Wykorzystania biomasy

SPALANIE

Wykorzystywane zarówno do produkcji energii cieplnej, jak i do wytwarzania energii elektrycznej spalanie jest najbardziej rozpowszechnioną i zarazem najprostszą formą pozyskiwania energii z biomasy. 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:

• suszenia i odgazowania materiału drzewnego, w wyniku czego powstaje gaz drzewny,
• spalania gazu drzewnego w temperaturze 1200 st. C oraz
• dopalania gazu i oddawania ciepła w wymienniku.

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.

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.

Słoma charakteryzuje się dużą objętością paliwa w stosunku do jednostki energetycznej, niejednorodnością i zawartością części lotnych. Dlatego powstało wiele typów kotłów przeznaczonych do spalania słomy. Trzy podstawowe to:

• używane do okresowego spalania całych bel słomy kotły wsadowe, najczęściej zaopatrujące w energię cieplną gospodarstwa rolne, szklarnie, małe i średnie przedsiębiorstwa oraz niewielką zabudowę mieszkaniową na wsiach,
• kotły do spalania słomy rozdrobnionej, najczęściej obok kotłów wsadowych wykorzystywane w Polsce,
• kotły do „cygarowego” spalania całych bel słomy, nie tak rozpowszechnione, jak kotły dwóch poprzednich rodzajów, między innymi ze względu na małą odporność na zawilgocenia.

GAZYFIKACJA

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.

• w pierwszej komorze w warunkach niedoboru powietrza oraz stosunkowo niskiej temperaturze (450-800^o C) paliwo zostaje odgazowane, w wyniku czego powstaje gaz palny oraz mineralna pozostałość (węgiel drzewny),
• w drugim etapie w komorze dopalania w temperaturze około 1000-1200^o C i w obecności nadmiaru tlenu następuje spalenie powstałego gazu.

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%.

PIROLIZA

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:

• suszenie paliwa do wilgotności poniżej 10%
• mielenie biomasy na bardzo małe cząsteczki, aby zapewnić szybki przebieg reakcji
• reakcja pyrolizy
• wydzielenie produktów stałych
• schładzanie i gromadzenie bio-oleju.

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:

• produkt ciekły – olej pyrolityczny (75%)
• produkt stały – węgiel drzewny (12%)
• mieszanina gazów palnych (13%).

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.

KOGENERACJA

Kogeneracja, czyli skojarzone wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej, powoduje mniejsze zużycie paliwa i mniejszą emisję substancji szkodliwych niż proces oddzielnej produkcji elektryczności i ciepła. W układach skojarzonych wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa wynosi aż 80-90%, co jest możliwe dzięki odzyskiwaniu wysokiej jakości ciepła ze spalin. Kogeneracja jest więc korzystna zarówno ze względów termodynamicznych, jak i z ekonomicznego czy ekologicznego punktu widzenia.

Produkcję energii w skojarzeniu można stosować wszędzie tam, gdzie równocześnie występuje zapotrzebowanie na energię cieplną i elektryczną. Rodzaj zastosowanej technologii zależy przy tym od rodzaju wybranego paliwa: na przykład dla systemów, które w charakterze paliwa wykorzystują słomę, najodpowiedniejsza jest elektrociepłownia z turbiną parową, bądź też – przy mniejszych wartościach mocy elektrycznej – z silnikiem parowym. Podstawowe elementy układu, opartego na słomie to kocioł parowy z podgrzewaczem pary, turbina parowa i generator energii elektrycznej. Rozdrobnione w systemie obróbki wstępnej paliwo podawane jest najpierw do śluzy ogniowej, a następnie podajnikiem ślimakowym na ruszt schodkowy, gdzie następuje spalanie. Para, która podczas spalania powstaje w kotle, jest dostarczana do turbiny parowej. Ostatni element systemu skojarzonego to podłączony do sieci przemysłowej generator.

Zalety stosowania układów kogeneracyjnych:

• zmniejszenie zużycia paliwa na wytworzenie jednostki energii
• redukcja emisji zanieczyszczeń
• obniżenie kosztów energii dla użytkowników
• zmniejszenie strat energii w sieciach przesyłowych (ze względu na mniejsze odległości pomiędzy
• ródłem a odbiorcami energii)
• możliwość utylizacji biogazu
• rozproszenie źródeł.

