Praca dyplomowa stopnia magisterskiego

Transkrypt

1 Wydział Mechaniczno-Energetyczny kierunek studiów: Energetyka specjalność: Budowa i Eksploatacja Systemów Energetycznych Praca dyplomowa stopnia magisterskiego BADANIE WYBRANYCH WŁASNOŚCI TORYFIKATÓW Anna Ickowicz słowa kluczowe: toryfikacja, prażenie, toryfikat, biomasa, ligninoceluloza Promotor: Recenzent: Prof. dr hab. inż. Włodzimierz Kordylewski Dr inż. Tomasz Hardy ocena podpis ocena podpis Wrocław 2012

2 Całemu zespołowi Zakładu Spalania i Detonacji, za pomoc, liczne rady i przesympatyczną atmosferę pracy, serdecznie dziękuję.

3 Spis treści 1. Wprowadzenie Uzasadnienie wyboru tematu Cel i zakres pracy Charakterystyka biomasy roślinnej jako paliwa kotłowego Zasoby i potencjał energetyczny biomasy w Polsce Budowa i skład biomasy typu ligninoceluloza...7 Biomasa drzewna...9 Biomasa rolnicza...10 Uprawy energetyczne Podstawowe sposoby konwersji biomasy typu ligninoceluloza na energię elektryczną i cieplną...13 Proces spalania biomasy...15 Technologie spalania biomasy roślinnej...16 Technologie współspalania biopaliw z paliwami konwencjonalnymi Zagrożenia związane z wykorzystaniem biomasy typu ligninoceluloza jako paliwa w energetyce zawodowej...18 Magazynowanie biomasy...18 Praca młynów i zdolność przemiałowa...20 Przebieg procesu spalania i rozkład obciążeń cieplnych powierzchni ogrzewalnych...20 Własności pożarowo - wybuchowe pyłu biomasy...22 Emisja pyłów i zanieczyszczeń gazowych ze spalania biomasy...25 Zachowanie się substancji mineralnej i popiołu w czasie współspalania biomasy...26 Procesy korozyjne...27 Własności odpadów paleniskowych po współspalaniu biomasy z węglem Metody wstępnej waloryzacji biomasy Charakterystyka procesu toryfikacji...30 I

4 3.1. Analiza przemian struktury biomasy podczas toryfikacji Produkty procesu toryfikacji Status rozwoju technologicznego Integracja toryfikacji z peletyzacją Część doświadczalna Przygotowanie materiału badawczego Analiza energetyczna uzyskanych toryfikatów...46 Analiza elementarna...46 Wyznaczanie zawartości wilgoci...47 Wyznaczanie zawartości części lotnych...47 Wyznaczanie zawartości popiołu...48 Wyznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej...49 Podsumowanie wyników analizy elementarnej i technicznej Badanie własności mechanicznych toryfikatów Badanie własności pożarowo wybuchowych...56 Minimalna temperatura zapłonu pyłu w warstwie...56 Minimalna temperatura zapłonu pyłu w chmurze...59 Minimalna energia zapłonu mieszanki pyłowo - powietrznej...60 Maksymalne ciśnienie wybuchu...62 Maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu...65 Dolna granica wybuchowości...66 Wskaźnik wybuchowości i klasa zagrożenia wybuchowego...67 Podsumowanie wyników badań własności pożarowo - wybuchowych Emisja ze spalania toryfikatów Podsumowanie i wnioski...71 II

5 1. WPROWADZENIE 1.1. UZASADNIENIE WYBORU TEMATU Obserwowany od dłuższego czasu regularny wzrost zapotrzebowania na energię, której produkcja w znacznym stopniu wpływa na degradację środowiska naturalnego, oraz wyczerpywanie zasobów paliw kopalnych zwróciły uwagę Unii Europejskiej (UE) na konieczność zwiększenia wykorzystanie źródeł odnawialnych w procesach produkcji energii. Państwa członkowskie Unii Europejskiej ustaliły zakres wykorzystywania energii ze źródeł odnawialnych oraz wskaźniki udziału OŹE w ogólnym zużyciu energii. Do podstawowych aktów prawnych regulujących działalność państw członkowskich UE w obszarze energetyki należą: Biała Księga, Zielona Księga oraz trzy Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady (z 27 września 2001 r., z 8 maja 2003 r., z 23 kwietnia 2009 r.) [10]. Polska już od 2000 roku rozwijała swoje prawodawstwo pod kątem zdefiniowania celów i działań polityki energetycznej kraju w związku z wykorzystaniem OŹE; pierwszym z takich dokumentów była Strategia rozwoju energetyki odnawialnej [56]. Uzyskanie przez Polskę członkostwa w Unii Europejskiej 1 maja 2004 roku wymagało dostosowania polityki energetycznej kraju do aktów normatywnych Wspólnoty. Obowiązującymi w Polsce i zbieżnymi z założeniami polityki energetycznej UE dokumentami, traktującymi o wykorzystaniu OŹE w sektorze energetyki, są: ustawy Prawo Energetyczne [61] i Prawo Ochrony Środowiska [62] oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki dotyczące świadectw pochodzenia energii (tzw. certyfikatów) [53]. W myśl Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. [9] energia ze źródeł odnawialnych oznacza energię z odnawialnych źródeł niekopalnych, a mianowicie energię wiatru, promieniowania słonecznego, aerotermalną, geotermalną i hydrotermalną, energię oceanów, hydroenergię, energię pozyskaną z biomasy, gazu pochodzącego z wysypisk śmieci, oczyszczalni ścieków i ze źródeł biologicznych (biogaz). Jednym z podstawowych celów ww. dyrektywy jest osiągnięcie udziału energii ze źródeł odnawialnych na poziomie 20 % w końcowym zużyciu energii brutto we Wspólnocie w 2020 roku. Dla każdego państwa członkowskiego został określony krajowy plan działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych oraz wyliczony minimalny wymagany udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 roku [9]. Na szczeblu krajowym dokumentem normującym zasady promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych jest załącznik do uchwały nr 202/2009 Rady Ministrów Polityka energetyczna Polski do 2030 roku [47], przyjęta przez Rząd w 2010 r. Dokument ten określa cele Polski związane z rozwojem energetyki odnawialnej, m. in. wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii w finalnym zużyciu energii do 15% w 2020 r., ochronę terenów leśnych wykorzystywanych w celu pozyskania biomasy na cele energetyczne, a na obszarach rolniczych racjonalną gospodarkę uniemożliwiającą konkurowanie energetyki odnawialnej i rolnictwa, zwiększenie stopnia dywersyfikacji źródeł dostaw surowców energetycznych i stworzenie warunków do rozwoju energetyki rozproszonej bazującej na zasobach dostępnych lokalnie. Polityka promująca wykorzystanie OŹE, a równocześnie nakładająca pewne obowiązki i sankcje, skutkuje systematycznym wzrostem ilości energii pozyskanej z odnawialnych źródeł. Podobnie jak w całej Unii Europejskiej tak i w Polsce, wzrost ilości energii pozyskanej z odnawialnych źródeł i jednoczesny spadek pozyskania energii pierwotnej ogółem powodują zwiększenie udziału OŹE w pozyskaniu energii pierwotnej [10]. Obie zależności, tj. zmieniający się w ostatnich latach udział energii ze źródeł odnawialnych w pozyskaniu energii pierwotnej oraz udział energii ze źródeł odnawialnych w finalnym zużyciu energii, prezentuje rysunek

