Współspalanie biomasy z wybranymi odpadami – zgazowanie
Często podkreśla się zalety kotłowni na biomasę i rozważa ich wpływ na efekt cieplarniany i spełnienie założeń polityki ekologicznej Polski i Unii Europejskiej. W dużo mniejszym stopniu przedstawiane są trudności logistyczne i organizacyjne związane z takimi przedsięwzięciami.
Dla większych kotłowni biomasa może być paliwem tylko w przypadku, gdy będzie można zapewnić ujednolicenie jej parametrów i zagwarantować dostawy paliwa na miejsce w czasie, ilości i jakości wymaganej przez odbiorcę. Gdy stroną planująca budowę i eksploatację zespołu ciepłowni na biomasę jest gmina, to na niej spoczywa obowiązek nie tylko wyboru technologii, ale także zagwarantowania dostaw paliwa dla planowanych kotłów.
Rys. 1. Schemat organizacji gminnego centrum produkcji paliwa
Jednym z możliwych rozwiązań tego problemu jest stworzenie gminnego centrum produkcji paliwa (GCPP – rys. 1). Taka propozycja nie wyklucza ani rozwiązań polegających na zakupie paliwa w formie pelet czy brykietów z trocin lub słomy u wyspecjalizowanego dostawcy (formuła bardzo często stosowana w krajach skandynawskich), ani współpracy z dostawcami drewna surowego (Lasy Państwowe czy prywatne), a pozwala w sposób zorganizowany przeanalizować zasoby gminy i przewidzieć problemy organizacyjne i logistyczne przed procesem zmiany systemów ciepłowniczych i narzucić dyscyplinę projektową. Istotą tej propozycji jest również fakt, że GCPP powinno powstać, zanim rozpocznie się projektowanie kotłowni na biomasę, jako że w pierwszej fazie działalności nastawione jest ono na sprzedaż wytworzonego paliwa, lub dodawanie go do węgla w istniejących kotłowniach, tak aby powstałe doświadczenia lokalne w sposób rzeczywisty wpływały na przebieg procesu decyzyjnego.
Gminne centrum produkcji paliwa
Gmina w miarę rozwoju cywilizacyjnego staje się miejscem, gdzie pojawiają się coraz bardziej wyrafinowane technicznie przedsiębiorstwa użyteczności publicznej. Obok oczyszczalni ścieków i wysypisk muszą powstać zakłady utylizacji odpadów i przygotowania paliwa, a w dalszej konsekwencji nowoczesne elektrociepłownie lokalne. GCPP należy do tych elementów, których szybki rozwój wymusza polityka szybkiego wzrostu udziału energii odnawialnej w zużyciu energii elektrycznej.
Najlepszym źródłem wysokogatunkowego paliwa z biomasy jest drewno. Szybko staje się ono jednak towarem deficytowym, ponieważ obecnie na odpady drzewne jest zapotrzebowanie nie tylko w fabrykach płyt wiórowych, ale także w wytwórniach pelet. Zakłady nastawione na eksport, produkujące stosunkowo drogie dla rynku wewnętrznego (cena wynosi ok. 90 euro za tonę) paliwo z trocin, są obecnie w początkowej fazie rozwoju. Możliwości produkcyjne uruchamianych zakładów wynoszą nie więcej niż 500 tys. ton rocznie, a już w wielu regionach w otoczeniu tych zakładów cena odpadów drzewnych wzrosła o ponad 30%. Dalszy rozwój takiego przetwórstwa i wzrost zapotrzebowania zawodowych elektrociepłowni na surowe drewno jako dodatek do węgla, zapewniający spełnienie narzuconego procentowego udziału energii odnawialnej w zużyciu energii elektrycznej, spowoduje zrównanie cen drewna jako opału z innymi nośnikami energii.
