Węgiel, gaz ziemny, ropa naftowa oraz energia jądrowa są podstawowymi nośnikami energii pierwotnej służącej do produkcji energii elektrycznej, ciepła, a także zimna. Szacuje się, że w 2006 r. udział wymienionych nośników w globalnej produkcji energii elektrycznej wynosił 82% [1, 2]. Jednakże w ostatnich latach coraz częściej przy wyborze nowej technologii energetycznej decydujący wpływ ma również aspekt ekologiczny, będąc niejednokrotnie nie mniej ważny od wskaźników ekonomicznych.
Szczególne odzwierciedlenie znalazło to w polityce energetycznej krajów Unii Europejskiej, gdzie ograniczenie antropogenicznej emisji gazów cieplarnianych, w tym głównie emisji dwutlenku węgla stanowi podstawowe wyzwanie dla przemysłu energetycznego na najbliższe lata. Określone przez parlament Unii Europejskiej główne cele dla europejskiej polityki energetycznej do 2020 r. można przedstawić następująco:
- 20% ograniczenie emisji gazów cieplarnianych w odniesieniu do poziomu emisji z 1990 r.
- 20% redukcja globalnego zużycia energii pierwotnej (osiągnięta poprzez wzrost efektywności wytwarzania, wzrost sprawności odbiorników, oszczędność energii itp.)
- 20% udział źródeł odnawialnych w bilansie energii pierwotnej.
Istnieje wiele możliwych sposobów podziału biomasy stałej. Jednym z przyjętych kryteriów jest podział na grupy główne klasyfikacji i źródeł. Na rysunku 1 przedstawiono ideę podziału biomasy na grupy główne klasyfikacji pochodzenia i źródeł biomasy stałej.
Dla celów energetycznych biomasę wykorzystuje się głownie w procesie spalania oraz rzadziej w procesie zgazowania i pirolizy.
Na rysunku 2 przedstawiono możliwości wykorzystania biomasy w celu produkcji energii elektrycznej oraz ciepła za pomocą konwersji termicznej i termochemicznej.
Szacuje się, że światowy potencjał biomasy dla celów energetycznych w 2006 r. wynosił 1 186 Mtoe, a w 2030 r. ma osiągnąć poziom ok. 1 660 Mtoe [1,2]. Oznacza to, że w 2030 r.udział biomasy w zapotrzebowaniu na energię pierwotnej będzie stanowił ok. 10%.
Rosnące ceny energii elektrycznej oraz ciepła, dostarczanych z zewnętrznych źródeł wytwórczych do przedsiębiorstw, powodują, iż coraz częściej przedsiębiorcy, dążąc do redukcji kosztów, podejmują działania mające na celu obniżenie kosztów związanych z nabywaniem tych mediów, np. poprzez własne ich wytwarzanie.
W ostatnich latach obserwuje się znaczący wzrost zainteresowania małymi i średnimi układami produkującymi w skojarzeniu energię elektryczną i ciepło. Układy kogeneracyjne, zwane również z ang.
układami CHP (Combined Heat and Power) charakteryzują się przede wszystkim wysoką sprawnością energetyczną układu, niską emisją zanieczyszczeń, możliwością spalania gazów niskokalorycznych, wysoką dyspozycyjnością, krótkim czasem budowy oraz atrakcyjnymi wskaźnikami ekonomicznymi inwestycji. Zagospodarowanie własnych pozostałości oraz odpadów poprodukcyjnych z przemysłu drzewnego, produkcji rolnej oraz ze specjalnie ukierunkowanych upraw roślin energetycznych w celu wytwarzania energii elektrycznej i ciepła przy zastosowaniu układu kogeneracyjnego, może przyczynić się stworzenia wymiernych korzyści w postaci własnej, tańszej energii elektrycznej oraz ciepła, a także otwiera możliwość pozyskania dodatkowego źródła przychodu w postaci dopłat za uzyskane certyfikaty (np. zielone, żółte).
Wśród podstawowych rozwiązań układów zasilanych gazem procesowym wytworzonym w procesie zgazowania biomasy dla układów energetycznych o małej można zaliczyć technologie obejmujące [5]:
- silniki spalinowe tłokowe lub mikroturbiny gazowe
- silniki Stirlinga
- siłownie kondensacyjne z czynnikiem organicznym z ang. Organic Rankien Cycle
- układy z kotłami parowymi na biomasę.
