Pellets - biomass

Współcześnie pelety wykorzystywane są do wytwarzania energii w urządzeniach o bardzo zróżnicowanych wielkościach. Najmniejsze z nich to grille ogrodowe i specjalne paleniska w kształcie koszyczków, wstawiane do tradycyjnych kominków. Dalej na liście są piece kuchenne i kotły centralnego ogrzewania zasilające indywidualne domy, grupy domów, a nawet całe osiedla. Na szczycie tej „drabiny” można z pewnością postawić uruchomioną w kwietniu ubiegłego roku elektrociepłownię AVADORE 2 o mocy 2 x 575 MW (- jedna część zakładu wytwarza ciepło, a druga, z części tego ciepła - energię elektryczną. Pozostała część energii cieplnej jest sprzedawana na zewnątrz). Obiekt zlokalizowano niedaleko Kopenhagi i w najbliższym czasie stanie się głównym źródłem energii dla stolicy Danii.

Chcąc zrozumieć działanie urządzeń zasilanych peletami trzeba poznać, chociaż z grubsza, procesy, które zachodzą podczas spalania.

Spalanie biomasy

Biomasa jest wymagającym paliwem. Jej prawidłowe spalanie wymaga stosowania urządzeń o bardzo złożonej konstrukcji. Zjawiska zachodzące podczas tego procesu nie są jeszcze dokładnie poznane. Istnieją teorie, które pozwalają w dużym przybliżeniu wyjaśnić i zilustrować to, co dzieje się w komorze spalania typowego kotła na biomasę - w tym kotła zasilanego peletami.

Wyjaśnimy to na przykładzie drewna spalanego w ognisku lub w kominku. Spalanie drewna zaczyna się od... suszenia. Nawet bardzo suche drewno zawiera kilka, kilkanaście procent wilgoci. Zanim się jej nie pozbędzie nie może się zapalić. Zatem najpierw nad rozpalanym (czyli podgrzewanym) kawałkiem drewna unosi się chmura pary wodnej. Ten etap spalania jest bardzo energochłonny. Stos w tym stanie nie wytwarza energii. Odwrotnie: on ją bardzo gwałtownie pochłania! Możemy się o tym przekonać, gdy dorzucimy zbyt dużo świeżego drewna do płonącego ogniska. Proces spalania zaczyna się po usunięciu wilgoci - w temperaturach

zbliżonych do 100°C. Z suchego, rozpoczynającego się palić kawałka drewna w podwyższonej

temperaturze zaczynają się uwalniać najbardziej lotne związki aromatyczne - głównie alkohole, estry i etery. Najwięcej ich zawierają soki drzew i żywice.

Dlatego drewno żywiczne zapala się zdecydowanie łatwiej, niż twarde drewno drzew liściastych. Związki aromatyczne i alkohole spalają się pobierając tlen z powietrza otaczającego stos. Ten proces przebiega szybko i gwałtownie, ale ze względu na małą ilość spalonej materii nie dostarcza w tej fazie zbyt dużo energii. Wystarcza ona jednak do podniesienia temperatury

płonącego drewna do poziomu około 250 - 300°C. W tej temperaturze już rozpoczyna się częściowy rozkład termiczny celulozy, a chwilę później ligniny. Wymienione dwa składniki stanowią większą część masy płonącego drewna. Budową chemiczną celuloza i lignina są do siebie mocno zbliżone.

Składają się z długich łańcuchów substancji węglowodorowo- pochodnych. Pod wpływem wysokiej temperatury rozpadają się na mieszaninę węglowodorów, które jak wiadomo, są łatwopalnymi substancjami organicznymi.

Ta mieszanina pali się „pod byle pretekstem”. Szybkie spalenie tak dużej ilości węglowodorów

powoduje, że płomień absorbuje cały tlen zawarty w pobliżu płonącego stosu. W efekcie ognisko „nie ma czym oddychać” i zaczyna przygasać. Po efektownym widowisku pozostaje spory stos popiołu... A szkoda, bo popioły te, w ponad 98 procentach składają się z substancji palnych! Drzemie w nich jeszcze niemal połowa energii zawartej w drewnie.

Spalenie tej pozostałości, zwanej koksikiem drzewnym, wymaga dostarczenia dodatkowej ilości tlenu. I to jest właśnie główne zadanie całej konstrukcji współczesnego pieca lub kotła. Dodajmy: zadanie nie łatwe i nie banalne. Zasilenie stosu czystym tlenem jest z oczywistych względów niemożliwe (ileż by musiał kosztować w eksploatacji taki piec?!). Pozostaje zatem powietrze. Przypomnijmy jednak, że tlen to zaledwie jedna piąta masy powietrza.

Żeby jego ilość była wystarczająca do podtrzymania płomienia strumień powietrza, musi być bardzo silny. Taki strumień skierowany na płonący stos będzie go zwyczajnie rozdmuchiwał. Trzeba bowiem pamiętać, że koksik jest substancją bardzo porowatą i lekką - wszak większa część zwartej konstrukcji początkowego kawałka drewna to wspomniana lignina i celuloza, które właśnie się wypaliły. Jest i inny kłopot: zasilające powietrze jest zimne i będzie chłodziło stos, powoli go wygaszając.

Tymczasem koksik pali się efektywnie w temperaturach grubo przekraczających 1000°C. W otwartym palenisku błyskawiczne rozprzestrzenianie się energii uniemożliwia tak znaczący wzrost temperatury. Zamknięcie płonącego stosu zmienia ten stan. Czyste drewno zawiera minimalne ilości substancji nie utleniających się (albo ściślej: bardzo trudno utleniających się). Najczęściej są to sole kwasów węglowego i octowego. Jest ich nie więcej niż 0,2 do 0,3% masy całego drewna. To są właśnie popioły. Przy właściwej konstrukcji pieca cała reszta płonącego drewna powinna znaleźć się w kominie - oddawszy nam wcześniej potrzebną energię.

Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić... Jak sobie z tym poradzili najlepsi?

W konstrukcji kotłów i pieców do spalania pelet od pewnego czasu prym wiodą wytwórnie austriackie i niemieckie. Duże osiągnięcia mają też Duńczycy i Szwedzi, a ostatnio dołączyli do nich Czesi i Włosi. Urządzenia pochodzące z tych wytwórni to produkty niezwykle zaawansowane technicznie i technologicznie. Najważniejszą częścią każdego pieca jest komora spalania. Austriacko-niemiecka firma „Fröling” i niemiecki „Hargassner” budują komory swoich kotłów z odpornych na działanie wysokich temperatur materiałów ceramicznych. Składają się one z dwóch części. Pierwszą z nich można nazwać „komorą spalania wstępnego”. Do niej przez mały otwór podajnikiem ślimakowym doprowadzany jest strumień paliwa. Komora ma niewielką objętość, co wybitnie wpływa na możliwości sterowania całym urządzeniem (mała objętość to mniejsza bezwładność cieplna). W ścianach komory wstępnej znajdują się otwory, przez które doprowadzane jest powietrze zasilające. Jest bardzo gorące. Wcześniej znajdowało się w specjalnym ceramicznym płaszczu otaczającym komorę. Tam ogrzało się i jednocześnie odgrodziło przestrzeń komory od wychładzającego otoczenia. Wylot komory wstępnej zawsze jest wąskim otworem w jej górnej części. Jest tak usytuowany, by znalazł się możliwie najbliżej jądra płomienia. Tu następuje najbardziej intensywne zasilanie powietrzem. Temperatury występujące w tym miejscu dochodzą do 2500°C! Ponieważ zachodzi tu koncentracja mocy płomienia można ten element konstrukcji nazwać „soczewką energetyczną”. Istnienie soczewki pozwala spalić wszystkie trudno utleniające się związki, uwolnione ze spalającego się stosu. W urządzeniach, które nie posiadają tego elementu związki te osiadają w dalszej części kotła na ściankach wokół czopucha (tak nazywa się wlot do komina) i na płytach wymiennika ciepła, zmuszając użytkownika do częstego czyszczenia pieca. Skoro soczewka jest tak pożyteczna, aż kusi, by ją maksymalnie wydłużyć i tym bardziej dokładnie spalić wszystko, co oddzieliło się od stosu paliwa. Na przeszkodzie stoi inne zjawisko. Otóż zasilanie powietrzem ma swoje konsekwencje. Aż trzy czwarte mieszaniny gazów zasilających komorę spalania stanowi azot. Jego podgrzanie skutkuje powstawaniem we wnętrzu pieca bardzo szkodliwych związków - tlenków azotu, głównych związków odpowiedzialnych za powstawanie tzw. „kwaśnych deszczów”.