6 Udział energii ze źródeł odnawialnych, % Rok Pozyskanie energii Zużycie energii Rys Udział energii ze źródeł odnawialnych w pozyskaniu energii pierwotnej ogółem oraz udział energii ze źródeł odnawialnych w finalnym zużyciu energii ogółem w latach [10]. Biomasa stała rozumiana jako drewno opałowe, biomasa rolnicza, uprawy energetyczne, odpady leśne, rolnicze oraz pochodzące z przemysłu drzewnego i spożywczego, a także biogaz, stanowi dla Polski najkorzystniejsze odnawialne źródło energii, zarówno pod względem ekonomicznym, istniejącej infrastruktury oraz lokalizacji geograficznej i ukształtowania terenu. Mając na uwadze ochronę terenów leśnych oraz zapotrzebowanie przemysłu drzewnego, przewiduje się intensywny rozwój gospodarki rolnej pod kątem wykorzystania energetycznego potencjału biomasy. Pozyskiwana na ten cel biomasa w znacznym stopniu pochodzić będzie z upraw energetycznych i odpadów rolniczych. Praktykowaną od stuleci, a obecnie najprostszą metodą wyzwolenia energii biomasy roślinnej jest jej spalenie. Użytkowy efekt energetyczny procesu spalania jest wykorzystywany w celu produkcji energii cieplnej lub elektrycznej. Ponieważ strukturę energii pierwotnej w Polsce kształtuje nadal wysoka pozycja węgla z zasobów krajowych, bardzo powszechne jest spalanie biomasy z węglem w kotłach energetycznych, tzw. współspalanie. Różnice w budowie oraz zachowaniu podczas przygotowania i spalania węgla i paliwa roślinnego są przyczyną pojawiających się trudności eksploatacyjne przy współspalaniu surowej biomasy w kotłach energetycznych. Uciążliwe skutki współspalania utrudniają zwiększenie udziału biomasy w strumieniu paliwa podawanego do kotła, dlatego intensywnie poszukuje się sposobów pozwalających zmienić właściwości biomasy w kierunku paliw konwencjonalnych. Do metod termicznej waloryzacji biomasy roślinnej zaliczana jest m. in. toryfikacja. Realizacja tego procesu, zwanego również prażeniem biomasy, skutkuje uzyskaniem produktu stałego (biowęgla) posiadającego polepszone względem surowej biomasy właściwości, zbliżone do właściwości torfu lub niskokalorycznych węgli. Wyższy stopień uwęglenia paliwa, wzrost kaloryczności, większa zdolność przemiałowa oraz hydrofobowa natura, to podstawowe zalety uzyskanego na drodze prażenia paliwa, jakim jest toryfikat. Wykorzystanie wytworzonego w warunkach charakterystycznych dla toryfikacji biowęgla pozwoli zwiększyć udział współspalanej z węglem biomasy i uzyskać wymagany poziom udziału energii ze źródeł odnawialnych w finalnym zużyciu energii. 2

7 1.2. CEL I ZAKRES PRACY Celem pracy jest zbadanie wybranych własności uzyskanych w określonych warunkach toryfikatów i porównanie ich z własnościami biomasy typu ligninoceluloza, a na tej podstawie sformułowanie oceny zasadności prowadzenia procesu toryfikacji i przydatności toryfikatów jako paliwa w sektorze energetycznym. W części teoretycznej pracy zamieszczono charakterystykę biomasy typu ligninoceluloza jako paliwa kotłowego, tj. opis zasobów, budowy i cech istotnych przy jej wykorzystaniu na cele produkcji energii elektrycznej i cieplnej, a także przegląd literatury traktującej o toryfikacji, analizę przemian struktury biomasy w procesie toryfikacji oraz opis produktów tego procesu wraz z przedstawieniem efektów konwersji biomasy pod kątem zmian udziału poszczególnych składników, zdolności przemiałowej, właściwości pożarowo - wybuchowych. Część badawcza zawiera prezentację przebiegu i wyników eksperymentów, których zakres obejmuje: uzyskanie toryfikatów ze słomy pszennej, analizę techniczną i elementarną wytworzonych biowęgli, określenie własności mechanicznych, czyli zdolności przemiałowej toryfikatów i materiału wyjściowego, badanie własności pożarowo - wybuchowych, tj. temperatury zapłonu pyłu w warstwie i w chmurze, wyznaczenie minimalnej energii zapłonu oraz charakterystyk wybuchowości, sprawdzenie emisji zanieczyszczeń gazowych ze spalania toryfikatów. Zakończeniem pracy będzie ocena uzyskanych wyników, ich prezentacja, sformułowanie wniosków oraz stwierdzenie, czy proces toryfikacji nadaje surowej biomasie pożądanych dla paliwa energetycznego właściwości. 2. CHARAKTERYSTYKA BIOMASY ROŚLINNEJ JAKO PALIWA KOTŁOWEGO Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r., za biomasę uważa się stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolniczej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji, oraz ziarna zbóż niespełniające wymagań jakościowych dla zbóż w zakupie interwencyjnym (...) [53]. Poniżej pogrupowano źródła biomasy na kategorie: odpady roślinne z leśnictwa, odpady drewnopochodne, odpady rolnicze, czyli pozostałości z upraw, produkcji żywności i hodowli zwierząt, produkty rolnictwa i leśnictwa w znaczeniu upraw energetycznych, inne paliwa biopochodne, np.: śmieci, stałe organiczne odpady komunalne, odpady z przemysłu spożywczego, osady ściekowe [17,46,54,64]. Biomasa jest odnawialnym źródłem energii, które po odpowiednim przetworzeniu, może zastąpić niektóre paliwa kopalne, np. węgiel. Jako surowiec energetyczny, czyli biopaliwo, biomasa może zostać sklasyfikowana jako: surowce energetyczne pierwotne, uprawiane głównie dla uzyskania biomasy - drewno, słoma, rośliny energetyczne, 3

