W kraju z roku na rok przybywa nowych obiektów, w których biomasa wykorzystywana jest jako źródło paliwa. Przykładami mogą być zarówno kotłownie w gos-podarstwach indywidualnych, jak i większe obiekty — kotłownie osiedlowe, a nawet elektrociepłownie, na przykład Elektrociepłownia Tychy SA, gdzie biomasa współspalana jest z węglem.

Przykłady pokazują, że ten rodzaj paliwa może stać się alternatywny w stosunku do miału węglowego, oleju opałowego czy gazu ziemnego także w uprawach pod osłonami.

Charakterystyka biomasy

Biomasa różni się od węgla większą zawartością części lotnych, niższą wartością opałową (ogólnie zakłada się, że jest ona dwukrotnie niższa od wartości opałowej węgla — tab. 1). Słoma oraz drewno zawierają jednak mniej związków siarki i azotu w porównaniu z węglem kamiennym, co decyduje o znacznej redukcji emisji substancji szkodliwych. Biomasa uważana jest również za ekologiczne paliwo, ponieważ wielkość emisji CO₂ przy spalaniu równa się ilości CO₂ pobranego przez roślinę w procesie fotosyntezy (tab. 2).

TABELA 1. PORÓWNANIE PARAMETRÓW BIOMASY I WĘGLA KAMIENNEGO ORAZ GAZU ZIEMNEGO

Źródło: Lewandowski W., 2002 r.

TABELA 2. EFEKT EKOLOGICZNY ENERGETYCZNEGO WYKORZYSTANIA SŁOMY W STOSUNKU DO WĘGLA (NA PRZYKŁADZIE PRZEDSIĘBIORSTWA ENERGETYKI CIEPLNEJ LUBAŃ)

Źródło: PEC Lubań

Po spaleniu biomasy powstaje kilkakrotnie mniej popiołu, który może być między innymi wykorzystywany jako nawóz naturalny.

Wraz ze wzrostem cen paliw konwencjonalnych opalanie kotłów biomasą staje się coraz bardziej opłacalne. Według danych z 2000 r. (ceny węgla i gazu ziemnego były niższe od aktualnych), roczny koszt zaopatrzenia w ciepło domu jednorodzinnego wynosił w przypadku słomy — 818 zł, drewna — 1610 zł, węgla kamiennego — 2063 zł, gazu ziemnego — 3694 zł.
W kraju biomasa na cele energetyczne jest wykorzystywana najczęściej w formie drewna odpadowego, słomy oraz tak zwanych roślin energetycznych.

W ostatnich latach w Polsce znacznie wzrósł areał takich upraw roślin. Do najpopularniejszych w kraju roślin uprawianych jako surowiec energetyczny należą: wierzba wiciowa (Salix viminalis), nazywana często energetyczną, ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita), topinambur (Helianthus tuberosus) oraz niektóre gatunki róż, np. róża wielokwiatowa (Rosa multiflora).

Wierzba wiciowa (fot.) wyróżnia się bardzo dużym przyrostem masy oraz wysoką wartością opałową (19,3 MJ/kg suchej masy). Kaloryczność wytworzonych ze ślazowca pensylwańskiego brykietów jest nieco niższa — około 14,5 MJ/kg s. m.

WIERZBA WICIOWA, ZWANA TAKŻE ENERGETYCZNĄ

Technologia spalania drewna

Przetworzone drewno można wykorzystywać dla celów energetycznych w postaci: trocin, brykietów, minibrykietów, pyłu drzewnego. Wartość opałowa jest ściśle uzależniona od jego wilgotności. W przypadku drewna suchego waha się ona od 19 do 21 MJ/kg (w zależności od gatunku), a drewno w stanie tak zwanym powietrznosuchym (wilgotność 13–22%) ma wartość opałową około 15 MJ/kg.

Niezbędnym warunkiem prawidłowego spalania drewna i uzyskania maksymalnej sprawności cieplnej urządzenia jest odpowiednie ukształtowanie paleniska zapewniającego dobry kontakt paliwa z powietrzem podmuchowym. Pod tym względem najlepsze jest spalanie drewna w systemie fluidalnym, w którym tworzy się zawiesina drobnych cząstek drewna w przepływającym od dołu strumieniu powietrza. W takich warunkach cząstki paliwa są dokładnie wymieszane z powietrzem, a duża powierzchnia styku z powietrzem powoduje zwiększenie intensywności spalania. Główne zalety procesu fluidalnego spalania drewna to możliwość zagospodarowania niskokalorycznego paliwa o wartości opałowej od 6 MJ/kg i wilgotności poniżej 70%, a także bardzo wysoka sprawność (nawet do 99%).

Technologia spalania słomy

W Polsce największe kotłownie bazujące na tym paliwie znajdują się w Lubaniu (Dolny Śląsk) — moc 8 MW (dwa kotły o mocy 3,5 MW i jeden — 1 MW), Zielonkach k. Szrop (1 MW), Grabowcu k. Zamościa (0,8 MW), Czerninie k. Szrop (3 MW).

W ostatnich latach całkowita produkcja słomy w Polsce kształtowała się na poziomie około 30 mln ton, przy czym na cele energetyczne można by przeznaczyć około 10 mln ton. Obecnie tylko w niewielkim stopniu ta słoma jest wykorzystywana do celów energetycznych.

Wartość opałowa słomy, zależąca przede wszystkim od wilgotności oraz od gatunku rośliny (tab. 3), w przypadku słomy suchej kształtuje się na poziomie 16,1–17,3 MJ/kg.

TABELA 3. WARTOŚĆ OPAŁOWA SŁOMY

Źródło: Szlachta J.

Kotły mogą być opalane zarówno słomą żółtą, jak i szarą (powstaje ze słomy żółtej pozostawionej na polu, wskutek działania zjawisk atmosferycznych). Jednak korzystniejsze jest stosowanie tej ostatniej, ponieważ odznacza się większą wartością opałową oraz zawiera mniej metali alkalicznych i związków chloru, dzięki czemu w procesie spalania zmniejsza się korozyjność i zażużlenie elementów kotła. Ze słomy szarej otrzymuje się również mniejszą ilość popiołu. Do celów energetycznych można wykorzystywać słomę wszystkich zbóż, z wyjątkiem jęczmiennej, gdyż w czasie jej spalania tworzy się tak zwana szlaka odkładająca się w kotle.

Dla potrzeb większych kotłowni formowane są bele prostopadłościenne o wymiarach (cm) 120 x 80 x 240 i masie 200–450 kg. Wilgotność takiej słomy nie powinna przekraczać 15%. W dostarczającej energię dla pojedynczego gospodarstwa kotłowni, w której najczęściej zainstalowany jest kocioł wsadowy o mocy 30–150 kW, stosuje się małe bele — o masie 8–15 kg i wymiarach 42 x 42 x 80–120. Balotami cylindrycznymi o średnicy 120–180 cm i masie 150–250 kg, formowanymi przez prasy zwijające, opala się zwykle kotły wsadowe o mocy 300–500 kW.

Dla zabezpieczenia przed wchłanianiem wilgoci słomę powinno się składować natychmiast po sprasowaniu w magazynach lub stertach przykrytych od góry strzechą z luźnej słomy lub plandeką. Miejsce zbioru powinno być zlokalizowane jak najbliżej kotłowni. Zakłada się, że opłacalny jest przewóz z odległości nie większej niż około 70 km, w przypadku Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Lubań wynosi ona 15–20 km. Ilość zmagazynowanej słomy powinna zapewniać 14-dniową pracę kotłowni z nominalnym obciążeniem.

Właściwości słomy znacznie różnią się od paliw konwencjonalnych, między innymi ze względu na dużą objętość w odniesieniu do jednostki energetycznej, niejednorodność, dużą zawartość części lotnych. Dlatego też dla efektywnego jej spalania wymagana jest odpowiednia konstrukcja kotłów. Wyróżnia się trzy podstawowe ich grupy:

• kotły wsadowe — do okresowego spalania całych bel słomy,
• kotły do cygarowego spalania całych bel słomy,
• kotły do spalania słomy rozdrobnionej.

Kotły wsadowe produkowane są najczęściej w zakresie mocy 20–500 kW (dla małych gospodarstw rolnych, szklarni). Załadunek słomy do komory spalania kotła odbywa się przeważnie ręcznie. W przypadku większych kotłów (na bele okrągłe lub wielkogabarytowe bele prostokątne) niezbędne są specjalistyczne maszyny (np. ładowacz).

Kotły do spalania cygarowego charakteryzują się dużą wrażliwością na lokalne zawilgocenia słomy. Konieczne jest też stosowanie balotów o ściśle określonych gabarytach. Z tych powodów ta grupa kotłów nie przyjęła się w polskich warunkach.

Kotły do spalania słomy rozdrobnionej są zautomatyzowane, mają zmienną wydajność i moc około 1 MW lub większą.

Tego typu kotły zainstalowane zostały w Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej Lubań (rysunek). W kotłowni tej możliwe jest spalanie słomy o wilgotności nawet do 30%. Baloty z magazynu przy kotłowni ładowane są na stół podawczy i transportowane do rozdrabniacza. Po pocięciu na krótkie i równe włókna, które gwarantują prawidłowy proces spalania, słoma dozowana jest podajnikiem ślimakowym do śluzy ogniowej (jej zadaniem jest zabezpieczenie przed cofnięciem się ognia). Następnie słoma trafia do kotła, gdzie w przedniej części komory spalania odbywa się zgazowanie części lotnych. Otrzymany w ten sposób gaz po wymieszaniu się z powietrzem wtórnym, podawanym systemem dysz, ulega spaleniu w komorze spalania (ilość podawanego powietrza kontrolowana jest przed sondę tlenową). Odgazowana słoma dopalana jest na ruszcie schodkowym, przy udziale strefowo podawanego powietrza pierwotnego. Popiół odprowadzany jest na zewnątrz za pomocą podajnika ślimakowego, a spaliny trafiają do odpylacza aerodynamicznego, gdzie zostają oczyszczane ze skutecznością powyżej 90% i wyprowadzone przez komin.

Wybudowanie w Lubaniu kotłowni na słomę kosztowało ponad 5 mln zł. Koszt produkcji energii cieplnej w latach 1999–2001 wahał się od 19,3 do 24,8 zł/GJ i był znacznie niższy od kosztu energii cieplnej otrzymywanej z węgla. Zatem, jak wskazują doświadczenia z PEC Lubań, kotłownia na słomę oprócz spełniania głównego zadania — zagospodarowywania odpadu w postaci słomy — jest także przedsięwzięciem słusznym pod względem ekonomicznym.

SCHEMAT TECHNOLOGICZNY KOTŁOWNI NA SŁOMĘ W LUBANIU (3,5 MW)