Energie z biomasy X. – odborný seminář
Brno 2009
ZKOUŠKA SPOLUSPALOVÁNÍ BIOPALIVA A ČERNÉHO UHLÍ Rostislav Zbieg, Markéta Grycmanová Jedním z možných způsobů využití biomasy je její spoluspalování s dnes nejvíce využívaným palivem v energetice – uhlím. Hlavním cílem spalovacích zkoušek bylo určit, zda je možné trvalé spoluspalování biopaliva s černým uhlím a proplástkem ve stávajících podmínkách teplárny. V příspěvku jsou obsaženy výsledky, kterých bylo při zkouškách dosaženo spolu s popisem možných problémů, které mohou při takovém provozu vzniknout. Klíčová slova: Spoluspalování, biopalivo, obilné otruby, černé uhlí, emise. ÚVOD Energetickým fenoménem se v posledních letech stalo energetické využívání biomasy. Nejjednodušší metodou jak biomasu využívat k energetickým potřebám je její spalování. Stávající spalovací zařízení jsou sice koncipována pro spalování uhlí, které se svým složením a vlastnostmi liší od biomasy, ale to nebrání provozovatelům tepláren v možnostech využívat biomasu při spoluspalování se stávajícím palivem. Tento příspěvek se zabývá spalovací zkouškou na reálném spalovacím zařízení, kde se standardně spaluje černé uhlí s proplástkem. Při spalovací zkoušce se k palivu přidávala biomasa – obilné otruby, v množstevním poměru 90% černé uhlí s proplástkem a 10% obilných otrub. Při spalovací zkoušce se měřily plynné a tuhé emise, dále se kontrolovala dopravitelnost, míchání a mletí paliva a funkce zásobníků paliva. POPIS SPALOVACÍHO ZAŘÍZENÍ Spalovací zkoušky byly prováděny na granulačním kotli, konstruovaném v běžném dvoutahovém uspořádání (Obr. 1). Stěny spalovací komory jsou tvořeny trubkami o průměru 83 mm s roztečí 165 mm. Spalovací komora včetně výsypky má rozměr 6300 x 6300 x 15950 mm. V čele spalovací komory jsou zabudovány 3 nízkoemisní hořáky firmy Stork s trvale provozovanými stabilizačními hořáky na koksárenský, případně zemní plyn. Mlýnice je vybavena třemi kroužkovými mlýny s přímým foukáním paliva do jednotlivých pater proudových hořáků. Spaliny z kotlů jsou zavedeny do třístupňového elektrostatického odlučovače.
Ing. Rostislav Zbieg, VŠB – TU Ostrava, FS, 17.listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba,
[email protected]/ 107 /
Energie z biomasy X. – odborný seminář
Brno 2009
Obr. 1 Schéma kotle Tab. 1 Základní parametry kotle K2 Typ Rok výroby Jmenovitý výkon Hmotnostní průtok Jmenovitý tlak páry Jmenovitá teplota páry Jmenovitá teplota napájecí vody
Vodotrubný, granulační 1942 49,7 MW 67 t/h 7,65 MPa 485°C 160°C PALIVO
Hlavním palivem pro kotel je černé uhlí s proplástkem (základní kvalitativní znaky viz Tab. 2). Tab. 2 Základní kvalitativní znaky hlavního paliva [1]
Výhřevnost Obsah vody Obsah popela Obsah síry
Černé uhlí 22,5 – 25,5 [ MJ/kg] 9,0 – 12,0 [ % ] 12,0 – 18,0 [ % ] max. 0,25 [ % ]
Proplástek 16,5 – 20,0 [ MJ/kg] 7,0 – 13,0 [ % ] 38,0 – 49,0 [ % ] max. 0,31 [ % ]
Přídavným palivem pro spalovací zkoušky jsou obilné otruby (základní kvalitativní znaky viz Tab. 3). Svým charakterem spadají obilné otruby do kategorie „biomasy“, která je vyhláškou 352/2002 Sb. definována jako rostlinný materiál, který lze použít jako biopalivo, pokud pochází ze zemědělství, lesnictví, nebo potravinářského průmyslu, z výroby buničiny a z výroby papíru z buničiny, ze zpracování korku, ze zpracování dřeva s výjimkou dřevního odpadu obsahující halogenové sloučeniny nebo těžké kovy. Čistá průmyslovým zpracováním neznečištěná biomasa je považována z hlediska termického využití za účelem výroby tepla a elektrické energie za produkt rovnocenný palivu a není považována za odpad. Tab. 3 Základní kvalitativní znaky přídavného paliva [1] Obilné otruby Výhřevnost 15 - 16 [ MJ/kg] Obsah popela (sušina) 5-6[%] Obsah celkové vody 10 - 12 [ % ] Obsah síry (surový stav) 0,1 - 0,2 [ % ] Granulometrie do 1 mm SPALOVACÍ ZKOUŠKA Směs černého uhlí, proplástku a obilného šrotu byla namíchána ve hmotnostním poměru 90% k 10%. Zkouška probíhala po dobu 72 hodin při průměrném parním výkonu 52 t/h. Emisní měření při spoluspalování probíhalo po dobu 6 hodin. Základní mísení paliva proběhlo na uhelné skládce pomocí buldozeru (Obr. 2). K dodávce biopaliva o známé hmotnosti 12 tun se přihrnuly buldozerem cca 2 vagony černého uhlí a proplástku o hmotnosti cca 100 tun. Na volném prostoru bylo takto připraveno palivo o hmotnosti 120 tun. Následně byla směs dopravena do zásobníku příslušného kotle.