Zależność jest prosta: im wyższa temperatura i dłuższe jej działanie, tym większa ilość tzw. NOx. Zbyt niska temperatura spalania prowadzi z kolei do innej „zarazy cywilizacji” - powstawania

tlenków węgla. One także - utleniając się w atmosferze - powodują kwaśne deszcze. Zjawiska te można ograniczać poprzez zainstalowanie katalizatorów - podobnie, jak w samochodach, ale koszty tej operacji powodowałyby tak znaczący wzrost cen kotłów, że rynek dziś jeszcze nie zaakceptowałby tych innowacji. Wyważenie proporcji między koniecznością dopalenia substancji lotnych a nieuniknionym powstawaniem tlenków azotu i tlenków węgla jest miarą mistrzostwa konstruktorów kotłów. Druga część komory spalania to część rozprężna. W przeciwieństwie do komory wstępnej, „komora rozprężna” powinna mieć jak największą objętość - a przede wszystkim jak największą długość.

Dzięki długiej drodze płomienia można uzyskać dobre dopalenie cząstek stałych bez zbytniego podnoszenia temperatury całego procesu. Zmniejszeniu rozmiarów pieca służy budowa tej części komory w postaci mniej lub bardziej zawiłego labiryntu kanałów. Każdy odcinek tego kanału zwany jest przez fachowców „ciągiem”. Stąd mamy piece i kotły dwu-, trzy-, a nawet czterociągowe.

Kotły jednociągowe mają zwykle smukłą wysoką budowę. Taka konstrukcja przeważa w budowach kotłów peletowych, chociaż ostatnio pojawiły się liczne konstrukcje o budowie wielociągowej (HDG Bawaria, Baxi, Lugano, itd.). W tej części pieca można już ostrożnie zacząć odbierać powstałą energię. Ostrożnie - gdyż zbyt szybki odbiór energii z komory rozprężnej spowoduje niedopalenie dużej części spalin, pojawienie się na wylocie substancji toksycznych i obniżenie sprawności całego urządzenia. Dlatego powierzchnie wymiennikowe pojawiają się w końcowej części komory rozprężnej - najczęściej w ostatnim ciągu pieca wielociągowego lub w najwyższej części komory jednociągowej. Właściwy odbiór energii następuje w końcowej części pieca (kotła) - w wymienniku. Zarówno piece, jak kotły mają dziś budowę przeponową, co oznacza, że spaliny niosące energię oddają ją czynnikowi grzewczemu - najczęściej wodzie (w kotłach) lub powietrzu (w piecach nadmuchowych) - nie bezpośrednio, ale poprzez ściankę wymiennika. Ponieważ z natury rzeczy proces ten przebiega z pewnym opóźnieniem i ograniczoną sprawnością, od budowy wymiennika, zastosowanych w nim materiałów i stosowanych rozwiązań zależy w dużej mierze jakość całego urządzenia. Podstawy problemów związanych z budową tej części kotłów oraz ze sterowaniem całością procesu przedstawimy w kolejnych częściach naszego cyklu.

„SYRIUSZ - Michał Seredyński ”Ekologia-Consulting-Marketing