Wśród małych układów wytwarzających w kogeneracji energię elektryczną oraz ciepło rozwinęły się przede wszystkim układy wykorzystujące silniki tłokowe. Związane jest to głównie z niższymi nakładami inwestycyjnymi w porównaniu z innymi urządzeniami, a także mniejszymi wymaganiami odnośnie do czystości gazu procesowego.
Na rysunku 3 przedstawiono ideowy schemat układu zgazowania biomasy z silnikiem tłokowym. W skład instalacji wchodzi układ przygotowania paliwa, mający na celu rozdrobnienie oraz podsuszenie paliwa, generator gazu, układ oczyszczania gazu umożliwiający spełnienie wymagań odnośnie do ilości zanieczyszczeń pyłowych i organicznych w gazie procesowym, a także silnik tłokowy spalinowy połączony z generatorem prądotwórczym oraz układem odbioru ciepła ze spalin silnika.
Instalacja zgazowania biomasy w Güssing (Austria)
Jednym z przykładowych instalacji małej mocy wykorzystujących technologię zgazowania biomasy jest instalacja zlokalizowana w miejscowości Güssing w Austrii. Proces budowy rozpoczęto we wrześniu 2000 r., a początek pracy instalacji nastąpił w listopadzie 2001 r. [6, 7].
Na rysunku 4 przedstawiono uproszczony schemat omawianej instalacji zgazowania drewna. Instalacja składa się z sześciu podstawowych bloków. Pierwszy blok instalacji stanowi układ przygotowania paliwa mający na celu przede wszystkim podsuszenie wilgotnej biomasy za pomocą podgrzanego powietrza, które uzyskuje się poprzez wykorzystanie niskotemperaturowego, odpadowego ciepła z instalacji zgazowania, podnosząc tym samym sprawność całkowitą układu.
Drugi blok instalacji stanowi generator gazu z cyrkulującym złożem fluidalnym, wykorzystujący jako czynnik zgazowujący parę wodną.
Wytworzony w reaktorze gaz, przed spalaniem w silniku spalinowym, kierowany jest do trzeciego bloku technologicznego mającego na celu jego oczyszczenie. W pierwszej kolejności gaz o temperaturze ok. 850oC jest schładzany w wymienniku ciepła do temperatury ok. 150oC. W filtrze tkaninowym następuje wychwycenie zanieczyszczeń pyłowych, które są następnie zawracane do komory spalania, ze względu na dużą zawartość pierwiastka węgla w pyle.
Wstępnie oczyszczony gaz procesowy kierowany jest do skrubera mającego za zadanie usunięcie zanieczyszczeń organicznych, amoniaku oraz innych związków chemicznych. W następnym bloku energia chemiczna zawarta w gazie procesowym ulega transformacji na ciepło oraz energię elektryczną za pomocą specjalnie zaadoptowanego silnika spalinowego połączonego z prądnicą energii elektrycznej.
W układ zgazowania biomasy został również włączony obiekt ORC, mający na celu produkcję dodatkowej energii elektrycznej, wykorzystując ciepło odpadowe z poszczególnych elementów instalacji.
Czynnikiem obiegowym w układzie ORC jest ciecz niskowrząca, która umożliwia wytwarzanie pary z ciepła niskotemperaturowego.
Ostatni blok instalacji stanowi układ odbioru spalin ze strefy spalania generatora. Powstające w strefie spalania w generatorze gazu spaliny o temperaturze ok. 900oC są schładzane, a następnie oczyszczane z zanieczyszczeń pyłowych za pomocą filtra tkaninowego, po czym są kominem emitowane do atmosfery. Ciepło z chłodzenia spalin wykorzystywane jest w układzie ORC.
Zastosowanie pary wodnej jako czynnika zgazowującego powoduje znaczne zwiększenie wartości opałowej gazu. Wytworzony w generatorze gaz charakteryzuje się wartością opałową na poziomie ok. 12 MJ/m3 n oraz następującym udziale głównych składników gazu procesowego:
- wodór - ok. 40%
- tlenek węgla - ok. 26%
- dwutlenek węgla - ok. 19%
- metan i węglowodory C2-C6 - ok. 12%.
Parametry technologiczne instalacji:
- energii chemicznej w paliwie - 8 MWth
- moc cieplna - 4,5 MWth
- energia elektryczna - 2 MWel
- sprawność elektryczna - 25%
- całkowita sprawność układu - 80%.