W gminach, w których znajdują się i pracują duże zakłady przemysłu drzewnego (tartaki, fabryki mebli, wytwórnie pelet), duża część GCPP już funkcjonuje dzięki organizacji i logistyce tych zakładów. Przy stosunkowo niewielkim dodatkowym wysiłku organizacyjnym można wykorzystać zasoby tych przedsiębiorstw do produkcji i dystrybucji na terenie gminy ekologicznego paliwa. Jak już wspomniano, ograniczone zasoby czystego drewna nie pozwalają na założenia o możliwości wykorzystania tylko takiego surowca dla celów energetycznych, zwłaszcza jeżeli cena energii jest jednym z powodów wzrostu zainteresowania biomasą.
Zgazowanie jako element recyklingu w ciepłownictwie
Doświadczenia MTF dotyczą zastosowania technologii zgazowania do wytwarzania ciepła z drewna kawałkowego (kotłownie w zakładach Klose Czerskie Fabryki Mebli o mocy 3 MW i Zakładach Meblowych w Drygałach o mocy 7 MW) oraz wytwarzania ciepła z odpadów garbarskich przez firmę SEGI-AT w Zakładach Garbarskich w Lesznie Górnym (kotłownia o mocy cieplnej 2,5 MW. W dwóch pierwszych przypadkach macierzysty zakład zapewnia dostawę czystego, wysuszonego drewna w postaci odpadów produkcyjnych i stały odbiór energii, nawet w okresie letnim, niezbędnej do utrzymania procesu suszenia drewna. W przypadku odpadów garbarskich wysoka wilgotność (do 70%) odpadu, a w konsekwencji jego niska kaloryczność zmuszają do mieszania z nim drewna lub innych odpadów o wysokiej kaloryczności w celu utrzymania właściwej dynamiki procesu zgazowania. Zarówno wielkości, jak i rodzaje stosowanego paliwa powodują, że doświadczenia wynikłe z pracy tych kotłowni są typowe dla skali gminy. We wszystkich jednostkach zarówno autorzy, jak i właściciele kotłowni wykonywali próby z różnymi rodzajami paliwa: wierzbą, malwą pensylwańską, drewnem odpadowym czy mączką kostno-mięsną, szukając możliwości polepszenia wyników ekonomicznych kotłowni i znalezienia najpewniejszej formy dostaw paliwa.
Stosowana przez nas technologia zgazowania pozwala w dużej części zastąpić czyste drewno paliwem otrzymanym z recyklingu mebli, drewna budowlanego, podkładów kolejowych, płyt wiórowych czy skór i tkanin. Proces zgazowywania takich materiałów przebiega dwustopniowo. W komorze reaktora, w warunkach niedoboru powietrza oraz przy stosunkowo niskiej temperaturze (600 – 800°C), materiał wsadowy – rozdrobniony lub w kawałkach – bez wstępnej segregacji zostaje przetworzony w gaz palny i mineralną pozostałość. W drugim etapie procesu gaz palny przepływa rurociągiem do komory dopalania, gdzie w temperaturze 1000 – 1200°C następuje jego dokładne spalanie. W tym etapie istotna jest ilość dopływającego do reaktora powietrza oraz czas zatrzymania gazu w komorze. Rozkładowi ulega wtedy większość substancji organicznych, które mogą towarzyszyć procesom zgazowania, zaś substancje nieorganiczne są wychwytywane w popiele i odprowadzane na zewnątrz. Taka instalacja o mocy 2,5 MW pracuje już trzy lata w Lesznie Górnym (fot. 1). Rocznie jest tam zgazowywane 1200 ton skór surowych, 400 ton drewna i 1200 ton tekstyliów i gumy. Średni załadunek oscyluje wokół 520 kg/h, przy czym produkcja pary wynosi 42000 GJ rocznie.
