WARTOŚĆ OPAŁOWA BIOMASY ŁODYG ŚLAZOWCA PENSYLWAŃSKIEGO W ZALEŻNOŚCI OD WILGOTNOŚCI

Transkrypt

1 Inżynieri Rolnicz 8(117)/2009 WARTOŚĆ OPAŁOWA BIOMASY ŁODYG ŚLAZOWCA PENSYLWAŃSKIEGO W ZALEŻNOŚCI OD WILGOTNOŚCI Jonn Szyszlk-Brgłowicz, Wiesłw Piekrski Ktedr Energetyki i Pojzdów, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Streszczenie. W prcy przedstwiono wyniki bdń oznczeni ciepł splni i obliczeni wrtości opłowej wykonnych dl biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego o różnej wilgotności w różnych terminch zbioru łodyg rośliny. Wyniki pomirów ciepł splni i wrtości opłowej biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego potwierdziły, że roślin t może być surowcem energetycznym. Słow kluczowe: ślzowiec pensylwński, bioms, wrtość opłow Wstęp Energetyczn ocen biomsy wymg zstosowni tych smych zsd, co do oceny trdycyjnych pliw stłych [Winnick i in. 2005]. Do njwżniejszych kryteriów nleżą: wrtość opłow, zwrtość wody, popiołu i sirki, tempertur topliwości popiołu, zwrtość części lotnych i uzirnienie [Zwistowski 2003]. Ciepło splni i wrtość opłow to podstwowe prmetry termofizyczne biopliw stłych. Przy wykorzystniu energetycznym podstwowe znczenie odgryw wrtość opłow pliw, któr zleży przede wszystkim od wilgotności i skłdu chemicznego. Wrtość opłow biopliw wh się od 5 do 8 MJ kg -1 dl biomsy o wilgotności 50-60% do MJ kg -1 dl biomsy podsuszonej, której wilgotność wynosi 15-20% i do ok. 20 MJ kg -1 dl biomsy cłkowicie wysuszonej [Niedziółk, Zuchnirz 2006]. Niekorzystną cechą biomsy pochodzeni roślinnego jest wilgotność wynosząc nwet 50%. Dodtkowym problemem jest jej zmienność w zleżności od rodzju rośliny i okresu sezonowni (w wyniku sezonowni wrtość opłow wzrst), czego konsekwencją jest stosunkowo nisk i zmienn wrtość opłow. Przy wilgotności 50% splnie jest możliwe jedynie w specjlistycznych kotłch, co jest opłclne wyłącznie w ciepłownich zwodowych średniej i dużej mocy. Splnie biomsy w trdycyjnych kotłch c.o. wymg zmniejszeni jej wilgotności do wrtości poniżej 15% [Kubic i in. 2003]. Duż zwrtość wody w biomsie m również wpływ n koszty jej pozyskiwni. Często biomsę dowozi się do miejsc spleni z dlszych regionów krju i zwrtość wody, tym smym wyższy ciężr biomsy, wpływ n wyższe koszty trnsportu. Wykorzystnie biomsy, odpdów drzewnych jk i słomy przeznczonej do celów energetycznych jest więc opłclne tylko przy niewielkiej odległości trnsportu surowc [Wisz, Mtwiejew 2005; Kubic i in. 2003]. 223

