PL216270B1 - Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym zwłaszcza biomasy pochodzenia leśnego w kotle energetycznym opalanym pyłem węglowym i pyłem biomasy.

Proces spalania biomasy organicznej, a szczególnie biomasy pochodzenia leśnego w komorze kotła energetycznego stwarza dość znaczne problemy związane z optymalizacją sprawności termicznej przemiany energii chemicznej biomasy w energię cieplną oraz minimalizację emisji substancji szkodliwych do otoczenia.

Znany jest z polskiego zgłoszenia opisu patentowego 363891 sposób spalania biomasy, w którym to sposobie spalana jest mieszanka węgla z odpadami drzewnymi i komunalnymi, przygotowana przed spalaniem w bunkrze przykotłowym. W wyniku spalania tej mieszanki osiągnięte parametry eksploatacyjne kotła wykazały, że wprowadzenie na ruszt uprzednio przygotowanej mieszanki paliwowej obniża sprawność kotła tym bardziej, im większe są wymiary geometryczne spalanych odpadów drzewnych. Obniżenie sprawności kotła jest powodowane większą szybkością spalania odpadów od węgla, co powoduje powstanie pustych przestrzeni wewnątrz spalanego wsadu w postaci szczelin, kanalików lub otworów, przez które swobodnie przepływa powietrze pierwotne podawane przez ruszt i to powietrze w znacznych ilościach nie bierze udziału w procesie spalania powodując znaczny wzrost straty kominowej.

Znany jest także z polskiego zgłoszenia opisu patentowego 362586 sposób spalania biomasy, w którym nadawę zawierającą odpady organiczne i inne przetworzone odpady pochodzenia zwierzęcego wprowadza się do komory obrotowej pieca zespolonego i w czasie obrotów tej komory odpady rozdrabnia się, nagrzewa, suszy i poddaje pirolizie poprzez obróbkę termiczną przy spalaniu paliwa ciekłego w temperaturze powyżej 1000°C. Ze spalania i pirolizy wytworzony gaz pirolityczny po zmieszaniu z powietrzem spala się w komorze wylotowej, a wytwarzający się karbonizat zsypuje się do paleniska fluidalnego w którym ulega całkowitemu spaleniu.

Znany jest także z polskiego zgłoszenia opisu patentowego 362326 sposób termicznej utylizacji osadów ściekowych, w którym osady z oczyszczalni ścieków w ilości do 10% dodaje się do surowego węgla brunatnego lub kamiennego i w postaci mieszanki pyłowej węglowo-osadowej spala się w kotle węglowym z rusztem dopalającym w temperaturze powyżej 1100°C, przy czym w pierwszej kolejności osady są odwadniane i dodawane do węgla surowego, który poprzez przenośniki jest kierowany do zasobników przynależnych do młynów węglowych, w których węgiel wraz z osadem suszy się i miele a następnie jako mieszankę pyłowo-osadową spala się w kotle węglowym.

Dotychczasowe doświadczenia dotyczące współspalania biomasy z węglem w kotłach energetycznych wykazały, że zadawalające rezultaty odnośnie sprawności spalania i zakresu emisji substancji szkodliwych do otoczenia uzyskano jedynie dla kotłów rusztowych. W przypadku kotłów fluidalnych wystąpiły znaczne trudności eksploatacyjne w związku ze znacznym szlakowaniem komór spalania i powierzchni konwekcyjnych kotła. Występują również znaczne problemy z tworzeniem się spieków w złożu fluidalnym, w wyniku czego następuje dezorganizacja pracy złoża, tworzą się aglomeraty spieczonej szlaki w wyniku czego powstaje niekontrolowany przepływ gazu fluidyzacyjnego przez złoże. W wyniku powstających spieków, znaczna część palnego karbonizatu zostaje zatopiona w żużlu, powodując stratę niecałkowitego spalania, niekiedy znacznie przewyższającą dopuszczalną wartość 5%. Problemy eksploatacyjne pojawiające się w kotłach fluidalnych współspalających odnawialne źródła energii wynikają głównie ze składu substancji mineralnej biomasy, która zawiera dość znaczne ilości pierwiastków takich jak wapń, magnez, sód, potas i chlor, które zna cznie obniżają temperaturę miękczenia popiołu powodując powstanie spieków dezorganizujących pracę urządzenia kotłowego. W przypadku kotłów pyłowych, oprócz problemów eksploatacyjnych pojawiają się dodatkowe problemy bezpieczeństwa i problemy sprawności termodynamicznej układu kotłowego. Problemy bezpieczeństwa związane są z często występującymi pożarami młynów węglowych współmielących węgiel z biomasą oraz wybuchów w pyłoprzewodach transportujących pył węglowo-drzewny do palników pyłowych w komorze kotła. Samozapłony substancji drewna w młynie węglowym występują z powodu dużej podatności wilgotnej substancji drewna do samozapłonu. Przy współspalaniu pyłu biomasy i węgla w komorze kotła występuje również duża tendencja do szlakowania komory kotła i pozostałych powierzchni ogrzewalnych, w wyniku czego rośnie ogólne zabrudzenie powierzchni ogrzewalnych, co powoduje wzrost temperatury wylotowej spalin, a przez to obniżenie ogólnej sprawności kotła nawet o 1-2%. Największą jednak stratą jest strata niecałkowitego spalania w żużlu i lotnym popiele. Strata

