CZY BIOMASA JEST PALIWEM EKOLOGICZNYM? IS A BIOMASS AN ECOLOGICAL FUEL? Grzegorz Wielgosiński

Transkrypt

1 CZY BIOMASA JEST PALIWEM EKOLOGICZNYM? IS A BIOMASS AN ECOLOGICAL FUEL? Grzegorz Wielgosiński Politechnika Łódzka, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, ul. Wólczańska 175, Łódź, wielgos@wipos.p.lodz.pl ABSTRACT Biomass is widely regarded as a fuel which may partially replace classical mineral fuels, particularly coal. This is a renewable fuel and in CO 2 emission settlement it is treated as a fuel which does not contribute to the emission of CFC gases. Nevertheless, the elementary composition of biomass is different when compared to mineral fuels, including coal. Furthermore, the process of combustion is different, too. In the study the investigations of four types of biomass (basket willow Salix viminalis in the form of chips, rape straw in the form of briquette, wood waste obtained from forest in the form of pellet and oak bark in the form of chips) were carried out in a laboratory resistance furnace at the temperature in the range from 7-11 o C and at three different air flow rates. The emission factors of CO, NO and the sum of organic compounds as TOC in reference to fuel mass was determined and the results obtained were compared to the analogous factors determined for hard coal combustion. It was found that in many cases the emission factors for biomass combustion, which have been determined, are higher than those determined for hard coal. Key words: combustion, emission, biomass, hard coal, CO, NO., TOC, emission factor Wstęp Głównym czynnikiem warunkującym rozwój gospodarczy i społeczny na świecie, jest zapewnienie ciągłego dostępu do źródeł energii. Trudno jest sobie dziś wyobrazić życie bez możliwości korzystania ze wszystkich urządzeń technicznych wymagających zasilania energią, dlatego też zapotrzebowanie jak i zużycie energii, nieustannie rośnie. Podstawowym źródłem wytwarzania energii na świecie jest energetyka konwencjonalna, czyli pozyskiwanie energii z paliw kopalnych: stałych, ciekłych i gazowych. Tradycyjne paliwa tj. węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny charakteryzują się wysoką koncentracją energii w jednostce masy paliwa, dlatego też ich wykorzystanie jest najbardziej efektywne pod względem ekonomicznym. Energia atomowa, choć jest bardziej wydajnym i relatywnie tańszym źródłem energii, z przyczyn społecznych, jest aktualnie wykorzystywana w ograniczonym zakresie. Wśród paliw konwencjonalnych dominujący jest udział węgla, co ilustrują dane zawarte w tabeli 1. Tabela 1. Produkcja energii elektrycznej i ciepła na świecie w 25 roku (Ciechanowicz 25). Źródło energii Energia elektryczna Ciepło GWh % TJ % Węgiel , ,28 Ropa naftowa , ,97 Gaz ziemny , ,72 Energia jądrowa , ,15 Biomasa , ,22 Odpady , ,81 Energia wodna , Energia geotermalna , ,9 Energia słoneczna (fotowoltaika) 1 636,1 - - Energia słoneczna (cieplna) 1 17,1 139, Energia wiatrowa , Energia pływów 565, - - Inne źródła 8 815, ,76 Razem

2 348 Pomimo iż paliwa kopalniane są od lat głównym źródłem energii (ponad 8 % energii zużywanej na świecie pochodzi ze spalania tych właśnie paliw) ich zasoby nie są niestety nieograniczone. Przewiduje się, że zapasy tych surowców w najlepszym przypadku wystarczą jedynie na ok. 1 najbliższych lat. Wykorzystywanie paliw kopalnianych ma również nieprzyjazny wpływ na otaczającą przyrodę. Ogromne zapotrzebowanie na paliwo doprowadza do degradacji środowiska naturalnego, poprzez prowadzenie prac wydobywczych i poszukiwanie nowych złóż. Podczas spalania emitowane są znaczne ilości CO 2 - gazu wpływającego na powstawanie efektu cieplarnianego oraz NO x, SO 2 - powodujące powstawanie kwaśnych deszczy. W tej sytuacji światowa energetyka, w celu obniżenia tempa zużywania zasobów surowców naturalnych oraz redukcji emisji szkodliwych produktów spalania, w coraz większym stopniu wykorzystuje proekologiczne technologie pozyskiwania energii. Kolejnym istotnym powodem, dla którego niezbędne jest poszukiwanie alternatywnych źródeł energii jest nieustanny wzrost jej konsumpcji i wiążący się z tym problem zaspokojenia wszystkich potrzeb, przy jednoczesnym, niekiedy ograniczonym dostępie do paliw kopalnianych. Niestabilna sytuacja na rynku paliw, sprawia, że kraje nie chcą tylko i wyłącznie uzależniać swojej energetyki od dostawców surowców. Rozwój nauki i techniki w dziedzinie niekonwencjonalnych źródeł energii zmierza do tego, by państwa miały możliwość produkcji energii ze źródeł dostępnych we własnym zakresie. Światowa energetyka, bez wykorzystania tradycyjnych paliw, nie była by dziś w stanie zaspokoić ogromnych potrzeb konsumentów. Węgiel był, jest i za pewne przez wiele najbliższych lat, będzie dominował w strukturze energii pierwotnej. Biorąc jednak pod uwagę wspomniane wcześniej czynniki, oraz patrząc perspektywicznie, wykorzystanie odnawialnych źródeł energii staje się koniecznym i słusznym rozwiązaniem, nie tylko w krajach ubogich w paliwa kopalniane, ale wszędzie tam gdzie kwestie związane z ochroną środowiska naturalnego nie są obojętne. Jedną z ważniejszych propozycji rozwiązania, bądź tylko złagodzenia problemów energetycznych, jest coraz powszechniejsze stosowanie biomasy jako surowca energetycznego. Do biomasy, najogólniej rzecz ujmując, możemy zaliczyć wszelkie substancje organiczne pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które mogą zostać wykorzystane do pozyskiwania energii. Różnorodność biomasy jest więc ogromna. Potencjał zawarty w biopaliwach jest znaczny i na pewno dorównuje zasobom energetycznych paliw kopalnych, jednak możliwości techniczne odzyskania zakumulowanej w biomasie energii są wciąż jeszcze bardzo ograniczone. Najważniejszą zaletą biomasy jest to, że jest ona paliwem odnawialnym. Stosowanie biomasy jako paliwa umożliwia zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego i stabilności na rynku paliwowo-energetycznym. Nie ma jednak, jak dotąd technologii, która pozwalałaby uzyskiwać energię w 1 % ekologiczną. Każde, bowiem przetwarzanie, czy to surowców nieodnawialnych czy odnawialnych, wiąże się z mniejszym bądź większym oddziaływaniem na poszczególne komponenty środowiska (powietrze, wodę glebę itp.). Wszelkie działania zmierzają jednak do tego, aby te negatywne skutki były minimalne, przy jednoczesnym osiągnięciu jak najwyższej wydajności energetycznej i uzyskaniu zysków finansowych. Biomasa stanowi trzecie, co do wielkości na świecie, naturalne źródło energii. Jest również jednym z najdawniej wykorzystywanych surowców energetycznych, bowiem spalanie drewna od początków cywilizacji było znanym sposobem pozyskiwania ciepła. Dziś biomasa jest również dość powszechnie wykorzystywana (szczególnie w krajach słabo rozwiniętych) zarówno do produkcji energii cieplnej, jak i elektrycznej. Najprościej można powiedzieć, że biomasa to cała istniejąca na Ziemi materia organiczna, wszystkie substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji. Znacznie szerzej pojęcie biomasy zostało zdefiniowane w Dyrektywie 21/77/WE gdzie jako biomasę przyjęto podatne na rozkład biologiczny frakcje produktów, odpady i pozostałości z przemysłu rolnego (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów przemysłowych i miejskich. Nieco inna definicja biomasy została sformułowana w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii, według której biomasa - to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej,