/ 108 /
Energie z biomasy X. – odborný seminář
Brno 2009
Obr. 2 Míchání biomasy a černého uhlí na skládce paliva Rozsah měření při spalovací zkoušce a) Kontinuální měření základních plynných emisí (CO, NOx, SO2, CxHy, O2 ) nezávislými měřicími přístroji VŠB – TU Ostrava pro kombinované spalování biopaliv, černého uhlí a proplástku. b) Měření emisí HCl a HF při jednotlivých zkouškách. c) Měření tuhých emisí gravimetrickou aparaturou dle ČSN ISO 9096. d) Sledování dopravitelnosti a homogenity směsi paliva do interních zásobníků a do kotlů. e) Sledování základních parametrů mlýnských okruhů. f) Rozbory paliva a vedlejších produktů po spalování. Výběr měřících míst Pro měření byla použita stávající měřicí místa na výstupu spalin z odlučovacího zařízení příslušného kotle do komína. Měřicí místo pro měření plynných emisí bylo vybráno na výstupu spalin z kouřového ventilátoru K2. Měření tuhých emisí bylo vybráno na výstupu spalin z elektroodlučovače kotle K2. Další sledované parametry při zkoušce manipulace s biopalivem od příjezdu do teplárny v kamionech a jeho vykládka manipulace s biopalivem v prostoru vnější uhelné skládky funkce hlubinného zásobníku a vyhrnovače pod hlubinným zásobníkem dopravitelnost směsi stávající pásovou dopravou funkce zásobníků surového uhlí (ZSU) na kotli K 2 dopravitelnost směsi ze zásobníků surového uhlí do mlýna mletí paliva v kroužkovém mlýnu doprava uhelného prášku s biopalivem do kotle funkce kotle při spalování směsi emise škodlivin ve spalinách na výstupu z kotle Příprava paliva Doprava biopaliva - obilných otrub proběhla nákladními auty s vykládkou v prostoru vnější uhelné skládky. Obilné otruby jsou poměrně lehké s možností rozfoukání silnějšími poryvy větru. Pro trvalé spalování bude nutno dodaný materiál překrýt plachtou nebo vrstvou uhlí. Manipulační prostor pro příjezd kamiónů není v teplárně nejvhodnější, severní prostor uhelné skládky je nezpevněný. Kamiony mají zhoršenou situaci pro vykládku na rovné ploše. Vykládka proběhla bez výrazných problémů a potíží.
