Rys. 1. Wyniki TG-DTG dla wierzby wiciowej I, T­ 5°C-min, Tmax = 450°C, a) krzywe TG i DTG wraz z przebiegiem zmian temperatury, b) krzywe TG-DTG wraz z jonami fragmentacyjnymi wody, c) krzywe TG-DTG wraz z jonami fragmentacyjnymi metanu, d) krzywe TG-DTG wraz z jonami fragmentacyjnymi ditlenku węgla.

    Rosnące wymogi środowiskowe stawiane producentom energii oraz ograniczone zasoby paliw konwencjonalnych powodują, że inżynierowie poszukują nowych źródeł oraz technologii wytwarzania energii. Obecnie na świecie intensywnie rozwija się sektor tzw. energetyki odnawialnej wykorzystującej odnawialne źródła energii (OŹE). W zależności od regionu świata i dostępności odnawialnych źródeł energii wykorzystuje się energię wiatru, słońca, wody, geotermalną oraz energię chemiczną biomasy.

Wytwarzanie energii w Polsce
    W Polsce energia elektryczna i ciepło (pomijając ogrzewnictwo indywidualne) wytwarzane jest podstawowo w elektrowniach i elektrociepłowniach opalanych konwencjonalnym paliwem stałym lub gazowym, czyli węglem kamiennym i brunatnym oraz gazem ziemnym. Udział wytworzonej w sposób konwencjonalny energii w Polsce w roku 2005 wynosił ok. 96%, a w roku 2010 ok. 89%, pozostała część energii wytworzona była z OŹE. Wskazuje to na szybki rozwój technologii pozyskiwania energii z OŹE. Ponadto udział energii elektrycznej wyprodukowanej w Polsce z biomasy, głównie w procesie jej współspalania z węglem, w ogólnej produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w roku 2010, szacuje się na ok. 53%, pozostałe 47% wyprodukowano z biogazu oraz energii, wody i wiatru [2].
    Wykorzystanie biomasy, jako paliwa w istniejących systemach energetycznych w procesie współspalania z węglem, przynosi wymierne korzyści środowiskowe. Współspalanie biomasy z węglem jest jednym ze sposobów ograniczenia bezpośredniej emisji CO2 do atmosfery ze względu na tzw. emisję unikniętą [3]. Ponadto szybka i relatywnie tania aplikacja technologii tzw. bezpośredniego współspalania biomasy w kotłach pyłowych, poprzez wykorzystanie istniejących systemów przygotowania paliwa (młyny węglowe) i podanie mieszanki biomasa/węgiel na palniki pyłowe, przyczyniła się do szybkiego rozwoju tej technologii w Polsce.

Rys. 2. Wpływ temperatury torykacji na zawartość wilgoci (Wa), popiołu (Aa), części lotnych (Vdaf) i węgla (Ca) w torykacie oraz jego wydajność i wartość opałową.

Biomasa to też trudności
    Podczas dodawania biomasy do strumienia paliwa odnotowano jednakże wiele problemów techniczno-technologicznych. Ilość i jakość biomasy zależne są m.in. od
miejsca jej pochodzenia, czynników pogodowych oraz sposobu składowania, ponadto ze wzglądu na zwiększające się zapotrzebowanie na biomasę, istnieje ryzyko związane z jakością paliwa oraz stabilnością jego dostaw. Pojawiają się wówczas trudności podczas współmielenia i podawania paliwa do kotła. Biomasa często zawiera więcej niż węgiel składników wpływających na wzrost skłonności paliwa (mieszanki biomasa/węgiel) do tworzenia osadów i ich spiekania, powodując zanieczyszczenie elementów kotła, zmniejszenie efektywności wymiany ciepła i wzrost ryzyka korozji. Problemy te potęgują się wraz ze wzrostem udziału biomasy w strumieniu paliwa i mogą negatywnie wpływać na funkcjonowanie instalacji, zwłaszcza przy korzystaniu z biomasy o niskiej jakości w bezpośrednich systemach współspalania. Większość tych problemów jest spowodowana tym, że w porównaniu z węglem biomasa posiada odmienne od paliwa projektowego (węgla) właściwości. Duży udział wilgoci w biomasie, jej niska gęstość energetyczna (GJ/m3) i niejednorodność oraz utrudniony przemiał powodują, że w istniejących kotłach węglowych udział masowy współspalanej biomasy zazwyczaj nie przekracza 10÷15% w strumieniu paliwa podawanego do paleniska. Ponadto biomasa może stanowić zagrożenie biologiczne (bakteriologiczne, występowanie grzybów) dla personelu obsługującego instalację, głównie ze względu na zachodzące w niej procesy gnilne [4÷6].

