Warszawa 2002
http://www.wsattrade.com/granulat.html
http://www.ecoenergy.xu.pl/
B.Serdeński „Ekotechnika 1/25/2003”
http://www.wsattrade.com/granulat.html
B.Serdeński „Ekotechnika 1/25/2003”
http://wiem.onet.pl/wiem/008b40.html
W.Lewandowski „Proekologiczne źródła energii odnawialnej”;WNT, Warszawa 2002
GUS „Ochrona środowiska 2001”;Warszawa 2001
B.Serdeński „Ekotechnika 1/25/2003”
http://www.toreco.com.pl/pellets.htm
18
Szukasz gotowej pracy ?
To pewna droga do poważnych kłopotów.
Plagiat jest przestępstwem !
Nie ryzykuj ! Nie warto !
Powierz swoje sprawy profesjonalistom.
Szukasz gotowej pracy ?
To pewna droga do poważnych kłopotów.
Plagiat jest przestępstwem !
Nie ryzykuj ! Nie warto !
Powierz swoje sprawy profesjonalistom.