Spalování biomasy ve fluidních kotlích teplárny ŠKO-ENERGO Mladá Boleslav

Peletky (lisovaná biomasa) se přivážejí do teplárny ŠKO-ENERGO v nákladních vozech. Zde jsou vysypány do přijímací násypky, ze které jsou mechanicky dopraveny do mezizásobníku a následně vysokotlakou pneumatickou dopravou transportovány do provozního sila. Odtud jsou samostatnou, regulovanou, nízkotlakou pneumatickou dopravou dávkovány do spalovacích komor obou fluidních kotlů. Jmenovitý výkon každé linky na dopravu biomasy do kotle činí 10% jmenovitého výkonu kotle.

Referát se zabývá provozními zkouškami spalování biomasy, předprojektovou přípravou, projekcí a realizací tohoto projektu a následně i provozními zkušenostmi z provozování tohoto zařízení. Dále se zabývá požadavky na kvalitu paliva a ekologickými aspekty spalování biomasy tohoto druhu.

Referát:
V roce 2005 byl schválen Zákon o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů č. 180/2005 Sb. Tento zákon je zpracován v souladu se směrnicí Evropského parlamentu a Rady č. 2001/77/ES. Účelem tohoto zákona je podpořit ochranu klimatu a životního prostředí podporou výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů a vytvoření podmínek pro zvýšení podílu spotřeby elektrické energie z obnovitelných zdrojů v ČR až na 8% v roce 2010 a dále pak tento podíl zvyšovat.

Výše uváděná hodnota zvýšení podílu spotřeby elektrické energie z obnovitelných zdrojů v ČR až na 8% v roce 2010, uváděná v Zákoně o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů č. 180/2005 Sb., vyplývá z individuálního závazku, který ČR přijala při podpisu Kjótského protokolu k Rámcové úmluvě OSN o změně klimatu (původní závazek států EU 15 se tak ČR přímo netýká). Zároveň se vstupem do EU se ČR zavázala jako nový stát vstoupit do EU ETS (EU Emission Trading Scheme – 2003/87/EC) – Evropské schéma obchodování s povolenkami emisí skleníkových plynů, které bylo vytvořeno pro dosažení závazků snižování emisí.
Jednou z možností jak snížit emise skleníkových plynů je spalování biomasy. Biomasa využívána k energetickým účelům je buď záměrně získávána jako výsledek výrobní činnosti, nebo jde o využití odpadů ze zemědělské, lesní výroby a průmyslové výroby.

Při spalování biomasy kotel produkuje oxid uhličitý, který je přírodně recyklovaný. Rostliny odebírají oxid uhličitý z ovzduší a ve formě uhlíku jej ukládají ve všech svých částech. Pokud by po odumření rostliny (přirozeném nebo násilném činností člověka) nebyla vyprodukovaná biomasa užitečně spálena v kotli (případně jinak energeticky zpracována), došlo by časem hnilobnými procesy k jejímu postupnému rozložení na metan a následně oxidací na kysličník uhličitý a vodu, přičemž dojde z hlediska celkového chemismu k uvolnění stejného tepla jako při procesu spálení. Z hlediska emisí CO₂ tedy spalování biomasy nijak nezatěžuje životní prostředí.
Pro podpoření využívání obnovitelných zdrojů energie byly stanoveny dotace – ať již jsou nazývány jakkoli, které zvýhodňují výrobce elektřiny z obnovitelných zdrojů oproti výrobcům z klasických fosilních případně jaderných elektráren.
Vzhledem k tomuto přestala být výroba elektřiny ze spalování biomasy u velkých výrobců ztrátová (oproti spalování uhlí). Navíc se v současné době stává kladný vztah k životnímu prostředí součástí image firmy a jejího vnímání společností.

Proto bylo i v teplárně ŠKO-ENERGO uvažováno se spalováním biomasy. Vzhledem k typu instalovaných kotlů – atmosférické fluidní kotle s cirkulující fluidní vrstvou s parním výkonem 2x140 t/h – je možno v těchto kotlích spalovat víceméně jakoukoliv biomasu. Tyto kotle spalují v současné době směs hnědého a černého uhlí v poměru cca 80:20, případně při sníženém výkonu kotle jen hnědé uhlí. V případě problémů se zvyšuje podíl černého uhlí. Palivo je provozně skladováno odděleně ve dvou bunkrech. Vzhledem k palivové základně kotlů, prostorovým nárokům a požadavkům na disponibilitu a výkon kotlů bylo rozhodnuto o vybudování samostatné linky na dávkování peletek do spalovací komory.

Peletky (palivo EKOVER) jsou čistou lisovanou biomasou, která se vyznačuje vysokou výhřevností (cca 15 MJ/kg), a která lze snadno spalovat. Dle protokolu o certifikaci výrobku je palivo EKOVER tvořeno ze 100% rostlinnými pletivy. Toto palivo tedy neobsahuje žádné přídavné látky a je z hlediska zákona čistou biomasou.
Před zahájením vlastního projektu bylo vybudováno jednoduché poloprovozní zařízení. Vzhledem ke krátkosti termínu byla pro tuto zkoušku použita zařízení, která byla běžně dostupná na trhu.
Byl použit standardizovaný zásobník pro sypké stavební hmoty o objemu cca 18 m³. Silo bylo vybaveno plnícím potrubím, na které se připojoval pomocí plnící hadice dopravní kontejner.
Vzduch pro dopravu byl odebírán ze stávajícího rozvodu tlakového vzduchu přes ruční regulační ventily. Odvětrání sila je provedeno do potrubí odvětrání vápencových tras.
Vlastní doprava peletek do kotle se uskutečňovala pneumaticky. Peletky gravitačně vypadávají ze sila přes deskový uzávěr do rotačních podavačů, jejichž otáčky bylo možno nastavit pomocí frekvenčního měniče. Vstup do kotle byl proveden nerezovou lanzetou umístěnou v přívodu horního sekundárního vzduchu do kotle. Na vstupu do lanzety je na dopravním potrubí umístěn pneumaticky ovládaný kulový kohout, kterým je možno dopravní trasu odstavit od kotle.

Spalovací zkoušky byly realizovány ve dnech od 1. 9. do 9. 9. 2005. Při těchto zkouškách bylo spáleno cca 249t peletek o výhřevnosti cca 15,35 MJ/kg.
Při spalovacích zkouškách bylo provedeno emisní měření při spalování směsi hnědého a černého uhlí s dávkování peletek do fluidního kotle, emisní měření bylo pro srovnání opakováno při následném spalování pouze směsi uhlí.

Bilance hmotnostní a energetické jednotlivých spalovaných paliv a celku jsou uvedeny v následující tabulce.

(Údaje o množství a výhřevnosti spáleného uhlí převzaty z provozních záznamů, množství spálených peletek z vážních listů, výhřevnost z rozborů)

Z hlediska provozních teplot se spalování peletek neprojevilo na provozních tlacích a teplotách.
Z hlediska obsahu volného CaO v popílku a ložovém popelu byly zaznamenány zvýšené obsahy ve vzorcích odebraných v prvých čtyřech dnech zkoušek, následně se obsahy vrátily do normálu, kde setrvaly až do konce zkoušek. Obdobná situace nastala v případě nedopalu.
Vzhledem k poklesu uvedených zvýšených hodnot na normální úroveň již v průběhu zkoušek a k občasnému výskytu zvýšených hodnot i ve vzorcích v době kdy peletky, nebyly dávkovány, se dá se předpokládat, že zvýšené hodnoty CaO a nedopalu nebyly způsobeny dávkováním peletek.

Srovnáme-li všechna spalovaná paliva z hlediska obsahů hmotnostních procent obsahu vody, popela, síry, chloru a fluoru nejsou rozdíly (vyjma vody) mezi jednotlivými palivy příliš markantní.

Pokud bychom však vztáhli tyto hodnoty na výhřevnost, jsou rozdíly podstatně větší (fluor není uvažován).

Jak je patrné z této tabulky je nejvýraznějším rozdílem obsah chloru.

Jak již bylo uvedeno, bylo při spalování peletek provedeno autorizované měření emisí, které bylo pro srovnání emisí chloru a fluoru opakováno rovněž po ukončení spalovacích zkoušek, kdy se již spalovala pouze směs uhlí.
Ze závěrů tohoto měření vyplývá, že v případě spalování peletek je produkce chloru (HCl = 15,9 mg/Nm³) menší než v případě spalování pouze uhlí (26,8 mg/Nm³). Vzhledem k dříve uvedenému vyššímu obsahu chloru v peletkách lze tento rozptyl vysvětlit různým obsahu chloru v majoritním palivu – uhlí (případně jeho jinou chemickou vazbou), nárůstem procenta zachycení chloru ve spalovací komoře nebo chybou měření (není uvažováno).
Změny obsahu chloru v uhlí jsou nejpravděpodobnější příčinou změn naměřených hodnot emisí chloru (nutno podotknout, že již dříve bylo něco obdobného zaznamenáno v případě spalování technologického paliva – olejových zbytků) a poukazuje to na dominantní vliv vlastností uhlí na složení spalin.
Nárůst procenta zachycení HCl ve spalovací komoře je vzhledem ke stabilním podmínkám spalovacího procesu málo pravděpodobný, zvláště uvědomíme-li si, že by muselo dojít k nárůstu záchytu z cca 55% na cca 75%.
Pokud bychom vycházeli pouze z uvedeného záchytu chloru v popelovinách cca 55%, měl by nárůst emisí HCl při maximálním množství spalovaných peletek (10% výkonu kotle) činit cca 9 mg/Nm³.
Obsah fluoru (jako HF) není významný. Ostatní emise (kysličníky síry, dusíku, kysličník uhelnatý a TZL) zůstaly při spalovacích zkouškách beze změn.
Vzhledem k výsledkům zkoušek bylo přistoupeno k realizaci tohoto projektu.
Tento projekt měl za úkol instalovat v areálu ŠKO-ENERGO zařízení, která umožní vykládku peletek z nákladních vozů, jejich skladování v zásobním silu, dopravu peletek do kotelny a zařízení umožňující jejich spalování ve fluidních kotlích.

Pro cílový stav spalovaní peletek ve fluidních kotlích bylo stanoveno cílové množství odpovídající 10% celkovému tepelného příkonu kotlů, tzn. cca 2,5 t/h na kotel. Celkové roční předpokládané množství peletek spálených na obou kotlích činí v cílovém stavu 40.000 t/rok, čemuž odpovídá roční využití maxima zařízení spalování peletek 8.000 h/rok.

Vlastní projekt byl rozdělen na dvě etapy. Prvá etapa řeší příjem, dopravu, provozní skladování, dopravu do kotle a vlastní spalování peletek, druhá etapa řeší vytvoření zásoby peletek na cca 2 – 3 dny tak, aby tyto mohly být spalovány i přes víkend, kdy není možno peletky do teplárny dopravovat.
V současné době je v provozu zařízení instalované v rámci prvé etapy, s druhou etapou se čeká na získané provozní zkušenosti.
Prvá etapa začíná zařízením pro příjem peletek ve ŠKO-ENERGO. Pro příjem peletek byla vybrána stávající budova skladu, ležící v blízkosti kotelny. V této budově je v hloubce – 4,00 m zapuštěna ocelová výsypka.
Nákladní vozy vjíždí do tohoto objektu a najíždějí na nosný rošt výsypky. Po dohodě s pracovníky velínu kotelny dojde k vyklopení nákladu do výsypky a řidič spustí sekvenci dopravy peletek. Další doprava probíhá automaticky.
Peletky jsou z výsypky vynášeny pomocí bezosého šnekového vynášeče, který je na výsypce zavěšen. Aby bylo možno nastavit požadovaný výkon celé linky vykládky a dopravy peletek do dalších provozních souborů je tento dopravník vybaven frekvenčním měničem, kterým se nastaví požadovaný dopravní výkon.
Dopravní linka pokračuje řetězovým dopravníkem, kterým jsou peletky dopravovány přes mezizásobník – násypku do komorového podavače.
Z komorového podavače jsou peletky pomocí tlakového vzduchu dopravovány do provozního zásobníku, který je umístěn na stávající ocelové konstrukci mezi kotli K80 a K90. Dopravní potrubí je ocelové s oblouky a výběhovými kusy s čedičovou výstelkou.
Provozní zásobník je uložen na stávající ocelové konstrukci v kotelně.

Pro odprášení dopravního vzduchu je na víku sila je umístěn tkaninový (kapsový) filtr. Regenerace kapes je prováděna impulsem tlakového vzduchu, odloučený prach padá zpět do sila.
Vzhledem k vlastnostem peletek a umístění zásobníku v kotelně je toto silo vybaveno aktivním systémem pro potlačení výbuchu – HRD systém.
Na provozní zásobník navazuje vlastní dávkování peletek do kotlů (pro každý kotel je uvažováno se samostatnou dopravní trasou). Peletky vypadávají ze sila a jsou svodkou vedeny k deskovým uzávěrům s pneumatickým pohonem, na které navazují rotační podavače – turnikety a ejektorové směšovače.
Akčním prvkem v systému dávkování peletek do kotle jsou turnikety, jejichž otáčky je možno nastavit pomocí frekvenčních měničů. Za každým turniketem následuje nízkotlaká pneumatická doprava do kotlů. Výkon trasy je 2,5 t/h do každého kotle.
Peletky padají z turniketu do směšovače, odkud jsou tlakovým vzduchem dopravovány do kotle. Tlakový vzduch (cca 30 kPa) je vyráběn v nových rootsových dmychadlech a není nijak upravován.
Dopravní potrubí peletek je provedeno jako ocelové s čedičovými oblouky a výběhovými kusy. Vzhledem k tepelnému posunu kotle o cca 150mm (studený - teplý stav kotle) je v každé trase dopravního potrubí peletek instalován kompenzátor.
Vlastní vstup do spalovací komory kotle je proveden nerezovou lanzetou umístěnou v přívodu horního sekundárního vzduchu do kotle.

Aby nedošlo k zpětnému proudění spalin do lanzety při odstavení pneumatické dopravy peletek je za tento kulový kohout (směrem ke kotli) do lanzety zaveden „těsnící“ tlakový vzduch z rozvodu fluidizačních dmychadel.
Vzhledem k vlastnostem prachových částic z peletek jsou veškerá zařízení navržena na maximální výbuchový tlak, čili na 0,6 MPa, případně jsou chráněna aktivním systémem zhášení výbuchu.

Po najetí zařízení v září 2006 se ukázalo, že dodávané peletky vykazují vetší podíl prachových částí, než se předpokládalo a na dopravní trasu byl namontován systém přífuků a celý systém spalování peletek byl převeden na dvoupalivový systém – tzn. peletky a jemná sypká biomasa (otruby).

Tento příspěvěk byl prezentován na koferenci Kotle a energetická zařízení 2007.
 

Autor

• Ing. Mrkus Jiří