Fot. 1. Produkty procesu torykacji wierzby energetycznej: a) produkty ciekłe, b) produkt stały - torykat.

Przygotowanie biomasy – toryfikacja
    Opisane problemy związane z wykorzystaniem biomasy przyczyniły się nie tylko do rozwoju nowych rozwiązań technologicznych w procesie współspalania biomasy, jak np. dedykowane palniki na biomasę i odrębny system jej podawania do kotła, lecz również rozwój procesów wstępnego przygotowania biomasy przed jej energetycznym wykorzystaniem, tj. suszenie, balowanie, brykietowanie, peletowanie, płukanie biomasy, szybka piroliza i toryfi kacja [7÷8]. W celu kumulacji energii chemicznej biomasy poddaje się ją przede wszystkim procesom zagęszczania do postaci tzw. paliw formowanych. Podstawowym paliwem formowanym dla energetyki są pelety wytwarzane z różnego rodzaju biomasy [9], które w porównaniu z surową biomasą wyróżniają się przede wszystkim: ujednoliceniem rozmiarów, większą gęstością energetyczną i niższą zawartością wilgoci.
    Do wstępnego przygotowania biomasy, w celu nadania jej właściwości fizykochemicznych jeszcze bardziej zbliżonych do niskokalorycznych węgli energetycznych, podjęto próby aplikacji, znanego od przeszło 80 lat, procesu termicznej konwersji biomasy w umiarkowanych temperaturach w obojętnym środowisku reakcyjnym nazywanego toryfikacją (z ang. torrefaction, tzn. prażenie). W literaturze napotyka się na inne określenia tego procesu, najczęstsze z nich to: prażenie, niskotemperaturowa piroliza, powolna i łagodna piroliza oraz wysokotemperaturowe suszenie. Toryfikacja to proces, który polega na termicznej przeróbce biomasy w środowisku inertnym (brak utleniacza) przy ciśnieniu atmosferycznym. W relatywnie niskich temperaturach 220÷340°C dochodzi głównie do degradacji hemicelulozy wchodzącej w skład biomasy. W procesie toryfikacji biomasy otrzymuje się trzy fazy produktów stałe (tzw. toryfi kat) o skumulowanej energii w porównaniu z materiałem wyjściowym, ciekłe oraz gazowe [10 ÷12].
     Poddana temu procesowi biomasa poprzez karbonizację zyskuje nowe właściwości fizykochemiczne, korzystniejsze pod względem wykorzystania jej jako paliwo w energetyce. Otrzymuje się biomasę toryfikowaną, tzw. toryfikat, który stanowi materiał jednorodny o skumulowanej energii chemicznej, posiadający doskonałe właściwości przemiałowe w porównaniu z biomasą wyjściową. Dzięki temu możliwa jest redukcja zużycia energii na mielenie i zwiększenie udziału biomasy (nawet o niskiej przemiałowości) w strumieniu paliwa oraz zwiększenie stabilności procesu współspalania. Toryfikat posiada właściwości hydrofobowe, dzięki temu jego przechowywanie jest bardziej bezpieczne i pozbawione ryzyka degradacji środowiskowej (odporność na wilgoć). Ponadto, biomasa toryfi kowana jest obojętna biologicznie, co powoduje eliminację zagrożeń bakteriologicznych i ochronę przed grzybami, zwiększając bezpieczeństwo obsługi [7, 10 ÷12].
    Toryfikacja biomasy do celów energetycznych rozwinęła się do fazy technologii demonstracyjnej w latach 90. ubiegłego wieku i pomimo że jest to proces uważany za metodę waloryzacji biomasy dla wytwarzania z niej energii, jak dotąd nie została ona wykorzystana w tej dziedzinie na skalę komercyjną. Aktualnie toryfi kację w skali przemysłowej stosuje się przy obróbce drewna do celów innych niż energetyka, np. budownictwo, produkcja mebli, podłóg itp. [13÷14].
    W czasie typowego procesu toryfikacji następuje redukcja ok. 30% masy początkowej surowca, która spowodowana jest przede wszystkim usunięciem z niego wilgoci, ale również częściowym wydzieleniem się substancji lotnych. Wydzielenie części lotnych z surowca wiąże się z pewnym ubytkiem energii, który zwykle nie przekracza 10% energii zawartej w surowcu. Biorąc pod uwagę stosunek wydajności energii do wydajności toryfikat zyskuje się zwiększenie koncentracji energii równe 1,3 energii biomasy wyjściowej [13].

Rys. 3. Wydajność produktów w procesie torykacji wierzby energetycznej w reaktorze ze złożem stacjonarnym przy różnej temperaturze procesu.

Badania laboratoryjne
    W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla prowadzone są badania procesu toryfikacji biomasy, których celem jest określenie charakteru przemian zachodzących w surowcu podczas termicznej konwersji oraz wpływu temperatury procesu na dystrybucję oraz właściwości fizykochemiczne otrzymywanych produktów. Dotychczas w badaniach zastosowano kilka rodzajów biomasy, które są przyczyną występowania problemów technologicznych głównie podczas mielenia w młynach węglowych. Źródłami tych problemów są m.in. niska przemiałowość oraz duża zawartość substancji oleistych. W niniejszym artykule omówiono część badań, jakie przeprowadzono z zastosowaniem wierzby energetycznej, która ze względu na swą budowę biologiczną, włókniste i elastyczne komórki silnie do siebie przylegające i tworzące zwartą tkankę nadającą odporność mechaniczną roślinie, jest materiałem o niskiej przemiałowości, co skutkuje dużym obciążeniem młyna podczas współmielenia i koniecznością stosowania niskich udziałów masowych biomasy w strumieniu paliwa W celu określenia przebiegu zmian biomasy poddanej termicznej konwersji przeprowadzono analizę termograwimetryczną wraz z analizą powstających gazów (TGA-MS), której wyniki przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 4. Analiza ziarnowa wierzby energetycznej oraz uzyskanych w różnych temperaturach toryfikatów.