Na podstawie eksploatacji tej instalacji możemy dla takich materiałów organicznych zdefiniować wymagania dla paliwa w technologii zgazowania: paliwo powinno mieć wilgotność poniżej 40% i wartość opałową co najmniej 8 MJ/kg oraz być tak ujednolicane i rozdrabniane, aby fluktuacje parametrów wsadu nie przekraczały 50%. Ponadto odbiór energii powinien być stały i całoroczny.
Nasze doświadczenie pokazuje, że instalacja do utylizacji termicznej wybranych rodzajów odpadów jest możliwa nawet w skali jednej tony na godzinę. Jednak aby zapewnić przedsięwzięciu opłacalność ekonomiczną, jako minimalną musimy przyjąć wielkość utylizacji co najmniej 2,5 tony odpadów na godzinę przy całorocznym odbiorze energii. Ze względu na wymogi czystości spalin i konieczność kontroli procesu zgazowania materiał poddawany zgazowaniu powinien być homogenizowany, podsuszany do wilgotności ok. 20%, a następnie wstępnie formowany. Tak przygotowane paliwo może zastąpić do 60% drewna w instalacjach kotłowych przy wykorzystaniu technologii zgazowania i co najmniej nie pogorszonych parametrach czystości spalin.
Dla instalacji zgazowujących odpady drewniane o wysokiej kaloryczności i podobnym stopniu rozdrobnienia przy właściwej kontroli procesu spalania otrzymanego gazu można trwale utrzymać CO na poziomie poniżej 50 mg/m³, a NOx poniżej 400 mg/m³.
MTF zaprojektowało, a obecnie jest w trakcie uruchamiania układu o mocy 5 MW dla Enpolu w Słubicach z załadunkiem ciągłym, przeznaczony na odpady drzewne rozdrobnione i materiał skompresowany (fot. 2).
Drewno może być z powodzeniem zastąpione surowcem pochodzącym z plantacji. Wykonaliśmy próby zgazowania zarówno malwy, jak i wierzby, z których wynika, że oba te surowce, właściwie przygotowane i przechowywane, o wilgotności nieprzekraczającej 40%, mogą stanowić dla procesu zgazowania bardzo wartościowe ekologicznie paliwo.
Marek Dudyński
Karol Bajer
MTF, Warszawa
Dla większych kotłowni biomasa może być paliwem tylko w przypadku, gdy będzie można zapewnić ujednolicenie jej parametrów i zagwarantować dostawy paliwa na miejsce w czasie, ilości i jakości wymaganej przez odbiorcę. Gdy stroną planująca budowę i eksploatację zespołu ciepłowni na biomasę jest gmina, to na niej spoczywa obowiązek nie tylko wyboru technologii, ale także zagwarantowania dostaw paliwa dla planowanych kotłów.
Rys. 1. Schemat organizacji gminnego centrum produkcji paliwa
Jednym z możliwych rozwiązań tego problemu jest stworzenie gminnego centrum produkcji paliwa (GCPP – rys. 1). Taka propozycja nie wyklucza ani rozwiązań polegających na zakupie paliwa w formie pelet czy brykietów z trocin lub słomy u wyspecjalizowanego dostawcy (formuła bardzo często stosowana w krajach skandynawskich), ani współpracy z dostawcami drewna surowego (Lasy Państwowe czy prywatne), a pozwala w sposób zorganizowany przeanalizować zasoby gminy i przewidzieć problemy organizacyjne i logistyczne przed procesem zmiany systemów ciepłowniczych i narzucić dyscyplinę projektową. Istotą tej propozycji jest również fakt, że GCPP powinno powstać, zanim rozpocznie się projektowanie kotłowni na biomasę, jako że w pierwszej fazie działalności nastawione jest ono na sprzedaż wytworzonego paliwa, lub dodawanie go do węgla w istniejących kotłowniach, tak aby powstałe doświadczenia lokalne w sposób rzeczywisty wpływały na przebieg procesu decyzyjnego.
Gminne centrum produkcji paliwa
Gmina w miarę rozwoju cywilizacyjnego staje się miejscem, gdzie pojawiają się coraz bardziej wyrafinowane technicznie przedsiębiorstwa użyteczności publicznej. Obok oczyszczalni ścieków i wysypisk muszą powstać zakłady utylizacji odpadów i przygotowania paliwa, a w dalszej konsekwencji nowoczesne elektrociepłownie lokalne. GCPP należy do tych elementów, których szybki rozwój wymusza polityka szybkiego wzrostu udziału energii odnawialnej w zużyciu energii elektrycznej.
Najlepszym źródłem wysokogatunkowego paliwa z biomasy jest drewno. Szybko staje się ono jednak towarem deficytowym, ponieważ obecnie na odpady drzewne jest zapotrzebowanie nie tylko w fabrykach płyt wiórowych, ale także w wytwórniach pelet. Zakłady nastawione na eksport, produkujące stosunkowo drogie dla rynku wewnętrznego (cena wynosi ok. 90 euro za tonę) paliwo z trocin, są obecnie w początkowej fazie rozwoju. Możliwości produkcyjne uruchamianych zakładów wynoszą nie więcej niż 500 tys. ton rocznie, a już w wielu regionach w otoczeniu tych zakładów cena odpadów drzewnych wzrosła o ponad 30%. Dalszy rozwój takiego przetwórstwa i wzrost zapotrzebowania zawodowych elektrociepłowni na surowe drewno jako dodatek do węgla, zapewniający spełnienie narzuconego procentowego udziału energii odnawialnej w zużyciu energii elektrycznej, spowoduje zrównanie cen drewna jako opału z innymi nośnikami energii.
W gminach, w których znajdują się i pracują duże zakłady przemysłu drzewnego (tartaki, fabryki mebli, wytwórnie pelet), duża część GCPP już funkcjonuje dzięki organizacji i logistyce tych zakładów. Przy stosunkowo niewielkim dodatkowym wysiłku organizacyjnym można wykorzystać zasoby tych przedsiębiorstw do produkcji i dystrybucji na terenie gminy ekologicznego paliwa. Jak już wspomniano, ograniczone zasoby czystego drewna nie pozwalają na założenia o możliwości wykorzystania tylko takiego surowca dla celów energetycznych, zwłaszcza jeżeli cena energii jest jednym z powodów wzrostu zainteresowania biomasą.
Zgazowanie jako element recyklingu w ciepłownictwie
Doświadczenia MTF dotyczą zastosowania technologii zgazowania do wytwarzania ciepła z drewna kawałkowego (kotłownie w zakładach Klose Czerskie Fabryki Mebli o mocy 3 MW i Zakładach Meblowych w Drygałach o mocy 7 MW) oraz wytwarzania ciepła z odpadów garbarskich przez firmę SEGI-AT w Zakładach Garbarskich w Lesznie Górnym (kotłownia o mocy cieplnej 2,5 MW. W dwóch pierwszych przypadkach macierzysty zakład zapewnia dostawę czystego, wysuszonego drewna w postaci odpadów produkcyjnych i stały odbiór energii, nawet w okresie letnim, niezbędnej do utrzymania procesu suszenia drewna. W przypadku odpadów garbarskich wysoka wilgotność (do 70%) odpadu, a w konsekwencji jego niska kaloryczność zmuszają do mieszania z nim drewna lub innych odpadów o wysokiej kaloryczności w celu utrzymania właściwej dynamiki procesu zgazowania. Zarówno wielkości, jak i rodzaje stosowanego paliwa powodują, że doświadczenia wynikłe z pracy tych kotłowni są typowe dla skali gminy. We wszystkich jednostkach zarówno autorzy, jak i właściciele kotłowni wykonywali próby z różnymi rodzajami paliwa: wierzbą, malwą pensylwańską, drewnem odpadowym czy mączką kostno-mięsną, szukając możliwości polepszenia wyników ekonomicznych kotłowni i znalezienia najpewniejszej formy dostaw paliwa.