3 349 a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji. Biomasa powstaje w wyniku procesu fotosyntezy, podczas którego następuje reakcja polegająca na tworzeniu się skoncentrowanej substancji (takiej jak np. drewno) z niezwykle rozproszonych substratów: dwutlenku węgla z atmosfery, wody z gleby oraz przy udziale promieniowania słonecznego. Strukturę chemiczną typowego składnika pochodzenia roślinnego można przedstawić w postaci wzoru sumarycznego CH 1.45 O.7. Biomasę stanowią trzy podstawowe składniki (Ciechanowicz 25): - celuloza (włókniste węglowodany, występujące powszechnie w roślinach i tworzące podstawowy składnik ściany komórkowej); - hemiceluloza (stanowi ok. ¼ substancji roślinnej, zbudowana z polisacharydów); - lignina (będąca polimerem, zbudowane z regularnie lub nieregularnie powtarzających się ugrupowań atomów o jednakowej budowie); zwiększają wytrzymałość chemiczna i mechaniczną ścian celulozowych. Potencjalne zasoby energetyczne biomasy można podzielić na dwie grupy (Rybak 26; Dubas 24): - Plantacje roślin uprawnych z przeznaczeniem na cele energetyczne (kukurydza, rzepak, szybko rosnące uprawy drzew i traw, topinambur) - Organiczne pozostałości i odpady, m.in.: Drewno odpadowe w leśnictwie, przemyśle drzewnym, papierniczo-celulozowym i meblarskim, oraz odpadowe opakowania drewniane; Odpady rolnicze z uprawy, produkcji żywności i hodowli zwierzęcej (słoma, gnojowica lub obornik); Badana próbka Odpady organiczne (odchody zwierzęce, osady ściekowe z oczyszczalni ścieków); Organiczne odpady komunalne (papier, karton). Biorąc pod uwagę ogromną heterogeniczność biomasy i jej właściwości nie ma jednej uniwersalnej technologii umożliwiającej skuteczne i ekologiczne przekształcanie biomasy na nośniki energii (Ściążko 23). W powszechnym mniemaniu biomasa uważana jest za paliwo ekologiczne. Doniesienia literaturowe nie zawsze jednak potwierdzają tą tezę. Celem niniejszej pracy było porównanie wskaźników emisji (odniesionych do jednostki masy paliwa) takich zanieczyszczeń jak tlenek węgla (CO), tlenek azotu (NO) oraz suma węglowodorów (jako całkowity węgiel organiczny - TOC) powstających w procesie spalania próbek czterech rodzajów biomasy oraz miału węglowego jako paliwa odniesienia. Aparatura i badania Celem prowadzonych badań było wyznaczenie wskaźników emisji tlenku węgla, tlenku azotu oraz sumy węglowodorów odniesionych do masy spalanego paliwa dla czterech rodzajów biomasy: - wierzba wiciowa Salix viminalis (zrębki), - słoma rzepakowa (brykiet), - odpady drewna pozyskane z lasu (pelet), - kora dębowa (wióry, odzysk z tartaku), i porównanie ich ze wskaźnikami wyznaczonymi dla spalania miału węglowego w identycznych warunkach jak biomasa oraz określenie wpływu warunków spalania (temperatura, przepływ powietrza) na wielkość emisji wspomnianych zanieczyszczeń. Podstawowe właściwości - wilgotność, zawartość substancji organicznych, zawartość popiołu oraz zawartość całkowitego węgla organicznego (TOC) badanych próbek wg oznaczeń własnych zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Podstawowe właściwości badanych próbek biomasy i węgla Wilgotność Zawartość substancji organicznych Zawartość popiołu Zawartość całkowitego węgla organicznego % % % % Słoma 8, 95,25 4,37 45,39 Kora 8,33 95,4 4,22 56,48 Pelet 7,48 94,52 5,7 42,21 Wierzba 26,87 97,19 2,5 43,37 Węgiel 6,52 98,5 1,82 84,94

4 35 Badania procesu spalania prowadzono w elektrycznym piecu oporowym, rurowym z poziomą komorą roboczą typu PR-45/135-M wyposażonym w programowalny regulator temperatury PRT 911, umożliwiający utrzymanie w określonym czasie zadanej temperatury (prod. Przemysłowy Instytut Elektroniki z Warszawy). Oznaczenia stężeń tlenku węgla i tlenu azotu w gazach pochodzących z procesu spalania wykonano za pomocą przepływowego analizatora spalin typu GA-2 (prod. EL-Jack Madur Electronics we Zgierza), natomiast oznaczenia zawartości sumy węglowodorów wykonano za pomocą analizatora FID typu AWE-S współpracującego z wytwornicą wodoru typu WHR-1 (prod. Zakład Badawczo- Projektowy LAT z Katowic). Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 1 i 2. Rys. 1. Schemat stanowiska doświadczalnego do badania emisji CO i NO. Rys. 2. Schemat stanowiska doświadczalnego do badania emisji TOC Badania procesu spalania prowadzono dla następujących parametrów prowadzenia procesu: - temperatura spalania: 7 o C; 8 o C; 9 o C; 1 o C; 1 1 o C, - natężenie przepływu powietrza: 4 dm 3 /min (,667 m 3 /s); 9,1 dm 3 /min (,152 m 3 /s); 14,7 dm 3 /min (,245 m 3 /s); Ze względu na dużą niejednorodność materiału badawczego, konieczne było, kilkukrotne powtórzenie pomiaru w tych samych warunkach, i tak dla pomiaru CO oraz NO były wykonywane 3 próby, zaś dla TOC 5 prób. Z uzyskanych wyników wyliczona została średnia wartość emisji. Typowy kształt krzywych emisji dla poszczególnych zanieczyszczeń pokazano na rysunkach 3, 4 i 5.

5 351 Rys.3. Przykładowa zależność emisji CO od czasu Rys. 4. Przykładowa zależność emisji NO od czasu. Rys 5. Przykładowa zależność emisji TOC od czasu od czasu. Wartości wskaźnika emisji (w mg zanieczyszczenia na 1 gram spalonego paliwa) dla poszczególnych zanieczyszczeń obliczano z zależności: Q c τ sr wz = m p gdzie: Q - natężenie przepływu powietrza podawanego do spalania [m 3 /s] m p - masa badanej próbki paliwa [g] τ - czas spalania próbki [s] c sr - średnie stężenie zanieczyszczenia podczas spalania [mg/m 3 ] obliczone z zależności: c sr = τ 1 c( τ ) dτ τ Wszystkie badane próbki, w wszystkich warunkach prowadzenia procesu spalania, były spalane przy znacznym nadmiarze powietrza. Metodyka wyznaczania wskaźników emisji podczas spalania została szczegółowo opisana we wcześniejszej publikacji (Wielgosiński 24). Uzyskane wyniki Dla każdej próbki 4 rodzajów biomasy oraz węgla wykonano próby spalania przy wszystkich założonych temperaturach oraz przy trzech różnych natężeniach przepływu powietrza. Dla każdej z próbek wyznaczono wskaźnik emisji rozumiany jako ilość mg zanieczyszczenia powstałego w procesie spalania (CO, NO i TOC) odniesiona do jednostkowej masy (1 g) spalanego paliwa. Zależność wskaźnika emisji od temperatury spalania dla różnych wartości objętościowego natężenia przepływu powietrza, dla wszystkich badanych biopaliw i węgla przedstawiono na wykresach. Na rysunkach 6-8 przedstawiono zależność wskaźnika emisji

6 352 tlenku węgla od warunków prowadzenia procesu spalania. Na kolejnych rysunkach 9-11 przedstawiono analogiczną zależność dla wskaźnika emisji tlenku azotu, zaś na rysunkach zależność wskaźnika emisji sumy związków organicznych oznaczanych jako całkowity węgiel organiczny (TOC). w CO Rys.6. Zależność wskaźnika emisji CO od temperatury dla Q = 4, dm 3 /min w CO Rys. 7. Zależność wskaźnika emisji CO od temperatury dla Q = 9,1 dm 3 /min w CO Rys. 8. Zależność wskaźnika emisji CO od temperatury dla Q = 14,7 dm 3 /min

7 353 w NO Rys. 9. Zależność wskaźnika emisji NO od temperatury dla Q = 4, dm 3 /min w NO Rys. 1. Zależność wskaźnika emisji NO od temperatury dla Q = 9,1 dm 3 /min w NO Rys. 11. Zależność wskaźnika emisji NO od temperatury dla Q = 14,7 dm 3 /min

8 354 w TOC Rys. 12. Zależność wskaźnika emisji TOC od temperatury dla Q = 4, dm 3 /min w TOC Rys. 13. Zależność wskaźnika emisji TOC od temperatury dla Q = 9,1 dm 3 /min w TOC Rys. 14. Zależność wskaźnika emisji TOC od temperatury dla Q = 14,7 dm 3 /min Analizując uzyskane wyniki można stwierdzić, że biopaliwa wymagają lepszego natlenienia strefy spalania niż węgiel kamienny, co jest szczególnie widoczne w wyższych temperaturach. Świadczy o tym widoczny na rysunku 6 wyraźny wzrost wskaźnika emisji CO dla wszystkich badanych biopaliw w temperaturach powyżej 9 o C. W temperaturze 7 o C wskaźnik emisji CO dla miału węglowego jest wyższy niż dla biopaliw.