    Wyniki analizy TGA przedstawione na rysunku 1a wskazują na wystąpienie podczas ogrzewania próbki biomasy dwóch etapów, różniących się szybkością i wielkością ubytku masy surowca. W pierwszym z etapów, który zachodził w temperaturach ok. 50÷150°C, surowiec tracił ok. 3% swojej pierwotnej masy. Związane jest to z utratą wilgoci przemijającej. Dowodem na proces utraty wilgoci surowca są, widoczne na rysunku 1b, jony fragmentacyjne wody m/e = 17 i m/e = 18. W drugim etapie, który zachodził w temperaturach ok. 220÷340°C, stwierdzono zasadniczy ubytek masy surowca (zdecydowanie większy i szybszy). W etapie tym, oprócz wydzielania się wody (rys. 1b), odnotowano także wydzielanie się metanu m/e = 15 i m/e = 16 (rys. 1c) oraz ditlenku węgla m/e = 44 (rys. 1d).
    Ocenę wpływu temperatury toryfikacji na właściwości fizykochemiczne toryfikatu przeprowadzono z użyciem termowagi firmy LECO. Biomasę poddano ogrzewaniu w zakresie temperatur od 220 do 340°C w atmosferze obojętnej (N2), stosując krok temperaturowy 20°C. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych oznaczania właściwości fizykochemicznych uzyskanych w 7 różnych temperaturach toryfikatów z wierzby energetycznej. Na podstawie badań stwierdzono, że wraz ze wzrostem temperatury procesu otrzymuje się toryfikat bardziej uwęglony (Ca), rośnie zawartość popiołu oraz wzrasta jego wartość opałowa, maleje natomiast wydajność toryfikatu oraz zawartość w nim części lotnych (rys. 2).
    Badania prowadzono również w instalacji laboratoryjnej do termicznej konwersji paliw stałych w złożu stacjonarnym. W reaktorze tym przeprowadzono badania dla próbek wierzby energetycznej w ilości ok. 100 g. W wyniku toryfikacji biomasy otrzymywano trzy fazy produktów: fazę stałą (toryfikat), fazę ciekłą (składającą się z kondensatu wodnego i substancji smolistych) oraz fazę gazową (mieszanina CO i CO2 oraz niewielkich ilości H2 i węglowodorów C1-C3 oraz H2S i N2). Poniżej przedstawiono zdjęcia produktów ciekłych (fot. 1a) oraz toryfikatu (fot. 1b).
    Na rysunku 3 przedstawiono bilanse masowe przeprowadzonych w IChPW testów toryfikacji wierzby energetycznej. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że wydajność poszczególnych produktów procesu prowadzonego w złożu stacjonarnym silnie uzależniona jest od temperatury procesu. Stwierdzono ponadto, że wzrost temperatury procesu skutkuje obniżeniem wydajności toryfikatu, co potwierdza wyniki badań w mniejszej skali (TGA) i dane literaturowe [7, 11÷13]. Dla zakresu temperatur toryfikacji 220÷330°C, otrzymywana wydajność toryfikatu kształtowała się w zakresie 89,5÷43%. Jednocześnie zaobserwowano tendencję wzrostu wydajności produktów ciekłych i gazowych. Wyniki te potwierdzają dane literaturowe dotyczące toryfikacji.
    Wykonano także badania podatności przemiałowej toryfikatów uzyskanych w reaktorze ze złożem stacjonarnym. Przed przystąpieniem do badań wykonano analizę sitową toryfikatów i wydzieloną frakcję zawierającą ziarna poniżej 2 mm w ilości 5 gram poddano mieleniu w obrotowym młynku laboratoryjnym, w którym umieszczono metalowe kule. Następnie przeprowadzono analizę sitową zmielonej biomasy i toryfikatów z wykorzystaniem wytrząsarki laboratoryjnej i czterech sit o rozmiarach: 2,0 mm, 1,0 mm, 0,5 mm, 0,2 mm. Wyniki zamieszczono na rysunku 4. Dla wierzby energetycznej oraz otrzymanego z niej toryfikatu w temperaturze 280°C przeprowadzono analizę mikroskopową techniką elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM). Poniżej na fot. 1 zamieszczono wykonane zdjęcia. Można zaobserwować, że toryfi kat uzyskany w temperaturze 280°C posiada pęknięcia w płaszczyźnie poprzecznej, natomiast wierzba energetyczna takich pęknięć nie posiada.

Fot. 1. Zdjęcia a) wierzby energetycznej oraz b) toryfikatu z wierzby energetycznej uzyskanego w temperaturze 280°C.

