PL216270B1

PL216270B1 - Method for preparation and combustion of organic biomass in the power boiler

Info

Publication number: PL216270B1
Application number: PL391892A
Authority: PL
Inventors: Henryk Karcz; Tomasz Butmankiewicz; Piotr Dziugan
Original assignee: Henryk Karcz
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2014-03-31
Also published as: PL391892A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym zwłaszcza biomasy pochodzenia leśnego w kotle energetycznym opalanym pyłem węglowym i pyłem biomasy.The subject of the invention is a method of preparation and combustion of organic biomass in a power boiler, especially biomass of forest origin, in an energy boiler fired with coal dust and biomass dust.

Proces spalania biomasy organicznej, a szczególnie biomasy pochodzenia leśnego w komorze kotła energetycznego stwarza dość znaczne problemy związane z optymalizacją sprawności termicznej przemiany energii chemicznej biomasy w energię cieplną oraz minimalizację emisji substancji szkodliwych do otoczenia.The process of combustion of organic biomass, especially forest biomass in the chamber of a power boiler creates quite significant problems related to the optimization of the thermal efficiency of the conversion of the chemical energy of biomass into thermal energy and the minimization of emissions of harmful substances to the environment.

Znany jest z polskiego zgłoszenia opisu patentowego 363891 sposób spalania biomasy, w którym to sposobie spalana jest mieszanka węgla z odpadami drzewnymi i komunalnymi, przygotowana przed spalaniem w bunkrze przykotłowym. W wyniku spalania tej mieszanki osiągnięte parametry eksploatacyjne kotła wykazały, że wprowadzenie na ruszt uprzednio przygotowanej mieszanki paliwowej obniża sprawność kotła tym bardziej, im większe są wymiary geometryczne spalanych odpadów drzewnych. Obniżenie sprawności kotła jest powodowane większą szybkością spalania odpadów od węgla, co powoduje powstanie pustych przestrzeni wewnątrz spalanego wsadu w postaci szczelin, kanalików lub otworów, przez które swobodnie przepływa powietrze pierwotne podawane przez ruszt i to powietrze w znacznych ilościach nie bierze udziału w procesie spalania powodując znaczny wzrost straty kominowej.There is known from the Polish patent application 363891 a method of biomass combustion, in which a mixture of coal with wood and municipal waste, prepared before combustion in a boiler bunker, is burned. As a result of combustion of this mixture, the achieved operational parameters of the boiler showed that the introduction of a previously prepared fuel mixture onto the grate lowers the boiler efficiency the more, the larger the geometrical dimensions of the burnt wood waste are. The decrease in boiler efficiency is caused by the faster combustion of waste than coal, which results in the formation of voids inside the burnt charge in the form of gaps, channels or openings through which the primary air fed through the grate flows freely, and this air is not involved in the combustion process in significant amounts, causing significant increase in stack loss.

Znany jest także z polskiego zgłoszenia opisu patentowego 362586 sposób spalania biomasy, w którym nadawę zawierającą odpady organiczne i inne przetworzone odpady pochodzenia zwierzęcego wprowadza się do komory obrotowej pieca zespolonego i w czasie obrotów tej komory odpady rozdrabnia się, nagrzewa, suszy i poddaje pirolizie poprzez obróbkę termiczną przy spalaniu paliwa ciekłego w temperaturze powyżej 1000°C. Ze spalania i pirolizy wytworzony gaz pirolityczny po zmieszaniu z powietrzem spala się w komorze wylotowej, a wytwarzający się karbonizat zsypuje się do paleniska fluidalnego w którym ulega całkowitemu spaleniu.A method of biomass combustion is also known from the Polish patent application 362586, in which the feed containing organic waste and other processed animal waste is introduced into the rotary chamber of the combined furnace and during the rotation of this chamber, the waste is crushed, heated, dried and pyrolyzed by thermal treatment. when burning liquid fuel at a temperature above 1000 ° C. After being mixed with air, the pyrolysis gas produced from combustion and pyrolysis is burned in the outlet chamber, and the produced char is poured into the fluidized furnace where it is completely burned.

