curs 3-4 conversie 2015

ENERGIE DIN BIOMASA

Biomasa contribuie cu 14% la consumul mondial de energie primara, iar pentru trei sferturi din populatia globului care traieste în tarile în curs de dezvoltare aceasta reprezinta cea mai importanta sursa de energie.

Agentia Internationala pentru Energie estimeaza ca în Europa, resursele de petrol se vor epuiza în 40 de ani, cele de gaze naturale în 60 de ani, iar cele de carbune în 200 de ani, lucru care s-ar traduce prin faptul ca, peste aproximativ 20 de ani, Europa va fi nevoita sa importe 70 la suta din necesarul de energie. Ca urmare a acestui fapt, statele uniunii au fost nevoite sa gaseasca surse regenerabile.

Uniunea Europeana îsi doreste ca, pâna în anul 2020, 20% din consumul de energie al statelor comunitare sa fie asigurat din surse regenerabile.

Biomasa prezinta multe avantaje ca sursa de energie. Ea poate fi folosita atat pentru producerea de electricitate si caldura cat si pentru producerea unei game largi de produse: combustibili lichizi pentru transport, combustibili solizi si gazosi si alte produse.

Biomasa ca materie prima se prezinta sub diverse forme, care se gasesc din abundenta in toate partile lumii inclusiv Europa. In ultimii ani s-au dezvoltat tehnologii avansate de conversie a biomasei in combustibili sau de ardere eficienta. Desigur, nu toate resursele de biomasa pot fi folosite in scopuri energetice.

Biomasa reprezinta in acelasi timp o sursa importanta de alimente, cherestea, hartie si cateva chimicale valoroase. Din acest motiv, folosirea in scopuri energetice trebuie integrata cu alte aplicatii prioritare.

ENERGIE DIN BIOMASA

Cultivarea biomasei este o activitate rurala, intensa, care poate duce la crearea de locuri de munca in zonele rurale si poate opri migratia de la sate la orase oferind in acelasi timp posibilitatea dezvoltarii altor industrii rurale.

Mai jos sunt date costurile viitoare estimate ale unui kWh produs prin diverse tehnologii inclusiv din biomasa.

POTENTIALUL GLOBAL DE BIOMASA Organismele de pe Terra participa în mod diferit la productia totala de biomasa. Bioproductivitatea

primara în apa marilor si oceanelor este datorata fitoplanctonului (în zona europeana, acesta este compus predominant din microalge si mai putin din macroalge) si plantelor superioare marine. Fitoplanctonul asigura o productivitate scazuta, în jur de 0,5 t/ha anual biomasa uscata, valori ce pot ajunge pâna la 0,8-3,0 t/ha anual în conditii favorabile.

În culturile artificiale de alge marine productivitatea poate urca pâna la 50 t/ha anual biomasa uscata, iar dupa unele surse, cea mai ridicata productie de biomasa a fost obtinuta experimental la alge - aproximativ 100 t/ha anual biomasa uscata.

Speciile vegetale terestre difera mult în privinta randamentului conversiei energiei solare si al productiei de biomasa. Potentialul acestor specii este evaluat în zona temperata, la 20-30 t/ha anual biomasa uscata. Fara îndoiala, productia de biomasa are valori scazute la plantele inferioare (de exemplu: licheni - 2-3 t/ha anual substanta uscata; muschi - 0,5-0,7 t/ha annual). Pajistile naturale produc în medie 4,5 t/ha anual biomasa uscata.

Dintre culturile agricole, culturile pentru boabe si cele furajere se caracterizeaza printr-un potential de 21-24 t/ha anual biomasa uscata; în exploatatiile agricole obisnuite aceste plante asigura, în medie, 5 t/ha anual boabe sau, respectiv, 12,5 t/ha anual biomasa uscata.

Culturile radacinoase si tuberculifere specifice zonei temperate - sfecla, cartoful, topinamburul - dispun de un potential productiv deosebit, ajungându-se la 20-30 t/ha anual biomasa uscata în conditii bune de cultivare.

La arbori, productivitatea primara este estimata în medie la 8,6 t/ha anual, speciile forestiere foioase (cu frunza cazatoare) din zona temperata pot produce circa 12 t/ha anual, iar coniferele 15-18 t/ha anual. În zona temperata, o padure de stejar sau de fag în vârsta de 120 de ani reprezinta o biomasa evaluata la 275 t/ha substanta uscata, prin comparatie cu padurile ecuatoriale care pot reprezenta o acumulare de peste 1000 t/ha.

BIOMASA IN ROMANIA

COMBUSTIA BIOMASEI

Combustia este cea mai raspândita tehnologie utilizata astazi pentru producerea de energie si caldura pornind de la biomasa. Combustia poate fi aplicata unei biomase cu un continut de maxim 60% apa.

Componentele din compozitia biomasei, în afara de C, O si H, sunt nedorite, deoarece ele sunt legate de poluarea mediului, coroziunea instalatiei, formarea de depozite si de cenusa. Cele mai relevante dintre acestea sunt azotul (sursa de NOx) si componentele cenusii (de ex. K si Cl ca sursa de KCl).

Lemnul brut este, în mod obisnuit, cel mai bun bio-combustibil pentru ardere, datorita continutului sau scazut în cenusa si azot.

Biomasa ierboasa, cum ar fi paiele, are un continut mai mare de N, S, K, Cl etc., substante care duc la emisii superioare de NOx si impuritati sub forma de suspensii în aer. Aceste impuritati cresc cantitatea de cenusa, coroziunea si depozitele din cazane. Din aceste motive, lemnul este adecvat pentru încalzirea gospodariilor, cât si a instalatiilor mai mari, iar biomasa ierboasa este utilizata numai în instalatii mai mari.

Lemnul este cel mai folosit biocombustibil solid. Materialul brut poate avea urmatoarele forme: busteni, butuci, tulpini, frunze si ace din padure, scoarta, rumegus, surcele si talas din industria lemnului si lemnul recuperat din constructii. Acestea pot fi folosite cand este posibil direct ca un combustibil, sau pot fi procesate in forme mai usor de transportat, stocat si ars cum ar fi: peletele, brichetele si praful de lemn.

COMBUSTIA BIOMASEI

Combustia biomasei este cea mai veche si utilizata tehnologie de obtinere a energiei. Eficienta de transformare in electricitate este de 20-25%.

Procesul de combustie a biomasei implică o serie de aspecte fizice si chimice de mare complexitate. Natura procesului de ardere depinde atât de proprietățile combustibilului și aplicatiile procesului de combustie. Procesul de combustie poate fi împărțit în mai multe etape: uscare, piroliză, gazeificare și ardere.

Biomasa poate fi arsa direct (asa cum este ars lemnul pentru incalzire sau incinerate deseurile) sau arsa simultan cu carbunele (co-ardere). Cazanele moderne sunt proiectate sa foloseasca co-arderea pentru a reduce emisiile de CO2.

In timpul arderii, o particula de biomasa trece prin mai multe faze, mai mult sau mai putin distincte. Mai intai are loc uscarea, pana la temperaturi de 100°C, apoi pe masura ce incalzirea continua, are loc piroliza si/sau gazeificarea, urmata de arderea propriu-zisa si lichefierea.

Umiditatea limita a biomasei pentru sustinerea arderii nu trebuie sa depaseasca 60% din masa.

COMBUSTIA BIOMASEI

Lemnul de foc este combustibil forestier in forma de tulpina de copac tratata sau nu. Pentru manipularea mai usoara, tulpinele sunt facute snopi prin presarea impreuna a ramurilor in snopi avand marimi egale, asemanatori unui bustean.

Peletele sunt produse prin maruntirea rumegusului, aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac si presarea prafului obtinut printr-o matrita. Caldura rezultata in urma frecarii este suficienta pentru inmuierea ligninei. Prin racire, lignina devine rigida si leaga materialul. Peletele au forma cilindrica sau sferica cu diametrul mai mic de 25 mm.

Brichetele au forma rectangulara sau cilindrica si sunt obtinute prin presarea impreuna a rumegusului, aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac intr-o presa cu piston sau surub. Continutul de energie al peletelor si brichetelor este de circa 17 GJ/tona cu un continut de umiditate de 10% si o densitate de circa 600-700kg/m3.

COMBUSTIA BIOMASEI

Aproximativ o jumătate dintr-un copac proaspăt taiat este apă. Cealaltă jumătate constă din material lemnos uscat din care aprox. 85% din care este format din materii volatile, 14,5% carbon solid și 0,5% din cenușă.

Când lemnul este ars, componentele sale se vor transforma în abur (H2O), dioxid de carbon (CO2), oxizi de azot (NOx), oxid de sulf (SO2) și cenușă. Lemnul nu are, practic, sulf deloc pondere acestuia în lemn este de max. 0,05%.

Proprietățile termice ale diferitilor combustibili depind de proporțiile elementelor pe care le conține. Carbonul și hidrogenul maresc puterea calorica, în timp ce o pondere mare de oxigen în lemn scade aceasta putere calorica. În comparație cu alti combustibili, lemnul are un continut redus de carbon (aproximativ 50% din substanța uscată) și un conținut ridicat de oxigen (aproximativ 40%), ceea ce conduce la o valoare destul de redusa a puterii calorice.

Principalele caracteristici tehnice dupa care se apreciaza calitatea biocombustibilului sunt:

-Continutul de carbon;

-Umiditatea

-Materiile volatile

-Cenusa

-Puterea calorica

COMBUSTIA BIOMASEI

Cenusa0.4-0.6%

Carbon fix11.4-15.6%→ CO2

Materii volatile 84-88%C 35.5% → CO, CO2

H 6-6.5%→ H2OO 38-42% N 0.1-0.5% → NOx

S max. 0.05% → SO2

Umiditate → H2O

Masa combustibila

Masa uscata

Masa initiala

- Materiile volatile (%) – reprezinta continutul de substante gazoase si lichide existente in biocombustibil si care se degaja la incalzirea acestuia la temperaturi inalte (850°C) in absenta aerului;

Dupa indepartarea materiilor volatile si a umiditatii din biocombustibil se obtine mangalul (K, %). Daca din mangal se indeparteaza si cenusa ramane carbonul fix. Materiile volatile impreuna cu carbonul fix reprezinta materialul combustibil al biomasei.

- Cenusa – este formata din oxizi metalici (Fe, Al, K) si dioxid de siliciu, care raman dupa arderea combustibilului.

COMBUSTIA BIOMASEI

Caracteristicile combustibililor masici obtinuti din biomasa si efectele lor mai importante

COMBUSTIA BIOMASEIPentru determinarea proprietăților combustibilului lemnos se utilizează două tipuri

de analiză.

•Analiza primara consta in determinarea conținutului de umiditate (ISO 331), conținutul de materii volatile (ISO 562), conținutul de cenușă (ISO 1171), precum și conținutul de carbon fix (ISO 609) a unui combustibil.

•Analiza finala este determinarea compoziției elementale a unui combustibil.

Compozitia biomasei in stare initiala si in stare uscata

Starea Compozitia

Initiala C + H + O + N + S + Cl + F + Br + A + W = 100%

Uscata C + H + O + N + S + Cl + F + Br + A = 100%

Uscata, fara cenusa C + H + O + N + S + Cl + F + Br = 100%

A – cenusaW - umiditate

COMBUSTIA BIOMASEI

Un mijloc util de comparare a biomasei si combustibililor fosili se bazeaza pe rapoartele lor O:C si H:C, cunoscut ca diagrama Van Krevlen. Cu cat sunt mai mici rapoartele respective, cu atat este mai mare continutul de energie al materiei respective.

Diagrama Van Krevelen pentru diferiti combustibili fosili

SISTEME DE COMBUSTIE A BIOMASEI

Compozitia biomasei (%) comparativ cu combustibili fosili

Denumire Compozitie elementara Cenusa Materii volatile

Carbon fixC H O N S

Lemn de brad 49.0 6.0 44.8 0.05 0.01 0.3 83.2 16.6Coaja de brad 56.2 5.9 36.7 0.0 0.0 1.2 73.0 25.8Coaja de pin 56.3 5.6 37.7 0.0 0.0 0.4 54.7 33.9Rumegus de lemn 49.2 6.0 43.0 0.4 0.1 1.0 80.0 19.0Deseuri urbane lemnoase 48.0 5.5 39.1 1.4 0.1 5.9 76.0 18.1Plop 48.5 5.9 43.7 0.5 0.01 1.3 82.3 16.4Coji de nuci 50.0 5.7 43.4 0.2 0.01 0.6 78.3 21.2Paie de grau 43.2 5.0 39.4 0.6 0.1 5.0 71.3 19.8Stiulete de porumb 46.6 5.9 45.5 0.5 0.01 1.4 80.1 18.5Tulpini de porumb 43.7 5.6 43.3 0.6 0.01 5.6 75.2 19.3Ace de pin 48.2 6.6 43.7 - - 1.5 72.4 26.1Benzina 85.5 14.4 0.0 0.0 0.1 - - 0.0Carbunele 75.5 5.0 4.9 1.2 3.1 10.3 33.9 55.8

La arderea oricarui combustibil se degaja caldura. Cantitatea de caldura obtinuta prin arderea completa a 1 kg (sau 1 m3) de combustibil reprezinta CALDURA DE ARDERE sau PUTEREA CALORICA.

Puterea calorica poate fi:

-Putere calorica superioara – reprezinta caldura care se produce la arderea completa a unei unitati de combustibil (kg sau m3) in ipoteza ca toti vaporii de apa obtinuti la evaporarea apei din biomasa sunt condensati.

-Putere calorica inferioara – reprezinta caldura degajata la arderea combustibilului fara a se lua in consideratie condensarea vaporilor de apa produsi in procesul de combustie.

Cinf < Csup – din cauza pierderilor de energie la vaporizarea apei din combustibil.

Compozitia biocombustibilului infuenteaza puterea calorica a acestora. Astfel:

-Un continut mare de apa, materii volatile si cenusa, reduce continutul de carbon fix si deci implicit va scadea puterea calorica.

-Un continut mare de materii volatile mareste lungimea flacarii, necesitand spatii mai mari pentru o combustie eficienta

-Un continut mare de cenusa ingreuneaza arderea, scazand randamentul si infundand gratarele.

PUTEREA CALORICA A BIOMASEI


1Van Loo S. and J. Koppejan, Handbook of Biomass Combustion and Co-firing, Twente University Press, 2002.

Exista multe incercari de corelare a puterii calorice cu compozitia. Celuloza are o putere calorica mai mica decat a ligninei datorita gradului mare de oxidare. Alti compusi, precum sunt hidrocarburile cu un grad redus de oxidare fac sa creasca puterea calorica a biomasei. Puterea calorica a biomasei este strans legata de continutul de lignina. astfel, puterea calorica superioara pentru o proba uscata si lipsita de cenusa se poate calcula cu relatia [1]:

Qs = 88,9 · (LC) + 16.821,8, kJ/kg unde (LC) reprezinta continutul de lignina raportat la starea uscata si lipsita de cenusa, %.

Puterea calorica superioara a biocombustibililor poate fi calculata in functie de continutul de carbon fix, Cf (%) cu formula [1]:

Qs = 196 Cf + 14.119, kJ/kg

Pentru biocombustibilii solizi se poate folosi formula modificata a lui Dulong, ca functie de continutul de carbon, C (%), hidrogen, H (%), oxigen O (%) si azot, N (%) [1]:

Qs = 33.500 C + 142.300 H - 15.400 O - 14.500 N, kJ/kg

Puterea calorica superioara a diferitelor tipuri de biomasa

Biomasa Putere calorica superioara,MJ/kg masa uscata

Tulpini de lucerna 18.4Coji de alune de pamant 18.0Coji de seminte de floarea soarelui 16.1Tulpini de floarea soarelui 21.8Coji de nuci 21.1Deseuri vegetale 12.6Paie de grau 18.0Tulpini de porumb 16.0Stiuleti de porumb 17.4Tulpini de tutun (7% umiditate) 16.4Coarde de vita de vie (7% umiditate) 16.5



Principalele tehnologii care utilizează rămăsiţele lemnoase sau biomasa lemnoasă pentru producerea energiei regenerabile sunt:

1. Combustia directă a biomasei lemnoase pentru generarea aburului supraîncălzit prin transfer termic. Combustia directă este procesul folosit de peste 90 % din fabricile de bioenergie ale lumii. În general, gazele calde obţinute din combustia biomasei curg peste un banc de ţevi, încălzindu-le pentru a produce abur. Acest principiu este similar cu tehnologia implementată de multe fabrici de cherestea care folosesc rămăsiţele lemnoase proprii pentru a produce abur pentru uscare sau pentru presele plăcilor din fibre de lemn.

2. Combustia directă a biomasei lemnoase pentru a genera electricitate si căldură (generare combinată de căldură si putere). Prin adăugarea unei turbine de abur la procesul de ardere directă este posibil să se genereze electricitate, care să fie folosită pe loc sau în reţeaua naţională de electricitate.

3. Arderea în amestec. Combustia rămăsiţelor lemnoase cu cărbune sau sroturi (de la rafinăriile de zahăr) pentru generarea electricităţii. Rămăsitele lemnoase pot fi aprovizionate sub multiple forme: aschii, biogaz de la gazeificare sau biouleiuri.


Termocentrală

O centrală termoelectrică, sau termocentrală este o centrală electrică care produce curent electric pe baza conversiei energiei termice obținută prin arderea combustibillilor. Curentul electric este produs de generatoare electrice antrenate de turbine cu abur, turbine cu gaze, sau, mai rar, cu motoare cu ardere internă. Drept combustibili se folosesc combustibilii solizi (cărbune, deșeuri sau biomasă), lichizi (păcură) sau gazoși (gaz natural). Uneori sunt considerate termocentrale și cele care transformă energia termică provenită din alte surse, cum ar fi energia nucleară, solară sau geotermală, însă construcția acestora diferă întrucâtva de cea a centralelor care se bazează pe ardere.

Clasificare

După destinație, termocentralele se clasifică în:

Centrale termoelectrice (CTE), care produc în special curent electric, căldura fiind un produs secundar. Aceste centrale se caracterizează prin faptul că sunt echipate în special cu turbine cu abur cu condensare sau cu turbine cu gaze. Mai nou, aceste centrale se construiesc având la bază un ciclu combinat abur-gaz.

Centrale electrice de termoficare (CET), care produc în cogenerare atât curent electric, cât și căldură, care iarna predomină. Aceste centrale se caracterizează prin faptul că sunt echipate în special cu turbine cu abur cu contrapresiune.


In procesul de combustie se disting cateva faze:

a)Uscarea biomasei la temperaturi de 50-100°C. Vaporizarea umiditatii este insotita de un consum de caldura ceea ce duce la micsorarea temperaturii in camera de ardere si incetinirea procesului de ardere. In urma uscarii materialul devine poros.

b)Piroliza – eliberarea compusilor volatili care are loc odata cu cresterea temperaturii. In urma procesului de piroliza rezulta gudron si mangal, precum si cantitati importante de CO si CO2. Procesul de devolatilizare incepe la 200 °C si este insotit de transformarea in gaze a substantelor volatile (de ex: gudronul). La aproximativ 400 °C majoritatea acestora sunt deja transformate in gaze, iar materialul solid este constituit din mangal si cenusa.

c)Oxidarea partiala a mangalului si obtinerea CO, CO2, vapori de apa si alte gaze.

d)Ultima etapa presupune arderea compusilor gazosi obtinuti in fazele precedente

Combustia biomasei presupune o serie de reactii omogene si heterogene. Principalele stagii ale procesului sunt: uscarea, devolatilizarea, combustia carbunelui si oxidarea in faza gazoasa. In operatii continue acestea au loc simultan in diferite zone ale cuptorului folosit. Timpul pentru fiecare reactie depinde de proprietatile si dimensiunea combustibilului, de temperatura si de conditiile combustiei.

SISTEME DE COMBUSTIE A BIOMASEI Schema clasică a unei termocentrale bazată pe cărbune

1. Turn de răcire 16. Moară de cărbune 2. Pompa circuitului de răcire al condensatorului 17. Tamburul cazanului 3. Linie electrică de înaltă tensiune 18. Evacuarea cenușii intermediar 4. Transformator ridicător de tensiune 19. Supraîncălzitor necesar arderii 5. Generator electric de curent alternativ 20. Ventilator de aer 6. Turbină cu abur de joasă presiune 21. Supraîncălzitor 7. Pompă de joasă presiune 22. Priza de aer 8. Condensator 23. Economizor 9. Turbină cu abur de medie presiune 24. Preîncălzitor de aer 10. Ventile de reglare ale turbinei 25. Electrofiltru pentru cenușă11. Turbină cu abur de înaltă presiune 26. Exhaustor (ventilator de gaze arse) 12. Degazor 27. Coș de fum 13. Preîncălzitor de joasă presiune (PJP) 14. Bandă de alimentare cu cărbune15. Buncăr de cărbune, eventual cu turn de uscare


Sistemele de incalzire cu biomasa utilizeaza materii vegetale si organice, precum lemnul, rezidurile agricole si chiar deseurile urbane in scopul generarii de caldura. Aceasta caldura poate fi transportata si utilizata acolo unde se cere, pentru incalzirea si ventilarea cladirilor individuale sau in retea si chiar in procesele industriale. Sistemele de incalzire cu biomasa sunt diferite fata de combustia conventionala realizata in sobe pe lemn sau in seminee, prin controlul amestecului de aer si de biocombustibil in scopul maximizarii randamentului si minimizarii emisiilor. Ele includ si un sistem de distributie care transporta caldura de la locul combustiei la beneficiar. Multe sisteme de incalzire cu biomasa includ un mecanism de alimentare automata cu biomasa.

1 - transportor pentru evacuarea cenusei;2 – grătar mobil; 3 - spatiu de ardere; 4 - cazan; 5 - conductă pentru circulatia gazului; 6 - separator de scântei; 7 - ventilator; 8 - cos; 9 - injectie de aer secundar; 10 - dozajul combustibilului; 11 - injectia aerului primar; 12 - depozit de cenusă)

SCHEMA UNEI CENTRALE TERMICE DE INCALZIRE PE BIOMASA

Mai întâi combustibilul se extrage din siloz cu un melc si este dozat în dozatorul 10. Un alt melc transportor va alimenta camera de ardere 3. Aerul necesar va fi admis prin doua tipuri de conducte, cea primară 11 si cea secundară 9 (aerul primar pentru combustia lemnului, iar cel secundar pentru arderea gazelor), ambele fiind încălzite. Aerul cald va încălzi apa din tuburile boilerului 4. Numai o parte din gazele arse vor fi evacuate prin cosul 8, pentru că o mare parte se foloseste pentru încălzirea aerul necesar combustiei. Înainte de evacuare, gazul va fi separat de particulele solide în separatorul 6. Particulele de cenusă de pe grătarul 2 vor fi evacuate cu melcul transportor 2 în cutia de depozitare 12 a acesteia.

Schema unei centrale termice de incalzire pe biomasa

Tipuri de unitati de producere de caldura care se pot regasi intr-o centrala de incalzire cu biomasa:

1) Sistem de recuperare a caldurii: caldura mai ieftina este in general furnizata de un sistem de recuperare a caldurii. Anumite centrale de incalzire cu biomasa pot fi situate in apropierea unor echipamente de producere a electricitatii (de ex. un motor cu piston care actioneaza un generator) sau de un procedeu termic care emana caldura. Aceasta caldura, altfel pierduta, poate fi recuperata de un sistem de recuperare de caldura la costuri minime sau nule.

2) Sistem de combustie a biomasei: un sistm de combustie a biomasei produce caldura prin arderea biocombustibilului si este prin definitie inima unei centrale de incalzire cu biomasa. Costul unitar al caldurii produse este relativ scazut atunci cand este utilizata o biomasa ieftina si sistemul de combustie functioneaza la o incarcare relativ constanta, apropiata de capacitatea sa nominala. Sistemul de combustie a biomasei va raspunde, pana la capacitatea sa nominala de productie, nevoilor de caldura pe care sistemul de recuperare a caldurii nu le satisface.


3) Sistem de incalzire de varf: datorita caracteristicilor operationale si costurilor crescute de investitii, un sistem de combustie cu biomasa poate fi conceput ca sa furnizeze suficienta caldura ca sa raspunda cererilor obisnuite, dar poate sa nu fie suficient unor cereri de varf ocazionale. Sistemul de incalzire de varf va furniza fractiunea de cerere anuala de caldura care nu poate fi satisfacuta de sistemul de combustie cu biomasa. Sistemul de incalzire de varf utilizeaza in multe cazuri surse de energie conventionale si prezinta un cost de investitie mai scazut dar si costuri crescute cu combustibilul. In unele cazuri, sistemul de incalzire de varf este utilizat in perioadele in care cererea de caldura este foarte scazuta. In aceste conditii, sistemul de combustie cu biomasa ar fi ineficace sau ar genera niveluri inacceptabile de emisii (fum).

4) Sistem de incalzire de urgenta: un sistem de caldura de urgenta este utilizat atunci cand mai multe sisteme de producere de caldura sunt oprite, ca urmare a lucrarilor de intretinere sau a intreruperii aprovizionarii cu combustibil. Sistemul de incalzire de urgenta are in general aceleasi caracteristici ca si sistemul de incalzire de varf, adica costuri de investitie scazute dar costuri cu combustibilii crescute. Sistemul de incalzire de varf este des utilizat ca sistem de incalzire de urgenta pentru sistemul de combustie cu biomasa si astfel nici un alt sistem suplimentar de urgenta nu este inclus in centrala de incalzire.

Intr-un sistem de combustie a biomasei biocombustibilul este transferat prin sistemul de ardere trecand prin diferite etape succesive

• Zona de descarare a biocombustibilului: daca combustibilul pe baza de biomasa nu este disponibil in apropiere, el este livrat intr-o zona de descarcare unde spatiul trebuie sa fie suficient pentru a permite circulatia fara dificultate a autovehicolelor de livrare.

• Zona de depozitare a biocombustibilului: pentru a permite o alimentare constanta cu biocombustibil pe perioada cea mai lunga dintre doua aprovizionari consecutive, trebuie sa existe depozitata o anumita cantitate de biomasa. Biomasa poate fi ingramadita la exterior sub un acoperis protector sau la interior intr-un rezervor sau intr-un siloz. Mai ieftina, depozitarea la exterior are dezavantajul expunerii la precipitatii si contaminarii cu murdarie a biomasei.

• Alimentarea cu biocombustibil: deplasarea biomasei din spatiul de stocaj in camera de ardere se poate face manual (de ex. incarcare cu bile de lemn din cuptoare exterioare), automatizat (de ex. printr-un colector cu surub fara capat sau banda rulanta) sau printr-o combinatie de manevre manuale si automatizate. Performanta sistemelor integral automatizate poate fi afectata de diversitatea biomasei si de prezenta unor bucati inghetate, de forma neregulata sau contaminate (de ex. cu cabluri sau manusi).


• Transferul biocombustibilului: deplasarea biomasei pana in camera de ardere este numit trasfer de biocombustibil. In sistemele automatizate acest transfer se face cu ajutorul unui surub fara capat sau cu un sistem similar si un aparat care masoara debitul de intrare a biocombustibilului in camera de ardere.

• Camera de ardere: biomasa este introdusa intr-o camera de ardere inchisa unde este arsa in conditii controlate de un sistem care determina cantitatea de aer admisa in functie de cererea de caldura. In cazul sistemelor automatizate, debitul de intrare a biocombustibilului in camerea de ardere este de asemenea controlat. Utilizarea materialelor refractare la caldura permite o conservare mai buna a caldurii la interiorul camerei de ardere. Pentru a facilita o ardere cat mai completa, anumite camere de ardere sunt dotate cu un gratar pe care sta biocombustibilul si care permite aerului, care intra deasupra, sa treaca prin biocombustibil. In sistemele mai complexe, gratarul se misca pentru a permite o distributie cat mai uniforma a biocombustibilului pe suprafata de ardere, pentru a transporta biocombustibilul in zonele de ardere cu nivele de debit de aer diferite, cat si pentru a deplasa cenusa la extremitatea camerei de ardere. Gazul cald care se emana paraseste camera de ardere trecand printr-o camera secundara de ardere dotata cu un schimbator de caldura sau, daca camera de ardere are deja o astfel de dotare, direct in sistemul de evacuare a gazului.


• Schimbator de caldura: caldura produsa in camera de ardere este transferata sistemului de distributie a caldurii prin interpunerea unui schimbator de caldura. Pentru cuptoarele instalate la exterior, o camasa de apa izolata, plasata la exteriorul camerei de ardere serveste de obicei ca schimbator de caldura. Sistemele de ardere a biomasei de capacitate mare utilizeaza serpentine avand ca fluid purtator de caldura apa, vaporii sau uleiuri termice.

• Ridicarea si stocarea cenusilor: camera de ardere trebuie golita de cenusa depusa si de cenusa transportata de gazul de emisie. In functie de tipul sistemului, cenusa este extrasa manual sau automatizat. Cenusa antrenata de emisia de gaz poate sa se depuna in camera de ardere secundara, sau in schimbatorul de caldura (care la randul sau necesita curatare), poate sa se elimine in atmosfera odata cu emisia de gaz sau poate fi retinuta intr-un sistem de colectare a particulelor (un epurator de emisii de gaz).

• Cosul si sistemul de evacuare: gazele de ardere sunt evacuate in atmosfera. Sistemele mici utilizeaza curentii naturali generati de gazele calde; sistemele mari utilizeaza ventilatoare pentru a impinge aer la interiorul camerei de ardere ca sa expulzeze gazul. Ventilatoarele plasate la baza cosului pot fi de asemenea utilizate pentru a aspira gazele emise la exteriorul camerei de ardere.



Principalele tipuri de instalatii de ardere a biomasei sunt urmatoarele:

TIPURI CONSTRUCTIVE FOCARE CU ARDEREA BIOMASEI

Focar plan, fara rascolire, ardere in straturi linistit

Acest tip de cazane au o functionare discontinua, in sensul ca mai intai se face o alimentare cu combustibil pe gratar, dupa care se lasa sa arda combustibilul. Din aceasta cauza, exista o zona de curgere preferentiala a aerului. Exista deci o ardere neuniforma, zgurificari locale si in final zgurificarea combustibilului, moment in care functionarea cazanului se opreste.

In acelasi moment in focar se gasesc si particule arse care se urca ducandu-se spre canalul si cosul de fum, dar si particule care ard, facand parte din patul de ardere.

Cazanul trebuie oprit, realimentat si reaprins. De aceea astfel de cazane au randamente scazute (50-60%).

Inconveniente tehnice si functionarea greoaie, incarcare manuala, descarcare manuala a zgurii.

Arderea pe un gratar mecanizat de tip lant


In acest caz avem de a face cu o ardere in etape succesive.

Combustibilul solid poate ajunge la dimensiuni ridicate (0-400mm). Limitatorul de strat regleaza inaltimea stratului de combustibil (40-400 mm), altfel spus regleaza debitul de combustibil.

Barele de gratar formeaza un gratar cu fante pentru aerul insuflat.

Acest tip de gratar cu ardere in faza succesive are avantajul unei alimentari mecanice cu combustibil, deci avantajul unei functionari continue. Dozarea se realizeaza corespunzator cu cu timpul necesar arderii cu aer insuflat.

Spre sfirsitul gratarului, unde arde cocsul, se produce zgurificarea. Bucatelele de zgura sunt evacuate printr-un put de zgura.


Fenomenul de rascolire specific acestui gratar, consta in miscarea mecanizata prin care se realizeaza inaintarea stratului de combustibil, afinarea si aerarea acestuia in acelasi timp cu spargerea crestelor de zgura.

Acest tip de gratar este specific arderii combustibilului solid cu putere calorifica intre 9000-11000 kJ/kg cu continut ridicat de umiditate.

Arderea pe un gratar mecanizat cu impingere directa cu rascolire

Datorita acestei miscari a barelor de gratar, procesul este mai bun decat in cazul anterior. Datorita acestei miscari lespezile de zgura se disloca si se sparg. Exista totusi posibilitatea de formare a zgurei abia in partea finala a gratarului.


Arderea pe un gratar mecanizat GIR cu impingere rasturnata, cu rascolire puternica

Aceasta varianta de gratar reprezinta o imbunatatie a schemei anterioare. Se poate prevedea orice inclinare a barelor de gratar, astfel incit sa se portiveasca cel mai bine pe tipul de combustibil solid. In cazul de fata avem barele de gratar pozitionate vertical.

Miscarea barelor de gratar se face in sus si in jos (in contrasens unele fata de altele). Ca urmare a acestei miscari a combustibilul aprins are loc cu o impingere rasturnata a combustibilului. In acelasi timp avem si o recirculare a combustibilului deja aprins spre buncar, ceea ce conduce la o aprindere inferioara a acestuia, uscandu-l, deci pregatindu-l pentru ardere.

Randamentul maximal se obtine atunci cand bolta fata este paralela cu panta gratarului. In acest caz gazele de ardere calde se intorc spre zona initiala de ardere, aducand aporturi substantiale de caldura spre zona de uscare si aprindere.

In cazul acestui gratar se combina aprinderea inferioara cu cea superioara. Miscarea barelor de gratar nu permite aglutinarea zgurii; rupe permanent zgura.

Acest tip de gratar este prevazut pentru combustibil solid cu o putere calorifica de aproximativ 7000 kJ/kg.


1. Combustia in strat fix

Principalele sisteme de combustie in strat fix sunt cuptoarele cu gratar mecanizat si focarele cu gratar si alimentare prin partea inferioara.

Cele dintai sunt in general folosite atunci cand biomasa ce va fi supusa combustiei are o umiditate ridicata, cand dimensiunile particulelor variaza si atunci cand continutul de cenusa este ridicat.

Un gratar care sa functioneze eficient este proiectat sa garanteze o distributie omogena a combustibilului si a stratului de jaratec pe intreaga sa suprafata, asigurand o prima alimentare cu aer egala pe toate zonele. Daca acest lucru nu s-ar intampla, ar avea loc o zgurificare, ar creste cantitatea de cenusa ce se imprastie in aer precum si cantitatea de oxigen in exces necesar pentru o combustie completa. De asemenea, transportul combustibilului pe gratar trebuie sa fie pe cat de lin si omogen se poate, astfel incat sa nu perturbeze stratul de jaratec pentru a evita formarea de goluri.

Exista mai multe tipuri de cuptoare cu gratar ce sunt folosite: cuptoare cu gratare fixe, mobile, rotative, vibratoare si transportatoare. Toate aceste tehnologii au avantaje si dezavantaje specifice si sunt alese cu grija in functie de proprietatile carburantului.



Cuptor cu gratar mobil in care aerul primar este introdus in

doua stagii1.alimentator cu surub; 2.gratar mobil; 3.aer primar; 4.aer secundar; 5.camera de post-combustie; 6.schimbator de caldura; 7.ciclon; 8.indepartarea cenusei

Focarele cu alimentare prin partea inferioara reprezinta o tehnologie ieftina si sigura, in general folosita pentru sisteme de dimensiune mica sau medie. Sunt folosite pentru carburanti din biomasa cu un continut mic de cenusa (talas, rumegus) si cu particule de dimensiuni mici (pana la 50 mm), deoarece nu necesita sisteme de indepartare a cenusei foarte complicate. De asemenea, particulele de cenusa sinterizate sau topite ce acopera suprafata superioara a stratului de combustibil pot cauza probleme in aceste focare datorita conditiilor instabile de combustie cand aerul si carburantul trec prin suprafata acoperita de cenusa. Un avantaj il constituie faptul ca schimbarea debitelor de intrare se poate efectua mult mai usor si mai rapid spre deosebire de cuptoarele cu gratar, deoarece aprovizionarea combustibilului se efectueaza mult mai simplu. Acesta este introdus in camera de combustie cu ajutorul unor transportoare elicoidale prin partea inferioara si este directionat spre partea superioara pe un gratar interior sau exterior. Cel din urma este cel mai comun in fabricile de combustie moderne deoarece permite operatii usoare, iar un sistem automat de indepartare a cenusei poate fi obtinut mai simplu. Aerul primar este introdus prin gratar, iar cel secundar de obicei la intrarea in camera secundara de combustie.



Focar cu alimentare prin partea inferioara, cu aer primar si secundar, cu zona de amestecare si camera de post-

combustie1.alimentator cu surub; 2.aer primar; 3.aer secundar;4.camera de post-combustie;5.schimbator de caldura; 6.ciclon; 7.indepartare de cenusa

O tehnologie dezvoltata recent presupune un focar cu alimentare prin partea inferioara conceput special astfel incat sa aibe loc o post-combustie rotativa datorata unui curent circular puternic. Acesta este creat cu ajutorul unui ventilator de aer secundar ce are un lant care se roteste.


2. Combustia in strat fluidizat

In cazul combustiei in strat fluidizat biomasa este supusa arderii intr-o suspensie de gaz si un material in strat solid ce dispune de o amestecare proprie si prin care trece aerul de combustie.

Stratul fluidizat consta intr-un vas cilindric ce are in partea inferioara o placa perforata in care exista un strat de material granular, inert si fierbinte. Cele mai folosite astfel de materiale sunt nisipul de siliciu si dolomita si reprezinta 90 – 98% din amestecul lor si combustibilul. Aerul primar de combustie este introdus in cuptor prin partea inferioara prin discul de distributie a aerului si fluidizeaza stratul astfel incat acesta devine o masa agitata de particule si bule. Amestecarea si transferul de caldura intense realizeaza conditii prielnice pentru o combustie completa cu o cerere scazuta de aer in exces. Temperatura trebuie mentinuta destul de joasa (800 – 900 oC) pentru a preveni sinterizarea cenusei in strat. Acest lucru poate fi realizat cu ajutorul unor suprafete interne de transfer de caldura, prin recircularea gazelor de ardere sau prin injectie de apa (in instalatiile ce folosesc procesul de combustie in strat fix temperaturile sunt de obicei cu 100 – 200 oC mai mari decat in cazul combustiei in strat fluidizat).

Deoarece se obtine o amestecare foarte buna, sistemele de combustie in strat fluidizat sunt flexibile in ceea ce priveste mixturile de combustibili, dar sunt limitate de impuritatile continute de acestea si de dimensiunea particulelor, fiind necesare operatii de pretratament.


2. Combustia in strat fluidizat

SFB cu o combustie in etape

In functie de viteza de fluidizare, pot fi diferentiate combustia in strat fluidizat stationar (SFB) si in strat fluidizat circulant (CFB). Ambele sunt folosite in aplicatii la scara larga si de obicei pentru deseuri de lemn sau amestecuri de lemn si deseuri industriale. In cazanele CFB se indeplinesc conditii aproape omogene de temperatura si concentratii, avand o eficienta ridicata de combustie la cantitati mici de aer in exces.

Instalatie CFB cu boiler cu aburi pentru carbune si biomasa


3. Combustia in pulbere

Combustia in pulbere se foloseste pentru combustibili disponibili sub forma de particule mici (diametrul mediu mai mic de 2 mm), precum rumegusul si aschiile fine. Acestea sunt injectate pneumatic in cuptor, iar aerul transportator este folosit ca aer primar. Calitatea combustibilului in aceste sisteme de combustie trebuie sa fie constanta iar dimensiunea maxima a particulelor sa fie de 10 – 20 mm si umiditatea sa nu depaseasca 20%. Datorita gazeificarii “explozive”, alimentarea combustibilului necesita o foarte mare atentie si reprezinta un element tehnologic cheie in intregul sistem.

Amestecurile de combustibil/aer sunt de obicei injectate tangential in cuptorul cilindric cu retorta pentru a crea un curent rotativ. Aceasta miscare poate fi intretinuta de recircularea gazului de ardere in camera de combustie. Datorita acumularii de energie la peretii furnalului si a temperaturii, retorta trebuie racita cu apa. Gazeificarea combustibilului si combustia carbunelui au loc simultan datorita dimensiunilor mici ale particulelor. Combustia are loc cand combustibilul se afla in suspensie, iar arderea gazului dupa introducerea aerului secundar. Alimentarea poate fi schimbata si controlata usor.


4. Combustia in amestec

Utilizarea in amestec a biomasei cu alti combustibili reprezinta un avantaj din punct de vedere economic, al eficientei si al emisiilor. Prin procesul de combustie comuna se pot obtine costuri specifice mai scazute, eficiente mai ridicate, precum si reducerea emisiilor de SOx si NOx. Cu toate acestea, o mai mare atentie trebuie acordata formarii depunerilor în cazan si utilizarii limitate a cenusei din cauza constituentilor din biomasa (metale alcaline etc.). Acestia fac necorespunzatoare folosirea cenusei în materialele de constructii.

Pentru utilizare in comun a biomasei si a carbunelui se pot aplica urmatoarele optiuni:

a) Combustia comuna directa: reprezinta arderea directa a biomasei în instalatii de energie alimentate cu carbune si este principala aplicatie folosita in prezent. Majoritatea echipamentelor sunt echipate cu boilere pentru carbune pulverizate in care combustia poate fi aplicata in diferite moduri. Biomasa poate trece prin arzatoare separate pentru lemn existente in cazan. Datorita cerintelor combustiei pulverizate un pretratament al biomasei este necesar si include uscarea, inlaturarea metalelor si maruntirea.


4. Combustia in amestec

b) Combustia comuna indirecta: presupune ca biomasa sa fie mai întâi gazeificata si gazul produs sa fie introdus într-un cazan (o imbinare a gazeificarii si combustiei).

Combustia indirecta a gazului produs din gazeificarea biomasei presupune separarea cenusei pana la o anumita limita, iar gazele de ardere nu pot fi separate. In comparatie cu cea paralela, costurile pot fi reduse deoarece este necesara o singura curatare a boilerului si a gazelor de evacuare.

c) Combustia paralela: aici biomasa este arsa separat într-un cazan pentru generare de abur care este folosit, împreuna cu aburul obtinut din combustibilul principal, într-un generator de energie.

Combustia paralela presupune o separare completa a cenusei si a gazelor de ardere de diferiti combustibili. Astfel, nu exista dezavantaje sau limitari in ceea ce priveste prezenta nedorita a metalelor alcaline sau a contaminantilor din cenusa. Deasemenea, echipamentul de curatare a gazelor de ardere poate fi optimizat pentru fiecare combustibil.

COMBUSTIA BIOMASEI ÎMPREUNA CU ALTI COMBUSTIBILI

Combustia in amestec prezinta diferite avantaje si dezavantaje.

Printre potentialele avantaje se incadreaza: reducerea emisiilor de CO2 provenite din arderea combustibililor fosili; cresterea utilizarii combustibililor locali; conversia biomasei cu o eficienta ridicata si in conditii de mediu controlate; este o metoda simpla de conversie a biocombustibililor, deci economic avantajoasa; cantitatea de combustibil aditional implicat poate fi adjustata in functie de disponibilitatea biocombustibililor si a rezidurilor pentru o distanta rezonabila de transport de la fabrica de conversie; exploatarea efectelor pozitive pentru diferite amestecuri de combustibili.

Dintre dezavantaje de mentionat sunt: existenta unor costuri aditionale in cazul nevoii unor procese de tratament; influenta negativa asupra fabricii datorata folosirii unui combustibil suplimentar; folosirea unor combinatii nefavorabile de combustibili; lipsa de experienta pentru cele doua cazuri precedente.

Sistemele de ardere a biomasei pot fi clasate in trei categorii generale, functie de capacitatea sistemului de alimentare:

- Sisteme mici cu alimentare manuala (50-280 kW): sisteme, in general cuptoare exterioare, care ard bucati de lemn si utilizeaza apa calda pentru a distribui caldura.