* * *

    W wyniku przeprowadzonych badań procesu toryfikacji wierzby energetycznej potwierdzono, że w jego wyniku otrzymuje się produkty stałe, ciekłe i gazowe, a ich wzajemny udział zależny jest od temperatury procesu. Właściwości fizykochemiczne otrzymywanych produktów również silnie zależą od temperatury procesu. Wraz z jej wzrostem maleje wydajność toryfikatu, a rośnie wydajność produktów ciekłych i gazowych. Przeprowadzone analizy laboratoryjne wskazują, że toryfikat, jako paliwo dla celów energetycznych, posiada właściwości fizykochemiczne bardziej pożądane w porównaniu z biomasą wyjściową (surową). Kilkukrotny wzrost zdolności przemiałowej (określonej poprzez analizę ziarnową zmielonych próbek) w porównaniu z biomasą wyjściową (nieprzetworzoną), kumulacja energii chemicznej paliwa oraz spadek zawartości wilgoci sprawiają, że udział masowy biomasy toryfikowanej w mieszance węgiel-biomasa może być wyższy niż udział biomasy nieprzetworzonej w takiej mieszance. Warunkiem jednakże uzyskania opisanych, korzystnych właściwości biomasy przetworzonej w połączeniu z wysoką wydajnością produktu stałego jest dobór optymalnego reżimu temperaturowego (temp. procesu, czas przebywania surowca w złożu) procesu toryfikacji. W związku z powyższym można przyjąć, że proces toryfikacji może być zastosowany do wstępnego uszlachetniania wierzby energetycznej i podobnych biomas przed jego zastosowaniem w procesach współspalania w instalacjach wyposażonych w konwencjonalne układy mielenia (np. młyny pierścieniowo-kulowe).

Literatura:

1.    „International Energy Outlook 2010 – Highlights”, U.S. Energy Information Administration.
2.    Materiały konferencyjne, Forum technologii w Energetyce – Spalanie biomasy. 27-28.10.2011 Bełchatów.
3.    M.K. Mann, P.L. Spath, „A life cycle assessment of biomass cofiring in a coal-fired power plant” Clean Prod. Proc. 3 (2001), 81-91.
4.    Baxter L, “Biomass-coal co-combustion: opportunity for affordable renewable energy”,. 2005.
5.    Hartmann D., Kaltschmitt M., „Electricity generation from solid biomass via cocombustion with coal. Energy and emission balances from a German case study”, 1999:, Biomass and Bioenergy 16 (1999), 397–406.
6.    Heller M.C., Keoleian G.A., Volk T. 2003: A. „Life cycle assessment of a willow bioenergy cropping system”, Biomass and Bioenergy 25 (2003), 147–165.
7.    Ayla Uslu, Andre´ P.C. Faaij, P.C.A. Bergman, „Pre-treatment technologies, and their effect on international bioenergy supply chain logistics. Techno-economic evaluation of torrefaction,fast pyrolysis and pelletisation”, Energy 33 (2008) 1206– 1223
8.    Cocker-Maciejewska A. „Obróbka wstępna biomasy na potrzeby systemów energetycznych”, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 30, 2007 r.
9.    Jakubiak M., Kordylewski W., „Pelety podstawowym biopaliwem dla energetyki”, Archiwum Spalania, Vol. 8 nr 3-4, 2008.
10.    Jakubiak M., Kordylewski W., „Toryfikacja biomasy”, Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, www.spalanie.pwr.wroc.pl
11.    Prins M.J., Ptasinski K. J., Janssen F.J.J.G., “Torrefaction of wood. Part 2. Analysis of products”,
12.    Koukios et al “Main physico-chemical phenomena during heating of lignocellulosic materials at pre-pyrolytic conditions (torrefaction)”.
13.    Bergman P.C.A., Kiel J.H.A., Torrefaction for biomass upgrading, Report ECN-RX-05-180, 2005
14.    http://www.finnforest.com
 

Autor: Marcin Kopczyński, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla Centrum Badań Technologicznych

Artykuł został opublikowany w magazynie "ECiZ" nr 2/2012