Možnosti spoluspalování nefosilních paliv

Obr. : Biomasa

V článku jsou popsány zkušenosti Teplárny Písek se spoluspalováním nefosilních paliv, především biomasy. Ty jsou na teplárně spoluspalovány spolu s hnědým uhlím od roku 2004. Článek dále ukazuje aktuální vývoj v této oblasti rozvoje spoluspalování na teplárně do budoucna.

Představení spolčenosti

Teplárna Písek, a.s vlastní a provozuje 2 tepelné zdroje, základní teplárnu na hnědé uhlí a dále špičkovou výtopnu na těžké oleje. Dále provozuje tepelné sítě primární i sekundární včetně klasických výměníkových stanic a kompaktních výměníkových stanic umístěných v objektech. Se spoluspalováním nefosilních paliv bylo započato v roce 2004 ve spolupráci s firmou ERC, kdy na kotli K 11 byla spoluspalována masokostní moučka. Ve 2. polovině roku 2005 byly zahájeny zkoušky se spoluspalováním pilin (skupina 3a, kategorie S3 dle vyhlášky č. 482/2005 Sb.), k 1.3.2006 bylo získáno povolení od Krajského úřadu ke kotli K 11 a v listopadu 2006 v integrovaném povolení i pro kotel K 12. V březnu 2007 jsme přes změnu integrovaného povolení získali souhlas na spoluspalování obilného prachu (skupina 2c, kategorie S2) a zelené štěpky (skupina 2g, kategorie S2). V roce 2009 jsme znovu zažádali o změnu integrovaného povolení, abychom rozšířili sortiment spalované biomasy o slámu obilovin a olejnin (skupina 2a, kategorie S2), vlákninové kaly z produkce papíru a celulózy (skupina 2o, kategorie S2) a kůru (skupina 4f, kategorie S3). V současné době probíhá palivová zkouška na tyto nové druhy biomasy.

Obrázek č. 1: Uhelný hořák kotle K 11

Popis technologie

Teplárna Písek, a.s. provozuje jako základní zdroj teplárnu Písek, ve které jsou instalovány 2 uhelné kotle 35 t/hod, 445 °C, 3,73 MPa. Kotle jsou vybaveny tlukadlovými mlýny, takže k hoření ve spalovací komoře dochází ve vznosu. Spalováno je hnědé uhlí o výhřevnosti 12,5 MJ/kg, zrnění 0 – 40 mm, které se ve mlýnech rozdrtí na jemný prach a poté je ventilačním účinkem mlýnu dopraveno do uhelných hořáků. Zde dochází k dalšímu usměrnění uhelného prášku, promíchání se vzduchem a poté tato směs vstupuje do kotle.

V současné době se z nefosilních paliv využívá biomasa a její spoluspalování probíhá na poloprovozním zařízení a s využitím kolového rypadla JCB 3CX s čelní lžící o objemu 1 m³.

Na základě zpracované studie proveditelnosti byla v letošním roce podepsaná smlouva se zhotovitelem a realizuje se výstavba dávkovacího zařízení na biomasu s termínem dokončení ve čtvrtém čtvrtletí 2009.

Podmínky použití nefosilních paliv v granulačních kotlích

Pro použití nefosilních paliv jsou z technického hlediska nutné následující podmínky:

• co nejmenší granulometrie
• homogenizace nefosilního paliva s uhlím

Co nejmenší granulometrie nefosilního paliva dopravovaného do mlýnu je nutná z důvodu dokonalého vyhoření ve spalovací komoře. Protože tlukadlové mlýny svým principem semelou hmotu o určité tvrdosti, nelze očekávat, že by do stejné frakce rozdrtily dřevní hmotu o velikosti odřezků a štěpky.

Z tohoto důvodu jsme při výběru nefosilních paliv upřednostňovali následující materiály:

• dřevěné piliny
• obilný prach, plevy
• masokostní moučku
• štěpku – zde se provádí rozdrcení na drtiči
• vertikálním mlýnu
• slámu – zde se provádí ve spolupráci s místní firmou na místě drcení kvádrových balíků o hmotnosti 330 kg drtičem Husmann na velikost stébla 10 – 50 mm, přestože granulometrie je větší, zatím výsledky ukazují, že nedochází k problémům s vyhořením ve spalovací komoře
• vlákninové kaly – v původním stavu se jedná o konzistentní hmotu s velkým obsahem vody, je nutné promíchání s pilinami, jednak pro zlepšení přepravních podmínek na zauhlovacím pasu a dále pro zvýšení výhřevnosti

Protože se při dodávkách pilin vyskytují problémy s přimícháváním větších odřezků kůry nebo dřeva (tzv. krajiny) i po upozorňování dodavatelů, probíhá odstraňování těchto kusů v současné době ručně, v budoucnu je možné tento problém řešit pomocí lopatového třídiče Twister (viz obrázek 2), který se namontuje na lžíci nakladače a odloučí větší dřevní hmotu od pilin.

