Kotłownia na biomasę. Trochę owsa na ruszt.

Obserwowany obecnie stały wzrost cen tradycyjnych nośników energii w postaci gazu ziemnego, gazu płynnego (LPG), oleju napędowego, węgla kamiennego czy energii elektrycznej zmusza nas do poszukiwania tańszych paliw. Ważnym aspektem przy poszukiwaniu nowych paliw na cele grzewcze jest także ich dostępność, pewność dostaw, stabilna i przewidywalna cena. Nie bez znaczenia pozostaje aspekt związany z ochroną środowiska. Paliwo powinno być ekologiczne, czyli nie powinno wprowadzać zanieczyszczeń do środowiska naturalnego oraz powinno być odnawialne. Wszystkie te kryteria spełniają biopaliwa w postaci zrębki i peletu drzewnego. Ich cena od kilku lat jest stabilna – jej wahania mają charakter sezonowy. W wyniku spalania peletu i zrębki uzyskuje się także niewielką ilość popiołu, który stanowi doskonały nawóz dla rolnictwa lub ogrodnictwa. W Polsce obserwuje się stały wzrost produkcji peletu, głównie za sprawą otwierania kolejnych zakładów produkcyjnych lub zwiększania produkcji w zakładach istniejących. Równolegle następuje wzrost wykorzystania biopaliw do celów energetycznych, dzięki budowie nowych kotłowni na pelet i zrębki. Należy już teraz przygotować się na wzrost cen peletu, spowodowany wzrostem popularności kotłów na pelet oraz ograniczonymi możliwościami pozyskania biomasy pochodzenia drzewnego. Ograniczenia w zakresie pozyskiwania surowca drzewnego do produkcji peletu wynikają ze stosunkowo niskiego zalesienia obszaru Polski oraz dużego popytu na odpad drzewny ze strony przemysłu meblarskiego oraz energetyki zawodowej.

Należy więc rozważyć konieczność poszukiwania kolejnego źródła biomasy do celów energetycznych. Takim źródłem mogą być ziarna zbóż np. owsa. Istnieje wiele przesłanek przemawiających za tym rozwiązaniem. Znana i opanowana jest technologia produkcji i magazynowania, istnieje duży potencjał w zakresie areału do obsiania oraz infrastruktura produkcyjna w postaci magazynów, budynków oraz maszyn rolniczych. Spalanie ziaren owsa jest wygodnym i, wydaje się, ekologicznym sposobem produkcji energii cieplnej. Owies nie wymaga dobrej gleby do wzrostu, co stanowi jego przewagę nad innymi roślinami energetycznymi. Należy jednak dokonać badań w zakresie przydatności obecnie stosowanego owsa do celów energetycznych, trzeba liczyć się z koniecznością jego modyfikacji genetycznej. Wartość opałowa owsa, gęstość nasypowa oraz naturalny kąt zsypu są zbliżone do peletu, dlatego warto rozważyć możliwość wykorzystania istniejących kotłów na pelet (oraz inne biopaliwa stałe) do spalania owsa. Dokonane obserwacje powinny posłużyć za podstawę do zmian konstrukcyjnych adaptowanych jednostek.

Opis badanego kotła Badaniom poddano kocioł wodny niskotemperaturowy, opalany peletem z zasobnikiem paliwa o pojemności 300 l. Kocioł wykonany jest ze stali, jako spawany. Urządzenie pracuje w sposób automatyczny. Jedynymi czynnościami ręcznymi są załadunek paliwa do zbiornika paliwa przy kotle oraz usuwanie popiołu. Kocioł posiada sondę Lambda. Palnik kotła wyposażony jest w ruchomy ruszt z górnym zasypem paliwa. Paliwo do komory spalania podawane jest za pomocą podajnika ślimakowego ze zbiornika paliwa przy kotle. Ruch powietrza i spalin wymuszony jest przez wentylator zabudowany na wywiewie spalin. W kotle panuje podciśnienie. Zabudowany wentylator posiada płynną regulację wydajności, co pozwala na regulację mocy kotła w szerokim zakresie mocy grzewczej.

Konstrukcja palnika Ruszt palnika wykonany jest z żeliwa z podłużnymi otworami, którymi od dołu przepływa powietrze pierwotne. Ruszt palnika jest podparty jednostronnie za pomocą stalowego trzpienia w sposób obrotowy. Taka konstrukcja mocowania pozwalana na wykonanie ćwierć obrotu dla oczyszczenia palnika z zanieczyszczeń zbierających się na jego powierzchni podczas pracy. W trakcie normalnej pracy ruszt ustawiony jest poziomo, na jego powierzchni odbywa się spalanie paliwa, drobne cząstki popiołu zsypują się w dół szczelinowymi otworami poniżej do popielnika. Większe cząstki popiołu o wymiarach większych niż wymiar szczeliny, pozostają na jego powierzchni. W trakcie czyszczenia palnika, ruszt wykonuje ruch obrotowy względem osi trzpienia i przechodzi do pozycji pionowej, co powoduje opadanie resztek popiołu do popielnika poniżej. Dla skutecznego usunięcia szlaki i zapieczonego popiołu, poniżej mocowania rusztu zabudowane są blachy stalowe tworzące tzw. grzebień czyszczący ruszt. W pozycji pionowej rusztu, blachy grzebienia czyszczącego wypełniają podłużne otwory rusztu. W trakcie ruchu obrotowego rusztu z pozycji poziomej (normalnej pracy) do pionowej (czyszczenia), blachy grzebienia wypychają od dołu zanieczyszczenia w szczelinach oraz na powierzchni paleniska. Paliwo do komory spalania dozowane jest na ruszt poprzez podajnik ślimakowy.