W roku 2003 w krajach OECD prawie 60% energii elektrycznej wytwarzanej z biomasy produkowano właśnie w procesie kogeneracji. W krajach Unii Europejskiej systemy skojarzone oparte na biomasie nie są zbyt rozpowszechnione. Do wyjątków należą w tym względzie dwa państwa skandynawskie: Finlandia i Dania, gdzie w 1989 roku w miejscowości Haslev powstała pierwsza na świecie elektrociepłownia zasilana słomą. Zakład ten, dysponujący 13 MW mocy cieplnej i 5 MW mocy elektrycznej, spala w ciągu roku około 26 tys. ton słomy. W sezonie zimowym każdego dnia wykorzystuje od 150 do 200 t słomy. Całkowita sprawność systemu wynosi 86%, zaś powstające w procesie spalania gazy są przed uwolnieniem do atmosfery przepuszczane przez filtr, który zatrzymuje aż 99% lotnego popiołu.

PROCESY BIOCHEMICZNE

Niektóre formy biomasy zawierają zbyt dużo wody, by można było skutecznie poddawać je spalaniu. Ich wykorzystanie na cele energetyczne jest jednak możliwe dzięki procesom biochemicznym, na przykład fermentacji.

Fermentacja alkoholowa

To proces rozkładu węglowodanów, zachodzący po dodaniu drożdży do takich surowców, jak zboże, pszenica, winogrona czy buraki cukrowe i zapewnieniu temu materiałowi warunków beztlenowych. Produktem tego rodzaju fermentacji jest alkohol. W procesie fermentacji alkoholowej powstaje najpopularniejsze biopaliwo płynne – bioetanol, stanowiący 90% wszystkich stosowanych biopaliw ciekłych. Bioetanol wykorzystuje się najczęściej w charakterze domieszki do benzyny, stanowiącej od 5 do 10% paliwa, jest on jednak stosowany również jako samodzielne paliwo.

Fermentacja metanowa

To następujący przy ograniczonym dostępie tlenu proces rozkładu wielkocząsteczkowych substancji organicznych (głównie węglowodanów, białka, tłuszczów i ich pochodnych) do alkoholi lub niższych kwasów organicznych, a także metanu, dwutlenku węgla i wody.

Wyróżniamy następujące fazy fermentacji metanowej:

1. hydroliza enzymatyczna, w wyniku której z białek powstają aminokwasy, z tłuszczów – kwasy tłuszczowe i glicerol, a z polisacharydów – monosacharydy,
2. acidogeneza, czyli fermentacja kwaśna, polegająca na metabolizowaniu produktów hydrolizy do lotnych kwasów tłuszczowych, etanolu i produktów gazowych,
3. octanogeneza, w czasie której lotne kwasy tłuszczowe są rozkładane do kwasu octowego, dwutlenku wegla i wodoru oraz końcowa
4. metanogeneza, w wyniku której z kwasu octowego otrzymujemy metan i dwutlenek węgla.

Produktem finalnym fermentacji metanowej jest biogaz – mieszanina gazów, składająca się głównie z metanu i dwutlenku węgla, a także z niewielkich ilości (ok. 1%) siarkowodoru, amoniaku, azotu, tlenku węgla, tlenu, wodoru i tioli. Produkty w stanie stałym to trudnorozkładalne bądź nierozkładalne osady oraz biomasa bakteryjna. Do celów energetycznych wykorzystywana jest fermentacja takich substancji organicznych, jak odchody zwierzęce, odpady przetwórstwa spożywczego, odpady komunalne na wysypiskach i osady, wytrącone w oczyszczalniach ścieków.

Źródła:

• biomasa.org
• Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, publikacja EC BREC/IMBER, 2003
• Biopaliwa, red. P. Gradziuk, 2003
• www.aboutbioenergy.info
• www.tristate.apogee.net
• Czy warto segregować? Mechaniczno-biologiczna przeróbka odpadów komunalnych, Przegląd Komunalny, listopad 2004
• Ściążko, Zawistowski, Kubica, 2003. Produkcja ciepła z biomasy drzewnej w ogrzewnictwie indywidualnym i komunalnym. Energia odnawialna na Pomorzu Zachodnim.
• EC BREC, 2002. Spalanie, gazyfikacja, piroliza, Eko-Wat, Nr 1