Biomasa toryfikowana – kierunek energetyka, ale i… rolnictwo

Proces toryfikacji biomasy znany jest od bardzo dawna, stosowany był np. do prażenia ziaren kawy, jednakże do tej pory nie był stosowany jako metoda wstępnej obróbki biomasy przed jej energetycznym wykorzystaniem. Niemniej jednak od dekady obserwuje się wzmożone zainteresowanie tym procesem właśnie dla celów poprawy właściwości fizykochemicznych biomasy stosowanej jako paliwo.

J. Zuwała, A. Czardybon, M. Kopczyński, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu

Wynika to między innymi z dużego popytu na biomasę, jako źródła energii odnawialnej, której aplikacja do kotłów energetycznych przystosowanych na paliwa kopalne powoduje szereg utrudnień, szczególnie w przypadku współspalania. Odmienne od węgla właściwości fizykochemicznych biomasy wpływają na magazynowanie, transport czy sam proces spalania. Biomasa poddana toryfikacji zyskuje właściwości fizykochemiczne bardziej korzystne dla celów energetycznych w porównaniu z biomasą nieprzetworzoną. Na skutek ogrzewania biomasy w temperaturze rzędu 250-350°C w atmosferze ubogiej w tlen (najlepiej w warunkach beztlenowych) dochodzi do jej karbonizacji i otrzymuje się produkt (toryfikat) o właściwościach fizykochemicznych kompatybilnych do niskogatunkowych węgli energetycznych. Toryfikat jest materiałem jednorodnym o skumulowanej energii chemicznej, posiadający doskonałe właściwości przemiałowe w porównaniu z biomasą nieprzetworzoną. Dzięki temu możliwa jest redukcja zużycia energii na mielenie, a także zwiększenie udziału biomasy (nawet o niskiej przemiałowości) w strumieniu paliwa oraz zwiększenie stabilności procesu spalania/współspalania. Ponadto biomasa toryfikowana posiada właściwości hydrofobowe, dzięki temu jej przechowywanie jest bardziej bezpieczne i pozbawione ryzyka degradacji środowiskowej (odporność na wilgoć). Ponadto, biomasa toryfikowana jest obojętna biologicznie, co powoduje eliminację zagrożeń bakteriologicznych i ochronę przed grzybami, zwiększając bezpieczeństwo obsługi [1, 2].

W typowym procesie toryfikacji biomasy następuje zarówno ubytek masy, jak i energii chemicznej surowca i otrzymuje się produkty stałe, ciekłe i gazowe. Biorąc jednak pod uwagę stosunek masy do energii obserwuje się zwiększenie koncentracji energii chemicznej paliwa [3], co graficznie przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Rozdział masy i energii w typowym procesie toryfikacji biomasy [3]

Na rysunku 3 przedstawiono wpływ temperatury toryfikacji na zmianę zawartość popiołu, części lotnych oraz parametrów energetycznych oraz skład elementarny toryfikatów otrzymanych z wierzby energetycznej.

Rys. 2. Wpływ temperatury toryfikacji na zawartość części lotnych, popiołu i ciepła spalania oraz skład elementarny toryfikowanej wierzby energetycznej uzyskanej w temperaturze 200÷300 °C.

Przeprowadzona analiza fizykochemiczna toryfikatów wskazuje na obniżenie zawartości wilgoci, części lotnych, a także pierwiastków tlenu i wodoru oraz nieznacznie chloru w toryfikatach otrzymanych w wyższych temperaturach, rośnie natomiast ciepło spalania oraz zawartość popiołu, węgla oraz nieznacznie azotu. Na podstawie wyników badań stwierdzono ponadto, że biomasa toryfikowana charakteryzuje się wyższymi współczynnikami przemiałowości Hardgrove (HGi), w porównaniu z biomasą surową z której zostały otrzymane.

Tabela 1. Współczynnik przemiałowości wg Hardgrove (HGi) dla różnych biomas i toryfikatów.

W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w instalacji spalania w złożu fluidalnym typu BFB przeprowadzono badania współspalania węgla kamiennego i biomasy lub toryfikatu z niej otrzymanego. Stwierdzono, że dodatek 15 proc. masowo biomasy surowej nieznacznie wpływa na temperatury i stabilność procesu, natomiast dodatek toryfikatu nie ma wpływu na proces współspalania w porównaniu ze spalaniem samego węgla. Stwierdzono także obniżenie emisji SOx oraz NOx w przypadku zastosowania biomasy toryfikowanej.

W Instytucie od wielu lat prowadzone są badania nad procesem toryfikacji biomasy, których celem jest między innym określenie charakteru przemian zachodzących podczas procesu oraz wpływu parametrów procesu toryfikacji na dystrybucję i właściwości fizykochemiczne otrzymywanych produktów, a także nad stworzeniem technologii umożliwiającej wyprodukowanie biomasy toryfikowanej niemal w każdych warunkach.

W ramach projektu KIC Innoenergy pt.: „Biocoal for power generation” (BioPoGen) opracowano mobilną i autotermiczną instalację do toryfikacji (karbonizacji) biomasy o wydajności około 120 kg/h w zależności od zastosowanego surowca (przedstawiono ją na rysunku 4). Instalacja składa się z czterech głównych węzłów, do których należą: węzeł przygotowania spalin, węzeł toryfikacji, węzeł odpylania torgazu, węzeł chłodzenia i odbioru produktu. Wymiana ciepła odbywa się w układzie bezprzeponowym ciało stałe – gaz.

Rys. 4 Instalacja i schemat ideowy technologii toryfikacji biomasy opracowanej w IChPW

Gorące spaliny, wytwarzane w wyniku spalania pelletów biomasy, transportowane są do reaktora toryfikacji, gdzie przepływają bezprzeponowo w przeciwprądzie w stosunku do podawanej od góry reaktora biomasy toryfikując ją. Otrzymany produkt jest chłodzony i odbierany podajnikiem ślimakowym z dołu strefy toryfikacji. W trakcie ogrzewania biomasy wytwarzana jest najpierw para wodna, a następnie gaz procesowy – torgaz. Mieszanina spalin oraz gazowych produktów toryfikacji po odpyleniu kierowana jest do komory spalania. Część gorących spalin powstałych ze spalania torgazu zawracana jest do reaktora toryfikacji, a nadmiar usuwany jest do atmosfery przez kanał odprowadzania nadmiaru spalin. Proces toryfikacji jest inicjowany poprzez spalanie pelletów w komorze przez około 30 minut. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury spalin (~700˚C) zaprzestaje się ich dozowania i proces prowadzony jest autotermicznie.

Opracowana przez ICHPW instalacja toryfikacji biomasy umożliwia dobór optymalnych warunków prowadzenia procesu toryfikacji takich jak: temperatura i strumień spalin doprowadzanych do reaktora toryfikacji, czas przebywania surowca w reaktorze w celu zapewnienia autotermiczności procesu (poprzez dozowanie biomasy i odbiór toryfikatu) oraz uzyskania porządanych parametrów biomasy toryfikowanej.

Instalacja umożliwia przeprowadzenie kontrolowanego procesu toryfikacji różnych gatunków biomasy (zrębki wierzby energetycznej, olchy, liściasto-iglaste oraz PKS) z otrzymaniem jednorodnych paliw o zwiększonej wartości opałowej, obniżonej zawartości składników lotnych oraz lepszej zdolności przemiałowej w porównaniu z surową biomasą.

W zależności od warunków procesu (czasu przebywania i temperatury w reaktorze) oraz rodzaju biomasy możliwe jest otrzymanie toryfikatów o różnych właściwościach. Stopień przereagowania testowanych biomas ∆V^daf, zdefiniowany jako stosunek usuniętych składników lotnych do ilości składników lotnych w surowej biomasie (∆V^daf = (V^daf_biom^– V^daf_tof)/V^daf_biom)), zawiera się w granicach 24-75 proc., a ilość zawartości składników lotnych w toryfikacie w zakresie 20-63 proc. (w przeliczeniu na stan suchy i bezpopiołowy). Zmniejszenie zawartości wilgoci i tlenu oraz zwiększenie udziału węgla związanego w procesie toryfikacji powoduje wzrost wartości opałowej surowej biomasy. Zwiększenie kaloryczności paliwa uzależnione jest od typu i właściwości biomasy wyjściowej (surowej), a także warunków prowadzenia procesu. Wartości opałowe otrzymanych paliw charakteryzują się wysokimi wartościami opałowymi 24,0-31,5 GJ/kg (LHV^daf), które zależą od stopnia przereagowania biomasy. Temperatura na wejściu reaktora zawiera się w granicach 330-430˚C, a w górnej części reaktora: 120-220˚C. Szacowany czas przebywania biomasy w reaktorze wynosi około 10 minut dla zrębki drzewnej i około 30 minut dla PKS.

Podsumowując należy podkreślić, że biomasa toryfikowana może znaleźć zastosowanie w energetyce, rolnictwie, ochronie środowiska i przemyśle. W energetyce jako paliwo odnawialne stanowi alternatywę dla tradycyjnych paliw kopalnych. W ochronie środowiska, z uwagi na rozwiniętą powierzchnię właściwą, właściwości sorpcyjne, mikroporowatość i obecność powierzchniowych grup funkcyjnych, może być wykorzystywany do usuwania zanieczyszczeń wód i ścieków. W rolnictwie, dodatek biomasy toryfikowanej do gleb poprawia ich właściwości i może przyczynić się do ograniczenia zużycia nawozów organicznych i nieorganicznych, a także środków ochrony roślin. Ponadto może znaleźć również zastosowanie w przemyśle np. budowlanym, metalurgicznym, elektronicznym, chemicznym, włókienniczym.

Bibliografia

1. 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

2. Prins M.J., Ptasinski K. J., Janssen F.J.J.G., “Torrefaction of wood. Part 2. Analysis of products, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2006, 77 (1), 35–40]

3. Bergman P.C.A., Kiel J.H.A., 2005 – Torrefaction for biomass upgrading”, ECN publication, Report ECN-RX-05-180, 2005, http://www.ecn.nl

4. Zuwała J., Lasek J., Kopczyński M., Combustion and Fuel Flexbillty during Co-Firing of Fossil Fuels with Biomass for Sostainable Power Generation. 23^rd Europen Biomass Conference and Exhibition/Eta Florence, 01-02.06.2015, Wiedeń, Austria.