Znany jest także z polskiego zgłoszenia opisu patentowego 362326 sposób termicznej utylizacji osadów ściekowych, w którym osady z oczyszczalni ścieków w ilości do 10% dodaje się do surowego węgla brunatnego lub kamiennego i w postaci mieszanki pyłowej węglowo-osadowej spala się w kotle węglowym z rusztem dopalającym w temperaturze powyżej 1100°C, przy czym w pierwszej kolejności osady są odwadniane i dodawane do węgla surowego, który poprzez przenośniki jest kierowany do zasobników przynależnych do młynów węglowych, w których węgiel wraz z osadem suszy się i miele a następnie jako mieszankę pyłowo-osadową spala się w kotle węglowym.There is also known from the Polish patent application 362 326 a method of thermal utilization of sewage sludge, in which up to 10% of sewage sludge is added to raw lignite or hard coal and burned in the form of a coal-sludge dust mixture in a coal boiler with an afterburning grate in temperature above 1100 ° C, the sludge is first dewatered and added to the raw coal, which is directed through conveyors to the bunkers belonging to coal mills, where the coal and sludge are dried and ground, and then burned as a dust and sludge mixture in the coal boiler.

Dotychczasowe doświadczenia dotyczące współspalania biomasy z węglem w kotłach energetycznych wykazały, że zadawalające rezultaty odnośnie sprawności spalania i zakresu emisji substancji szkodliwych do otoczenia uzyskano jedynie dla kotłów rusztowych. W przypadku kotłów fluidalnych wystąpiły znaczne trudności eksploatacyjne w związku ze znacznym szlakowaniem komór spalania i powierzchni konwekcyjnych kotła. Występują również znaczne problemy z tworzeniem się spieków w złożu fluidalnym, w wyniku czego następuje dezorganizacja pracy złoża, tworzą się aglomeraty spieczonej szlaki w wyniku czego powstaje niekontrolowany przepływ gazu fluidyzacyjnego przez złoże. W wyniku powstających spieków, znaczna część palnego karbonizatu zostaje zatopiona w żużlu, powodując stratę niecałkowitego spalania, niekiedy znacznie przewyższającą dopuszczalną wartość 5%. Problemy eksploatacyjne pojawiające się w kotłach fluidalnych współspalających odnawialne źródła energii wynikają głównie ze składu substancji mineralnej biomasy, która zawiera dość znaczne ilości pierwiastków takich jak wapń, magnez, sód, potas i chlor, które zna cznie obniżają temperaturę miękczenia popiołu powodując powstanie spieków dezorganizujących pracę urządzenia kotłowego. W przypadku kotłów pyłowych, oprócz problemów eksploatacyjnych pojawiają się dodatkowe problemy bezpieczeństwa i problemy sprawności termodynamicznej układu kotłowego. Problemy bezpieczeństwa związane są z często występującymi pożarami młynów węglowych współmielących węgiel z biomasą oraz wybuchów w pyłoprzewodach transportujących pył węglowo-drzewny do palników pyłowych w komorze kotła. Samozapłony substancji drewna w młynie węglowym występują z powodu dużej podatności wilgotnej substancji drewna do samozapłonu. Przy współspalaniu pyłu biomasy i węgla w komorze kotła występuje również duża tendencja do szlakowania komory kotła i pozostałych powierzchni ogrzewalnych, w wyniku czego rośnie ogólne zabrudzenie powierzchni ogrzewalnych, co powoduje wzrost temperatury wylotowej spalin, a przez to obniżenie ogólnej sprawności kotła nawet o 1-2%. Największą jednak stratą jest strata niecałkowitego spalania w żużlu i lotnym popiele. StrataThe previous experience on the co-combustion of biomass with coal in power boilers has shown that satisfactory results regarding the combustion efficiency and the range of emissions of harmful substances to the environment were obtained only for grate boilers. In the case of fluidized bed boilers, there were significant operational difficulties due to significant marking of combustion chambers and convection surfaces of the boiler. There are also significant problems with the formation of sinters in the fluidized bed, resulting in disorganization of the operation of the bed, agglomerates of sintered slag, resulting in an uncontrolled flow of fluidizing gas through the bed. As a result of the formation of agglomerates, a significant part of the combustible char is sunk in the slag, causing a loss of incomplete combustion, sometimes significantly exceeding the permissible value of 5%. Operational problems appearing in fluidized bed boilers co-firing renewable energy sources mainly result from the composition of the mineral substance of the biomass, which contains quite significant amounts of elements such as calcium, magnesium, sodium, potassium and chlorine, which significantly lower the ash softening temperature, causing the formation of sinters that disrupt the operation of the device boiler. In the case of pulverized coal boilers, apart from operational problems, there are additional safety problems and problems of thermodynamic efficiency of the boiler system. Safety problems are related to the frequent fires of coal mills co-milling coal with biomass and explosions in the dust pipes transporting coal dust to the dust burners in the boiler chamber. Self-ignition of the wood substance in the coal mill occurs due to the high susceptibility of the moist wood substance to self-ignition. With the co-combustion of biomass and coal dust in the boiler chamber, there is also a great tendency to mark the boiler chamber and other heating surfaces, as a result of which the overall fouling of the heating surfaces increases, which causes an increase in the outlet temperature of the flue gases, and thus lower the overall boiler efficiency by even 1-2 %. The greatest loss, however, is the loss of incomplete combustion in the slag and fly ash. Loss

PL 216 270 B1 koksiku w żużlu w niektórych typach kotłów pyłowych może dochodzić nawet do 25-30%, a strata niecałkowitego spalania lotnego koksiku w lotnym popiele może wynosić 10-15%. W wyniku straty niecałkowitego spalania w koksiku węglowym, ogólna sprawność termiczna układu kotłowego może ulec obniżeniu o 2-4%, co stanowi znaczną stratę ekonomiczną. Strata niecałkowitego spalania koksiku w żużlu i lotnym popiele jest jeszcze bardziej dotkliwa, gdy zostanie odniesiona tylko do odnawialnych źródeł energii z którego w zdecydowanej części pochodzi. W odniesieniu do ilości podawanej biomasy, strata ta może nawet dochodzić do 50% ilości podawanej biomasy. Strata niecałkowitego spalania koksiku w żużlu i lotnym popiele wynika głównie z braku zdolności przemiałowych odnawialnych źródeł energii. Podawana do młyna substancja biomasy ma strukturę włóknistą, głównie ligniny i celulozy, która nie posiada żadnych własności przemiałowych. W stanie surowym struktura włókien ligniny i celulozy podlega głównie procesowi zgniatania i miażdżenia, a nie procesowi mielenia. W wyniku zgniatania podawanej substancji biomasy z młyna węglowego zostają podawane do pyłoprzewodów źdźbła i fragmenty o rozmiarach milimetrowych, a nie ziarna o rozmiarach mikronowych. Rozdrobniona biomasa z młyna przedostaje się do pyłoprzewodów pomimo dużych rozmiarów gabarytowych, ponieważ posiada bardzo niską gęstość pozorną i mocno rozwiniętą powierzchnię zewnętrzną. Siła wyporu cząstek biomasy jest znacznie większa od siły wyporu ziaren węglowych o średnicach nawet o rząd mniejszych. Wprowadzone do komory kotła ziarna biomasy o największych rozmiarach ulegają jedynie wysuszeniu i odgazowaniu i w postaci ziaren karbonizatu węglowego opadają do leja żużlowego, stanowiąc niedopał w żużlu. Natomiast mniejsze ziarna biomasy po odgazowaniu, z uwagi na znaczną siłę wyporu unoszone są ze spalinami z komory kotła, stanowiąc niedopał w postaci lotnego koksiku w lotnym popiele. Ilość współspalanej biomasy w kotłach pyłowych jest więc głównie limitowana przez zawartość karbonizatu w żużlu i w lotnym popiele, która stanowi bardzo znaczący udział strat, jako strata niecałkowitego spalania. Jednym ze sposobów obniżenia tej straty w kotłach pyłowych jest podniesienie zdolności przemiałowej biomasy.Coke breeze in the slag in some types of pulverized coal boilers can be as high as 25-30%, and the loss of incomplete combustion of the coke breeze in the fly ash can be 10-15%. As a result of the loss of incomplete combustion in the coal coke breeze, the overall thermal efficiency of the boiler system may be reduced by 2-4%, which is a significant economic loss. The loss of incomplete combustion of coke breeze in slag and fly ash is even more severe when it is related only to renewable energy sources from which it largely comes. In terms of the amount of fed biomass, this loss can even be as high as 50% of the amount of fed biomass. The loss of incomplete combustion of coke breeze in slag and fly ash results mainly from the lack of grinding capacity of renewable energy sources. The biomass substance fed to the mill has a fibrous structure, mainly lignin and cellulose, which does not have any regrinding properties. In the raw state, the structure of lignin and cellulose fibers is mainly crushed and crushed, not milled. As a result of crushing the supplied substance, the biomass from the coal mill is fed to the dust ducts by the blades and fragments of millimeter sizes, and not of micron-sized grains. The shredded biomass from the mill gets into the dust ducts despite the large overall dimensions, because it has a very low apparent density and a well-developed outer surface. The buoyancy force of biomass particles is much greater than the buoyancy force of carbon grains with diameters even an order smaller. The largest size biomass grains introduced into the boiler chamber are only dried and degassed and, in the form of carbonate grains, fall into the slag hopper, constituting a slag misfire. On the other hand, smaller grains of biomass after degassing, due to the significant buoyancy force, are lifted with the flue gases from the boiler chamber, constituting a misfire in the form of volatile coke breeze in fly ash. The amount of co-combusted biomass in pulverized coal boilers is therefore mainly limited by the content of char in the slag and fly ash, which accounts for a very significant share of losses, as the loss of incomplete combustion. One of the ways to reduce this loss in pulverized coal boilers is to increase the grinding capacity of the biomass.

Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym w którym kocioł energetyczny opala się dostarczanym do niego pyłem węglowym pozyskiwanym z węgla przemielanego w układzie młynowym oraz pyłem biomasy pozyskiwanym z biomasy przemielanej w układzie młynowym według wynalazku charakteryzuje się tym, iż biomasa przed wprowadzeniem do układu młynowego zostaje poddana procesowi suszenia i niskotemperaturowej karbonizacji w suszarni w gazie o temperaturze w zakresie od 300 do 860°C i zawartości tlenu poniżej 10% udziału objętościowego przy czym pył biomasy w komorze spalania kotła energetycznego spalany jest samodzielnie w palniku pyłowym usytuowanym powyżej palnika zasilanego pyłem węglowym pozyskiwanym z węgla przemielanego w układzie młynowym albo spalany jest razem z pyłem węglowym w tym samym palniku pyłowym po uprzednim łącznym przemieleniu skarbonizowanej w suszarni biomasy i węgla w układzie młynowym.The method of preparing and burning organic biomass in a power boiler in which the power boiler fires with coal dust supplied to it, obtained from ground coal in the mill system and with biomass dust obtained from biomass ground in the mill system, according to the invention, characterized by the fact that the biomass before entering the mill system is subjected to the process of drying and low-temperature carbonization in a gas dryer with a temperature ranging from 300 to 860 ° C and oxygen content below 10% by volume, while the biomass dust in the combustion chamber of the power boiler is burned independently in a dust burner located above the coal dust burner obtained from ground coal in the mill system or it is burned together with pulverized coal in the same pulverized burner after jointly grinding the carbonized biomass and coal in the mill system.

Korzystnie opary wilgoci i gazy suszarnicze powstałe w procesie suszenia i wstępnej karbonizacji biomasy wprowadzane są dyszą do komory spalania kotła energetycznego ponad płomieniem palnika pyłowego.Preferably, moisture vapors and drying gases generated in the process of drying and pre-carbonization of the biomass are introduced with a nozzle into the combustion chamber of the power boiler above the flame of the pulverized burner.

Korzystnie proces suszenia i wstępnej karbonizacji w suszarni przeprowadza się przy udziale gazu stanowiącego mieszaninę spalin wysokotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 400 do 900°C i spalin niskotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 100 do 300°C pobieranych z recyrkulacji z ciągu konwekcyjnego kotła energetycznego.Preferably, the drying and pre-carbonization process in the dryer is carried out with the gas being a mixture of high-temperature flue gases with a temperature ranging from 400 to 900 ° C and low-temperature flue gases with a temperature ranging from 100 to 300 ° C, taken from the recirculation process of the power boiler convection.

Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym został objaśniony przy pomocy rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu do realizacji sposobu według pierwszego przykładu realizacji wynalazku, a fig. 2 - schemat układu do realizacji sposobu według drugiego przykładu realizacji wynalazku.The method of preparing and burning organic biomass in a power boiler is explained by means of a drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of a system for carrying out the method according to a first embodiment of the invention, and Fig.

Sposób przygotowania i spalania biomasy organicznej w kotle energetycznym opalanym pyłem węglowym i pyłem biomasy w pierwszym przykładzie realizacji według wynalazku polega na tym, iż z zasobnika 6 biomasa transportowana jest do suszarni 1 w której poddawana jest procesowi suszenia i wstępnej karbonizacji niskotemperaturowej w gazie stanowiącym strumień spalin o temperaturze w zakresie od 300 do 860°C i zawartości tlenu poniżej 10% udziału objętościowego. Korzystnie proces suszenia i wstępnej karbonizacji niskotemperaturowej przeprowadza się przy udziale gazu stanowiącego mieszaninę spalin wysokotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 400 do 900°C i spalin niskotemperaturowych o temperaturze w zakresie od 100 do 300°C pobieranych z recyrkulacji z ciągu konwekcyjnego kotła energetycznego 3. Z suszarni 1 wstępnie skarbonizowana biomasa transportowana jest do układu młynowego 2 skąd następnie po przemieleniu kierowana jest do spalania,The method of preparing and burning organic biomass in a power boiler fired with coal dust and biomass dust in the first embodiment according to the invention consists in transporting biomass from the bunker 6 to the dryer 1, where it is subjected to the process of drying and preliminary low-temperature carbonization in the gas constituting the flue gas stream with a temperature in the range of 300 to 860 ° C and an oxygen content below 10% by volume. Preferably, the drying and initial low-temperature carbonization process is carried out with the participation of gas which is a mixture of high-temperature flue gases with a temperature ranging from 400 to 900 ° C and low-temperature flue gases with a temperature ranging from 100 to 300 ° C, taken from recirculation from the convection line of a power boiler. in the dryer 1, pre-carbonised biomass is transported to the mill system 2, from where it is then sent for combustion after grinding,

PL 216 270 B1 w usytuowanym w komorze spalania kotła energetycznego 3, palniku pyłowym 4. Pył biomasy spalany jest w palniku pyłowym 4 samodzielnie to znaczy bez udziału pyłu węglowego. Zasilany biomasą palnik pyłowy 4 usytuowany jest nad palnikiem 8 zasilanym pyłem węglowym. Pył węglowy do palnika 8 podawany jest z układu młynowego 9. Węgiel do układu młynowego 9 podawany jest z zasobnika 7. Powstałe w suszarni 1 w trakcie suszenia i karbonizacji gazy w postaci oparów wilgoci i oxygazów wprowadzane są dyszą 5 do komory spalania kotła energetycznego 3 w której gazy palne ulegają spaleniu redukując jednocześnie zawartość NOx w spalinach wylotowych z komory spalania kotła energetycznego 3. Powstałe w suszarni 1 gazy wprowadzane są do komory spalania kotła energetycznego 3 ponad płomieniem palnika pyłowego 4. W procesie niskotemperaturowej karbonizacji uwęglona biomasa zmienia swoje własności fizyczne osiągając własności przemiałowe przy czym częściowo skarbonizowana biomasa niewiele zmienia swoje własności chemiczne, jedynie częściowo pozbywając się w trakcie procesu suszenia i karbonizacji oxygazów, niewielkich ilości wodoru i związków węglowodorowych. Poddana procesowi niskotemperaturowej karbonizacji biomasa pozwala podczas przemiału w typowym młynie węglowym uzyskać ziarna pyłu biomasy o rozmiarach mniejszych od 200 μm co sprawia, że ilość niedopału w postaci koksiku w żużlu i w lotnym popiele praktycznie obniża się do zera.In the pulverized fuel burner 4 located in the combustion chamber of the power boiler 3, the biomass dust is burned in the pulverized fuel burner 4 independently, i.e. without the participation of coal dust. The pulverized biomass burner 4 is located above the burner 8 fed with pulverized coal. Coal dust to the burner 8 is fed from the mill system 9. The coal to the mill system 9 is fed from the bunker 7. The gases formed in the dryer 1 during drying and carbonization in the form of moisture and oxygases are introduced with the nozzle 5 to the combustion chamber of the power boiler 3 in which flammable gases are burned while reducing the NOx content in the exhaust fumes from the combustion chamber of the power boiler 3. The gases produced in the dryer 1 are introduced into the combustion chamber of the power boiler 3 above the flame of the pulverized burner 4. In the process of low-temperature carbonization, the carbonized biomass changes its physical properties, achieving milling, with partially carbonized biomass changing its chemical properties only slightly, only partially getting rid of oxygases, small amounts of hydrogen and hydrocarbon compounds during the drying and carbonization process. The biomass subjected to the low-temperature carbonization process allows, during grinding in a typical coal mill, to obtain biomass dust grains smaller than 200 μm, which means that the amount of carbon dioxide in the slag and fly ash practically drops to zero.

W drugim przykładzie realizacji sposobu według wynalazku wstępnie skarbonizowana według pierwszego przykładu według wynalazku w suszarni 1 biomasa kierowana jest do przemiału w układzie młynowym 2 łącznie z wprowadzanym do tego układu młynowego 2 z zasobnika 7 węglem, a uzyskany pył węglowo-biomasowy kierowany jest do spalenia w tym samym palniku pyłowym 4 umiejscowionym w komorze spalania kotła energetycznego 3. Uzyskany w trakcie przemiału mieszany biomasy i węgla węglowo-biomasowy pył ma strukturę ziarenek o wymiarach mniejszych niż 200 μm. Do suszarni 1 biomasa dostarczana jest z zasobnika 6. Powstałe w suszarni 1 w trakcie suszenia i karbonizacji gazy w postaci oparów wilgoci i oxygazów podobnie jak w pierwszym przykładzie według wynalazku wprowadzane są dyszą 5 do komory spalania kotła energetycznego 3.In the second embodiment of the method according to the invention, the biomass pre-carbonized according to the first example according to the invention in the dryer 1 is directed to the grinding in the mill system 2 together with the coal fed to this mill system 2 from the bunker 7, and the obtained coal-biomass dust is sent for combustion in the same pulverized coal burner 4 located in the combustion chamber of the power boiler 3. The mixed biomass and coal-coal-biomass dust obtained during grinding has a grain structure with dimensions smaller than 200 μm. Biomass is supplied to the dryer 1 from the bunker 6. Gases formed in the dryer 1 during drying and carbonization in the form of moisture vapors and oxygases, similarly to the first example according to the invention, are introduced with a nozzle 5 into the combustion chamber of the power boiler 3.

Claims

1. The method of preparation and combustion of organic biomass in a power boiler in which the power boiler fires with coal dust supplied to it obtained from ground coal in the mill system and with biomass dust obtained from biomass ground in the mill system, characterized in that the biomass before entering the mill system (2) is subjected to the process of drying and low-temperature carbonization in a dryer (1) in a gas with a temperature ranging from 300 to 860 ° C and an oxygen content below 10% by volume, while the biomass dust in the combustion chamber of the power boiler (3) is burned by itself in a pulverized burner (4) located above the burner (8) fed with pulverized coal obtained from ground coal in the mill system (9) or it is burned together with pulverized coal in the same pulverized burner (4) after prior joint grinding of carbonized coal in a dryer (1) biomass and coal in the mill system (2).

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the moisture vapor and drying gases generated in the process of drying and pre-carbonization of the biomass are introduced with a nozzle (5) into the combustion chamber of the power boiler (3) above the flame of the pulverized burner (4).

3. The method according to p. 3. The method of claim 1, characterized in that the drying and pre-carbonization process in the dryer (1) is carried out with the participation of gas constituting a mixture of high-temperature flue gases with a temperature ranging from 400 to 900 ° C and low-temperature flue gases with a temperature ranging from 100 to 300 ° C taken from recirculation from the convection line of a power boiler (3).