W miejscowości Louka na południu Czech zbudowano instalację do zgazowania drewna odpadowego, uzyskiwanego w procesie przetwórczym drewna w sąsiednim tartaku. W skład instalacji wchodzi generator gazu ze złożem stałym, typu Imbert, charakteryzujący się specyficznym przewężeniem w dolnej części reaktora. Generator gazu zasilany jest strumieniem paliwa wynoszącym ok. 190 kg/h, o wartości opałowej równej 14 MJ/kg. Wytworzony w generatorze gaz charakteryzuje się średnią wartością opałową na poziomie 5,2 MJ/m3 n oraz następującym średnim składzie gazu procesowego:
- wodór - ok. 16%
- tlenek węgla - ok. 20%
- dwutlenek węgla - ok. 10%
- metan - ok. 1%.
Instalacja zgazowania biomasy w Zabrzu (Polska)
W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu opracowano oraz zbudowano doświadczalną instalację do zgazowania różnych rodzajów biomasy. W skład przedstawionego na rysunku 6 układu wchodzi trójstrefowy generator gazu, suchy układ oczyszczania gazu oraz dwupaliwowy silnik tłokowy z prądnicą elektryczną, mającą na celu produkcję w skojarzeniu energii elektrycznej oraz ciepła. Generator GazEla jest 3-strefowym reaktorem ze złożem stałym. Czynnik zgazowujący stanowi powietrze atmosferyczne, doprowadzane za pomocą wentylatora promieniowego do trzech obszarów reaktora: pod ruszt, w środkowej części oraz nad złoże paliwa. Paliwo zmagazynowane na zewnątrz hali podawane jest za pomocą podajnika kubełkowego, najpierw do zbiornika biomasy a następnie, za pomocą dozownika ślimakowego, do generatora gazu, do górnej jego części. Biomasa umieszczona w reaktorze poddawana jest kolejno następującym procesom termicznym: suszeniu, pirolizie, częściowemu spalaniu, zgazowaniu oraz końcowemu spalaniu karbonizatu w celu dostarczenia ciepła dla endotermicznego procesu zgazowania. Generator gazu jest pionowym cylindrycznym reaktorem. Jedną z głównych zalet generatora GazEla jest możliwość zmiany punktu odbioru gazu procesowego, za pomocą znajdującej się wewnątrz urządzenia rury wznośnej. Odpowiedni dobór miejsca odbioru gazu pozwala zminimalizować ilość powstających w procesie zgazowania substancji organicznych oraz zoptymalizować skład gazu procesowego pod kątem jego dalszego wykorzystania [9÷11].
Generator GazEla zasilany strumieniem paliwa, np. dla zrębków drzewnych wynoszącym ok. 14÷15 kg/h oraz o wartości opałowej 14,5 MJ/kg, wytwarza gaz charakteryzujący się średnią wartością opałową mieszczącą się w przedziale 4,5÷5 MJ/m3 n oraz następującymi średnimi udziałami:
- wodór - ok. 7,5%
- tlenek węgla - ok. 25%
- dwutlenek węgla - ok. 9,5%
- metan - ok. 2,1%.
Wytworzony w reaktorze gaz procesowy, przed skierowaniem do silnika tłokowego, ulega oczyszczeniu z zanieczyszczeń organicznych oraz pyłowych. Pierwszym elementem układu oczyszczania jest rozprężacz inercyjny, mający na celu odbiór większych frakcji zanieczyszczeń pyłowych porywanych przez gaz procesowy wraz z odbiorem wilgoci w początkowej fazie rozruchowej instalacji. Następnym elementem instalacji oczyszczania jest cyklon usuwający drobne zanieczyszczenia pyłowe. Wstępnie oczyszczony gaz kierowany jest to chłodnicy gazu procesowego, gdzie jest schładzany do temperatury ok. 30 – 40oC w celu wykroplenia zanieczyszczeń organicznych.
Kolejnym elementem układu oczyszczania są filtry: koksowy oraz tkaninowy mające na celu usuniecie najmniejszych frakcji pyłowych.
Podczas oczyszczania gazu procesowego następuje redukcja zanieczyszczeń organicznych o 50%, osiągając na wyjściu układu wartość smół na poziomie 1900 mg/m3 n, natomiast sprawność usuwania zanieczyszczeń pyłowych wynosi 95%. Określona ilość zanieczyszczeń pyłowych na wyjściu z układu to 50 mg/m3 n. Oczyszczony gaz doprowadzany jest do dwupaliwowego silnika spalinowego. Paliwem podstawowym dla silnika jest olej napędowy. Stopniowe zwiększanie strumienia doprowadzanego do silnika paliwa gazowego powoduje automatyczne zmniejszenie pobieranego przez silnik strumienia oleju napędowego. Dla nominalnych warunków pracy silnika produkcja energii elektrycznej wynosiła 15,5 kWel, bilansowy strumień podawanego do silnika gazu procesowego wynosił ok. 40 m3 n/h, a strumień oleju napędowego 2,4 l/h.
Podsumowanie
Wykorzystanie technologii zgazowania biomasy w małych oraz średnich układach produkujących w skojarzeniu energię elektryczną oraz ciepło, wydaje się być interesującym sposobem zwiększenia udziału OZE w ogólnym bilansie stosowanych paliw w polskiej energetyce.
Szczególnie atrakcyjne mogą być układy rozproszone, zasilane paliwem stanowiącym odpad poprodukcyjny z przemysłu drzewnego oraz z produkcji rolnej, który może być przetwarzany w miejscu jego powstawania, a także biomasą pochodzącą ze specjalnie ukierunkowanych upraw roślin energetycznych.
Przedstawione w artykule trzy przykładowe instalacje służące do zgazowania biomasy potwierdzają poprawność technologiczną układów CHP zasilanych tym rodzajem paliwa. Instalacja zgazowania drzewa w miejscowości Güssing charakteryzuje się największym stopniem rozwoju układu, czynnik zgazowujący stanowi para wodna, pozwalająca na zwiększenie wartości opałowej gazu z 4÷5 MJ/m3 n do 12 MJ/m3 n,w porównaniu z układami zlokalizowanymi w Zabrzu i Louce. Kolejną przewagą układu z znajdującego się w Austrii jest zastosowanie reaktora fluidalnego oraz układu ORC w instalacji, pozwalające na zwiększenie ilości wytwarzanej energii elektrycznej oraz ciepła. Z drugiej strony, układy zainstalowane w Polsce oraz w Czechach charakteryzują się znacznie mniejszymi nakładami inwestycyjnymi, co jest szczególnie istotne w przypadku małych układów w niewielkich przedsiębiorstwach produkcyjnych.
Ponadto prostota generatorów gazu ze złożem stałym, brak skomplikowanych elementów układu oraz brak dodatkowych czynników obiegowych w układzie oczyszczania gazu (jak w przypadku instalacji opracowanej w IChPW) pozwalają na znaczące obniżenie kosztów związanych z eksploatacją układu, co istotnie polepsza wynik ekonomiczny przedsięwzięcia.
Przedstawione w artykule wyniki zostały uzyskane w badaniach współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy SP/E/4/65786/10 - Strategiczny Program Badawczy - Zaawansowane technologie pozyskania energii: Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych.
Literatura
1. World Energy Outlook 2008. International Energy Agency. Paris, 2009.
2. Rakowski J.: Tendencje rozwojowe w zakresie energetycznego wykorzystania biomasy. Monografia pod redakcją: Bocian P, Golec T, Rakowski J. Nowoczesne technologie pozyskania i energetycznego wykorzystania biomasy. Warszawa, Instytut Energetyki, 2010, 5-33.
3. Chmielniak T.: Rola różnych rodzajów technologii w osiągnięciu celów emisyjnych w perspektywie do 2050. Rynek Energii 2011, 1(92), 3-9.
4. Specyfikacja Techniczna PKN-CEN/TS 15357:2006
5. Skorek J, Kalina J. Gazowe układy kogeneracyjne. Warsaw, Poland: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne 2005.
6. http://www.repotec.at/. 05.2011.
7. Biomass CHP plant Güssing. Repotec. Prezentacja wygłoszona na spotkaniu pracowników Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Güssing. 2007
8. Najser J., Ochodek T., Chłond R.: Charakter pracy instalacji służącej do zgazowania biomasy a aspekty ekonomiczne procesu generacji energii elektrycznej. Rynek Energii 2009, 6(85), 68-74.
9. Zgłoszenie patentowe nr P-383541 (2007), Polska.
10. Sobolewski A., Kotowicz J., Iluk T, Matuszek K.: Wpływ rodzaju biomasy na parametry pracy generatora gazu ze złożem stałym. Rynek Energii 2009, 3(82), 53-58.
11. Sobolewski A, Ilmurzyńska J, Iluk T, Czaplicki A. Zgazowanie biomasy. Monografia pod readakcją: Bocian P, Golec T, Rakowski J. Nowoczesne technologie pozyskania i energetycznego wykorzystania biomasy. Warszawa, Instytut Energetyki 2010, 280-309.
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Zgazowanie biomasy w układach małej mocy