Biomasa pochodzenia rolnego posiada ogromny potencjał pod względem wykorzystania jej jako źródła energii odnawialnej. Ocenia się, iż największy potencjał produkcyjny biomasy rolnej (słoma z upraw zbóż i roślin oleistych) w rejonie Europy północnej posiadają Niemcy (45 mln Mg/rok) oraz Polska (30 mln Mg/rok). Szacuje się też, iż polskie zasoby biomasy, która mogłaby być wykorzystana jako źródło energii odnawialnej wynosi 900 PJ/rok (P – peta czyli 1015, określane również jako biliard). Pomimo tak wielkiego potencjału zasoby te nie są w pełni wykorzystywane jako źródło energii w systemie energetycznym. Szacuje się, iż w Polsce zużycie biomasy stałej na cele energetyczne wynosi w 263.4 PJ/rok. Główną barierą ograniczającą to zastosowanie są problemy wynikające z transformacji substancji mineralnej biomasy podczas jej spalania. Wysoka zawartość chloru oraz metali alkalicznych (głównie sodu i potasu) powodują powstawanie niekorzystnych zjawisk towarzyszących procesowi spalania, tzn. szlakowanie, żużlowanie, aglomerację i korozję. Dokładny mechanizm transformacji popiołu w obecności związków wymienionych pierwiastków nie jest do końca przebadany i jest wciąż dyskutowany i analizowany.

Toryfikacja jest procesem niskotemperaturowej (200–300°C) obróbki termicznej biomasy, która prowadzona jest bez obecności utleniaczy, a czas przebywania biomasy w reaktorze wynosi zazwyczaj 15–30 minut. Do głównych korzyści toryfikacji zalicza się podniesienie kaloryczności paliwa, zapobieganie niekorzystnym procesom biologicznym (np. gnicie), zmniejszenie kosztów związanych z transportem i składowaniem biomasy oraz zmniejszenie nakładów energetycznych potrzebnych do rozdrobnienia i mielenia biomasy.

W poszukiwaniach badawczych zauważono, iż toryfikacja może być z powodzeniem stosowana jako sposób usuwania niekorzystnych związków zawartych w biomasie, jak chlor czy związki metali alkalicznych (głównie sodu i potasu). Zauważono, iż skuteczność usuwania chloru w wyniku zastosowania procesu toryfikacji zależy od rodzaju biomasy i warunków procesowych (temperatura, czas przebywania, stopień rozdrobnienia biomasy). Skuteczność ta zawiera się w szerokim zakresie 3–97.5%. Aby uzyskać odpowiednią skuteczność usuwania chloru zaleca się stosowanie temperatury nieco wyższej w porównaniu do zalecanej w procesie toryfikacji (200–300°C). Znaczenie mają również inne parametry, jak przykładowo wielkość cząstek biomasy wprowadzanej do reaktora. Przykładowo, Chen i współpracownicy zauważyli, iż skuteczność usuwania chloru z biomasy (słoma) o wielkości cząstek 74–124 μm wynosiła 60.8%, a skuteczność usuwania dla cząstek o wielkości 250–420 μm wynosiła tylko 27.3%. Toryfikację prowadzono w tej samej temperaturze, tj. 350°C.

Toryfikacja może być skutecznym sposobem pozwalającym na zwiększenie wykorzystania biomasy pochodzenia rolnego jako źródła energii. Możliwość usuwania związków chloru, sodu i potasu z biomasy jest sposobem na uniknięcie niekorzystnych procesów towarzyszących transformacji popiołu, jak wspomniane już szlakowanie, żużlowanie, aglomeracja i korozja. Wymienione niekorzystne procesy są jednymi z najczęściej występujących w kotłach energetycznych, które skutecznie uniemożliwiają wykorzystanie pełni potencjału energetycznego biomasy rolnej. Zmniejszenie zawartości chloru będzie miało również wpływ na obniżenie emisji dioksyn i furanów. Znalezienie optymalnych warunków toryfikacji (głównie temperatury, czasu przebywania oraz wielkości cząstek) jest aktualnie głównym wyzwaniem badawczym, które podjęło wiele ośrodków naukowych, zajmujących się problematyką zastosowania biomasy jako odnawialnego źródła energii, w tym również nasz Instytut.

Zaklejanie palnika kotła domowego podczas spalania peletów wykonanych z biomasy agro.

Więcej informacji o badaniach procesu toryfikacji:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544217305996

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544216318862

https://asmedigitalcollection.asme.org/energyresources/article-abstract/142/2/022201/955202

Autor: Janusz Lasek