9 355 Generalnie wśród biopaliw najwyższy wskaźnik emisji CO występuje dla słomy, zaś najniższy dla wierzby. W przypadku emisji tlenku azotu w temperaturze 7 o C najniższy wskaźnik emisji wykazuje węgiel, jednak w miarę wzrostu temperatury wartość wskaźnika emisji NO dla węgla rośnie osiągając wartości wyższe od biopaliw, by dla temperatury 1 1 o C gwałtownie spaść. Wyższe wartości wskaźnika emisji NO dla węgla wynikają najprawdopodobniej ze znacznie wyższej wartości opałowej tego paliwa w stosunku do biomasy, wytworzenia się przejściowo bardzo wysokiej temperatury w strefie spalania i wzmożonej syntezy tlenku azotu wg mechanizmu termicznego Zeldowicza. Generalnie jednak dla wszystkich badanych paliw zaobserwowano spadek emisji NO przy najwyższej temperaturze. Spadek ten jest najmniejszy przy najniższym natężeniu przepływu powietrza. Można domyślać się, że jest to skutkiem zaburzeń w przebiegu syntezy NO według mechanizmu paliwowego w tych warunkach. Najwyższe wskaźniki emisji tlenku azotu generalnie występują dla spalania węgla. Spośród biopaliw najwyższe wskaźniki emisji uzyskano dla spalania słomy zaś najniższe dla spalania wierzby. Praktycznie w każdych warunkach spalania wskaźnik emisji sumy związków organicznych (TOC) był najniższy dla spalania węgla, zaś dla biopaliw przybierał wartości wyższe. Podobnie jak dla poprzednich wskaźników emisji i w przypadku TOC najwyższe wartości wskaźnika emisji uzyskano dla słomy i peletu, zaś niższe dla wierzby i kory. Wskaźnik ten początkowo malał, a potem rósł w miarę wzrostu temperatury procesu spalania osiągając minimum przy temperaturze 8-9 o C. Jest to zjawisko bardzo niekorzystne, gdyż świadczy o przebiegu wysokotemperaturowej wtórnej syntezy związków organicznych z rodników organicznych obecnych w strefie spalania. Synteza ta polega między innymi na cyklizacji tj. budowie i zamykaniu pierścieni aromatycznych, a w dalszym etapie chlorowaniu i syntezy dioksyn. Chlor gazowy jest obecny praktycznie zawsze w strefie spalania, gdyż wszystkie paliwa, w tym również biomasa zawierają niewielkie ilości chloru. W przypadku spalania węgla wysokotemperaturowa synteza dioksyn przebiega w niewielkim stopniu ze względu na inhibicyjny wpływ siarki obecnej w węglu. W przypadku biopaliw zawartość siarki jest znacznie niższa i tym samym można oczekiwać emisji dioksyn i furanów. Potwierdzają to wyniki badań spalania drewna prowadzone w ostatnich latach przez licznych badaczy (Nussbaumer 1999, Lavric 24, 25) Podsumowanie W pracy wykonano badania spalania czterech rodzajów biomasy (wierzba wiciowa Salix viminalis - w postaci zrębek, słoma rzepakowa - w postaci brykietu, odpady drewna pozyskane z lasu - w postaci peletu oraz kora dębowa z tartaku - w postaci wiórów) w laboratoryjnym piecu oporowym w zakresie temperatur 7-11 o C i przy trzech różnych natężeniach przepływu powietrza. Na podstawie zarejestrowanych wielkości emisji wyznaczono wskaźnik emisji CO, NO oraz sumy związków organicznych jako TOC w odniesieniu do masy paliwa i uzyskane wyniki porównano z analogicznymi wskaźnikami wyznaczonymi dla spalania miału węglowego. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że w wielu przypadkach wyznaczone wskaźniki emisji dla spalania biomasy są wyższe niż dla węgla kamiennego. W szczególności dotyczy to emisji sumy związków organicznych. Emisja ta w przypadku energetycznego spalania paliw nie jest normowana w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie standardów emisyjnych z instalacji, a może stanowić zagrożenie dla środowiska, gdyż może być ona również źródłem niekontrolowanej emisji dioksyn do środowiska. Reasumując należy stwierdzić, że z punktu widzenia emisji zanieczyszczeń do powietrza trudno uznać biomasę za paliwo wybitnie ekologiczne i niskoemisyjne. Wielkość emisji jest porównywalna ze spalaniem węgla, zaś w przypadku emisji węglowodorów wyższa. LITERATURA CIECHANOWICZ W.: Odnawialne źródła energii; Aura Nr. 8/25. DUBAS J.W., GRZYBEK A., KOTOWSKI W., TOMCZYK A.: Wierzba energetyczna - uprawa i technologie przetwarzania; Wyższa Szkoła Ekonomii i Administracji w Bytomiu; Bytom 24. LAVRIC E. D., KONNOV A. A., DE RUYCK J.: Dioxin levels in wood combustion - a review; Biomass and Bioenergy, 24, 26, LAVRIC E. D., KONNOV A. A., DE RUYCK J.: Modeling the formation of precursors of dioxins during combustion of woody fuel volatiles; Fuel, 25, 84,

10 356 NUSSBAUMER T., HASLER P.: Bildung und Eigenschaften von Aerosolen aus Holzfeuerungen; Holz als Rauch- und Werkstoff, 1999, 57, RYBAK W.: Spalanie i wspólspalanie biopaliw stałych; Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 26. ŚCIĄŻKO M., ZIELIŃSKI H.: Technologiczne przetwórstwo węgla i biomasy; Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN; Zabrze - Kraków 23. WIELGOSIŃSKI G., NOWICKI M.: Badania nad termicznym rozkładem osadów ściekowych; Cieplne maszyny Przepływowe - Turbomachinery, Politechnika Łódzka, 24, Nr 126,