- Sisteme mici cu alimentare automatizata (50-500 kW): sisteme care utilizeaza biocombustibil in particule si care au un sisteme de ardere in doua faze (adica cu o camera de ardere secundara) si un incalzitor pentru apa calda cu tuburi (adica un tub care transporta gazele calde de emisie prin apa care trebuie incalzita).

- Sisteme intermediare de alimentare (400 kW si peste): sisteme care utilizeaza un sistem de alimentare cu particule de biomasa integral automatizat si care e dotat de obicei cu un sistem de ardere cu gratar, fix sau mobil, si cu un incalzitor cu tuburi integrat sau juxtapus, pentru a incalzi apa, vaporii sau uleiurile termice.

COMBUSTIA BIOMASEI ÎMPREUNA CU ALTI COMBUSTIBILI

Types of Biomass Furnaces with Typical Applications and Fuels

COMBUSTIA BIOMASEI

IMPACTUL COMBUSTIEI ASUPRA MEDIULUI

Cuptoarele de ardere a biomasei produc emisii relativ ridicate de NOx si suspensii în aer, comparativ cu cuptoarele de ardere cu gaze naturale sau petrol. Pentru combustia lemnului, o evaluare recenta a ciclului de viata indica faptul ca impactul unui cuptor de ardere, asupra mediului înconjurator, este dat de 38,6% NOx, 36,5% suspensii în aer si de numai 2% CO2, restul de 22,9% datorându-se altor poluanti. Evaluarea ciclului de viata pentru lemn, petrol si gaz natural arata ca impactul lemnului asupra mediului este mai mare decât al gazului natural, în ceea ce priveste efectul de sera. De aici rezulta ca sunt necesare îmbunatatiri la instalatiile de ardere a lemnului.

Pentru biomasa obisnuita, reactia de combustie poate fi descrisa prin urmatoarele ecuatii, neglijându-se componente ca N, K, Cl etc.:

În urma procesului de combustie se formeaza o serie de poluanti care pot fi clasificati astfel:

1. Poluanti nearsi, cum ar fi CO, CxHy, hidrocarburi poliaromate, gudron, funingine, carbonnears, H2, HCN, NH3 si N2O.2. Poluanti din combustia completa, cum ar fi NOx (NO si NO2), CO2 si H2O.3. Cenusa si contaminanti, cum ar fi particule de cenusa (KCl, etc), SO2, HCl,dibenzodioxina/dibenzofuran policlorurat Cu, Pb, Zn, Cd etc.

Principalul parametru al combustiei este coeficientul excesului de aer (lambda, λ) care descrieraportul dintre cantitatea stoechiometrica a aerului de combustie si cantitatea real folosita.

Main reactions during two-stage combustion of biomass with primary air and secondary air

IMPACTUL COMBUSTIEI ASUPRA MEDIULUI

PROBLEME CE APAR LA ARDEREA BIOMASEI IN CAZANE

Tehnologiile de ardere a biomasei prezinta cateva probleme. Cele mai importante tin de murdarirea si coroziunea suprafetelor de schimb de caldura.

Zgurificarea si murdarirea reduc schimbul de caldura al suprafetelor si cauzeaza coroziunea.

Coroziunea si eroziunea duc la scurtarea duratei de viata a echipamentelor.

Depunerile sau murdarirea suprafetelor este provocata de materia anorganica prezenta in biomasa ce arde.

Sodiul, Na si potasiul, K coboara temperatura de topire a cenusii si prin urmare este intensificata depunerea de cenusa pe tevile cazanului.

Calciul, Ca si magneziul, Mg fac sa creasca temperatura de topire a cenusii.

Siliciul, Si se poate combina cu K producand silicati cu temperatura redusa de topire in particulele volatile. Acest proces este important pe de-o parte in evitarea sinterizarii/aglomerarii si topirii cenusii pe gratarul de ardere sau in stratul fluidizat instalatiilor de ardere si pe de alta parte in impiedicarea zgurificarii cenusii pe suprafata schimbatoarelor de caldura.

Paiele de cereale si iarba au un continut ridicat de K, Cl si sulfati si redus de Ca.

PROBLEME CE APAR LA ARDEREA BIOMASEI IN CAZANE

Arderea cojilor de migdale este insotita de murdarirea si corodarea puternica a suprafetelor de schimb de caldura. Desi acestea au un continut ridicat de metale alcaline, continutul lor in clor si sulf este redus fata de alti combustibili.

Potasiul si sodiul combinate cu clorul si sulful au un rol determinant in mecanismul de corodare. Aceste elemente se evapora in timpul arderii formand cloruri ce se condenseaza pe tevile schimbatoarelor de caldura si reactioneaza formand sulfati si eliberand clorul.

Clorul are o functie catalitica asupra reactiei de oxidare a tevilor schimbatoarelor de caldura, in special la temperatura redusa (100-150°C). Combustibilii ce prezinta un raport molar S:Cl mai mic de 2 provoaca coroziunea deoarece in acest caz se formeaza clorurile metalelor alcaline.

Volatilizarea urmata de condensarea metalelor volatile duce la formarea de cenusa zburatoare de dimensiuni mai mici de 1μm (aerosoli) ce este greu de retinut in instalatiile de filtrare.

Depunerea de cenusa pe suprafetele de schimb de caldura la arderea biomasei poate avea loc intr-o masura mai mare sau mai mica decat la arderea carbunelui. La arderea amestecului de biomasa si carbune, depunerea de cenusa are loc intr-o masura mai mica decat la arderea numai a unuia dintre combustibili. Aderenta si duritatea depunerilor la arderea biomasei sunt mai ridicate decat cele de la arderea carbunelui.

REDUCEREA EMISIILOR POLUANTE

a) Combustia etajata - în care excesul de aer variaza în diversele sectiunii ale focarului.

- consta în introducerea aerului primar în stratul de combustibil, urmata de introducerea aerului secundar în partea superioara a camerei de ardere).

- Aceasta permite o buna amestecare a aerului de combustie cu gazele combustibile formate prin volatilizare si gazificare în stratul combustibil.

- Daca se realizeaza o buna amestecare, concentratia poluantilor nearsi poate fi redusa aproape de zero (de ex. CO < 50 mg/Nm3 si CxHz < 5 mg/Nm3 la 11 vol.% O2).

- Totusi, în practica, asigurarea excesului optim de aer se face printr-un control atent al procesului.

1.Combustia în doua etape

REDUCEREA EMISIILOR POLUANTE

2.Combustia cu injectia aerului la doua nivele

Fata de combustia conventionala în doua etape, necesarul de aer primar trebuie sa fie sub valoarea stoechiometrica (lambda primar < 1). Mai mult, este necesar un timp de reactie (si în consecinta o zona reducatoare în cuptor) între introducerea combustibilului si a aerului secundar.

3.Combustia cu injectia combustibilul la doua nivele

Combustibilul primar este ars cu un coeficient al excesului de aer mai mare de 1. O zona de reducere consecutiva este realizata prin alimentarea combustibilului secundar la nivelul superior si admisia târzie a aerului de combustie pentru combustibilul secundar.

Ultimele doua procedee au fost dezvoltate ca masuri primare pentru reducerea in situ a NO2 rezultat din combustia biomasei.

PRINCIPALII POLUANTI ATMOSFERICI REZULTATI DIN ARDEREA BIOMASEI

Dioxidul de carbon – CO2 - este unul din cei mai importanti poluanti. Principalul efect negativ este cel legat de absorbtia radiatiilor IR emise de pamant si accentuarea efectului de sera, ceea ce conduce la schimbari ale zonelor climaterice, topirea calotelor polare, ridicarea nivelului marilor si oceanelor.

Monoxidul de carbon – CO – este o consecinta a arderii incomplete a combustibilului. Efectul negativ asupra regnului animal este ca fixeaza hemoglobina din sange ducand in final la lipsa alimentarii cu oxigen a organismului si la sufocare.

Clorul; fluorul – rezulta din arderea deseurilor urbane, prin reactia cu apa formeaza HCl si HF care au efecte toxice asupra biosistemului.

Acidul clorhidric va conduce la coroziunea componentelor metalice ale cazanelor de abur:

• atac direct:

Fe + 2HCl FeCl2 + H2

• distrugerea peliculei protectoare de oxizi de fier:

Fe2O3 + 6HCl 2FeCl3 + 3H2O

Fe3O4 + 8HCl FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O


Aerosoli toxici – sunt o consecinta a arderii incomplete a combustibililor si sunt constituiti din hidrocarburi aromatice cu efect puternic cancerigen. La iesirea din instalatia de ardere aerosolii cristalizeaza sub forma de particule foarte fine care plutesc in aer.

Combustia biomasei conduce la emisii relativ ridicate de particule in aer a caror dimensiuni sunt < 10 μm, cea mai mare parte fiind < 1 μm.

In combustia in strat fluidizat se formeaza:

-particule fine submicronice: K, Cl, S, Na, Ca

-particule grosiere: > 1 μm: Ca, Si, K, S, Al, F, Fe.

In combustia in strat fix particulele sunt exclusiv formate dein cenusa (KCl).

Pentru retinerea aerosolilor formati se folosesc filtre din tesaturi.

Metale grele – provin din cenusa zburatoare, au actiune cangerigena si toxica.


1 Formarea de oxizilor de azot

Azotul din combustibili este convertit in componenti intermediari precum HCN si NH i cu i = 0,1,2,3. Acestia pot fi oxidati la NOx daca este oxigen prezent, cazul combustiei conventionale. Daca nu este oxigen valabil, intermediarii reactioneaza in zona de reducere si formeaza N2 precum in reactia:

NO + NH2 = N2 + H2O

REDUCEREA EMISIILOR DE OXIZI DE AZOT

Conversia azotului din combustibili in combustia biomasei

Protoxidul de azot – N2O –

reprezinta o emisie secundara, nedorita; Pana la 600 °C este un gaza stabil, dupa care se descompune conform reactiei:

N2O + O N2 + O2

In zona stratosferei (10-50 km altitudine) protoxidul de azot devine un gaz nociv, contribuind la distrugerea paturii de ozon.

N2O + O3 N2 + 2O2

1 Formarea de oxizilor de azot

Oxizii de azot formati în timpul arderii combustibililor fosili sunt în principal NO si NO2, în care NO are un procent de peste 90% din totalul NOx. La evacuarea gazelor de ardere în atmosfera are loc un proces rapid de conversie a NO în NO2.

În functie de modul de formare, oxizii de azot se împart în trei categorii:

NOx termic: Rezulta din reactia dintre oxigenul si azotul din aerul de ardere. Emisia de NOx termic este cu atât mai mare cu cât temperatura în focar si excesul de aer au valori mai ridicate.

NOx prompt: Rezulta din reactia dintre radicalii de combustibil (de exemplu CH) si azotul molecular, urmata de oxidare.

NOx combustibil: Rezulta din oxidarea compusilor de azot din combustibil

Tehnologiile de reducere a emisiilor de oxizi de azot se împart în doua categorii:

•masuri primare (cele care sunt utilizate pentru controlul formarii NOx)

•masuri secundare (care actioneaza asupra gazelor de ardere).


Masuri primare de reducere a emisiilor de oxizi de azot au ca scop:

• reducerea oxigenului disponibil în zona de reactie;

• scaderea temperaturilor de ardere;

• evitarea vârfurilor de temperatura prin uniformizarea si amestecarea rapida a reactantilor în flacara;

• reducerea timpului de rezidenta la temperaturi înalte;

• reducerea oxizilor de azot deja formati la sfârsitul flacarii.

Masuri secundare de reducere a NOx

Daca masurile primare pentru reducerea oxizilor de azot în focare nu sunt suficiente, trebuiesc aplicate masuri secundare care actioneaza asupra gazelor de ardere evacuate din generatorul de abur. Costurile lor specifice de investitie, ca si costurile lor specifice de exploatare sunt mai mari decât cele corespunzatoare masurilor primare. Însa, pentru încadrarea în limitele de emisii, aceste masuri nu pot fi evitate, îndeosebi în cazul grupurilor energetice de mare putere care functioneaza pe carbune.

Procedeul cel mai utilizat este acela în care se realizeaza o injectie de amoniac sau uree în fluxul de gaze de ardere. Injectia se poate realiza cu, sau fara prezenta unui catalizator.


În acest caz, se injecteaza amoniac (sub forma de solutie) sau uree direct în partea superioara a generatorului de abur

Folosind amoniacul ca reactant au loc urmatoarele reactii chimice mai mult sau mai putin simultan:

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O (oxidare)

4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O (reducere)

a) Reducere selectiva necatalitica (SNCR)


Temperatura trebuie mentinuta strict intre 850 si 1100 °C deoarece:

•la temperaturi < 850 °C se elimina NH3 nereactionat

•la temperaturi > 1100 °C amoniacul se oxideaza marindu-se cantitatea de oxizi de azot

Urmatoarele conditii sunt importante pentru ca un proces SNCR sa functioneze bine:• amestecul complet al gazelor de ardere cu NH3;• injectia NH3 la temperatura optima la toate nivele de încarcare ale generatorului de abur;


Pentru controlul mai bun al temperaturii se face injectia amoniacului in mai multe puncte.

b) Reducere catalitica selectiva (SCR)

Amplasarea SCR înainte de filtrul de cenusa


Procedeul SCR este cel mai rãspândit procedeu secundar de denoxare si are o largã aplicare în Japonia, Germania, SUA. La reducerea cataliticã selectivã, transformarea oxizilor de azot în azot si apã decurge în urma reactiei cu amoniacul sau cu ureea, în prezenta unui catalizator.

Agentul reducator este injectat inaintea catalizatorului. Conversia are loc la suprafata catalizatorului.

Catalizatori folositi: oxizi (oxizi de fier, TiO2 combinat cu V2O5 sau WO3). Zeoliti, carbune activ etc.

Temperatura: 320 – 420 °C.

Pentru ca temperatura gazelor sa corespunda domeniului, reactorul se plaseaza inainte de preincalzitorul regenerativ de aer.

Amplasarea SCR dupa filtrul de cenusa

Principalele avantaje ale SCR sunt:• Poate fi folosit pentru diversi combustibili.• Nu se creeaza poluanti suplimentari.• Emisia poate fi redusa cu mai mult de 90%.


Daca acest reactor de reducere catalitica se monteaza intr-o instalatie noua, acest lucru se poate realiza usor. Intr0o instalatie deja existenta montarea SCR este aproape imposibila datorita lipsei de spatiu intre generatorul de abur si preincalzitorul de aer.

O alta mertoda este plasarea reactorului dupafiltru de cenusa. In acest caz gazele de ardere trebuie preincalzite pentru a atinge temperatura de reactie, ceea ce necesita un consum suplimentar de combustibil.

curs 3-4 conversie 2015

Documents