/ 109 /
Energie z biomasy X. – odborný seminář
Brno 2009
Chování materiálu v hlubinném zásobníku bylo stejné jako chování čistého uhlí. Suché otruby jsou nelepivé a snižují vnitřní tření materiálu. Před nahrnutím materiálu do hlubinného zásobníku je však třeba smíchat tento materiál s uhlím, aby nedošlo k protečení biopaliva přes štěrbinu hlubinného zásobníku. Dopravitelnost paliva Dopravitelnost na pásu byla velmi dobrá a nedocházelo k lepení, avšak vlivem pohybu pásu došlo na přesypech k sfoukávání jemných částic biomasy z pásů na podlahu zauhlovacích tras. Zásobníky surového uhlí kotle K2 se směsí uhlí a biopaliva ve zvoleném hmotovém poměru byly provozovány bez problémů a bez sklonů ke klenbování paliva. Doprava směsi paliva ze zásobníků surového uhlí do mlýnů probíhala bez problémů, nikdy nedošlo k ucpání svodek paliva do mlýnů. Mletí paliva Mletí paliva probíhalo bez problémů. Poměr biopaliva byl vybrán záměrně 10% hmotnostních, protože při větším poměru může dojít k zamílání mlýna, překročení teploty za třídičem a přinejmenším k nutnosti odstavit mlýn. Ze záznamů a porovnání s čistě uhelným provozem došlo k nepatrnému nárůstu mlecí práce, zvýšení příkonu mlýna a k nárůstu tlakové diference mlýna. S ohledem na podíl 10% v surovém uhlí byly tyto změny velmi malé. MNOŢSTVÍ NEDOPALU Obsahy spalitelných látek v popílku na výstupu kotle se pří spalování biomasy pohybovaly kolem 10,54%. Tato hodnota je podobná jako při spalování čistého uhlí. Obsah spalitelných látek ve strusce byl 0,67%. Tato hodnota je běžně dosahována i s uhlím. EMISE Emise základních plynných škodlivin přepočtené na 6% O2, bezpečně splňují platné emisní limity. Číselné hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 4 Naměřené hodnoty emisí [1] Složka CO NOx SO2 CxHy TZL ClF-
Množství [mg.m-3N] 42,7 429 559 2,3 15,54 10,66 1,53
NOx U emisí NOx nedošlo vlivem spalování biomasy s vyšším podílem palivového dusíku ke zvýšení emisí. Je pravděpodobné, že palivový dusík z biopaliva se na celkové tvorbě emisí NOx podílí minimálně. Maximální půlhodinová koncentrace byly 509 mg.m-3. Průměrná hodnota je 429 mg.m-3.
/ 110 /
Energie z biomasy X. – odborný seminář
Brno 2009
SO2 Při spalování směsi uhlí a obilných otrub došlo k částečnému poklesu tvorby SO2. V uhlí bylo 0,66 % spalitelné síry a v obilných otrubách 0,24 - 0,3 % síry. TZL Emise tuhých znečišťujících látek TZL (popílku) jsou dány parametry elektroodlučovače. Odpovídají hodnotám měřeným na uhlí. TOC Průměrná koncentrace TOC (celkový organický uhlík) se pohybovala při spalovacích zkouškách od 1,2 do 3,6 mg.m-3N při 6 % O2 ve spalinách. Vliv spalování biopaliva na tvorbu TOC je zanedbatelný. Emise TOC souvisí s obsahem CO ve spalinách bez ohledu na konkrétní palivo. HCl a HF Emise HCl a HF jsou závislé na primárním obsahu chlóru a fluóru ve vstupním palivu. Fluór se primárně vyskytuje a způsobuje potíže pouze v méněhodnotném hnědém uhlí. Černé uhlí má minimální obsah fluóru. Chlór se vyskytuje v černém uhlí i v některých rostlinných zbytcích obilí a slámy. Obsah chlóru v obilné slámě a obalech zrn obilí se liší podle půdního složení a způsobu hnojení. Hodnoty jsou 0,1 – 0,6 % v sušině. Naměřená hodnota 0,06% odpovídá nižšímu výskytu chlóru v půdě a hnojivu. Obsah chlóru v surovém černém uhlí odpovídá pozůstatkům mořské vody, která v třetihorním období zaplavila současná ložisky hornoslezské uhelné pánve. Dominantním nositelem chlóru je černé uhlí. Průměrné emise Cl- byly 10,66 mg.m-3N. Průměrné emise F- byly 1,53mg.m-3N
Obr. 3 Grafické zobrazení průběhu naměřených koncentrací jednotlivých složek emisí (O2, CO, NOx, SO2, TOC) ZÁVĚR Spalovacími zkouškami bylo prokázáno, že v kotli K2 lze bez problému trvale spalovat směs uhlí a biopaliva v podobě rostlinných zbytků z potravinářské a rostlinné výroby v hmotnostním poměru 10% biomasy a 90% černého uhlí, proplástku. / 111 /
Energie z biomasy X. – odborný seminář
Brno 2009
Dosavadní pokusy se spalováním čistých energetických plodin a biomasy prokázaly a potvrdily možnost kombinovaného spalování fosilních paliv a přídavných čistých biopaliv ve stávajících energetických spalovacích zařízeních, bez nutnosti výraznějších úprav a investic. V průběhu spalovacích zkoušek nebylo zaznamenáno zvýšené zanášení spalinových kanálů ani teplosměnných ploch kotle. Při spalování směsi uhlí-biomasa se teploty ve spalovací komoře kotle oproti spalování uhlí rovněž zásadně nezměnily. Celkově lze spalovací zkoušky s obilnými otrubami na kotli K2 v teplárně hodnotit jako velmi úspěšné. POUŢITÁ LITERATURA 1
Technická zpráva katedry energetiky z měření na granulačním kotli, Ostrava.
/ 112 /