8 surowce energetyczne wtórne - gnojowica, obornik, odpady organiczne, osady ściekowe; surowce energetyczne przetworzone - biogaz, bioetanol, biometanol, estry (biodiesel), biooleje, dimetyloeter i wodór [23]. Do celów energetycznych najpowszechniej wykorzystywana jest biomasa pochodzenia roślinnego, tzw. biomasa typu ligninoceluloza; dominującym źródłem biomasy są odpady leśne i rolnicze, w tym przede wszystkim słoma [8,46] ZASOBY I POTENCJAŁ ENERGETYCZNY BIOMASY W POLSCE Potencjał biomasy można przedstawić jako wielkość teoretyczna zasobów (potencjał teoretyczny), potencjał techniczny lub ekonomiczny. Potencjał techniczny i ekonomiczny jest to ta część zasobu, którą można przeznaczyć na dany cel, biorąc pod uwagę techniczne możliwości pozyskania (potencjał techniczny) lub opłacalność wydobycia (potencjał ekonomiczny). Z punktu widzenia energetycznego wykorzystania surowca określenie potencjału technicznego wydaje się być najbardziej praktycznym. Dodatkowo wyróżnia się potencjał rynkowy, obejmujący surowiec dostępny obecnie na rynku [11]. Ze względu na specyfikę biomasy, wielkość jej zasobów oraz możliwości wykorzystania na cele energetyczne są trudne do oszacowania. Koszty pozyskania i wykorzystania biomasy rozwijającej się w wodach mórz i oceanów nie są nadal znane, dlatego wyznaczając techniczny i ekonomiczny potencjał biomasy bierze się pod uwagę wyłącznie zasoby lądowe. Zestawione w pracy [32] wyniki licznych szacunków dotyczących potencjału biomasy w dłuższej perspektywie czasowej wykazują silny rozrzut tej wielkości. Przewidywany potencjał mieści się, w zależności od źródła, między EJ/rok w 2050 roku oraz EJ/rok w roku Przykładowo, Międzynarodowy Panel ds. Zmian Klimatu (IPCC) podaje, że światowy techniczny potencjał biomasy stałej wynosi 440 EJ/rok, a biopaliw płynnych 154 EJ/rok [19,32]. Wielkości te oszacowano na podstawie wielkości światowych areałów możliwych do wykorzystania na uprawy biomasy do celów energetycznych, równych 1,28 mld ha w roku 2050 (po odliczeniu areałów przeznaczonych na produkcję żywności obecnie oraz w perspektywie przyszłego wzrostu liczebności ludności globu), założonego plonowania oraz kaloryczności uprawianej biomasy. Prawdopodobną przyczyną rozbieżności jest założenie w części badań, że podstawowym źródłem biomasy będą tereny leśne, a tym samym bagatelizowanie znaczenia biomasy rolniczej oraz surowca stanowiącego odpad z sektorów przemysłu przetwarzających biomasę. Obecnie światowa produkcja energii z biomasy wynosi około 50 EJ rocznie, co stanowi 12% światowego zapotrzebowania na energię. Można więc uznać, że wykorzystanie biomasy na cele energetyczne odgrywa nadal niewielką rolę. W Polsce potencjał techniczny paliw z biomasy szacuje się na 684,6 PJ/rok, z czego najwięcej, bo 407,5 PJ/rok, przypada na biopaliwa stałe. Biomasa stała w warunkach polskich pochodzi głównie z nadwyżek generowanych przez rolnictwo (195 PJ), leśnictwo (101 PJ), sadownictwo (57,6 PJ), przemysł drzewny (53,9 PJ) [15]. W opracowaniu [11], zestawiającym wyniki prognoz zasobów biomasy na cele energetyczne, potencjał biomasy stałej podzielono ze względu na rodzaj biomasy przeznaczonej na potencjał: biomasy leśnej, słomy, biomasy pochodzącej z trwałych użytków zielonych oraz biomasy z upraw roślin energetycznych. Stopień pokrycia lasem terenów Polski wynosi 29%. Lasy stanowią drugie, po użytkach rolnych, miejsce w strukturze użytkowania terenu kraju. Polska wykazuje wyraźne zróżnicowanie stopnia zalesienia poszczególnych województw. Najmniejszą lesistością odznaczają się obszary Polski środkowo-wschodniej (województwo łódzkie, mazowieckie, lubelskie), 4

9 natomiast do terenów o najsilniejszym zalesieniu należą obszary wysunięte na północ i zachód (województwo lubuskie, pomorskie, zachodniopomorskie, warmińsko-mazurskie) oraz województwo podkarpackie [29]. Potencjał techniczny biomasy leśnej do energetycznego wykorzystania oszacowano na poziomie 7,15 mln ton w 2020 roku, a prognozy potencjału ekonomicznego są porównywalne z potencjałem rynkowym. 7 Potencjał, mln ton ekonomiczny/rynkowy Rys Obecny oraz prognozowany potencjał ekonomiczny i rynkowy zasobów biomasy pochodzenia leśnego do wykorzystania na cele energetyczne w Polsce[11]. Rozpatrując krajowe zasoby słomy należy uwzględnić jej wykorzystanie w rolnictwie, ogrodnictwie i budownictwie. Słoma znajduje zastosowanie jako: podściółka w hodowli zwierząt gospodarskich (58%), składnik pasz (36%), inne (6%) [16]. Od połowy lat osiemdziesiątych obserwuje się wzrastające nadwyżki słomy wynikające ze zmniejszenia pogłowia inwentarza i jednoczesny wzrost udziału zasiewu rzepaku i zbóż, co powoduje, że zbiory słomy przewyższają zapotrzebowanie [14,16,52]. Zgodnie z danymi statystycznymi, w Polsce każdego roku uzyskuje się około 30 mln ton słomy, z czego 2/3 zużywa się na cele rolnicze, natomiast pozostałe 10 mln ton może zostać spożytkowana w celu uzyskania energii [14,53]; według analiz Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej nadwyżki słomy do energetycznego wykorzystania sięgają 7,85 mln ton rocznie, a wielkość ta, oszacowana w pracy [11], jest nieco mniejsza i ma zostać osiągnięta po 2016 roku. Ze względu na niepożądane zjawiska m. in.: uciążliwe przygotowanie, niebezpieczeństwo zachwiania gospodarki azotowej gleby oraz nasilonego występowania niektórych chorób, słoma nie jest wykorzystywana jako nawóz. Z nadmiarem słomy rolnicy radzą sobie wypalając ją na polach, jednak zważywszy na obwarowania prawne wymuszające palenie zgodnie z odpowiednimi przepisami, zabieg ten staje się uciążliwy i pracochłonny. Ponadto wypalanie związane jest z emisją do atmosfery związków azotu, nadmiernym nagrzewaniem górnych warstw gleby, zachwianiem jej gospodarki wodnej oraz wyniszczeniem fauny glebowej. Dla słomy przewiduje się nieznaczny wzrost potencjału ekonomicznego, za to bardzo gwałtowny wzrost potencjału rynkowego. Ze względu na nadwyżki słomy w gospodarstwach rolnych, północna i zachodnia część Polski dysponuje dużym potencjałem biomasy stałej. Wzrost potencjału tech5

10 nicznego biomasy pochodzącej z trwałych użytków zielonych oszacowano jako niewielki, sięgający w 2020 roku 2,7 mln ton suchej masy [11,23]. 9 8 Potencjał, mln ton techniczny ekonomiczny rynkowy Potenjał, mln ton s.m. Rys Obecny oraz prognozowany potencjał techniczny, ekonomiczny oraz rynkowy słomy na cele energetyczne w Polsce [11]. 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, ekonomiczny/rynkowy Rys Obecny oraz prognozowany potencjał ekonomiczny i rynkowy biomasy z produkcji trwałych użytków zielonych do wykorzystania na cele energetyczne w Polsce [11]. Osobne zagadnienie stanowią zasoby biomasy pochodzącej z upraw roślin energetycznych. Ze względu na wprowadzone, wraz z wejściem w życie Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 roku [53], systemu świadectw pochodzenie energii elektrycznej i ciepła spodziewano wzrostu zainteresowania biomasą produkowanym na plantacjach, zarówno ze strony zakładów energetycznych jak i rolników. Jak się jednak okazało, 6

11 nieufność producentów biomasy do nowych gatunków roślin, brak zaplecza technicznego do nasadzania, pielęgnacji roślin i zbiorów oraz niepewne perspektywy odbioru plonów i ich ceny spowodowały, że obecnie obserwuje się stagnację w rozwoju idei rolnictwa energetycznego. W 2009 roku do najpopularniejszych, posiadających największy potencjał rynkowy wieloletnich roślin energetycznych zaliczały się: wierzba energetyczna (potencjał około 75 tys. ton s.m.), miskant (25 tys. ton s.m.), ślazowiec pensylwański (1,7 tys. ton s.m.), natomiast województwami o największych areałach plantacji roślin przeznaczonych do celów energetycznych są województwa: mazowieckie, zachodniopomorskie, warmińsko-mazurskie i pomorskie [11]. Tabela 2.1. Potencjał i energetyczne wykorzystanie wybranych źródeł biomasy stałej w Polsce [23]. Rodzaj biomasy stałej Potencjał Wykorzystanie PJ/rok % PJ/rok % potencjału Słoma ,1 1,5 1,3 Siano 10 1,5 0 0 Drewno z sadownictwa 15 2,3 1,0 6,7 Rośliny energetyczne ,9 0,3 0,1 Biomasa rolnicza razem ,8 2,8 0,8 Zasoby leśne ,1 104,0 43,3 Drewno odpadowe 74 11,2 53,1 71,8 Biomasa stała razem Z zaprezentowanych wyników analiz można wnioskować, że Polska posiada szerokie możliwości pozyskania paliwa z biomasy dla sektora energetyki. Znaczący potencjał rynkowy biomasy oraz duże możliwości rozwoju plantacji roślin energetycznych powinny zostać w pełni wykorzystane w celu zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego, żywnościowego i ekologicznego. Istotne kwestie, jakie należy rozpatrzyć przed podjęciem decyzji o stopniu i sposobie wykorzystania biomasy roślinnej na cele energetyczne, jest monitorowanie wpływu upraw biomasy na bioróżnorodność, zasoby wodne, krajobraz. Zagrożenia, jakie niesie ze sobą rozwój plantacji upraw energetycznych, związane są ze zmianami sposobu użytkowania gruntów, wprowadzaniem na nie nowych, obcych gatunków, zwiększoną emisją zanieczyszczeń gazowych (głównie związków azotu) z gleby, wynikającą ze stosowania nawozów azotowych oraz innymi czynnikami wpływającymi na produkcję żywności. Podjęcie działalności w zakresie produkcji paliw energetycznych z biomasy powinno wiązać się z takim promowaniem biopaliw, które sprzyjałoby zwiększeniu produktywności rolnictwa i wykorzystaniu terenów zdegradowanych BUDOWA I SKŁAD BIOMASY TYPU LIGNINOCELULOZA Biomasę pochodzenia roślinnego zwykło się określać mianem biomasy typu ligninoceluloza. Podstawowym budulcem chemicznym biomasy roślinnej są struktury polimeryczne, takie jak: 7

12 celuloza, czyli błonnik, która jest heksozanem (C6H10O5)n o wartości opałowej około 17 MJ/kg, hemiceluloza, składająca się z pentozanów (C5H8O4)n i heksozanów (C6H10O5)n, których wartość opałowa wynosi ok. 16 MJ/kg, lignina i kutyna, które występują w ściankach zdrewniałych komórek roślinnych jako substancje inkrustujące (wartość opałowa ok. 29 MJ/kg) [4,26,54], wspólnie nazywane ligninocelulozą. Skład pierwiastkowy biomasy jakościowo zbliżony jest do składu węgli. O odmiennych właściwościach decydują istotne różnice ilościowe w składzie. W porównaniu z węglem, biomasa charakteryzuje się prawie dwukrotnie mniejszym udziałem pierwiastka węgla i czterokrotnie większym udziałem tlenu, dużo wyższą zawartością związków alkalicznych (zwłaszcza potasu), wapnia i fosforu, ale znacznie niższą zawartością siarki. Ocena przydatności użytkowej paliwa powinna opierać się na wynikach badań jej budowy, składu oraz właściwości. Do analizy paliw zaliczyć można analizę elementarną, czyli pierwiastkową oraz analizę techniczną. Na analizę techniczną składają się oznaczenia: zawartości wilgoci, popiołu, części lotnych oraz ciepła spalania i obliczenie wartości opałowej. Zawartość części lotnych świadczy o stopniu uwęglenia paliwa, zawartość wilgoci i popiołu o ilości balastu, który nie jest użyteczną częścią paliwa, natomiast ciepło spalania i wartość opałowa niosą informację o jakości paliwa jako surowca energetycznego. Komórki roślinne, w odróżnieniu od zwierzęcych, poza błoną komórkową otoczone są również ścianą komórkową. Wyróżnia się elastyczną, zbudowaną z celulozy w ok. 20%, wody, pektyn i hemicelulozy ściankę pierwotną oraz ściankę wtórną złożoną głównie z celulozy (ok. 60%) i pektyn. Ściana wtórna, składająca się z trzech warstw: zewnętrznej, środkowej i wewnętrznej, jest najgrubszą częścią ściany komórkowej. Jej strukturę tworzą pionowo ułożone włókna - fibrylle. Każda fibrylla obejmuje skręconą wiązkę mikrofibrylli, które w przeważającej części składają się z równolegle zorientowanych, zgrupowanych w micelle cząsteczek celulozy o znacznej długości. W skład łańcuchów celulozowych wchodzą zarówno elementy krystaliczne jak i bezpostaciowe (amorficzne), dzięki którym połączone są kolejne molekuły celulozy. Włókna celulozowe są osadzone i splątane w osnowie nieukierunkowanej hemicelulozy, która tworząc powtarzający się wzór, wiąże włókna mechanicznie. Chemicznie włókna spajane są wiązaniem wodorowym [4]. Cienkie krystaliczne włókna celulozy związane w strukturze hemicelulozy, tworzą holocelulozę [26,54]. Ściana pierwotna jest bogata w ligninę, która łączy sąsiednie komórki. Pomiędzy przylegającymi komórkami znajduje się kleista warstwa, zwana blaszką środkową (pektynową). Kontakt między komórkami możliwy jest dzięki cytoplazmatycznym wypustkom (plazmodesmom), przedostającym się do sąsiednich komórek kanałami prostymi lub lejkowatymi poprowadzonymi w ścianie komórkowej [4]. Ligninoceluloza jest odpowiedzialna za wytrzymałość na rozciąganie oraz mechaniczną rośliny, które umożliwiają jej wzrost w górę w celu osiągnięcia korzystnych warunków do fotosyntezy. Własności celulozy, hemicelulozy i ligniny zależą od stopnia ich polimeryzacji. Właściwości fizyczne i chemiczne biomasy powodują, że jest ona paliwem trudnym technologicznie, znacznie różniącym się od węgla spalanego w kotłach energetycznych. Określając przydatność biomasy do energetycznego wykorzystania należy określić jej właściwości jako paliwa. Biopaliwa, podobnie jak stałe paliwa kopalne, składają się ze stałej substancji palnej, części lotnych, substancji mineralnych, stanowiących tzw. popiół oraz wilgoci. Wyróżnia się wilgoć przemijającą, usuwaną z materiału w temperaturze pokojowej do momentu ustalenia się stanu równowagi z wilgotnością powietrza, wilgoć próbki powietrznosuchej (inaczej higroskopijną), której pozbywa się susząc próbkę ponad dwie godziny w temperaturze ºC oraz wilgoć całkowitą, będącą sumą dwóch poprzednich, odniesiona do masy paliwa w stanie roboczym. Surowa biomasa charakteryzuje się wysoką zawartością wilgoci cał8

13 kowitej (10 60%), zmienną w zależności od rodzaju rośliny, czasu zbioru oraz sezonowania. Jej porowata budowa wiąże się z jego zdolnością do pochłaniania wilgoci, czyli własnościami higroskopijnymi. Części lotne biopaliwa złożone są z produktów gazowych i par smołowych. Oddzielenia substancji lotnych od pozostałości koksowej dokonuje się poprzez odgazowanie, podgrzewając paliwo powyżej temperatury 100ºC. Ilość części lotnych maleje wraz ze wzrostem stopnia uwęglenia paliwa, dlatego w porównaniu z silniej uwęglonymi kopalnymi paliwami stałymi biomasa zawiera znacznie więcej części lotnych (70 86% suchej masy [63]), a tym samym niewiele pozostałej po odgazowaniu stałej substancji palnej. Substancja mineralna paliw jest mieszaniną chemicznych związków nieorganicznych, natomiast popiół to pozostałość tej substancji po spaleniu paliwa. Ponieważ wszystkie paliwa stałe zawierają substancję mineralną pochodzącą z pierwotnego materiału roślinnego jak i z materiału skalnego oraz z gruntów, podłoże, na którym wzrasta roślina, oraz zawarta w nim woda mają istotny wpływ na ilość i skład substancji mineralnej biomasy. W warunkach temperaturowych spalania substancja mineralna ulega licznym przemianom, a po spaleniu paliwa daje produkt w postaci popiołu. Udział popiołu z biomasy mieści się w granicach 0,2 10% i jest dużo niższy niż w węglu. Głównymi składnikami popiołu z biomasy są: CaO, K2O, SiO2 [45,46]. Jednym z parametrów oceniających paliwo pod względem jego jakości i przydatności energetycznej jest jego kaloryczność. Wartość opałowa biopaliw jest niższa od wartości opałowej węgli i znacznie niższa od gazu, a dodatkowo silnie zależy od zawartością wilgoci w paliwie. Biomasa całkowicie wysuszona może odznaczać się wartością opałową sięgającą nawet 19 MJ/kg, podsuszona, o wilgotności 10 20%, wartością opałową mieszczącą się między MJ/kg, jednak gdy zawartości wilgoci wzrasta do 50 60%, wartość opałowa zwykle znacznie maleje, zwykle do 6 8 MJ/kg [33]. Biomasa drzewna Odpady leśne i odpady przemysłu drzewnego, nazywane wspólnie drewnem energetycznym, ze względu na formę występowania można podzielić na nieprzetworzone i przetworzone, natomiast pod względem źródła pochodzenia wyróżnia się dwie podstawowe grupy: drewno leśne, które nie zostało wcześniej wykorzystane, czyli przykładowo odpady po wycince, odpady i produkty uboczne przemysłu leśnego, drewno z odzysku, które zostało wcześniej wykorzystane, np. jako szalunek, materiał budowlany, opakowania [54]. Obserwacja gołym okiem budowy makroskopowej drewna powinna odbywać się dla dwóch przekrojów pnia, tj.: poprzecznego i podłużnego promieniowego. Przekrój poprzeczny pnia prezentuje ułożone koncentrycznie elementy, takie jak: korę, jako zewnętrzną tkankę okrywającą, łyko, czyli tkankę okrywającą wewnętrzną, miazgę, stanowiącą tkankę rozmnażającą się, drewno właściwe zbudowane z bieli lub bieli i twardzieli oraz rdzeń. Drewno charakteryzuje się budową komórkową, przy czym ściany komórek buduje substancja drzewna, zaś przestrzenie między komórkowe, tzw. pory wypełnione są wodą i powietrzem. Porowatość drewna waha się w granicach 20 40%. Skład ligninocelulozy jest różny w zależności od części rośliny, gatunku drzewa oraz jego pochodzenia. Drewno składa się z celulozy, hemicelulozy, ligniny, zwanej drzewnikiem, wody oraz niewielkich ilości żywic, garbników, białek, tłuszczów i substancji mineralnych. Zawartość celulozy w suchym drewnie liściastym wynosi 43 48%, zaś w iglastym 53 54%, hemicelulozy odpowiednio 15 35% i 20 32%, zaś ligniny odpowiednio 18 25% i 25 35% [4,54]. Dużą różnicę w chemicznej budowie drewna pochodzącego z drzew liściastych i iglastych można zaobserwować analizując skład hemicelulozy. Podczas gdy drewno drzew liściastych składa się z hemicelulozy zawierającej reszty cukrów 9

14 prostych, w głównej mierze ksylozę, struktura hemicelulozy drzew iglastych bazuje na mannozie (w procesie polimeryzacji tworzącej mannan) [4,63]. Podstawowe pierwiastki budujące drewno występują zwykle w ilościach: 50% C, 44% O, 6% H, 0,04 0,3% N wagowo, w przeliczeniu na stan suchy paliwa; zawartość siarki i azotu jest niewielka (S + N < 0,3%). Nie stwierdza się wyraźnych różnic między składem pierwiastkowym drzew iglastych i liściastych [46,54]. Zawartość wilgoci w drewnie nie jest wielkością stałą; jej zmienność jest wynikiem własności higroskopijnych tego materiału, związanych z budową porowatą. W stanie powietrznosuchym zawartość wilgoci w drewnie wynosi przeciętnie 13 22%. Górną granicą chłonności tego rodzaju biomasy jest tzw. punkt nasycenia, równy wilgotności równoważnej drewna w powietrzu o względnej wilgotności 100%, który dla drewna wynosi 23 27% masy całkowitej. W zależności od udziału wilgoci drewno zmienia swoje wymiary: w stanie bezwodnym absorbuje wodę i pęcznieje, a podczas suszenia kurczy się i pęka. Obecność porów wpływa także na niewielką wartość gęstości pozornej drewna, uwzględniającej pory, w porównaniu z gęstością rzeczywistą, wynoszącą przeciętnie dla drzew polskiej strefy klimatycznej kg/m3 w stanie powietrznosuchym. Udział części lotnych w drewnie jest duży, wynosi zwykle 70 85% suchej masy, natomiast pozostałość koksowa stanowi około 15 30% [45,46,54]. Zawartość substancji mineralnej jest odmienna dla poszczególnych część rośliny oraz gatunku drzewa, jednak ogólnie w drewnie udział popiołu jest nieduży i zwykle nie przekracza 2% suchej masy. Relatywnie wysoka kaloryczność tego biopaliwa jest wynikiem większego niż w przypadku słomy udziału wysokoenergetycznych żywic i ligniny. Suche drewna mają wartość opałową mieszczącą się w zakresie MJ/kg, lecz przy wzroście wilgotności do 50% parametr ten znacznie spada i wynosi 6 7 MJ/kg [54]. Biomasa rolnicza Słoma to dojrzałe lub wysuszone źdźbła roślin zbożowych; określenia tego używa się również w stosunku do wysuszonych roślin strączkowych, lnu czy rzepaku [48], przy czym do celów energetycznych najczęściej użytkuje się słomę żytnią, pszenną, rzepakową, gryczaną i kukurydzianą [16]. Jako biomasa pochodzenia roślinnego typu ligninoceluloza, słoma zbożowa jest substancją niejednorodną chemicznie. Jej podstawowymi budulcami są dwa węglowodany: włókno surowe (35 45%) [16] i związki bezazotowe wyciągowe. Włókno surowe jest nierozpuszczalną częścią substancji organicznej, pozostałą po gotowaniu źdźbeł w rozcieńczonym kwasie siarkowym, ługu, przemywaniu eterem, alkoholem i wodą. Podobnie jak drewno, budują je związki polimeryczne: celuloza (30 38%), hemiceluloza (20 27%), lignina (14 23%) i kutyna oraz związki pektynowe, które tworzą substancję międzykomórkową w tkankach [4,26,51], wspólnie nazywane ligninocelulozą i wchodzące przede wszystkim w skład tkanki podporowej rośliny. Do grupy związków bezazotowych należą: monosacharydy (cukry proste), głównie heksozy, z których w roślinach najczęściej występuje glukoza i fruktoza, dwucukry, z których w roślinach najczęściej występuje sacharoza, wielocukry, z których powszechnie występuje w roślinach skrobia. Skład pierwiastkowy różnych gatunków słomy jest zbliżony, ponieważ ich głównym składnikiem jest celuloza (C6H10O5)n. Przeciętnie słoma zawiera poniżej 50% C, 5 6% H, około 40% O, mniejsze ilości N, S, Si i związków alkalicznych w suchej masie. Jedynie rzepak, kumulujący większe ilości siarki, odznacza się dużym, w porównaniu z innymi roślinami, udziałem tego pierwiastka w słomie, wytłokach i śrucie. W czasie wegetacji, powierzchnię zewnętrzną źdźbeł pokrywają związki tlenku krzemu, chlorków fosforu i potasu, usztywniające 10

15 roślinę i chroniące ją przed działaniem zewnętrznych czynników atmosferycznych. Udział chloru w słomie jest duży, kilkukrotnie większy niż w węglu (0,2 0,8%) [8,46,54,63]. Cechą charakterystyczną słomy jest budowa przestrzenno rurkowa, tworząca strukturę o znacznej przewadze powietrza w jej objętości, a tym samym mała gęstość, zazwyczaj wynosząca kg/m3 dla słomy luźnej lub pociętej i kg/m3 dla słomy balotowanej. Dodatkowo słoma odznacza się dużą zawartością części lotnych (ponad 70%), dużą zawartością suchej masy (ok. 85% [8]), niewielką ilością substancji mineralnych, mniejszą niż w drewnie zawartością wilgoci oraz własnościami higroskopijnymi, wymuszającymi jej składowanie pod dachem lub w wietrzonych pomieszczeniach zamkniętych. Kaloryczność słomy jest prawie dwukrotnie mniejsza od kaloryczności węgli i różni się nieznacznie dla jej rożnych gatunków. Jej wartość uzależniona jest zarówno od ilości zawartej w słomie wilgoci, jak i od jej gatunku oraz techniki przechowywania po zbiorze. Wyniki badań [8] potwierdzają istotny wpływ zawartej w słomie wilgoci na jej wartość opałową. Dla słomy suchej mieści się ona w granicach MJ/kg, zaś dla świeżej zwykle nie przekracza 15 MJ/kg [8,33,46]. Na skład chemiczny i jakościowy słomy, poza jej gatunkiem, wpływ mają przede wszystkim warunki klimatyczne, żyzność i urodzajność gleby oraz działalność człowieka związana z nawożeniem gleb, ochroną plantacji przed szkodnikami oraz sposobem składowania. Ze względu na ostatni czynnik wyróżnia się słomę żółtą i szarą. Bezpośrednio po żniwach słoma nosi nazwę słomy żółtej. Słoma szara to słoma świeża po omłocie, pozostawiona na polu i poddana działaniom zjawisk atmosferycznych, głównie obmywana deszczem, a następnie suszona. W odniesieniu do słomy żółtej, własności słomy szarej, tj. mniejsza zawartość związków metali alkalicznych i chloru, a tym samym podniesienie charakterystycznych temperatur popiołu, oraz większa wartość opałowa, powodują, że jest ona bardziej przydatna do wykorzystania energetycznego. Dodatkowo słoma szara zawiera mniejszą ilość substancji mineralnych, a uzyskany z niej popiół nadaje się do użytku w agrotechnice lub budownictwie [8,33]. Uprawy energetyczne Do roślin wytwarzających biomasę ligninocelulozową, przeznaczonych do wykorzystania w procesach produkcji energii elektrycznej i ciepła, zalicza się gatunki tzw. roślin energetycznych. Niewielkie wymagania glebowe, a wobec tego możliwość rekultywacji zdegradowanych lub niskoprodukcyjnych terenów rolnych oraz równoległej utylizacji osadów ściekowych powodują, że uprawy energetyczne z roku na rok cieszą się coraz większym zainteresowaniem wśród rolników. Przewiduje się, że postęp inżynierii genetycznej dodatkowo umocni ich pozycję na rynku surowców energii. Już dziś wyróżnia się energetyczne uprawy rolnicze, takie jak: jednoroczne i wieloletnie uprawy roślin trawiastych, np.: konopie przemysłowe, trzcina pospolita, miskanty, trawa słoniowa, trawa kupkówka, uprawy roślin drzewiastych szybkiej rotacji, np.: topola, wierzba, olszyna, osika, eukaliptus, uprawy wieloletnich bylin, np.: ślazowiec pensylwański, sylfia, słonecznik bulwiasty, karczoch, żyto, pszenżyto, nasiona roślin oleistych (rzepak) z przeznaczeniem do produkcji biodiesla, ziemniaki, nasiona żyta, odpady roślinne przeznaczone na produkcję alkoholu etylowego [8,53,54]. 11

16 Rośliny energetyczne odznaczają się dużym przyrostem masy suchej na hektar w ciągu roku, szczególnie w początkowej fazie wzrostu, tym samym wysoką wydajnością. Mogą rosnąć na różnych rodzajach gleb, włączając gleby mało urodzajne (czwartej, piątej klasy), odłogowane, a w niektórych przypadkach nawet skażone. Zbiorów dokonuje się tradycyjnymi metodami z wykorzystaniem standardowych maszyn rolniczych. Drewno pochodzące z plantacji energetycznych nie różni się znacznie od innych typów zrębków drzewnych. Jedynie mniejsza gęstość i większa zawartość wody powodują, że zawartość suchej masy materiału w jednostce objętości jest mniejsza. Przeciętnie ciepło spalania drzewiastych roślin energetycznych mieści się w przedziale MJ/kg drewna suchego, zawartość części lotnych 91 95%, zawartość popiołu 0,7 1,5%, udział stałych części palnych 4 7% [54]. Ze względu na dużą produktywność, wysoką wartość opałową wynoszącą około 18 MJ/kg, długą żywotność plantacji i znakomite przystosowanie do polskich warunków klimatycznych, największą popularnością wśród roślin energetycznych cieszy się wierzba Salix Viminalis. Roślina jest odporna na susze, pożary, powodzie, choroby i szkodniki. W okresach nadprodukcji biopaliowa, tj. zrębków wierzbowych, materiał może być surowcem do produkcji sadzonek lub płyt wiórowych, albo wykorzystany w przemyśle celulozowo-papierniczym. Innymi bardzo popularnymi w Polsce roślinami uprawianymi na plantacjach energetycznych są: malwa pensylwańska, miskant olbrzymi, miskant cukrowy, słonecznik bulwiasty (tzw. topinambur) [31,53,54]. Tabela 2.2. Przykładowe wyniki analizy technicznej oraz gęstości nasypowej wybranych paliw z biomasy [54,55,63] (ms sucha masa, w.m. wilgotna masa). Zawartość wilgoci Zawartość części lotnych Zawartość popiołu Wartość opałowa Gęstość nasypowa % w.m. % s.m. % s.m. MJ/kg kgw.m./m3 Drewno drzew liściastych ,7 2, Drewno drzew iglastych ,8 2, Słoma pszenna ,0 12, Miscanthus Rodzaj biomasy Tabela 2.3. Przykładowy skład pierwiastkowy wybranych paliw z biomasy [55,63]. Rodzaj biomasy C H O N S Cl % s.m. % s.m. % s.m. % s.m. % s.m. % s.m. Drewno drzew 47,1 51,6 liściastych 6,1 6,3 38,0 45,2 0,10 0,96 Drewno drzew 47,1 51,6 iglastych 6,1 6,3 38,0 45,2 0,09 0,17 0,007 0,10 Słoma pszenna 43,0 48,1 5,0 6,0 36,0 48,2 0,30 0,50 0,05 0,13 0,10 0,70 Miscanthus 4,4 6,2 41,7 43,5 0,40 1,70 0,02 0,20 0,05 0,40 46,7 50,7 12 0,03 0,12 0,005 0,006 0,01

17 2.3. PODSTAWOWE SPOSOBY KONWERSJI BIOMASY TYPU LIGNINOCELULOZA NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ I CIEPLNĄ Wg danych statystycznych, najwyższy udział wśród nośników energii odnawialnej w łącznym pozyskaniu energii ze źródeł odnawialnych w 2010 roku, równy 85,36%, posiada biomasa stała [10]. Kolejne, również wysokie pozycje zajmowały: biopaliwa ciekłe, woda oraz wiatr. 90 Pozyskanie energii 80 Produkcja energii elektrycznej 70 Produkcja energii cieplnej Odpady komunalne Energia geotermalna Energia prom. słonecznego Biopaliwa Biogaz Energia wiatru Energia wody 0 Biomasa stała Udział nośnika energii odnawialnej, % 100 Rys Struktura pozyskania energii, produkcji energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych nośników energii wg źródeł w Polsce w 2010 roku [10]. Zwiększanie udziału energii z nośników odnawialnych w finalnym zużyciu energii do poziomu wyznaczonego w rozporządzeniu Ministra Gospodarki [53] jest konieczne dla realizacji założeń polityki energetycznej kraju. Energia elektryczna wytworzona z odnawialnych źródeł stanowiła 2,8% w 2006 roku, a w 2010 roku już 7,0% krajowego zużycia energii elektrycznej brutto. Od 2004 roku produkcja energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii zaczęła wzrastać. Zmieniły się także udziały poszczególnych nośników energii odnawialne w produkcji energii elektrycznej i od 2006 roku udział energii elektrycznej wytworzonej w elektrowniach wodnych w łącznej produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii systematycznie malał na rzecz energii wytworzonej z biomasy stałej. Podobnie jak w przypadku produkcji energii elektrycznej, udział odnawialnych źródeł energii w produkcji ciepła wykazuje tendencję wzrostową. Charakter procesów produkcji energii cieplnej powoduje, że biomasa stanowi tutaj jedyny wykorzystywany nośnik energii, przy czym biomasa stała jest surowcem silnie dominującym. Uwarunkowania prawne dotyczące wymaganego udziału biopaliw skutkowały pojawieniem się w 2009 roku tego nośnika energii na rynku paliw. Zmiany jakie nastąpiły w udziale poszczególnych nośników energii odnawialnej w produkcji energii elektrycznej oraz ciepła w latach 2001 i 2010 obrazują poniższe wykresy. 13

18 Udział nośnika energii odnawialnej, % Woda Biomasa stała Biogaz Wiatr Rok 2001 Rok 2010 Udział nośnika energii odnawialnej, % Rys Udział nośników energii odnawialnej w produkcji energii elektrycznej w 2001 i 2010 r. w Polsce [10]. 100 Biomasa stała Biogaz Biopaliwa Rok 2001 Rok 2010 Rys Udział nośników energii odnawialnej w produkcji energii cieplnej w 2001 i 2010 r. w Polsce [10]. Podstawowymi kierunkami wykorzystania potencjału energetycznego biomasy są: spalanie i współspalanie, piroliza, gazyfikacja, fermentacja alkoholowa i metanowa oraz uzyskiwanie paliw z olejów roślinnych [16]. W procesie pirolizy następuje termiczny rozkład materii organicznej paliwa, dzięki czemu otrzymuje się produkty w stanie stałym (karbonizat), ciekłym (smoły) i gazowym. Powstające z paliwa stałego inne formy paliwa ciekłe oraz gazowe, nie są jednak wykorzystywane na szeroką skalę przez energetykę zawodową. Innym znanym sposobem konwersji energii biomasy na użyteczne formy paliwa jest zgazowanie, czyli produkcja gazu syntezowego. W prowadzonym na skalę przemysłową procesie gazyfikacji biomasy otrzymuje się gaz, stanowiący uniwersalny surowiec do produkcji chemikaliów, energii elektrycznej, ciepła, paliw przeznaczonych do transportu. Uzyskanie biogazu w procesie gazyfikacji w reaktorach ze złożem pyłowym wymaga podawania paliwa w postaci mikronowych, a nawet submikronowych cząstek. Włóknista budowa biomasy typu lignino14