Tabulka č. 1: Typické hodnoty granulometrie dřevěných pilin

Homogenizace fosilního paliva a biomasy je důležitá z důvodu rovnoměrnosti hoření a vyloučení možností vzniku exploze v mlýnských okruzích. Z těchto důvodů jsme volili cestu dávkování biomasy na zauhlovací pás za přihrnovacím zásobníkem, takže následující trasa přes tři uhelné přesypy a podavače paliva umožní dobré promíchání obou paliv a do mlýna tak vstupuje již homogenní směs. V současné době je biomasa ze skladovací plochy převezena kolovým rypadlem JCB k dávkovacímu zařízení a naložena do násypky. Při zauhlování je kontrolována koncentrace dávkované biomasy dle kubatury násypky a množství uhlí prošlého přes pásové váhy Boekels.

Koncentrace biomasy byla stanovena výrobcem uhelných hořáků na 2 – 8 % hmotnosti uhlí.

Z hlediska stávající legislativy je nutné si ke spalování biomasy zajistit souhlas výrobce kotlů (§3, odst. 3, zákona č. 86/2002 Sb.), povolení příslušného orgánu ochrany ovzduší (§17, odst. 2, písm. f, zákona č. 86/2002 Sb.) a dále oznámit změnu v užívání (§6, odst. 1, zákona č. 695/2004 Sb.). U uhelných výroben je dále nutné zajistit doplnění Posouzení z hlediska výbuchu hořlavých látek (DOPV) ve smyslu nařízení vlády č. 406/2004 Sb., které zahrne i biomasu.

Obrázek č. 2: Lopatový třidič Twister

Používaná technologie – současnost a výhled

Dávkovací zařízení

Stávající technologie je složena z násypky o objemu cca 4 m³, pod kterou je umístěn gumový dopravní pás o délce 4 m, jehož otáčky jsou řízeny měničem. Pás je zaústěn přes přesyp na zauhlovací pás T3, který vede na kotelnu. Pro manipulaci s biomasou je využíváno kolové rypadlo JCB 3CX s čelní lžící o objemu 1 m³.

V současné době probíhá výstavba železobetonového podávacího zásobníku biomasy o objemu cca 150 m³, který je vybaven hrablovým vyhrnovacím zařízením. Z prostoru vlastního zásobníku bude biomasa gravitačně dopravena přes přesyp na šnekový podavač a odtud na dávkovací pásovou váhu a dále na zauhlovací pás naplněný uhlím. Regulační obvod umožní, aby dávkování biomasy bylo přesné dle dopravovaného množství uhlí a nastaveného podílu biomasy.

Obrázek č. 3: Stávající dávkovací zařízení

Drcení štěpky

Protože v kotli lze spalovat biomasu o velikosti částic většinově pod 2 mm, bylo nutné pro spálení štěpky instalovat drtič – vertikální mlýn. Instalace byla provedena v roce 2007 a uvažuje se s jejím používáním i do budoucna. Jedná se výrobek firmy Taurus, s.r.o., typ VM 22, velikost síta 8 mm, který je vybaven ventilátorem. Samotná linka se skládá z drtiče s ventilátorem, cyklonem, sacím a výfukovým potrubím. Rozdrcená štěpka je shromažďována na vleku. Tato linka je umístěna ve skladu štěpky.

Skladování biomasy a odběr od dodavatelů

K dalším důležitým faktorům, které ovlivňují efektivnost spoluspalování, je vlhkost získané biomasy.

Tabulka č. 2: Obsah vody Wtr v % v pilinách od jednotlivých dodavatelů – průměr za rok 2008

V současné době odebírá Teplárna Písek, a.s. biomasu od cca 10 dodavatelů, největší objem je od 2 velkodopravců, kteří zavážejí biomasu až na skládku paliva. U ostatních dodavatelů je pro přepravu využívána naše vlastní doprava – souprava Iveco o kapaci tě 30 m³ ložného prostoru (prvotně přeprava popílku) a dle našich zkušeností se osvědčila tě 30 m³ ložného prostoru (prvotně přeprava popílku) a dle našich zkušeností se osvědčila pro velkou operativnost – můžeme reagovat velmi rychle na požadavky dodavatelů.