Paliwo pobierane jest z zasobnika przy kotle za pomocą podajnika ślimakowego, podnoszone do górnej części kotła i zsypywane grawitacyjnie do komory spalania za pomocą rynny zsypowej. Takie rozwiązanie skutecznie chroni zasobnik paliwa przed ewentualnym cofaniem się płomienia z komory spalania ścieżką paliwową. Zsypujące się rynną paliwo zbiera się na ruszcie w dolnej części palnika.
Od dołu, podłużnymi otworami w ruszcie przepływa powietrze pierwotne do wstępnego spalenia paliwa. Powyżej rusztu, w części cylindrycznej palnika, znajdują się dysze powietrza wtórnego do dopalenia palnych składników w spalinach. W dolnej części palnika znajduje się dysza gorącego powietrza zasilana z zapalarki. Zapłon paliwa jest realizowany przy pomocy zapalarki elektrycznej, która nawiewa podgrzane powietrze wprost na paliwo znajdujące się na ruszcie, powodując jego samo zapłon w początkowej części pracy kotła. Ważną zaletą kotła z rusztem jest możliwość spalania różnorodnego rodzaju paliwa. Zastosowany sterownik pozwala na swobodne ustawianie w szerokim zakresie strumienia masowego paliwa, strumieni objętościowych powietrza dostarczanego do komory spalania, warunków temperaturowych w komorze spalania oraz zawartości tlenu w spalinach. Ograniczenie stanowi geometria cząstek paliwa. Paliwo musi być w formie rozdrobnionej, o wymiarach nie większych niż pelet o średnicy 8 mm oraz o wymiarach nie mniejszych od prześwitów w ruszcie palnika.

Spalanie owsa w kotle z rusztem Zanim rozpoczęto właściwe badania, dokonano sprawdzenia systemu doprowadzenia paliwa w nowych warunkach. Napełnienie zasobnika ziarnami owsa nie stwarzało żadnych problemów. Podajnik ślimakowy wznośny dozował do komory spalania owies swobodnie bez żadnych trudności. Podawany owies swobodnie osypywał się rynną zsypową do komory spalania. Pojawiły się natomiast problemy z rusztem (rys. 2), paliwo przelatywało przez szczeliny w ruszcie. Szerokość szczelin w ruszcie była zbyt duża w stosunku do wymiarów owsa. Aby można było kontynuować badania, należało zmienić konstrukcję rusztu w palniku. Dokonano modyfikacji rusztu wraz z grzebieniem czyszczącym. Ruszt po modyfikacjach zachował możliwość automatycznego czyszczenia popiołu oraz gwarantował trwałość w wysokich temperaturach.

Obserwacje Poddano sprawdzeniu moc kotła w różnych warunkach zasilania w powietrze. System grzewczy kotła został uzbrojony w ciepłomierz firmy. Pierwszą próbę dokonano przy 50% wydajności strumienia powietrza wentylacyjnego, drugą próbę dokonano przy wydajności 70%. W pierwszym przypadku uzyskano moc grzewczą 14 kW, w drugim 18 kW. Nie udało się w sposób ciągły i stabilny uzyskać większej mocy kotła ze względu na zdmuchiwanie płomienia oraz porywanie nasion owsa przez przepływające powietrze przy większej wydajności wentylatora. Problemem, który pojawił się przy próbie spalania owsa, było rozpalenie paliwa. Gdy ilość dostarczonego paliwa pokryła powierzchnię rusztu i pojawiła się warstwa paliwa o grubości kilkunastu milimetrów, która pokryła dyszę zapalarki, następowało zgazowanie i gwałtowny zapłon. Skuteczne rozpalenie kotła następowało przy wykorzystaniu peletu. Kolejnym problemem było zdmuchiwanie płomienia, gdy wydajność wentylatora przekroczyła 70% wydajności nominalnej wentylatora. W trakcie spalania owsa pojawiły się problemy z porywaniem cząstek paliwa niedopalonego. Były one szczególnie uciążliwe przy pracy kotła, przy większej wydajności wentylatora. W trakcie spalanie owsa następowało jego gwałtowne zgazowanie, pozostałości w postaci lekkich łusek o wymiarach ziarna były porywane przez spaliny i po przejściu przez wymiennik ciepła wytrącały się w szufladzie popielnika pod wymiennikiem ciepła. Część łusek w dolnej części rusztu sklejała się ze sobą, tworząc porowatą strukturę, pokrywającą dolną część palnika ze zgazowanego owsa, która utrudniała pracę kotła. Ważnym problemem podczas spalania owsa była wysoka zawartość NOx w spalinach, bez względu na temperaturę w komorze spalania. Źródłem tlenków azotu był azot związany chemicznie w ziarnie. Zmniejszenia emisyjności spalin należy szukać w niskobiałkowych odmianach owsa modyfikowanego np. genetycznie.

Wnioski Pomimo podobieństw owsa do peletu, jako paliwa, występują zasadnicze różnice pomiędzy tymi biopaliwami. Różnice te nie pozwalają na samą zmianę paliwa. Zasadnicza odmienność leży w dynamice zgazowania i spalania. Owies podlega zgazowaniu i spaleniu z dużo większą dynamiką niż pelet. W przypadku owsa występuje brak przekazania płomienia pomiędzy ziarnami. Poczynione obserwacje wskazują, iż spalanie owsa może być efektywne w kotłach o innej konstrukcji palnika.
Grzegorz Ojczyk
Rys. Przekrój kotła. Fot. Ruszt kotła
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf



Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij