Projektovanje Termotehnickih i Procesnih Postrojenja

Univerzitet u Novom Sadu Tehnički fakultet ,,Mihajlo Pupin’’ Zrenjanin

SEMINARSKI RAD

-BIOMASAPROJEKTOVANJE TERMOTEHNIČKIH I PROCESNIH POSTROJENJA

Profesor: Dragiša Tolmač

Student: Petar Pejčić II 74/11 Industrijsko inženjerstvo

Zrenjanin, 2012.godina 1

SADRŽAJ UVOD

...

2

1.TERMOENERGETSKA POSTROJENJA NA BIOMASU

...

3

2.PREDNOSTI I NEDOSTACI BIOMASE 3.BIOMASA U ENERGETICI

...

9

...

11

4.POSTROJENJA ZA PROIZVODNJU BIOMASE

...

12

4.1 Tehnološki postupak briketiranja biomase

...

12

4.2 Pogon za proizvodnju biomase „VICTORIA GROUP“ u Zrenjaninu

...

14

5. KOTLOVI ZA SAGOREVANJE BIOMASE

...

18

LITERATURA

...

22

... ... ... ... ...

UVOD

2

Kada se govori o biomasi kao obnovljivom gorivu, podrazumeva se materija sačinjena od biljne mase u vidu proizvoda, nusproizvoda, otpada ili ostataka te biljne mase, definisano u tabeli 1. Prema agregatnom stanju, s uticajem na način energetskog korišćenja, biomasa se deli na čvrstu, tečnu i gasovitu. U čvrstu biomasu ubrajaju se ostaci ratarske proizvodnje, ostaci rezidbe iz voćarstva i vinogradarstva, ostaci šumarstva, biljna masa brzorastućih biljaka. U engleskom govornom području poznate pod nazivom Short Rotation Coppice (SRC), a pre svega brzorastućih šuma, deo selektovanog komunalnog otpada, ostaci iz drvoprerađivačke industrije, ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda i drugo. Pod tečnom biomasom podrazumevaju se tečna biogoriva – biljna ulja, transesterifikovana biljna ulja – biodizel i bioetanol. Gasovitu biomasu predstavlja biogas, koji može da se proizvede iz životinjskih ekskremenata ili energetskih biljaka (silaža trave i kukuruza), ali kao sirovina mogu da posluže i druge otpadne materije. Gasovitu, pa i tečnu, biomasu, predstavljaju i produkti gasifikacije, odnosno pirolize čvrste biomase. Direktiva 2001/77/EC daje definiciju biomase: Biomasa predstavlja biorazgradivi deo proizvoda, otpada i ostataka u poljoprivredi (uključujući biljne i životinjske supstance), u šumarstvu i pripadajućoj industriji, kao i biorazgradivi deo industrijskog i gradskog otpada. Ova definicija biomase koja je data u Direktivi na nivou je inicijalne definicije, očekujući da će zemlje članice za sebe definisati znatno preciznije šta se podrazumeva pod pojmom biomase. Takođe, ova direktiva preporučuje da se mešavina gradskog otpada ne podrazumeva pod pojmom "biomase" za potrebe ove direktive. S obzirom na postojanje vrlo velikog broja otpadnog materijala, koji u određenoj meri sadrži biomasu, ali pored biomase sadrži štetne i opasne materije, razvijene zemlje pod pojmom biomase uglavnom definišu gorivo koje se može smatrati kao čisto gorivo, bez štetnih i opasnih materija u sebi. Pod biomasom kao obnovljivim izvorom energije podrazumeva se obično materija sačinjena od biljne mase, uključujući i proizvode, nusproizvode, otpad i ostatke te biljne mase, ali bez štetnih i opasnih materija, koje se mogu naći u bojenim i na neki drugi način hemijski tretiranim drvetom, pri procesima u drvoprerađivačkoj industriji. Jedno prilično precizno definisanje, šta se pod biomasom kao obnovljivim izvorom energije podrazumeva, a šta ne, pripremila je Nemačka, u svom dokumentu BIOMASS Ordinance on Generation of Electricity from Biomass (Biomass Ordinance – Biomasse V) od juna 2001, tabela 1.

3

Tabela1: Opis materijala koji spadaju ili ne pod pojam "biomasa" u smislu korišćenja obnovljivih izvora energije

Vojvodina raspolaže relativno velikim potencijalima biomase, koja nastaje kao “višak” u primarnoj poljoprivrednoj proizvodnji. Ukupna produkcija biomase od jednogodišnjih poljoprivrednih kultura se u Srbiji kreće preko 12,5 miliona tona godišnje. Potencijali proizvedene biomase nekih “važnijih” kultura, njeni toplotni potencijali i mogućnost uštede tečnih goriva su prikazani u tabeli 2. Tabela 2.

Biomasa je deo zatvorenog ugljeničnog kruga. Ugljenik iz atmosfere se pohranjuje u biljke, prilikom spaljivanja ugljenik se ponovno oslobađa u atmosferu kao ugljen dioksid (CO2). Dok god se poštuje princip obnovljivog razvoja (zasadi se onoliko drveća koliko se poseče) ovaj oblik dobivanja energije nema značajnog uticaja na okolinu. Biomasa se smatra obnovljivim izvorom energije i često se naziva ugljenično neutralno gorivo, no ono ipak može doprineti globalnom zagrevanju. To se događa kad se poremeti ravnoteža sečenja i sađenja drveća, na primer kod krčenja šuma ili urbanizacije zelenih površina. Kada se biomasa koristi kao gorivo umesto fosilnih goriva ono ispušta jednaku količinu CO2 u atmosferu. Ugljenik iz biomasa koji sačinjava otprilike pedeset posto njene mase je već deo atmosferskog ugljeničnog kruga. Biomasa apsorbuje CO2 tokom svog životnog ciklusa te ga ispušta nazad u atmosferu kad se koristi za dobijanje energije. Kod fosilnih goriva je to drugačije jer se

4

kod njih ugljnik izdvaja iz dugotrajnih tankova, u kojem bi inače bio zauvek zarobljen, i ispušta u atmosferu.

Slika 1: kruženje ugljen dioksida

5

1.TERMOENERGETSKA POSTROJENJA NA BIOMASU Elektrane na biomasu i otpad. Svako termoenergetsko postrojenje sastoji se od 4 glavna dela: kotla, turbine, kondenzatora i pumpe. Kod elektrana na biomasu i otpad specifično je da kao gorivo u kotao ulazi biomasa i otpad. U kotlu se događa proces sagorevanja koji možemo podeliti na sagorevanje u fluidiziranom sloju i sagorevanje na rešetci. Postrojenja za sagorevanje biomase i otpada mogu sagoreti mnoga otpadna goriva. Tehnologija sagorevanjem pretvara biomasu u toplotnu energiju, a iz nje se pomoću određenih mašina pretvara u nekoliko oblika potrebne energije kao što su: električna energija, topli vazduh, topla voda i para. Postoji nekoliko tehnologija za sagorevanje, a to su: razna ložišta (u kojima se ujedno najednostavnije sagoreva), te posebno građeni parni kotlovi za sagorevanje biomase. Tehnologija sagorevanmja na rešetci. Sagorevanje se događa u kotlu u kojem je smeštena rešetka u na kojoj se nalazi biomasa i otpad koji se sagoreva. Sagorevanje na rešetci je stari proces sličan sagorevanju u fluidiziranom sloju uz razliku što fluidizirani sloj ima jednoliko i bolje sagorevanje. Za postrojenja male i srednje snage (tipično do 5 MW) sagorevanje goriva iz krute biomase provodi se najčešće na rešetci, koja omogućava mješanje goriva i kontrolisan dovod vazduha. Sagorevanje na rešetci je pouzdana i dokazana tehnologija, a razne izvedbe omogućuju relativno visok nivo kontrole i efikasnosti. Nedostatak sagorevanja na rešetci očitava se kod goriva nejednakog kvaliteta i s visokim udelom vlage, kod postizanja ravnojernog sagorevanja predstavlja poseban problem. Ravnomerno i potpuno sagorjevanje povećava efikasnost i smanjuje emisiju štetnih gasova. (postrojenje u kojem se rabi tehnologija izgaranja na rešetci). Postrojenje na slici je uobičajeno postrojenje koje se koristi sagorevanjem na rešetci. Postrojenje se sastoji od: Magacina goriva (1) gde gorivo dolazi kamionima u obliku otpada,drvnih otpada i sl. zatim se to gorivo kroz sistem za dostavu goriva (2) dovodi u prostor u kojem se nalazi rešetka (3). Ispod rešetke se dovodi vazduh za sagorevanje (8). Taj kiseonik se pomoću ventilatora dovodi ispod rešetke i tako pospješuje sagorevanje. Ispod rešetke se takođe nalazi vlažni sakupljač pepela (9). U njemu se nalazi voda koja služi da se pepeo, koji nastane kao otpad sagorevanjem hladi. Na rešetci se nalazi gorivo koje sagoreva u komori za sagorevanje (4). Prilikom sagorevanja oslobađaju se dimni gasovi. Dimni gasovi nastali sagorevanjem prolaze kroz isparivač (5). Tamo voda isparava s druge strane cjevi. U njemu voda isparava i odlazi u pregrejač vodene pare (6) a zatim odlazi u proces. Dimni gasovi odlaze u ekonomajzer (7). Pošto dimni gasovi dolaze vrući, a voda je hladna, u ovom delu gasne plinove hladimo,a vodu grejemo.Za okolinu je štetno da vrući gasovi odlaze u atmosferu, pa na ovaj način čuvamo okolinu i vršimo energetsku racionalizaciju postrojenja. Nakon toga dimni gasovi prolaze kroz ciklon (10). On odvaja krupne krute čestice iz dimnih gasova. Zatim dimni gasovi odlaze u prostor s filterima (11) gde se izdvajaju sitne krute čestice filtriraju. To se radi zbog sprečavanja odlaska prljavštine u atmosferu. Nakon pročišćavanja ostatak izlazi kroz dimnjak (12) u okolinu. Sagorevanje u fluidiziranom sloju pretvara biomasu u vreli granulirani sloj na pesku. Ubrizgavanje kiseonika u taj sloj stvara turbulencije vazduha koje pogoduju procesu sagorevanja biomase. Naime, tako stvorene turbulencije dolaze u potpuni kontakt s gorivom pospešujući njegovo potpuno sagorevanje. Na ovaj način se kontroliše razvijanje toplote i omogućava da temperature procesa budu ispod 972 °C reducirajući emisiju kiseoničnog monoksida. Kotlovi u kojima se koristi fluidizirani sloj mogu koristiti goriva sa visokom koncentracijom pepela, niskokalorična goriva kao što su ostaci poljoprivredne proizvodnje, 6

otpadci od sječe šuma. Ova tehnologija u odnosu na izgaranje na rešetci pruža znatno veću

Slika 2:Postrojenje u kojem se koristi tehnologija sagorevanja na rešetci

fleksibilnost u pogledu zahteva na kvalitetu i vlažnosti goriva. Korišćenjem ove tehnologije, za goriva s visokim udelom vlage i neujednačene kvalitete moguće je postizanje efikasnosti kotla i do 90% uz znatno smanjenje štetnih emisija. Osnovni nedostatak je visoka cena, pa se ovi sistemi koriste obično za postrojenja veća od 5MW

Slika 3.Postrojenje u kojem se upotrebljava fluidizirani sloj kao tehnika sagorevanja

7

Slika 4.Korišćenje briketirane drvene mase u proizvodnji toplotne energije

1 - cevi s vodom 2 - magacin peleta 3 - pužni vijak za transport peleta do ložišta 4 - ložište 5 - odeljak za pepeo 6 - otvor za izlaz dimnih plinova 7 - otvor za punjenje magacina peletima 8 - dugme za pokretanje rada

Slika 5.Princip rada termoelektrane - toplane na slamu (u Danskoj)

8

Prethodno osušena slama se sprema u skladištu slame odakle se transportuje do seckalice slame gde se bale sena usitnjavaju, te se usitnjeno seno odvodi u komoru za sagorevanje koja ima vibraciono ložište koje omogučava bolje sagorevanje . Dimni gasovi nastali sagorevanjem slame prenose toplotu na cevi kroz koje struji voda te usled toga nastaje para koja odlazi u parnu turbinu, gde se okretaji parne turbine prenose na generator koji proizvodi električnu energiju. Para iz turbine odlazi u konderzator gde se ponovo ukapljuje te se opet vraća u kotao pa opet u turbinu čime se stvara zatvoreni kružni proces. Konderzator je hlađen vodom koja se usled zagrejavanja kod konderzatora koristi za grejanje. Tehnologije za pretvaranje biomase u energiju Primarne tehnologije: - termohemijska pretvaranja - biohemijske pretvaranja Sekundarne tehnologije: - Parna i plinska turbina - Motor s unutrašnjim sagorevanjem - Stirling motori - Gorive ćelije Proces sagorevanja 1) Zagrejavanje i sušenje 2) Destilacija (isparavanje) sastojaka – piroliza 3) Sagorevanje sastojaka 4) Sagorevanje čvrstog ugljenika

Načini sagorevanja biomase

Slika 6.Sagorevanje

•

Rasplinjavanje je termohemijska pretvorba na visokoj temperaturi (i do 1400 °C) uz ograničen dovod kiseonika a provodi se zbog toga da se poveća efikasnost proizvodnje.

•

Piroliza je razlaganje supstance pod uticajem visoke temperature bez uticaja drugih agenasa (oksidacijskih ili redukcijskih sredstava). Najčešće se pirolizom složena hemijska jedinka raspadaju na jednostavnije jedinke

•

Oksidacija i redukcija su kemijske reakcije pri kojima tvar što se oksidira (otpušta)elektrone, a stvar koja se reducira (prima) elektrone. 9

2.PREDNOSTI I NEDOSTACI BIOMASE Biomasa je organska materija životinjskog ili biljnog porekla koja se pomoću različitih procesa pretvara u upotrebljivu energiju. Energija biljnog porekla predstavlja, procesom fotosinteze akumuliranu svetlosnu energiju kojom se svetlost transformisala u hemijsku energiju. U toku fotosinteze biljke koriste ugljen dioksid iz vazduha i vode u cilju stvaranja ugljenih hidrata, koji predstavljaju osnovne gradivne elemente biomase. Na ovaj način se svetlosna odnosno sunčeva energija akumulira u hemijskim vezama strukturnih komponenti biomase. Ova energije može se eksploatisati na razne načine. Sa druge strane, osnovni izvor biomase životinjskog porekla je prirodni tečni stajnjak. Upotreba biomase ili goriva i otpadnih materija dobijenih iz biomase kao izvora energije zahteva njihovo sagorevanje i oslobađanje toplote koja pokreće generatore električne energije. Energija akumulirana u biomasi je hemijske prirode pa u njenoj eksploataciji nema prekida rada, kao što je to slučaj sa solarnom ili energijom vetra. Sa ovog aspekta, biomasa ima više karakteristika fosilnih goriva nego obnovljivih izvora, sa razumljivim razlogom jer su fosilna goriva ustvari fosilni oblik biomase. Istorijski gledano, biomasa je bila osnovni izvor energije za čovečanstvo, uglavnom u obliku drveta koje se koristilo za grejanje i spremanje hrane, dok su industrijskom revolucijom primat preuzela fosilna goriva. I pored toga biomasa danas učestvuje sa 15% u ukupnoj potrošnji energije, a značajno je da je ovaj udeo znatno veći u zemljama u razvoju nego u industrijalizovanim zemljama. Jedan od najbitnijih faktora koji određuju potencijalnu ulogu biomase u energetskoj industriji, predstavlja jaka konkurencija koja postoji između vrednosti biomase i zemljišta neophodnog za njen uzgoj, što nije slučaj sa ostalim obnovljivim izvorima. Biomasa može da se koristi kao hrana, đubrivo, za proizvodnju papirnih vlakana i kao gorivo. Čak i među derivatima biomase postoji konkurencija koja može da smanji njen značaj kao potencijalno gorivo: stajnjak je važno đubrivo, papir može da se reciklira, ljuspice pamuka mogu da se koriste u naftnim bušotinama, piljevina može da se koristi kao zaštitini sloj plodnog zemljišta, a otpadne masti iz restorana kao hrana za domaće životinje. Iako mnogi stručnjaci smatraju da biomasa može da se uzgaja isključivo za energetske potrebe, njihova dvostruka ili višestruka uloga se ne može zanemariti uključujući i ulogu sekundarnih proizvoda žetve. Osnovni aspekt pri korišćenju biomase treba da bude održivost korišćenja. Održivost korišćenja pre svega podrazumeva da količina biomase koja se koristi za dobijanje raznih vrsta energije uvek bude manja ili jednaka prirastu količine biomase. Kada se govori o poljoprivrednim kulturama, održivost korišćenja biomase treba da podrazumeva plansko i redovno vraćanje odrenene količine organske materije - biomase (oko 30%) u zemlju u vidu zaoravanja, jer se time održava ravnoteža i postiže se veća plodnost zemljišta. Potreba vraćanja minerala u tlo za šumsku biomasu podrazumeva ostavljanje izvesne količine materije (najčeše lišća ili iglica ako je reč o četinarskim šumama) u šumskom tlu. Takođe, održivost korišćenja šumske biomase podrazumeva dugoročna planiranja u pogledu pošumljavanja i eksploatacije šumske biomase. Od svih goriva koja su danas u upotrebi jedino biogorivo zadovoljava kriterijum zatvorenog sistema (bar u pogledu stvaranja ugljen - dioksida i čvrstih materijalnih produkata sagorevanja). Ulaz u proces sagorevanja predstavlja biomasa kao gorivo, i vazduh (odnosno kiseonik). Izlaz iz njega čine: dobijena energija, pepeo i gasoviti produkti sagorevanja sa ugljen-dioksidom kao glavnim predstavnikom. Živi biljni svet procesom fotosinteze vezuje taj ugljen-dioksid i uz pomoć sunčeve energije izgranuje svoju masu. Čvrsti materijalni ostatak - pepeo, takođe, kao đubrivo učestvuje u izgradnji nove biljne mase. Na taj način se vrši recikliranje ugljen - dioksida i čvrstih produkata u 10

prirodi tako da se pritom ne remeti postojeća ravnoteža, a za sistem se kaže da je zatvoren. Postoji mnoštvo aspekata sa privrednog i ekološkog stanovišta koji pokazuju opravdanost primene i korišćenja biomase kao energenta. Ekološki aspekti korišćenja biomase: •

biorazgradivost biomase u tlu je izvrsna jer gotovo 95% materije biomase se razgradi za 28 dana.

•

biogoriva sadrže neznatne količine sumpora pa u produktima nema sumpor dioksida (to je neizbežan produkt sagorevanja fosilnih goriva)

•

prilikom sagorevanja biomase dobija se tzv. čisti pepeo

•

nema emisije ugljovodonika, kao nepotpunih produkata sagorevanja

•

u potpunosti je biomasa obnovljiv izvor energije

•

sva ta biomase već postoji na planeti Zemlji i nije je potrebno stvarati , već je treba samo planski iskoristiti, i pomoći joj u regeneraciji.

Iz ovih razloga biomasa, pored drugih obnovljivih izvora energije (vetra, vode i solarne energije), dobija na značaju kao resurs za dobijanje "čiste energije". Privredni aspekti korišećenja biomase: •

prevencija erozije

•

smanjenje opasnosti od požara

•

zaštita životinjskog i biljnog sveta i drugih komponenti njihovih raznolikosti

•

manja emisija štetnih materija iz generatora električne energije koji koriste biomasu kao gorivo, u poređenju sa sličnim tehnologijama koje koriste fosilna goriva

•

Redukcija gasova koji proizvode efekat staklene bašte

•

Otvaranje novih radnih mesta

•

Ekonomske koristi u ruralnim sredinama

Međutim, i pored mnogih prednosti koje poseduje biomasa kao izvor energije u eksploataciji biomase postoje i određene nepogodnosti za primenu. Neka od njih su: •

manipulacioni i ekonomski problemi sa sakupljanjem, pakovanjem i skladištenjem biomase

•

periodičnost nastanka biomase

•

mala zapreminska masa i toplotna moć biomase svedena na jedinicu zapremine

•

razuđenost u prostoru

•

nepovoljan oblik i visoka vlažnost biomase 11

•

visoke investicije za postrojenja za preradu, pripremu, sagorevanje biomase, itd.

3.BIOMASA U ENERGETICI Tehnički iskoristiv potencijal obnovljivih izvora energije u Srbiji procenjen je na 3,83 miliona tona ekvivalentne nafte godišnje. Od toga dominantno mesto zauzima potencijal biomase (62,7% odsto ili 2,4 miliona tona ekvivalentne nafte godišnje), a od toga oko 1,4 miliona tona ekvivalentne nafte od poljoprivredne biomase, i 1 milion od šumske biomase. Biogorivo se deli na: čvrsto biogorivo - slama od žitarica i uljarica, kukuruzovina, oklasak (kočanka), stabljike sirka, ljuske od semena suncokreta, glave i stabljike suncokreta, stabljike ricinusa, ostaci od stabljike konoplje (pozder), lana, hmelja i duvana, stabljike semenske šećerne repe, stabljike pasulja, otpaci od zrna žitarica i uljarica nastali u postupku čišćenja zrna, koštice i ljuske voća, grane od orezanih stabala voća i vinove loze, i dr. teĉno biogorivo - sirovo deguminizirano ulje od uljane repice (soje ili eventualno suncokreta), metil-estar ulja od uljane repice (biodizel gorivo), mešavina benzina i alkohola (metil ili etil alkohol) i specijalna vrsta biogoriva dobijena iz alkohola (metanol ili etanol). gasovita biogoriva - biogas dobijen nepotpunim sagorevanjem biomase (čvrstog biogoriva) i biogas dobijen anaerobnom fermentacijom biomase (otpadne organske materije). Dakle, kao potencijalna goriva za nas su, pre svega, najznačajniji poljoprivredni ostaci jer se javljaju u velikim količinama pri proizvodnji i preradi žitarica, kao i u voćarstvu i vinogradarstvu. Za otpatke biomase je karakteristično da su kabasti i imaju malu nasipnu gustinu pa zauzimaju veliku zapreminu prilikom skladištenja. Komadi otpadaka biomase su najčešće nepravilnog oblika, osim kada su u pitanju koštice voća (višnje, trešnje, šljive i dr.). U cilju lakšeg prikupljanja, skladištenja i eksploatacije biomase najčešće se vrši baliranje, briketiranje i sl. Tako se mogu razlikovati: bale konvencionalnog oblika (400 x 500 x 800 mm), valjkaste (f1800 x 1200 mm) i velike četvrtaste (800 - 1200 x 700 x 1500 - 2500 mm). Sabijanje izvode poljoprivredne mašine koje mogu biti samohodne i vučne, a vezivanje se, osim u slučaju valjkastih bala, gde je moguće koristiti mrežu, obavlja uglavnom sintetičkim vezivom. Time se značajno povećava skladišna gustina i gustina energije po m3, a isto tako i olakšava manipulisanje prilikom doziranja u ložište. Tabela 3. Opseg mogućih vrednosti fizičkih osobina biomase.

Toplotna moć

5 – 20 MJ/kg zavisno od vlage 12

Gustina Nasipna gustina Toplotna moć po m3 Sadržaj vlage Sadržaj pepela Sadržaj gorivih, isparljivih materija Temperature sinterovanja pepela

400 – 900 kg/m3 40 – 600 kg/m3 0,7 – 12 MJ/m3 8 – 50 % 1 – 10 % 50 – 70 % 800 – 1100 °C

4.POSTROJENJA ZA PROIZVODNJU BIOMASE Brikete se mogu proizvoditi uglavnom na dve vrste presa: mehaničke (stacionarne), kapaciteta 250 do 1.500 kg/h i hidraulične (stacionarne, mobilne ili pokretne), kapaciteta 50 do 200 kg/h (Zubac, 1996). Mehaničke prese zahtevaju instalisanu snagu od 20 do 60 kW, smeštaj u zatvoreni prostor veličine 5x10 do 20x70 m i zahtevaju čvrste temelje. Hidraulične prese su mnogo fleksibilnije, imaju znatno manji zahtev za energijom (6 – 10 kW), zahtevajumali nadkriveni prostor 5x5 m i ne moraju se učvrstiti za podlogu. Značajna novina je što hidraulične prese mogu da se postave na jedinstvenu pokretnu platformu, zajedno sa seckalicom i sušarom (dehidratorom). Tako može da se formira mobilni agregat, koji može da se priključi na električnu mrežu snage 20 kW ili da se pokreće kardanskim vratilom traktora. Mobilni agregat može da priđe stogu ili kamari biljnih ostataka u ekonomskom dvorištu ili na samoj njivi.

Slika. 7 Šema postrojenja za briketiranje biomase

(1-prijemni koš, 2-trakasti transporter, 3-procesor za usitnjavanje, 4-transportni ventilator, 5-cikloni, 6-binovi, 7-izuzimači, 8-trakasti transporter, 9-dehidrator, 10transporter, 11-mlin čekićar, 12-transportni ventilator, 13-ciklon, 14-bin, 15-izuzimač, 16-pužni transporter, 17-prijemni koš, 18-dozator, 19-briket presa, 20-otvorena cev za hlađenje briketa, 21-sto za prihvat briketa, 22-pakerica sa termotunelom za lepljenje termo skupljajuće folije i 23-vaga) 4.1 Tehnološki postupak briketiranja biomase Brikete se formiraju presovanjem usitnjenih čestica lignoceluloznog materijala bez vezivnog sredstva pod određenim uslovima: visok pritisak, povišena temperatura i optimalni sadržaj vlage u materijalu. Udarni pritisak klipa prese iznosi 210 bar-a .Pri presovanju biološkog materijala zapremina se smanjuje oko 10 puta, pri čemu se postiže

13

zapreminska masa briketa 800-1.200 kg/m3. Temperatura alata prese iznosi 90oC. Kompaktnost i zbijenost usitnjenih čestica u briketu obezbeđuje se bez vezivnog sredstva termoplastičnim slepljivanjem čestica biljnog materijala. Osim odgovarajuće granulacije (usitnjenosti) polaznog materijala (do 3 mm), pri presovanju biomase značajnu ulogu ima i sadržaj vlage u materijalu. Optimalni sadržaj vlage je oko 15%. Sadržaj pepela posle sagorevanja energetskog briketa iznosi 1 do 9%, sumpora ima u tragovima, a toplotna vrednost briketiranog materijala je 16 do 18,5 MJ/kg. Oblik briketa je valjkast. Prečnik briketa može biti od 25 do 90 mm, a dužina promenljiva. Brikete se obično pakuju u termoskupljajuću foliju, kartonske kutije, papirne ili plastične vreće. Tehnološki postupak briketiranja usitnjenog lignoceluloznog materijala zasniva se na visokom pritisku u alatu prese 150 do 200 bar-a, koji biomasu pretvara u brikete kompaktne forme velike zapreminske mase .Usled dejstva visokog pritiska na biomasu nastaje trenje čestica materijala, što izaziva povišenu temperaturu materijala 70 do 90oC. Na povišenoj temperaturi dolazi do termoplastičnih deformacija lignoceluloznog materijala i njegovog povezivanja bez dodatka vezivnih sredstava. Da bisebiomasamoglapretvoritiu trajnu čvrstu formu potrebno je obezbediti da sadržaj vlage bude 10 do 18% (maksimalno do 25%) i granulaciju (usitnjenost) materijala maksimalno do 10 mm. Zbog toga za obezbeđenje ovih uslova potrebno je biomasu dosušiti, a ponekad i osušiti. Brikete su kalorično biogorivo, jer imaju donju toplotnu moć 15 do 18 MJ/kg. Pri potpunom sagorevanju briketa izdvaja se 0,5 do 7% pepela, ne oslobađaju se sumporni oksidi i ne zagađuje se okolna sredina. Zbog toga se može reći da su energetske brikete ekološko gorivo. Briketirani poljoprivredni ostaci mogu se usmeriti ka proizvodnji stočne hrane za ishranu krupnih i sitnih preživara. Brikete mogu biti kružnog ili pravougaonog oblika minimalne dužine 50 mm. Briketiranjem se zapremina biomase smanjuje 7 do 12 puta i dobija se zapreminska masa briketa 1,0 do 1,4 kg/dm3. Brikete se pakuju u kartonske kutije po 10 kg, natron i PVC vreće od 25 – 40 kg ili u termoprijanjajuću plastičnu foliju. Pakovanje briketa je neophodno zbog izrazite higroskopnosti sabijenog materijala. Masa palete sa upakovanim briketama je cca1.000kg, a deklariše se sa JUSD.B9.021standardom. Dosadašnji klasični način briketiranja biomase, prema Radovanoviću (1995), zasniva se na sledećem: materijal za briketiranje mora biti prethodno dobro usitnjen (čestice drvne mase trebaju da budu manje od 5 mm), sadržaj vlage u briketiranom materijalu treba da se nalazi u granicama 8-12%, sušenje vlažnog materijala postiže se zagrevanjem usitnjene drvne mase uvazdušnoj struji temperature 200 do 300oC. Drvna masa se zagreva na temperaturu 60 do 80oC u toku samog procesa presovanja. U kontaktu briketa sa vodom ili vlagom dolazi dobubrenja briketa. Da bi se dobile brikete odgovarajuće kompaktnosti i čvrstoće presuju se visokim pritiskom 10 do 15 MPa (100 do 150 bar-a). Zapreminska masa briketa nalazi se u granicama 1.100 do 1.400 kg/m3 (tzv. teški briketi). Brikete od pšenične slame izrađuju se prečnika 35 do 60 mm i dužine 80 do 120 mm(Tešić, 1983). Masa jednog briketa od slame može da bude 0,04 do 0,15 kg, pri sadržaju vlage 15 – 20%. Zapreminska masa briketa iznosi 700 do 900 kg/m3, a u nasipu 300 do 400 kg/m3. Klipne prese za briketiranje biljnog materijala postižu najveće pritiske. Zapreminska masa briketa može da dostigne vrednost 1.000 do 1.400 kg/m3 (Mitrović, 1990). Međutim, slabim odvođenjem toplote pri briketiranju materijala zapreminska masa briketa smanjuje se na 700 do 800 kg/m3. Pužne prese se koriste za presovanje vlažnih materijala. Na primer, brikete proizvedene od pšenične slame na klipnoj presi „UNISIgman” iz Konjica, koja je bila instalirana u Banatskom Karađorđevu, imale su sledeće karakteristike: valjkast oblik, prečnik94,1 mm i dužina 253 mm. Zapreminska masa bila je 776 kg/m3, a sadržaj vlage iznosio je 11,06%. Sadržaj vlage u briketu bio je 7,52%, a

14

sumpora 0,2%. Donja toplotna moć briketa bila je 14.910 kJ/kg. Za proizvodnju briketa prečnika preko 50 mm, pogodne su klipne prese, kao i prese sa spiralom (pužem), koje mogu da ostvare odgovarajući normalni pritisak na presovani materijal. Brikete mogu biti dužine 200 do 300 mm ili kobsovi valjkastog oblika dužine 200 do 250 mm, odnosno kobsovi paralelopipednog oblika (oblik opeke dimenzija 150x150x300 mm), Stanković (1995). Za izradu valjkastih kobsova biomasa se po pravilu sitni postupkom čijanja, a kasnije se uvalja na presama sa radijalnim pritiskom pomoću četiri glatka valjka. Kao vezivno sredstvo primenjuje se raspršena melasa. Optimalni tehnološki postupak za formiranje kvalitetnih energetskih briketa uslovljen je vrstom materijala, kvaltetom usitnjenosti i sadržajem vlažnosti materijala. Ovaj postupak je veoma složen i skup zbog toga što se upotrebljava lepilo, kao vezivno sredstvo za slepljivanje usitnjenih čestica. Sredstvo za lepljenje učestvovalo je sa 74% (Ostojić, 1996) u ceni troškova briketiranja. To su razlozi zbog čega su mnogi vlasnici briketirnica odustali od ovog načina proizvodnje briketa. Proizvodnja briketa bez učešća vezivnih sredstava (lepila) bitno doprinosi pojeftinjenju procesa prizvodnje i poboljšanju njegove ekološke vrednosti. Takođe, učešće sumpora je zanemarljivo (6 puta manje od uglja), količina pepela je 2 do 7 puta manja u odnosu na ugalj i sadržaj vlage je 2 do 5 puta manji nego uuglju. Za kvalitetno briketiranje biomase optimalni sadržaj vlage u biljnom materijalu treba da iznosi od 14 do 18%. Pri manjem i većem sadržaju vlage oblik briketa nije postojan. 4.2 Pogon za proizvodnju biomase „VICTORIA GROUP“ u Zrenjaninu U pogonima bivše fabrike za proizvodnju šećera ove godine je izgrađen pogon za proizvodnju biomase. Biomasa koja se konkretno koristi u ovom slučaju je biljni ostatak pšenice „slama“. Instalisana oprema je kupljena od firme “FEED TECH” iz Beograda koja je zastupnik poznatog svetskog proizvođača procesne opreme “MUYANG” iz Kine. Na slici 8 prikazan je tehnološki dijagram odnosno dijagram tokova. Na dijagramu možemo primetiti da imamo dva čekićara jedan za krupnije mlevenje drugi za sitnije i dve peletirke za proizvodnju finalnog proizvoda, peleta biomase .

15

N

Slika 8. dijagram tokova

U narednih nekoliko strana biće predstavljena oprema koja je instalisana u pogonu.

Slika 9. Macro i Micro čekićari Ovaj uređaj služi za usitnjavanje- mlevenje sirovine na određenu granulaciju, koja zavisi od postavljenog sita koje se nalazi u uređaju.

2

Slika 10 Peletirka za biomasu

Na slici 10 je prikazana peletirka sa predviđenim kapacitetom 5t/h. U pogonu su instalirane dve ovakve mašine.

Slika 11. Hladnjak i vibro sito

Na slici 11 je prikazan uređaj koji služi za hlađenje gotovog proizvoda i odvajanje prosejavanje granule finalnog proizvoda.

3

5. KOTLOVI ZA SAGOREVANJE BIOMASE Pri organizaciji sagorevanja biomase je potrebno najpre razmotriti neke njene osobine koje zahtevaju specifičnu pažnju i odgovarajuća tehnička rešenja. S obzirom da je po toplotnoj moći biomasa, zavisno od vrste i pre svega od vlažnosti, bliska lignitima i mrkim ugljevima, s druge strane se veoma razlikuje po nizu specifičnih osobina kao {to su velika vlažnost, raznolikost geometrijskog oblika, velika količina volatila, lako topivi pepeo, struktura. Velika količina gorivih isparivih materija zahteva specijalna tehnička rešenja pri sagorevanju imože da izazove visoke temperature u ložištu kao i nepotpuno sagorevanje, ako se ne obezbedi dobro mešanje sa vazduhom. Pored toga moguća je visoka emisija gasova jedinjenja, kao i tolopženje pepela i njegovog lepljenja na zidovima kanala, konvektivnim površinama i dimnim kanalima. Generalno posmatrano tehnologije sagorevanja biomase mogu se razvrstati na sledeće [3]: sagorevanje u sloju, na rešetki, sagorevanje u fluidizovanom sloju (u mehurastom ili cirkulacionom) i sagorevawe u letu. Među najčešće greške u konstrukciji postrojenja javljaju se: mala zapremina prostora za sagorevanje biomase, loše konstruisani razmenivači toplote, nedovodno i loše raspoređeno dovlačenje vazduha za sagorevanje, složeno rukovanje, nedostatak merno-regulacionih uređaja i drugo [4]. Da bi se ovakvi i slični problemi izbegli mnogi autori ističu određene preporuke pri konstruisanju kotlova male snage za sagorevawe balirane biomase koje se ogledaju u sledećem [5]: • dobra izolovanost ložišta, • efikasno snabdevanje vazduhom u ložištu, • dobro dimenzionisan razmenjivač toplote, i • adekvatno automatsko upravljanje procesom sagorevanja. Da bi postigli {to potpunije sagorevawe (niska emisija CO u produktima sagorevanja), temperatura sagorevanja mora biti dovoljno visoka (oko 800 °C, viša temperatura mogla bi da prouzrokuje sinterovanje pepela), i potrebno je obezbediti dovoljno kiseonika, i što je veoma važno potrebno je obezbediti dobro mešanje vazduha i volatila iz biomase. Takođe ložište mora imati dovoljno veliku zapreminu. da bi bilo obezbeđeno da volatili provedu dovoqno vremena na visokoj temperature koja vlada u ložištu, pre nego što odu u razmenjivački deo kotla. To vreme zadržavanja najviše zavisi od kvaliteta mešanja, što znači kada je mešanje vazduha i volatila bolje kraće je vreme zadržavanja u ložištu, i obratno. Za automatski ložene kotlove to vreme boravka je kraće od 1 s, dok je kod ručno loženih kotlova nekoliko sekundi . Dobro izolovano ložište će onemogućiti nekontrolisano hlađenje, i na taj način će biti obezbeđeno da se održi željena vrednost temperature sagorevanja. Najčešće se preporučuje da ložište bude ozidano šamotnom opekom, a sa spoljašnje strane da bude izolovano materijalom otpornim na visoke temperature (npr. staklena vuna). Testiranja su pokazala da što je bolje izolovano ložište nema emisije ugljenmonoksida (CO). Svi moderni kotlovi za sagorevawe biomase predviđaju upotrebu ventilatora za snabdevanje vazduha potrebnog za sagorevanje. Takođe da bi se podstaklo mešanje volatila u ložištu sa vazduhom i na taj način poboljšalo sagorevanje, distributori vazduha trebali bi na svojim završecima da budu takve konstrukcije da stvore uslove za vrtložno strujanje. Pored toga veoma je bitno utvrditi da li je dovoljno ubacivati vazduh samo na jednom mestu u ložište ili je potrebno dodavati i sekundarni ili tercijarni vazduh. Regulaciju količine vazduha koji se ubacuje u ložište je najbolje obavljati 4