PL 216 270 B1 koksiku w żużlu w niektórych typach kotłów pyłowych może dochodzić nawet do 25-30%, a strata niecałkowitego spalania lotnego koksiku w lotnym popiele może wynosić 10-15%. W wyniku straty niecałkowitego spalania w koksiku węglowym, ogólna sprawność termiczna układu kotłowego może ulec obniżeniu o 2-4%, co stanowi znaczną stratę ekonomiczną. Strata niecałkowitego spalania koksiku w żużlu i lotnym popiele jest jeszcze bardziej dotkliwa, gdy zostanie odniesiona tylko do odnawialnych źródeł energii z którego w zdecydowanej części pochodzi. W odniesieniu do ilości podawanej biomasy, strata ta może nawet dochodzić do 50% ilości podawanej biomasy. Strata niecałkowitego spalania koksiku w żużlu i lotnym popiele wynika głównie z braku zdolności przemiałowych odnawialnych źródeł energii. Podawana do młyna substancja biomasy ma strukturę włóknistą, głównie ligniny i celulozy, która nie posiada żadnych własności przemiałowych. W stanie surowym struktura włókien ligniny i celulozy podlega głównie procesowi zgniatania i miażdżenia, a nie procesowi mielenia. W wyniku zgniatania podawanej substancji biomasy z młyna węglowego zostają podawane do pyłoprzewodów źdźbła i fragmenty o rozmiarach milimetrowych, a nie ziarna o rozmiarach mikronowych. Rozdrobniona biomasa z młyna przedostaje się do pyłoprzewodów pomimo dużych rozmiarów gabarytowych, ponieważ posiada bardzo niską gęstość pozorną i mocno rozwiniętą powierzchnię zewnętrzną. Siła wyporu cząstek biomasy jest znacznie większa od siły wyporu ziaren węglowych o średnicach nawet o rząd mniejszych. Wprowadzone do komory kotła ziarna biomasy o największych rozmiarach ulegają jedynie wysuszeniu i odgazowaniu i w postaci ziaren karbonizatu węglowego opadają do leja żużlowego, stanowiąc niedopał w żużlu. Natomiast mniejsze ziarna biomasy po odgazowaniu, z uwagi na znaczną siłę wyporu unoszone są ze spalinami z komory kotła, stanowiąc niedopał w postaci lotnego koksiku w lotnym popiele. Ilość współspalanej biomasy w kotłach pyłowych jest więc głównie limitowana przez zawartość karbonizatu w żużlu i w lotnym popiele, która stanowi bardzo znaczący udział strat, jako strata niecałkowitego spalania. Jednym ze sposobów obniżenia tej straty w kotłach pyłowych jest podniesienie zdolności przemiałowej biomasy.

Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym w którym kocioł energetyczny opala się dostarczanym do niego pyłem węglowym pozyskiwanym z węgla przemielanego w układzie młynowym oraz pyłem biomasy pozyskiwanym z biomasy przemielanej w układzie młynowym według wynalazku charakteryzuje się tym, iż biomasa przed wprowadzeniem do układu młynowego zostaje poddana procesowi suszenia i niskotemperaturowej karbonizacji w suszarni w gazie o temperaturze w zakresie od 300 do 860°C i zawartości tlenu poniżej 10% udziału objętościowego przy czym pył biomasy w komorze spalania kotła energetycznego spalany jest samodzielnie w palniku pyłowym usytuowanym powyżej palnika zasilanego pyłem węglowym pozyskiwanym z węgla przemielanego w układzie młynowym albo spalany jest razem z pyłem węglowym w tym samym palniku pyłowym po uprzednim łącznym przemieleniu skarbonizowanej w suszarni biomasy i węgla w układzie młynowym.

Korzystnie opary wilgoci i gazy suszarnicze powstałe w procesie suszenia i wstępnej karbonizacji biomasy wprowadzane są dyszą do komory spalania kotła energetycznego ponad płomieniem palnika pyłowego.

Korzystnie proces suszenia i wstępnej karbonizacji w suszarni przeprowadza się przy udziale gazu stanowiącego mieszaninę spalin wysokotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 400 do 900°C i spalin niskotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 100 do 300°C pobieranych z recyrkulacji z ciągu konwekcyjnego kotła energetycznego.

Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym został objaśniony przy pomocy rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu do realizacji sposobu według pierwszego przykładu realizacji wynalazku, a fig. 2 - schemat układu do realizacji sposobu według drugiego przykładu realizacji wynalazku.

Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym opalanym pyłem węglowym i pyłem biomasy w pierwszym przykładzie realizacji według wynalazku polega na tym, iż z zasobnika 6 biomasa transportowana jest do suszarni 1 w której poddawana jest procesowi suszenia i wstępnej karbonizacji niskotemperaturowej w gazie stanowiącym strumień spalin o temperaturze w zakresie od 300 do 860°C i zawartości tlenu poniżej 10% udziału objętościowego. Korzystnie proces suszenia i wstępnej karbonizacji niskotemperaturowej przeprowadza się przy udziale gazu stanowiącego mieszaninę spalin wysokotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 400 do 900°C i spalin niskotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 100 do 300°C pobieranych z recyrkulacji z ciągu konwekcyjnego kotła energetycznego 3. Z suszarni 1 wstępnie skarbonizowana biomasa transportowana jest do układu młynowego 2 skąd następnie po przemieleniu kierowana jest do spalania,

PL 216 270 B1 w usytuowanym w komorze spalania kotła energetycznego 3, palniku pyłowym 4. Pył biomasy spalany jest w palniku pyłowym 4 samodzielnie to znaczy bez udziału pyłu węglowego. Zasilany biomasą palnik pyłowy 4 usytuowany jest nad palnikiem 8 zasilanym pyłem węglowym. Pył węglowy do palnika 8 podawany jest z układu młynowego 9. Węgiel do układu młynowego 9 podawany jest z zasobnika 7. Powstałe w suszarni 1 w trakcie suszenia i karbonizacji gazy w postaci oparów wilgoci i oxygazów wprowadzane są dyszą 5 do komory spalania kotła energetycznego 3 w której gazy palne ulegają spaleniu redukując jednocześnie zawartość NOx w spalinach wylotowych z komory spalania kotła energetycznego 3. Powstałe w suszarni 1 gazy wprowadzane są do komory spalania kotła energetycznego 3 ponad płomieniem palnika pyłowego 4. W procesie niskotemperaturowej karbonizacji uwęglona biomasa zmienia swoje własności fizyczne osiągając własności przemiałowe przy czym częściowo skarbonizowana biomasa niewiele zmienia swoje własności chemiczne, jedynie częściowo pozbywając się w trakcie procesu suszenia i karbonizacji oxygazów, niewielkich ilości wodoru i związków węglowodorowych. Poddana procesowi niskotemperaturowej karbonizacji biomasa pozwala podczas przemiału w typowym młynie węglowym uzyskać ziarna pyłu biomasy o rozmiarach mniejszych od 200 μm co sprawia, że ilość niedopału w postaci koksiku w żużlu i w lotnym popiele praktycznie obniża się do zera.

W drugim przykładzie realizacji sposobu według wynalazku wstępnie skarbonizowana według pierwszego przykładu według wynalazku w suszarni 1 biomasa kierowana jest do przemiału w układzie młynowym 2 łącznie z wprowadzanym do tego układu młynowego 2 z zasobnika 7 węglem, a uzyskany pył węglowo-biomasowy kierowany jest do spalenia w tym samym palniku pyłowym 4 umiejscowionym w komorze spalania kotła energetycznego 3. Uzyskany w trakcie przemiału mieszany biomasy i węgla węglowo-biomasowy pył ma strukturę ziarenek o wymiarach mniejszych niż 200 μm. Do suszarni 1 biomasa dostarczana jest z zasobnika 6. Powstałe w suszarni 1 w trakcie suszenia i karbonizacji gazy w postaci oparów wilgoci i oxygazów podobnie jak w pierwszym przykładzie według wynalazku wprowadzane są dyszą 5 do komory spalania kotła energetycznego 3.

Claims (3)

1. Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym w którym kocioł energetyczny opala się dostarczanym do niego pyłem węglowym pozyskiwanym z węgla przemielanego w układzie młynowym oraz pyłem biomasy pozyskiwanym z biomasy przemielanej w układzie młynowym, znamienny tym, że biomasa przed wprowadzeniem do układu młynowego (2) zostaje poddana procesowi suszenia i niskotemperaturowej karbonizacji w suszarni (1) w gazie o temperaturze w zakresie od 300 do 860°C i zawartości tlenu poniżej 10% udziału objętościowego przy czym pył biomasy w komorze spalania kotła energetycznego (3) spalany jest samodzielnie w palniku pyłowym (4) usytuowanym powyżej palnika (8) zasilanego pyłem węglowym pozyskiwanym z węgla przemielanego w układzie młynowym (9) albo spalany jest razem z pyłem węglowym w tym samym palniku pyłowym (4) po uprzednim łącznym przemieleniu skarbonizowanej w suszarni (1) biomasy i węgla w układzie młynowym (2).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że opary wilgoci i gazy suszarnicze powstałe w procesie suszenia i wstępnej karbonizacji biomasy są wprowadzane dyszą (5) do komory spalania kotła energetycznego (3) ponad płomieniem palnika pyłowego (4).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces suszenia i wstępnej karbonizacji w suszarni (1) przeprowadza się przy udziale gazu stanowiącego mieszaninę spalin wysokotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 400 do 900°C i spalin niskotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 100 do 300°C pobieranych z recyrkulacji z ciągu konwekcyjnego kotła energetycznego (3).