2 Jonn Szyszlk-Brgłowicz, Wiesłw Piekrski Jk dotychczs w Polsce nie przyjęto włsnych norm dotyczących jkości biomsy wykorzystywnej n cele energetyczne. I tk n przykłd jkość peletów z różnego rodzju biomsy określ się n podstwie spełnieni wymogów zwrtych w niemieckiej normie DIN dl peletów z nturlnego drewn. Wrunki przebiegu zmin pogody przed i w momencie zbioru pędów ślzowc z pol, wpływją istotnie n wilgotność jego biomsy. Pozostwienie pędów podsuszonych n polu przy znczącym wzroście wilgotności względnej powietrz, powoduje szybkie ich nwilgcnie [Stolrski 2004]. Jk zuwżją Borkowsk i Styk [2006] bez względu n termin zbioru bioms wikliny prwie w połowie skłd się z wody, ntomist ms ślzowc pensylwńskiego zbiernego zimą zwier o połowę mniej wody niż wiklin. Pozwl to n zmniejszenie kosztów trnsportu orz n oszczędność energii potrzebnej do wysuszeni surowc (w przypdku sztucznego suszeni). Metodyk bdń Przedmiotem bdń było: 1. Oznczenie wrtości ciepł splni biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego (wrtości opłowej górnej), któr zgodnie ze specyfikcją techniczną PKN CEN/TS i normmi PN 81/G i PN ISO 1928 jest ilością ciepł, uzyskną podczs spleni jednostki msy pliw stłego w tmosferze tlenu. Końcowymi produktmi spleni są gzy schłodzone do tempertury otoczeni, do których zliczmy: tlen, zot, dwutlenek węgl, dwutlenek sirki, jk również wod orz popiół. 2. Obliczenie wrtości opłowej, któr jest ciepłem splni pomniejszonym o ciepło prowni wody, uzysknej z pliw w procesie splni orz wilgoci higroskopijnej. Wrtość opłow zleży więc od wilgotności mteriłów higroskopijnych, jkim są biopliw stłe. Wrtość opłową obliczono z pomocą wzorów 1-5, przy pomocy progrmu komputerowego, w który wyposżon jest jednostk sterując prcą klorymetru (zgodnego z normmi PN 80 / G orz PN ISO 1928). 100 Wex W = W + W t ex h 100 [%] (1) gdzie: W t zwrtość cłkowitej wilgoci w próbce [%]; W ex zwrtość wilgoci przemijjącej [%]; W h zwrtość wilgoci higroskopijnej [%]. H W K = 100 [%] (2) h A gdzie: H zwrtość wodoru w próbce nlitycznej [%]; W zwrtość wilgoci w próbce nlitycznej [%]; A zwrtość popiołu w próbce nlitycznej [%]; K h współczynnik do obliczni zwrtości wodoru w próbce nlitycznej =

3 Wrtość opłow biomsy... c Q s = Q [J g -1 ] (3) m gdzie : Q s ciepło splni pliw w stnie nlitycznym [J g -1 ]; Q ciepło splni próbki pliw [J g -1 ]; c sum poprwek n dodtkowe efekty cieplne [J]; m ms odwżki pliw stłego [g]. i s ( H ( H ) Q = Q P W + [J g -1 ] (4) gdzie: Q i wrtość opłow w stnie nlitycznym [J g -1 ]; Q s ciepło splni pliw w stnie nlitycznym [J g -1 ]; P ciepło prowni wody przy 25 o C 1% zwrtości [J g -1 ]; H w współczynnik przeliczeniowy wodoru n wodę = 8,94. Q ir 100 Wt = 100 W w ( Q + P( W ) P( W ) gdzie: Q ir wrtość opłow w stnie roboczym [J g -1 ]. i t [J g -1 ] (5) Obiektem bdń był bioms łodyg ślzowc pensylwńskiego, reprezenttywną próbkę do bdń o msie 1 kg pobrno z plonu pochodzącego z plntcji doświdczlnej. Do obliczeń wrtości opłowej biomsy slzowc pensylwńskiego wykorzystno kredytowne oznczenie zwrtości wodoru i popiołu w tej biomsie, wykonne w Zespole Lbortoriów Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgl w Zbrzu, posidjącym Certyfikt Akredytcji o Nr AB 081 (wydny w 2001 r.) spełnijącym wymgni normy PN EN ISO/IEC 17025:2001. Do obliczeń przyjęto zwrtość wodoru, któr wynosił 5,61%, ntomist zwrtość popiołu powstłego z biomsy ślzowc pensylwńskiego w temperturze 600 o C, któr wynosił 3,5%. Bdni mjące n celu wyznczenie ciepł splni łodyg ślzowc pensylwńskiego wykonno klorymetrem KL 12, który przeznczony jest do pomiru ciepł splni pliw stłych. Metod pomiru jest zgodn z wymogmi norm PN 1/G 04513, PN SO Bdni poległy n cłkowitym spleniu próbki pliw (1 g) w tmosferze tlenu przy ciśnieniu rzędu 2,5 MP w bombie klorymetrycznej znurzonej w wodzie i n wyznczeniu przyrostu tempertury tej wody. Ciepło splni pliw wyliczne jest w sposób utomtyczny i przedstwione n ekrnie komputer. Pomir przyrostu tempertury podwny jest z dokłdnością 0,001. Oznczenie wilgotności wykonno zgodnie z wymogmi PN 80/G04511, z wykorzystniem: suszrki elektrycznej z urządzeniem do wyminy powietrz, zoptrzonej w termometr o zkresie pomirowym do 120 o C z podziłką elementrną 1 o C; nczyń lbortoryjnych; tcy z nierdzewnego mteriłu, wgi nlitycznej. Oznczeni ciepł splni i obliczeni wrtości opłowej, wykonno dl biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego o różnej wilgotności, w zleżności od terminu zbioru łodyg rośliny. Reprezenttywne próbki do bdń pobierno z plntcji doświdczlnej ślzowc pensylwńskiego dw rzy w miesiącu od pździernik do lutego w ltch

4 Jonn Szyszlk-Brgłowicz, Wiesłw Piekrski Wyniki bdń Wrtość opłow biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego zleżł w dużym stopniu od wilgotności i terminu zbioru (rys. 1, tb. 1). Przy wilgotności łodyg wynoszącej 12,1% ( ) wrtość opłow wyniosł 15,1 (ciepło splni 17,1 MJ kg -1 ) ntomist gdy łodygi miły wilgotność 54% ( ) wrtość opłow wyniosł 6,7 MJ kg -1. Bioms ślzowc pensylwńskiego chrkteryzowł się njniższą wilgotnością (rys. 1, tb. 1), tym smym njwyższą wrtością opłową w miesiącch zimowych od końc grudni do lutego. Mjąc n uwdze perspektywę energetycznego wykorzystni tej biomsy, jej zbiór uzsdniony jest w tych terminch. Njkorzystniej jest przeprowdzć go przy temperturze co njmniej kilku stopni poniżej zer, co również ułtwi wjechnie ciężkim sprzętem n pole, nie niszcząc struktury gleby. 18,0 ślzowiec pensylwński 16,0 Wrtość opłow [MJ kg -1 ] 14,0 12,0 10,0 8,0 6, Wilgotność [%] Rys. 1. Fig. 1. Źródło: bdni włsne Wrtość opłow biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego w zleżności od wilgotności Clorific vlue of biomss from Virgini fnpetls stems depending on humidity Stolrski [2004] zwrc uwgę, że w przypdku zdrewniłej biomsy ślzowc pensylwńskiego pozyskiwnej z plntcji tego gtunku, jednym z decydujących elementów wpływjących n jkość tego pliw jest termin orz wrunki zbioru biomsy. Borkow i Styk [2003] podją, że rośliny ślzowc pensylwńskiego pozyskiwne w po zkończeniu wegetcji n przełomie pździernik i listopd mił wilgotność średnio 42,8%, ntomist zbierne w grudniu miły niższą wilgotność, średnio 28,2%. Obserwcje Stolrskiego [2004] wykzły, że wilgotność pozysknej z doświdczeni polowego biomsy ślzowc pensylwńskiego wyniosł w grudniu 24,7%, po czym w styczniu wzrosł do 45,4%, nstępnie w okresie lutego i mrc spdł do poziomu odpowiednio: 33,9% i 36,1%. Zleżność ciepł splni i wrtości opłowej odpdowych surowców pochodzeni roślinnego w funkcji wilgotności przedstwił również Obidziński (rys. 2) [2002; 2004]. Autor potwierdz, że wilgotność m istotny wpływ n wrtość opłową biomsy różnego rodzju. Stolrski wrz z innymi nukowcmi [2008] bdjąc włściwości biomsy wieloletnich roślin energetycznych nlizowli również zleżność terminu zbioru i wrunków 226

5 Wrtość opłow biomsy... pogodowych podczs pozyskiwni pliw. Stwierdzili oni, iż generlnie opóźnienie zbioru od listopd do mrc wpłynęło n obniżenie zwrtości popiołu w biomsie, bioms pozyskiwn mrcu chrkteryzowł się wyższymi wrtościmi ciepł splni niż w listopdzie. Tbel 1. Wrtość opłow łodyg ślzowc pensylwńskiego o zmiennej wilgotność w różnych terminch zbioru Tble 1. Clorific vlue of Virgini fnpetls stems chrcterised by vrying humidity t different hrvest dtes Dt zbioru Wilgotność [%] 54,0 53,1 42,5 35,8 25,3 12,9 15,3 24,9 12,5 Wrtość opłow [MJ kg -1 ] 6,7 6,9 9,0 10,4 12,5 14,9 14,5 12,6 15,1 Źródło: bdni włsne Wrtość opłow [MJ kg -1 ] 30 węgiel drzewny 28 słom rzepkow Wilgotność [%] Źródło: Obidziński 2002 Rys. 2. Fig. 2. Wrtość opłow węgl drzewnego i słomy rzepkowej w zleżności od wilgotności Clorific vlue of chrcol nd rpe strw depending on humidity Włściwości słomy jko pliw przedstwił Grzybek wrz z innymi utormi [Grzybek i in. 2001]. Wrtość energetyczn słomy zleży głównie od jej wilgotności. Wilgotność słomy świeżej wynosi od 12 do 22%, w pewnych przypdkch może być wyższ i zleży od rodzju rośliny orz od wrunków tmosferycznych, w jkich odbyw się zbiór. Zbyt wysok wilgotność słomy nie tylko obniż jej wrtość opłową, le wpływ również n przebieg procesu splni, powodując wyższe emisje znieczyszczeń w splinch W tbeli 2 zestwiono uzyskne wyniki bdń włsnych ciepł splni i wrtości opłowej łodyg ślzowc pensylwńskiego z wynikmi uzysknymi przez innych utorów. 227

6 Jonn Szyszlk-Brgłowicz, Wiesłw Piekrski Tbel 2. Ciepło splni i wrtość opłow ślzowc pensylwńskiego Tble 2. Virgini fnpetls combustion het nd clorific vlue Wilgotność Ciepło splni Wrtość opłow [%] [MJ kg -1 ] [MJ kg -1 ] Ślzowiec pensylwński* 12,1 17,1 15,1 Ślzowiec pensylwński 7,6 18,4 16,6 Pelety ze ślzowc pensylwńskiego 7,9 18,2 16,0 Pelety ze ślzowc pensylwńskiego 8,0 18,7 17,0 [Źródło: ślzowiec pensylwński * - bdni włsne; pozostłe: Szyszlk i in. 2006; Stolrski in. 2005; Borkowsk 2006] Zwrtość popiołu powstłego z biomsy ślzowc pensylwńskiego w temperturze 600 o C wyniosł 3,5%. Wyższą zwrtość popiołu w peletch ze ślzowc (4,83%) podje Borkowsk [2006], zwrcjąc jednocześnie uwgę, że był to pierwszy przypdek stwierdzeni tk zncznego udziłu popiołu w msie ślzowc pochodzącej z uprwy polowej. Zmierzon zwrtość popiołu w biomsie ślzowc pensylwńskiego mieścił się w typowym przedzile zwrtości popiołu w biomsie, który wynosi do 0,5 do 5,5% [Wisz, Mtwiejew 2005]. Podsumownie i wnioski Wyniki pomirów ciepł splni i wrtości opłowej biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego potwierdziły, że roślin t może być surowcem energetycznym. Z przeprowdzonej nlizy włściwości biomsy łodyg ślzowc pensylwńskiego, wykorzystnej jko rośliny do celów energetycznych, wynikją nstępujące wnioski: 1. Stwierdzono njniższą wilgotność biomsy ślzowc pensylwńskiego od końc grudni (24,9%) do lutego (12,1%). Wilgotność biomsy zbiernej bezpośrednio z pol uprwnego określon jest przez wrunki pogodowe. Njkorzystniej jest przeprowdzć zbiór przy temperturze co njmniej kilku stopni poniżej zer, co ułtwi również wjechnie ciężkim sprzętem n pole, nie niszcząc struktury gleby. 2. Uzyskn bioms łodyg ślzowc pensylwńskiego chrkteryzowł się wysoką wrtością ciepł splni wynoszącą 17,1 MJ kg -1, ntomist wrtość opłow ksztłtowł się n poziomie 15,1 MJ kg -1, przy wilgotności 12,1%. 3. Zwrtość popiołu powstłego z biomsy ślzowc pensylwńskiego (3,5%) mieścił się w grnicch zwrtości popiołu w innych rodzjch biomsy (0,5-5,5%). 228

7 Wrtość opłow biomsy... Bibliogrfi Borkowsk H Pelety ze ślzowc pensylwńskiego n tle normy DIN Czyst Energi. Nr 6. s Borkowsk H., Styk B Ślzowiec Bioms, perspektywy uprwy i wykorzystni ślzowc pensylwńskiego n cele energetyczne. W monogrfii pod red. Ciechowicz W., Szczukowski S. pt. Ogniw pliwowe i bioms lignceluzow sznsą rozwoju wsi i mist. WSISiZ Wrszw. s Borkowsk H., Styk B Ślzowiec pensylwński (Sid hermphrodit Rusby). WAR. Lublin. ISBN Grzybek A., Grdziuk P., Kowlczyk K Słom energetyczne pliwo. Wydw. Wieś Jutr. Wrszw. ISBN Kubic K., Ściążko M., Rińczk J Współsplnie biomsy z węglem. Polityk Energetyczn. Wyd. Instytutu GSMiE PAN, Krków. Zeszyt specjlny t. 6. s Niedziółk I., Zuchnirz A Anliz energetyczn wybrnych rodzjów biomsy pochodzeni roślinnego. Motorol. Nr 8A. s Obidziński S Ciepło splni I wrtość opłow odpdowych surowców pochodzeni roślinnego. Inż. Roln. Nr 4(37). s Obidziński S Ciepło splni i wrtość opłow kory drzew liścistych i iglstych. Inż. Roln. Nr 5(60). s Stolrski M Produkcj orz pozyskiwnie biomsy z wieloletnich uprw roślin energetycznych. Probl. Inż. Roln. Nr 3(45). s Stolrski M., Szczukowski S., Tworkowski J., Kwitkowski J. Grzelczyk M Chrkterystyk zrębków orz peletów (grnultów) z biomsy wierzby i ślzowc jko pliw. Probl. Inż. Roln. Nr 1(47). s Stolrski M., Szczukowski S., Tworkowski J Biopliw biomsy wieloletnich roślin energetycznych. Energetyk, Nr 1. s Szyszlk-Brgłowicz J., Piekrski W., Krzczek P Splnie słomy jednym z kierunków jej wykorzystni. Energetyk. Zeszyt temtyczny IX. s Winnick G., Trmer A., Świec G Bdnie włściwości biomsy do celów energetycznych. IChPW. Zbrze. Mszynopis. Wisz J., Mtwiejew A Bioms bdni w lbortorium w spekcie przydtności do energetycznego splni. Energetyk. Nr 9 s Zwistowski J Współsplnie biomsy drzewnej z węglem szybszy rozwój energetyki odnwilnej. Ekologi Prktyczn. Nr 7/8. s

8 Jonn Szyszlk-Brgłowicz, Wiesłw Piekrski CALORIFIC VALUE OF BIOMASS FROM VIRGINIA FANPETALS (SIDA HERMAPHRODITA RUSBY) STEMS DEPENDING ON HUMIDITY Abstrct. The pper presents results of the reserch on combustion het determintion nd clorific vlue computtion for biomss from Virgini fnpetls (Sid hermphrodit Rusby) stems chrcterised by vrying humidity, crried out t different plnt stem hrvest dtes. Mesurement results of combustion het nd clorific vlue for biomss obtined from Virgini fnpetls stems hve confirmed tht this plnt my constitute usble mteril for energy production. Key words: Virgini fnpetls (Sid hermphrodit Rusby), biomss, clorific vlue Adres do korespondencji: Jonn Szyszlk-Brgłowicz; e-mil: jonn.szyszlk@up.lublin.pl Ktedr Energetyki i Pojzdów Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie ul. Głębok Lublin 230