Stosowana przez nas technologia zgazowania pozwala w dużej części zastąpić czyste drewno paliwem otrzymanym z recyklingu mebli, drewna budowlanego, podkładów kolejowych, płyt wiórowych czy skór i tkanin. Proces zgazowywania takich materiałów przebiega dwustopniowo. W komorze reaktora, w warunkach niedoboru powietrza oraz przy stosunkowo niskiej temperaturze (600 – 800°C), materiał wsadowy – rozdrobniony lub w kawałkach – bez wstępnej segregacji zostaje przetworzony w gaz palny i mineralną pozostałość. W drugim etapie procesu gaz palny przepływa rurociągiem do komory dopalania, gdzie w temperaturze 1000 – 1200°C następuje jego dokładne spalanie. W tym etapie istotna jest ilość dopływającego do reaktora powietrza oraz czas zatrzymania gazu w komorze. Rozkładowi ulega wtedy większość substancji organicznych, które mogą towarzyszyć procesom zgazowania, zaś substancje nieorganiczne są wychwytywane w popiele i odprowadzane na zewnątrz. Taka instalacja o mocy 2,5 MW pracuje już trzy lata w Lesznie Górnym (fot. 1). Rocznie jest tam zgazowywane 1200 ton skór surowych, 400 ton drewna i 1200 ton tekstyliów i gumy. Średni załadunek oscyluje wokół 520 kg/h, przy czym produkcja pary wynosi 42000 GJ rocznie.
Fot. 1. Instalacja do zgazowania w Lesznie Górnym
Na podstawie eksploatacji tej instalacji możemy dla takich materiałów organicznych zdefiniować wymagania dla paliwa w technologii zgazowania: paliwo powinno mieć wilgotność poniżej 40% i wartość opałową co najmniej 8 MJ/kg oraz być tak ujednolicane i rozdrabniane, aby fluktuacje parametrów wsadu nie przekraczały 50%. Ponadto odbiór energii powinien być stały i całoroczny.
Nasze doświadczenie pokazuje, że instalacja do utylizacji termicznej wybranych rodzajów odpadów jest możliwa nawet w skali jednej tony na godzinę. Jednak aby zapewnić przedsięwzięciu opłacalność ekonomiczną, jako minimalną musimy przyjąć wielkość utylizacji co najmniej 2,5 tony odpadów na godzinę przy całorocznym odbiorze energii. Ze względu na wymogi czystości spalin i konieczność kontroli procesu zgazowania materiał poddawany zgazowaniu powinien być homogenizowany, podsuszany do wilgotności ok. 20%, a następnie wstępnie formowany. Tak przygotowane paliwo może zastąpić do 60% drewna w instalacjach kotłowych przy wykorzystaniu technologii zgazowania i co najmniej nie pogorszonych parametrach czystości spalin.
Dla instalacji zgazowujących odpady drewniane o wysokiej kaloryczności i podobnym stopniu rozdrobnienia przy właściwej kontroli procesu spalania otrzymanego gazu można trwale utrzymać CO na poziomie poniżej 50 mg/m³, a NOx poniżej 400 mg/m³.
Fot. 2. Instalacja do zgazowania w Słubicach
MTF zaprojektowało, a obecnie jest w trakcie uruchamiania układu o mocy 5 MW dla Enpolu w Słubicach z załadunkiem ciągłym, przeznaczony na odpady drzewne rozdrobnione i materiał skompresowany (fot. 2).
Drewno może być z powodzeniem zastąpione surowcem pochodzącym z plantacji. Wykonaliśmy próby zgazowania zarówno malwy, jak i wierzby, z których wynika, że oba te surowce, właściwie przygotowane i przechowywane, o wilgotności nieprzekraczającej 40%, mogą stanowić dla procesu zgazowania bardzo wartościowe ekologicznie paliwo.
Marek Dudyński
Karol Bajer
MTF, Warszawa