automatski, na osnovu sadržaja O2 u produktima sagorevanja, pomoću lambda sonde, kao i merenjem temperature dimnih gasova na izlazu iz ložišta. Da bi što veći deo toplote bio predat medijumu koji se greje (obično je to voda), potrebna je što veća površina za razmenu toplote. Takođe, da bi se intenziviralo turbulentno strujanje u cevima izmenjivača toplote mogu se napraviti ispupčenja, koja utiču na povećanje prenosa toplote sa dimnog gasa na vodu, a pri tom ne izazivaju začepqeljnjne cevi usled taloženja letećeg pepela. Pored ovih preporuka pri konstruisanju kotlova za sagorevanje balirane biomase potrebno je ista}i jo{ neke stvari koje bi mogle biti od koristi: ukoliko je moguće treba ostvariti automatsko dozirawe biomase, a takođe je preporučljivo instalirati rezervoar toplote, da bi na taj način kotao mogao nesmetano da radi sve vreme ustaqenom snagom . Domaće rešenje kotla Eksperimentalno postrojenje za sagorevanje balirane biomase iz poljoprivredne proizvodwe, snage 50 kW, izgra|eno je kod odabranog korisnika u mestu Stapar, blizu Sombora . U pomenutom kotlu se sagorevaju konvencionalne bale sojine slame, a sagorevanje je izvedeno po principu sagorevanja cigarete. • Snaga kotla 50 kW • Maksimalni radni pritisak 3 bar • Temperatura razvodne vode do 90 °C • Temperatura povratne vode do 70 °C • Temperatura produkata sagorevawa na izlazu 220 °C • Stepen korisnosti 73,33% • Gorivo balirana sojina slama • Balirana biomasa (3) ubacuje se kroz uvodnik (1) u ložšte (7) gde sagoreva na rešetki (10). Uvodnik balirane biomase snabdeven je poklopcem (2) da bi se sprečio usis spoljašnjeg vazduha kroz uvodnik, i da bi se obezbedili stabilni uslovi sagorevanja. Ložišni prostor je izrađen od šamotnog ozida (4) oko kojeg je postavljena toplotna izolacija (5) i zaštitni estetski lim. Prema prvobitnom rešenju svež vazduh se ubacivao preko dva kanala, i to primarni kroz kanal (8), i sekundarni vazduh kroz kanal (9), a oni su međusobno podeljeni pregradom (11). Pored pomenuta dva vazduha u kotao se uvodio i tercijarni vazduh (12) koji je prolazio između zidova kanala ovog vazduha (13) i na taj način se predgrevao. U zoni sagorevanja postavljena je pokretna šamotna ploča (6) kao regulator sagorevanja bala. U ložišni prostor sve` vazduh se ubacuje preko distributora (26) koji može da se pomera po dubini ložišta, a koji je povezan sa ventilatorom svežeg vazduha (27). Promenom položaja distributora svežeg vazduha reguliše se koji deo bale uđestvuje u sagorevanju te se na taj način, posredno reguliše i toplotna snaga kotla. U zoni (14) odvija se proces konačnog dogorevanja. Proizvedena toplota od

5

Slika 12. Šema eksperimentalnog kotla

sagorevawa balirane biomase razmenjuje se u razmenjivaču toplote gasovoda (15). Dimni gas prolazi kroz dimne cevi razmenjivača toplote (16) i ide u sabirnik izlaznih dimnih gasova (17). Preko dimnjaka (18) u kojoj je smešten leptirski zasun (19) dimni gasovi se vode u ciklonski separator čestica (29), odakle prečišćeni dimni gasovi pomožu ventilatoru dimnog gasa (28) (koji je specijalne konstrukcije sa ravnim lopaticama da bi se sprečilo lepljewe pepela) odlaze u dimnjak, i zatim se ispuštaju u okolnu atmosferu. Pepeo nastao u procesu sagorevanja balirane biomase sakuplja se u kolektoru pepela (20 i 21), u kolektoru pepela ispod izmenjivača toplote (22), kao i u bunkeru ciklonskog separatora čestica. U delu ložišta smeštena je pokretna uvodna cev za vazduh za trans port pepela (23), i cev za pneumotransport pepela (24). Predviđeni su i revizioni otvori za ručno čišćenje pepela. Da bi postrojenje radilo na određenoj nominalnoj ili ustaljenoj snazi napravljen je i ugrađen odgovarajući akumulator toplote (toplotni rezervoar) zapremine 5 m3 (sl. 2). Na taj način je obezbeđeno da bez obzira na trenutne potrebe za grejanjem zgrade, kotao uvek radi sa nominalnom snagom. U prelaznim periodima (proleće, jesen), na primer, potrebe za grejanjem najčešće iznose 20- 40% nazivne snage kotla, {to bi zna~ilo i znatno mawi stepen korisnosti postrojewa. Da bi se proizvedena toplota iz kotla (sl. 3) odvela do potrošača toplote, ali i u akumulator toplote (toplotni rezervoar), postavljen je razvodnik tople vode na izlazu iz kotla. Na ovaj način proizvedena topla voda iz kotla 6

može da se vodi direktno do potrošača ili direktno u akumulator toplote ili po potrebi topla voda iz akumulatora toplote može da se vodi do potrošača.

7

Literatura 1. Reknagel, Šprenger, Šramek, Čeperković: Grejanje i klimatizacija, Interklima, Vrnjačka Banja,1995. 2. Tolmač, D. :Mašine i Aparati, Tehnički fakultet ,,Mihajlo Pupin’’, Zrenjanin, 1988. 3. Tolmač, D.: Termotehnički i procesni sistemi, Tehnički fakultet ,,Mihajlo Pupin’’,Zrenjanin, 2001 4. Lambić M. : Termotehnika sa energetikom, Tehnički fakultet ,,Mihajlo Pupin’’,Zrenjanin, 1998 5. Bajčetić D. : Priručnik za lokalno odsisavanje u industrijskoj ventilaciji, Projektni biro “Janko Lisjak” Beograd, 1973

8