Na každou přivezenou soupravu je vystaven dodací list, kde se udává buď hmotnost zvážená na váze nebo kubatura biomasy. Dále je z každé soupravy odebrán vzorek pro laboratoř, která stanoví jakostní parametry dodávky. Kromě obsahu vody je stanovena též výhřevnost, obsah popela a spalné teplo.

Co se týká vlhkosti, je velký rozdíl, jak je biomasa u dodavatelů dopravována a skladována. Nejmenších obsahů vody se dosahuje u obilného prachu a plev, u pilin pak u pil, které piliny skladují v silech a dopravují je pneudopravou. Nejhorší výsledky jsou u dodavatelů, kteří piliny skladují na volné ploše. U slámy, která je přímo v areálu teplárny drcena v drtiči, je problém, že se stává vysoce nasákavou a během skladování dochází ke zvyšování obsahu vody oproti stavu těsně po drcení. Vlákninové kaly vykazují zatím nejvyšší podíl vody a aby došlo k proschnutí, je nutné s nimi opakovaně manipulovat.

Aby nedocházelo k dalšímu zvyšování obsahu vody v biomase, používáme pro skladování betonové plochy nebo plochy z panelů a hromady s biomasou zakrýváme plachtami.

Obrázek č. 4: Schéma principu dopravy a dávkování biomasy

U štěpky používáme ke skladování uvolněný sklad z období výstavby teplárny, kam je možné uložit cca 600 m³ štěpky. Sklad je větratelný, takže je využíván i k usušení štěpky. Protože příjem štěpky končí v březnu, je na začátku skladování výhřevnost cca 9 MJ/kg a ke konci se pohybuje 13,5 – 14,5 MJ/kg.

Pro porovnání jednotlivých druhů biomasy a spalovaného paliva slouží tabulka 3.

Objem spalované biomasy

Jak už bylo řečeno, od prvního spoluspalování biomasy v roce 2005 se podařilo i na poloprovozním zařízení zajistit organizací práce trvalý nárůst objemu spálené biomasy, jak ukazuje tabulka 4.

V roce 2009 předpokládáme dosažení přibližně stejného množství spálené biomasy při předpokládané vyšší výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů, neboť skladbu biomasy chceme přesunout na slámu a granule, které mají vyšší výhřevnost. Po dokončení nového podávacího zásobníku na biomasu očekáváme nárůst spalované biomasy na dvojnásobek, za předpokladu příznivých cenových relací jak u palivových nákladů, tak u zelených bonusů.

Tabulka č. 3: Porovnání jakostních znaků biomasy a uhlí odebíraných Teplárnou Písek, a.s (údaje za rok 2008, u slámy a zachyceného vlákna 2.Q 2009)

Tabulka č. 4: Množství spálené biomasy a výroba elektřiny z obnovitelných zdrojů

Vliv spoluspalování biomasy na provoz kotlů

Po cca čtyřleté zkušenosti se spoluspalováním můžeme potvrdit, že při daném způsobu dávkování a množství 2 -12% hmotnostním je hoření ve spalovací komoře klidné bez pulzací. Ve spalovací komoře došlo ke zvýšení teploty zejména při spalování obilného prachu, který má vyšší výhřevnost. S ohledem na skutečnost, že obilného prachu je odebíráno mnohem méně než pilin, je tento jev možné eliminovat na skládce biomasy, kdy se promíchávají piliny a obilný prach přímo ve lžíci nakladače. Zároveň se tak omezí prášení. Bude nutné blíže prověřit, zda spoluspalování biomasy zvyšuje i teplotu spalin za ohřívákem vzduchu – vliv na účinnost kotle. U nadrcené slámy, kterou jsme začali spalovat v letošním roce, je problémem větší granulometrie a o 30 % menší měrná hmotnost než u pilin, což klade nároky na dopravní cesty.

V mlýnských okruzích nedošlo k žádným abnormalitám – zvýšená teplota, mikrovýbuch, zahoření aj., pouze v případě spalování nadrcené slámy občas dochází uvnitř mlýnu k zanesení míst s menším prouděním stébly slámy.

Z hlediska nedopalů v popílku a ve škváře neprokázaly se zvýšené hodnoty. Protože se spoluspaluje biomasa o velikosti pilin – škvára neobsahuje nespálené třísky. Zde je zpětná kontrola přes odběr popílku pro cihlářský průmysl jeden z jejich důležitých požadavků. Ve spalinových cestách – ohřívák vzduchu, elektrofiltry, nebyly zaznamenány nálepy, abraze ani jiná poškození.

Při měření emisí nebyly zjištěny vlivy na hodnoty jednotlivých škodlivin.

Na zauhlovacích trasách dochází k větší prašnosti, což vyžaduje častější úklid.

V roce 2008 byla provedena revize DOPV (opatření proti výbuchu) s měřením a odběrem vzorků na zauhlování a výsledky ukázaly, že směs biomasy a uhlí nepředstavuje z hlediska výbuchu nebezpečí.

Ekonomický přínos spoluspalování biomasy

Teplárna Písek, a.s. spoluspaluje biomasu za účelem dosažení kladných ekonomických přínosů.

Do těchto přínosů lze zařadit následující položky:

• zelený bonus k ceně prodané elektřiny
• úsporu povolenek CO₂
• úsporu palivových nákladů

Mezi další přínosy lze zařadit nižší poplatky za emise, likvidaci popílku a snížení mlecí práce, tyto úspory nejsou tak výrazné jako výše uvedené.

Z hlediska nákladů uvažujeme náklady na přepravu, platbu dodavateli a spotřebu elektrické energie na drcení štěpky. Ostatní náklady – nakládání biomasy, její přípravu (u štěpky) zanedbáváme, protože se jedná o zvýšené využití našich pracovníků v rámci jejich profesních činností. Pro vyhodnocení efektivnosti daného dodavatele se nám osvědčil výnosový kalkulátor, kde pomocí výpočtu v tabulkovém editoru zjistíme výnosnost pro jednotlivé dodavatele.

Zelený bonus

Zelený bonus je uplatňován ve smyslu vyhlášky č. 502/2005 Sb. jako příplatek k ceně za prodanou elektřinu. Protože se jedná o elektřinu prodanou, je „výtěžnost“ elektřiny z obnovitelných zdrojů v našem případě v každém měsíci rozdílná. Nejlepších hod- not se dosahuje v měsících listopad až únor. Co se týče samotných zelených bonusů - lze konstatovat, že Energetický regulační úřad (ERÚ) ve svých cenových rozhodnutích podstatným způsobem snížil výši zelených bonusů u pilin, když v roce 2006 byl bonus 540 Kč/MWh , od roku 2007 byl stanoven na 240 Kč/MWh a od roku 2009 je 40 Kč/MWh, tj. o 93 % méně. U štěpky a obilného prachu jsou od roku 2009 bonusy stanoveny na 690 Kč/MWh. Jak se budou hodnoty bonusů pohybovat v dalších letech bude zřejmé koncem roku po vydání nového cenového rozhodnutí ERÚ. Toto vnáší do celého sektoru dost významný prvek nejistoty.

Úspora povolenek CO2

Z hlediska výpočtu vyprodukovaného množství CO₂ se postupuje shodně přes emisní faktory jako u uhlí, za vykázané množství CO₂ z biomasy se povolenky neodevzdávají. Tak je možné tyto volné povolenky využít na trhu nebo v případě nedostatku povolenek není nutné tyto dokupovat. Za rok 2006 nám vyšla úspora povolenek 1,24 ks na 1 t spálené biomasy, ale v roce 2009 už jen 0,96 ks povolenky na 1 t spálené biomasy. Tato skutečnost souvisí s poklesem výhřevnosti spalované biomasy.

Úspora palivových nákladu

Na základě zkušeností některých teplárenských společností jsme zvolili z hlediska výkupních cen od dodavatelů námi stanovenou pevnou výkupní cenu a hledali jsme dodavatele, kteří jsou ji ochotni akceptovat. Tato pevná výkupní cena nám umožňuje dosáhnout v letošním roce již podstatné úspory i u palivové složky. Tj. cena za GJ v biomase je příznivější než za GJ v uhlí. Výše této úspory závisí na přepravní vzdálenosti a výhřevnosti, resp. obsahu vody v nakoupené biomase.

Závěr

Na základě dosavadních poloprovozních zkušeností můžeme potvrdit, že spoluspalování biomasy s hnědým uhlím na tlukadlových mlýnech je technicky možné a bezpečné.

V současné době, kdy například v loňském roce se objevovaly problémy s dodávkami uhlí, představuje možnost spoluspalování biomasy diverzifikaci palivové základny.

Spoluspalování biomasy představuje ve srovnání s uhlím zvýšenou pracnost a představuje pouze částečnou náhradu tohoto fosilního paliva, neboť dostupnost biomasy za přijatelné ceny je omezená.

Dalším rizikem je uplatňovaná změna sazeb za zelené bonusy a značná roztříštěnost dodavatelů biomasy.

Na základě dosavadních zkušeností budeme žádat orgány ochrany ovzduší na zvýšení podílu spoluspalování biomasy na 12 % hmotnostních.

V případě získání dodavatelů, kteří akceptují nastavené výkupní ceny, lze očekávat zajímavé ekonomické přínosy.

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce s magazínem PRO-ENERGY.

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu