Biomasa-materialy na egzamin2011-zaoczni, materiały studia, biomasa


  1. Co to jest i jak powstaje biomasa ?

Biomasa to cała istniejąca na Ziemi materia organiczna, wszystkie substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji. Biomasą są resztki z produkcji rolnej, pozostałości z leśnictwa, odpady przemysłowe i komunalne.

Według definicji Unii Europejskiej biomasa oznacza podatne na rozkład biologiczny frakcje produktów, odpady i pozostałości przemysłu rolnego (łącznie z substancjami roslinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów przemysłowych i miejskich

  1. W jakich postaciach występuje biomasa i w jaki sposób może zostać wykorzystana?

Stałe, płynne i gazowe biopaliwa produkowane są z biomasy, która sama występuje w rozmaitych stanach skupienia. Istnieją jednak różne rodzaje biopaliw w określonym stanie skupienia, podobnie jak różne są rodzaje surowców, wykorzystywanych do ich produkcji. Wśród biopaliw stałych wyróżniamy np. brykiet, który może być wytwarzany z każdego rodzaju biomasy roślinnej, lecz najczęściej produkowany jest z trocin, wiórów, zrębków drzewnych czy słomy oraz pelety, do produkcji których nadaje się kora, zrębki, rośliny energetyczne i słoma, lecz najczęściej wykorzystywane są trociny i wióry. Podobnie biopaliwa płynne - bioolej, biodiesel czy bioalkohole - produkowane są z rozmaitych surowców, przy użyciu rozmaitych technologii. Jeśli chodzi o biopaliwa gazowe , to obok pozyskiwanego w procesie fermentacji metanowej biogazu do celów energetycznych wykorzystywany jest także holzgas, czyli gaz drzewny powstający w procesie pirolizy. Omówimy teraz pokrótce najważniejsze rodzaje biopaliw.

  1. Podstawowe technologie energetycznego wykorzystania biomasy.

  2. Co to jest i jak powstaje brykiet drzewny?

Brykiet drzewny to walec lub kostka, utworzona z suchego rozdrobnionego drewna (trocin, wiórów czy zrębków), sprasowanego pod wysokim ciśnieniem bez dodatku substancji klejących. W czasie zachodzącego pod ciśnieniem 200 atmosfer procesu brykietowania wydziela się lignina, która po obniżeniu temperatury zastyga, spajając surowiec w formie brykietu. Duże zagęszczenie materiału w stosunku do objętości sprawia, że proces spalania brykietu zachodzi stopniowo i powoli. Wartość energetyczna: 19-21 GJ/t; wilgotność: 6-8%; zawartość popiołu: 0,5-1% suchej masy.

  1. Co to jest i czym się charakteryzują pelety?

Pelety (inaczej granulat) to produkowane z odpadów drzewnych - najczęściej z trocin i wiórów - długie na kilka cm granulki o średnicy 6-25 mm. Granulat wytłacza się w prasie rotacyjnej, bez dodatku substancji klejącej i pod dużym ciśnieniem, które umożliwia duże zagęszczenie surowca. Pelety są paliwem łatwym do transportowania, najpraktyczniejszym w magazynowaniu i najwygodniejszym w eksploatacji. Ich zaletą jest też bardzo niska zawartość popiołu (0,4-1% suchej masy). Wartość energetyczna pelet wynosi 16,5-17,5 MJ/kg, a wilgotność 7-12%.

  1. Scharakteryzuj proces produkcji pelet.

Produkcja peletu polega na poddaniu biomasy trzem kolejnym procesom: suszenia, mielenia i prasowania. Pelety wytłacza się z rozdrobnionej suchej biomasy pod dużym ciśnieniem w prasie rotacyjnej, bez substancji klejącej. Produktem końcowym są małe granulki o kształcie cylindrycznym o średnicy 6-25mm i długości do kilku centymetrów. Bardzo duże siły działające podczas wyciskania powodują, że w małej objętości zostaje zmieszczona duża ilość produktu.

  1. Charakterystyka zrębków drzewnych.

Zrębki drzewne to rozdrobnione drewno w postaci długich na 5-50 mm ścinków o nieregularnych kształtach. Są produkowane:

Wartość opałowa zrębków wynosi 6-16 MJ/kg, wilgotność 20-60%, a zawartość popiołu, którą zwiększa ewentualne zanieczyszczenie kamieniami, glebą i piachem stanowi od 0,6 do 1,5% suchej masy. Zrębki są doskonałym paliwem dla kotłów, wykorzystuje się je również do produkcji płyt wiórowych i jako topnik w hutnictwie. Wadą tego paliwa jest wrażliwość na zmiany wilgotności powietrza i podatność na choroby grzybowe. Długo magazynowane zrębki powinny być co jakiś czas przewracane.

  1. Scharakteryzuj proces spalania drewna

W procesie spalania generuje się aż 90% energii, otrzymywanej na świecie z biomasy, przy czym spalana może być biomasa we wszystkich stanach skupienia.

Efektywne i spełniające normy ochrony środowiska spalanie drewna powinno przebiegać w trzech fazach:

Wysoka temperatura, dostęp tlenu i odpowiednio długi czas spalania pozwalają utrzymać niski poziom emisji tlenku węgla (CO), węglowodorów i węglowodorów poliaromatycznych (PAH), poza tym dzięki tym czynnikom w popiele pozostaje niewielka ilość niedopalonego węgla. Do ekologicznego, efektywnego spalania biomasy w celu pozyskiwania energii służą specjalnie skonstruowane kotły, wyposażone w komory spalania ze stałymi bądź ruchomymi rusztami i charakteryzujące się zwiększoną powierzchnią wymiany ciepła.

Efektywność przebiegu procesu spalania zależy od ilości dostarczanego powietrza. W nowoczesnych kotłach powietrze do spalania dostarczane jest w postaci tzw. powietrza pierwotnego i wtórnego. Powietrze pierwotne miesza się z paliwem i wykorzystywane jest w procesie gazyfikacji i spalania węgla drzewnego. Powietrze wtórne jest wykorzystywane podczas spalania substancji lotnych i nie miesza się z powietrzem pierwotnym.

Instalacje do spalania mogą być wykorzystywane do utylizacji różnych rodzajów biomasy, w tym drewna kawałkowego, zrębek, trocin, słomy i innych. Spalanie biomasy efektywne energetycznie, ekonomicznie oraz ekologicznie wymaga zastosowania odpowiednich technologii.

Specyficzne właściwości fizyko-chemiczne biomasy wymagają stosowania odpowiednich rozwiązań technologicznych, dostosowanych do paliwa. Tylko 20% masy drewna stanowią nielotne związki węgla, które w tradycyjnym kotle spalają się na ruszcie (w węglu brunatnym stanowią one 45-60%, w węglu kamiennym 60-80%, w koksie - ponad 95%). Reszta, około 80%, to związki lotne, które spalają się nad rusztem, wydzielając się intensywnie w stosunkowo wąskim zakresie temperatur. Efektywne spalanie tego typu paliw wymaga specjalnych technik i kotłów, zapewniających warunki dynamiczno-termiczne niezbędne dla zupełnego spalania lotnych produktów rozkładu termicznego biomasy. Nieodpowiednie rozwiązania aparaturowe i technologiczne skutkują zwiększoną, często poważnie, emisją szkodliwych substancji do atmosfery, która może zniweczyć korzystny efekt ekologiczny wynikający z charakteru biomasy drzewnej. Niezupełne spalanie to także niekorzystne ekonomicznie obniżenie sprawności procesu.

  1. Scharakteryzuj budowę kotła

Kotły do spalania biomasy dostępne są w szerokim zakresie mocy od kilkunastu kW do kilkuset MW. Na typowe palenisko składa się komora spalania wyłożona zwykle odpornym na wysoką temperaturę materiałem ceramicznym oraz ruszt. Rozwiązania konstrukcyjne rusztów obejmują ruszty stałe, ruszty mechaniczne płaskie oraz schodkowe. Do spalania paliw podsuszonych (20-25%) stosowane są kotły z rusztami stałymi lub mechanicznymi poziomymi. W przypadku paliw wilgotnych (40-60%) kotły wyposażone są w ruchome ruszty schodkowe. Układ taki zapewnia w pierwszej fazie odparowanie wody z paliwa, a następnie w miarę przesuwania w głąb paleniska jego całkowite spalenie. Stosowane są także kotły wyposażone w paleniska fluidalne. Kotły fluidalne pozwalają ma efektywne spalanie biopaliw niskiej jakości (wilgotnych) przy zachowaniu emisji zanieczyszczeń na niskim poziomie. Kotły do spalania biomasy mogą być wyposażone w automatykę oraz wymuszony nawiew powietrza. Systemy podające to zwykle przenośniki ślimakowe i pneumatyczne współpracujące z ruchomymi zgarniakami podłogowymi.

  1. Co to jest i w jaki sposób przebiega proces gazyfikacji.

Podobnie jak spalanie, gazyfikacja jest zachodzącym w wysokiej temperaturze procesem konwersji termochemicznej, z tą jednak różnicą, że jej produktem nie jest ciepło, lecz gaz, który dopiero po spaleniu dostarcza energii cieplnej. Poza wytwarzaniem ciepła, gaz ten może być wykorzystywany także w kuchenkach gazowych oraz w turbinach, służących do produkcji elektryczności i maszynach, wykonujących pracę mechaniczną.

Proces gazyfikacji paliw stałych przebiega dwustopniowo:

Jedną z zalet tej technologii jest jej wysoka efektywność: podczas gdy małe i średnie urządzenia wykorzystywane do spalania osiągają efektywność rzędu 15-20%, efektywność urządzeń służących do gazyfikacji już teraz wynosi około 35%, a w niedalekiej przyszłości sięgnie 45-50%.

  1. Co to jest i w jaki sposób przebiega proces pirolizy

Będąca wstępem do procesów spalania i gazyfikacji piroliza to technologia, która w porównaniu ze spalaniem i gazyfikacją znajduje się dopiero we wczesnym stadium rozwoju. Jej produktem jest ciekłe biopaliwo zwane bioolejem lub olejem pirolitycznym, będące złożoną miksturą utlenionych węglowodorów. Zaletą pirolizy jest większa niż w przypadku spalania i gazyfikacji łatwość transportowania produktu wyjściowego, pozwalająca znacznie ograniczyć koszty transportu. Piroliza jest złożonym procesem, a właściwości jej produktu zależą od wysokości temperatury, od tego jak długo poddawano materiał jej działaniu, od obecności wody, tlenu i gazów, a także od cech poddanego pirolizie surowca.

Podczas procesu pyrolizy biomasa ulega termicznemu przekształceniu przy braku dostępu tlenu. W zależności od warunków przebiegu tego procesu można wyróżnić pyrolizę konwencjonalną, szybką i błyskawiczną.

Przebieg procesu pyrolizy:

W procesie szybkiej pyrolizy drobne cząsteczki biomasy, o niskiej wilgotności podgrzewane są bardzo szybko do temperatury 450-550°C. W rezultacie tego procesu powstaje produkt ciekły - olej pyrolityczny o wartości kalorycznej około 16-19 MJ/kg. W niewielkich ilościach powstają również gaz i węgiel drzewny, które są bezpośrednio spalane i dostarczają ciepło na potrzeby procesu pyrolizy. Olej powstający w procesie szybkiej pyrolizy stanowi od 60 do 75% masy paliwa. Może on być używany bezpośrednio jako paliwo lub też wykorzystywany do wytwarzania innych substancji.

Produkty powstające w procesie szybkiej pyrolizy:

Prawie każdy rodzaj biomasy może być poddawany procesowi szybkiej pyrolizy. Chociaż większość dotychczas przeprowadzonych badań została wykonana z wykorzystaniem drewna, to prowadzono również testy z wykorzystaniem odpadów rolniczych, roślin pochodzących z upraw energetycznych oraz osadów ściekowych.

Szybka pyroliza jest procesem bardzo zaawansowanym i wydajnym. Wymaga dokładnej kontroli parametrów, w szczególności temperatury i czasu trwania poszczególnych faz. Technologie szybkiej pyrolizy biomasy do produkcji paliw płynnych zostały z sukcesem wdrożone w kilku dużych instalacjach demonstracyjnych. Jednak nigdzie na świecie nie są obecnie stosowane na skalę komercyjną, ale uważane są za bardzo obiecujące. Główną zaletą oleju pyrolitycznego jest łatwość przechowywania i transportowania. Może on być również wykorzystywany jako półprodukt do wytwarzania cennych substancji. Ze względu na powyższe pyroliza powinna być traktowana jako technologia dopełniająca w stosunku do pozostałych procesów termochemicznych.

  1. Opisz technologie bezpośredniego współspalania biomasy

0x01 graphic

  1. Opisz technologie pośredniego współspalania biomasy

0x01 graphic

  1. Wymień grupy roślin energetycznych - podaj przykłady

Rośliny energetyczne powinny charakteryzować się dużym przyrostem rocznym, wysoką wartością opałową, znaczną odpornością na choroby i szkodniki oraz stosunkowo niewielkimi wymaganiami glebowymi. Niezwykle istotną sprawą jest również możliwość mechanizacji prac agrotechnicznych związanych z zakładaniem plantacji oraz zbieraniem plonu. Uprawa roślin energetycznych może być średnio użytkowana przez okres 15-20 lat.

Rośliny energetyczne uprawiane w Polsce:

słoma, rośliny oleiste

  1. W jakim procesie powstaje biogaz? Jaki jest skład biogazu?

Biogaz powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych, podczas której substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste. W procesie fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej zamienianej jest w biogaz.

Biogaz powstający w wyniku fermentacji beztlenowej składa się w głównej mierze z metanu (od 40% do 70%) i dwutlenku węgla (około 40-50%), ale zawiera także inne gazy, m. in. azot, siarkowodór, tlenek węgla, amoniak i tlen. Do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej może być wykorzystywany biogaz zawierający powyżej 40% metanu.

  1. Scharakteryzuj możliwości pozyskiwania i wykorzystywania biogazu.

Biogaz wykorzystywany do celów energetycznych powstaje w wyniku fermentacji:

Biogaz może być wykorzystywany na wiele różnych sposobów. Gaz wysypiskowy może być dostarczany do sieci gazowej, wykorzystywany jako paliwo do pojazdów lub w procesach technologicznych. Biogaz może być spalany w specjalnie przystosowanych kotłach, zastępując gaz ziemny. Uzyskane ciepło może być przekazywane do instalacji centralnego ogrzewania. Energia elektryczna wyprodukowana w silnikach iskrowych lub turbinach może być sprzedawana do sieci energetycznych. Biogaz jest również wykorzystywany w układach skojarzonych do produkcji energii elektrycznej i ciepła.

  1. Scharakteryzuj czynniki decydujące o prawidłowo przeprowadzonej fermentacji beztlenowej.

Szybkość rozkładu materii organicznej zależy od szeregu czynników. Na przebieg procesu fermentacji korzystnie wpływa utrzymanie stałej wysokiej temperatury, wysokiej wilgotności (powyżej 50%), korzystnego pH (powyżej 6,8) oraz ograniczenie dostępu powietrza. W zależności od temperatury, w której przebiega rozkład, wyróżnia się dwa rodzaje fermentacji beztlenowej:

  1. Scharakteryzuj proces powstawania biogazu w biogazowi rolniczej

W gospodarstwach hodowlanych powstają znaczne ilości odpadów, które mogą być wykorzystane do produkcji biogazu. Z 1 m3 płynnych odchodów można uzyskać średnio 20 m3 biogazu, a z 1 m3 obornika - 30 m3 biogazu, o wartości energetycznej ok. 23 MJ/m3 . Potencjał biogazu z odchodów zwierzęcych w Polsce wynosi 3310 mln m3, jednak w praktyce instalacje do pozyskania biogazu mają szanse powstać tylko w dużych gospodarstwach hodowlanych.

Biogazownie rolnicze mogą wykorzystywać do procesu materię organiczną, której niekontrolowany rozkład jest przyczyną emisji CH4 do atmosfery. Dotyczy to odpadów ze skoncentrowanej hodowli zwierząt (gnojowice, oborniki) oraz wszelkich odpadów pochodzenia roślinnego. Spalanie pozyskanego w wyniku ich rozkładu metanu pozwala nie tylko na produkcję energii elektrycznej i/lub cieplnej, ale także na redukcję emisji tego gazu cieplarnianego poprzez zamianę go w mniej szkodliwy CO2.

W biogazowniach rolniczych energia elektryczna jest produkowana w wyniku spalania zawartego w biogazie metanu w wysoko sprawnych silnikach spalinowych, natomiast całość wytwarzanej energii cieplnej pochodzi z wykorzystania ciepła ich pracy. Ciepło odzyskane z układu chłodzenia może służyć do produkcji ciepłej wody, a ciepło wysokotemperaturowych spalin do wytworzenia pary technologicznej. Przy sprzyjającej infrastrukturze i zapotrzebowaniu pozyskane ciepło może być wykorzystane praktycznie bez strat w obszarze danej lokalizacji.

Z tego względu biogazownie produkują energię w sposób wysoce efektywny. Wysoko sprawna kogeneracja pozwala na osiągnięcie sprawności przetworzenia energii zawartej w biogazie nawet do ok. 87%, podczas gdy łączna energia (elektryczna i cieplna) z dużych elektrociepłowni, docierająca do odbiorcy, stanowi do 80% energii pierwotnej zawartej w paliwie3.

  1. Scharakteryzuj proces powstawania biogazu z oczyszczalni ścieków

Potencjał techniczny dla wykorzystania biogazu z oczyszczalni ścieków do celów energetycznych jest bardzo wysoki. W Polsce jest 1759 przemysłowych i 1471 komunalnych oczyszczalni ścieków i liczba ta wzrasta. Standardowo z 1m3 osadu (4-5% suchej masy) można uzyskać 10-20 m3 biogazu o zawartości ok. 60% metanu. Do bezpośredniej produkcji biogazu najlepiej dostosowane są oczyszczalnie biologiczne, które mają zastosowanie we wszystkich oczyszczalniach ścieków komunalnych oraz w części oczyszczalni przemysłowych. Ponieważ oczyszczalnie ścieków mają stosunkowo wysokie zapotrzebowanie własne zarówno na energię cieplną i elektryczną, energetyczne wykorzystanie biogazu z fermentacji osadów ściekowych może w istotny sposób poprawić rentowność tych usług komunalnych. Ze względów ekonomicznych pozyskanie biogazu do celów energetycznych jest uzasadnione na tylko większych oczyszczalniach ścieków przyjmujących średnio ponad 8 000-10 000 m3/dobę.

  1. Scharakteryzuj proces powstawania biogazu na wysypisku śmieci

Odpady organiczne stanowią jeden z głównych składników odpadów komunalnych. Ulegają one naturalnemu procesowi biodegradacji, czyli rozkładowi na proste związki organiczne. W warunkach optymalnych z jednej tony odpadów komunalnych może powstać około 400-500 m3 gazu wysypiskowego. Jednak w rzeczywistości nie wszystkie odpady organiczne ulegają pełnemu rozkładowi, a przebieg fermentacji zależy od szeregu czynników. Dlatego też przyjmuje się, że z jednej tony odpadów można pozyskać maksymalnie do 200 m3 gazu wysypiskowego.

W praktyce emisja gazów ze złoża odpadów komunalnych rozpoczyna się z chwilą ich rozładunku, dzięki składnikom organicznym oraz mikroorganizmom. Proces ten obejmuje cztery fazy: pierwszą jest fermentacja tlenowa, drugą tzw. kwaśna. Ich efektem jest wydzielanie się głównie dwutlenku węgla, a potem niewielkich ilości wodoru. Podczas trzeciej fazy - tzw. niestabilnej fermentacji metanowej - zaczyna pojawiać się CH4, którego ilość szybko wzrasta.

 

Po około dwóch latach od rozładunku przywiezionych odpadów komunalnych na wysypisko, przebiega przez około 40 lat stabilna fermentacja metanowa - jako czwarta faza.

Biogaz wytwarza się z odpadów organicznych, a tempo ich powstawania zależy od wielu czynników.

  W nowoczesnych składowiskach odpadów komunalnych instaluje się rury drenażowe biogazu, zwanego tu również gazem wysypiskowym.

 Systemy odgazowujące można układać równocześnie z eksploatacją wysypiska, jak i po jej zakończeniu metodą odwiertów. Stosuje się tu najczęściej rury z wysokocząsteczkowego polietylenu o średnicy około 300 mm, z licznymi otworami. Pionowo montowane rury są łączone kolektorami, którymi dmuchawa przetłacza gaz wysypiskowy do silnika spalinowego (którym może być turbina gazowa lub silnik tłokowy), sprzężonego z elektrogeneratorem (rys. 3-4). Energię elektryczną przesyła się do sieci, a spaliny z silnika - do wymienników ciepła, dla ogrzewania cyrkulującej wody z okolicznych osiedli.

  1. Wymień źródła biopaliw płynnych i możliwości ich zastosowania.

0x01 graphic

  1. Co to jest estryfikacja i jakie są metody otrzymywania estrów?

  2. Zdefiniuj najpopularniejsze bioalkohole i określ ich zastosowanie.

Etanol  (spirytus odwodniony) ma największe znaczenie wśród bioalkoholi wykorzystywanych do celów paliwowych. Otrzymuje się go przez odwodnienie alkoholu gorzelnianego, zawierającego 97,2% objętości etanolu. Podobnie jak biodiesel, etanol może być stosowany bądź jako:

Popularniejsze jest to drugie rozwiązanie, przy czym etanol może być dodawany do paliwa napędowego albo bezpośrednio albo po przetworzeniu na eter etylo-tetr-butylowy (ETBE).

Polska jest jednym z ważniejszych europejskich producentów etanolu. Konieczność wykorzystania nadprodukcji spirytusu, wytwarzanego z nadwyżek produkcyjnych zboża, ziemniaków i melasy buraczanej sprawiła, że już we wczesnych latach 90. nasz kraj zaczął produkować paliwo z dodatkiem etanolu.

Metanol (CH3OH) czyli alkohol metylowy zwany także alkoholem drzewnym (dawniej pozyskiwano go w procesie suchej destylacji drewna) to jasna, prawie bezbarwna ciecz o wartości opałowej wynoszącej około 22-23 MJ/kg. Metanol syntetyczny wytwarzany jest w procesie uwodornienia tlenku węgla, zachodzącym w temperaturze 300-400 st. C, pod podwyższonym ciśnieniem i w obecności katalizatora. Tak jak biodiesel i etanol, metanol może być wykorzystywany jako:

Wykorzystanie metanolu ma mniejsze znaczenie niż wykorzystanie charakteryzującego się wyższą wartością energetyczną etanolu; poza tym metanol, który podczas spalania powoduje emisję toksycznego aldehydu mrówkowego jest coraz rzadziej wykorzystywany ze względu na swoje rakotwórcze działanie. Niemniej jednak metanol, przekształcany w ogniwach paliwowych nowego typu w wodór jest często uznawany za paliwo przyszłości.


Wyszukiwarka