19 celuloza oraz jej własności wytrzymałościowe czynią proces rozdrabniania paliwa trudnym i kosztowym. Możliwe jest również spożytkowanie do celów grzewczych biogazu produkowanego z osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków, odpadów organicznych na składowiskach odpadów, odpadów w gospodarstwach rolnych. Biogaz powstaje w wyniku biologicznego rozkładu substancji organicznej, na drodze fermentacji, w warunkach beztlenowych. Gaz ten, będący mieszaniną metanu i dwutlenku węgla, nie wymaga przetwarzania, po przesyle może być bezpośrednio wykorzystywany w urządzeniach spalania [60]. W transporcie biomasa wykorzystywana jest jako dodatek do paliw. W tym celu z trzciny cukrowej lub kukurydzy produkuje się alkohole (metanol i etanol), a z roślin oleistych olej (biodiesel) [24]. Z punktu widzenia energetycznego wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, plasujące się na drugim miejscu po biomasie stałej biopaliwa ciekłe, nie mają większego znaczenia. Można więc uznać, że wśród odnawialnych źródeł energii, dominującą rolę w procesach produkcji energii elektrycznej i ciepła w warunkach polskich odgrywa biomasa stała. Obecnie udział zużycia energii przez technologie wykorzystujące biomasę stanowi 25% [60] całkowitej energii zużywanej w procesach przemysłowych. Najbardziej rozpowszechnioną i zarazem najprostszą formą pozyskania energii z biomasy jest jej spalenie. Biopaliwa stałe spalane są w sposób bezpośredni w celach grzewczych (w kotłach małej mocy i kotłach ciepłowniczych), produkcji energii elektrycznej lub skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła; bardzo powszechne jest również wykorzystanie ich w procesie współspalania z węglem w kotłach energetycznych. Odmienna w stosunku do kopalnych paliw stałych budowa biomasy skutkuje różnicami w mechanizmie ich spalania, dlatego proces ten najlepiej jest realizować w specjalnych, dedykowanych kotłach, które zapewniają wygodę obsługi i pełne wykorzystanie możliwości paliwa. Większa zawartość wilgoci, części lotnych, mniejsza wartość energetyczna oraz niższy stopień uwęglenia wpływają przede wszystkim na temperaturę zapłonu paliwa, czas i temperaturę spalania, strumień ciepła generowanego w poszczególnych etapach spalania i wiele innych wielkości, istotnych dla energetycznego wykorzystania biomasy. Niektóre charakterystyczne cechy procesu spalania biomasy wymuszają modyfikację już istniejących lub korzystanie ze specyficznych, dedykowanych paliwu pochodzenia roślinnego rozwiązań palenisk i instalacji kotłowych. Proces spalania biomasy Podobnie jak w przypadku węgli, spalanie biomasy składa się z czterech podstawowych etapów: nagrzewania i suszenia, rozkładu termicznego, spalania części lotnych, spalania pozostałości koksowej. Czas trwania poszczególnych etapów zależy od rozmiaru cząstek, rodzaju biomasy, warunków otoczenia. Pierwszy etap, związany z usuwaniem wilgoci zawartej w paliwie ma charakter prawie wyłącznie fizyczny. Dekompozycja struktury chemicznej biomasy następuje po nagrzaniu jej do odpowiedniej dla danego paliwa temperatury, a jej szybkość uzależniona jest od zawartości wody. Podstawowe komponenty biopaliw, ulegają rozkładowi termicznemu w różnych temperaturach: hemiceluloza ºC, celuloza ºC, lignina ºC. Biomasa typu ligninoceluloza łatwo ulega rozkładowi termicznemu już w 200ºC, najwięcej substancji gazowych wydzielanych jest w temperaturze ºC, a w temperaturze około 700ºC powstały po odgazowaniu węgiel drzewny stanowi zaledwie 10 25% masy początkowej paliwa. Szybkość odgazowania rośnie wraz ze wzrostem temperatury, aż do momentu pirolizy holocelulozy. W temperaturach przekraczających 400ºC obserwuje się zmniej15

20 szenie dynamiki odgazowania, ponieważ rozkładowi termicznemu ulega głównie lignina [46,54]. Rozkład celulozy i hemicelulozy w głównej mierze jest odpowiedzialny za wydzielenie części lotnych, podczas gdy lignina odgazowuje w mniejszym stopniu, pozostawiając więcej karbonizatu. Powstawaniu większych ilości pozostałości koksowej sprzyja niższa temperatura i atmosfera redukcyjna, natomiast wysoka temperatura i warunki utleniające intensyfikują odgazowanie poprzez wtórny rozkład smoły do substancji lotnych. Wydzielające się części lotne składają się przede wszystkim z tlenku i dwutlenku węgla, metanu, etenu, etanu, wodoru oraz kondensujących w temperaturze pokojowej: wody, metanolu, kwasu octowego, aldehydu octowego i smoły. Teoretyczna temperatura spalania części lotnych wynosi 1750ºC, ale rzeczywistą temperaturę spalania charakteryzuje odwrotnie proporcjonalna zależność od zawartości wilgoci w biomasie. Spalanie odbywa się w niższych temperaturach płomienia w porównaniu do temperatur spalania węgla, a strefę spalania można podzielić na dwie części: generacji rodników oraz dopalania i rekombinacji rodników. Pozostałość po odgazowaniu biomasy jest strukturą o silnie rozwiniętej powierzchni wewnętrznej, skupiającą w sobie znaczną ilość części palnych; ze względu na jej dużą reaktywność, szybkość spalania karbonizatu biomasy jest większa niż pozostałości koksowej węgla i zależy od stężenia utleniacza w otoczeniu gazowym oraz rozmiarów cząstki. Co więcej, reaktywność i porowata budowa przyczyniają się także do niskiej temperatury zapłonu, mieszczącej się w zakresie ºC, oraz niskich temperatur spalania karbonizatu w warstwie ºC [46,54]. Technologie spalania biomasy roślinnej Drewno energetyczne użytkowane jest w postaci drewna opałowego, krótki i długich zrębków drzewnych, kory, trocin, pyłu, brykietów, granulatów, odpadów i kory. Zwykle większe kawałki rozdrabnia się do postaci zrębków, zaś najdrobniejsze frakcje, czyli pył, wióry i trociny, poddaje granulacji celem uzyskania peletów lub brykietów. Biomasa drzewna może być spalana w piecach oraz kotłach energetycznych, których paleniska można podzielić od względem konstrukcyjnym na: paleniska rusztowe, w których spalanie odbywa się w warstwie stacjonarnej, przeznaczone do spalania drewna o różnych rozmiarach, dużej zawartości wilgoci, charakteryzujące się małą emisją popiołu lotnego ze spalania, natomiast znaczną emisją CO, węglowodorów, NOx oraz niewielką sprawnością, paleniska fluidalne, przeznaczone do spalania przede wszystkim uprzednio posegregowanych pod względem wielkości przemysłowych odpadów drzewnych, odznaczające się stabilnym spalaniem, niską emisją NOx, ale dużym udziałem popiołu lotnego w spalinach i zagrożone defluidyzacją złoża, paleniska wyposażone w palniki pyłowe oraz paleniska cyklonowe, w których spalane są drobne frakcje drewna, nienadające się do spalenia w paleniskach rusztowych, czy fluidalnych ze względu na wynoszenie cząstek z paleniska; zapewniające dobre wypalenie paliwa i niewielką emisję CO, ale dużą NOx [46,54]. Mimo znacznego podobieństwa w budowie, składzie i mechanizmie spalania biomasy drzewnej i rolniczej, rozwiązania konstrukcyjne urządzeń przeznaczonych do spalania słomy są inne niż dla drewna. Wydzielające się w czasie odgazowania słomy substancje lotne szybko spalają się w płomieniu, a pozostałość koksowa po pirolizie słomy spala się powoli, bez płomienia. Całkowity czas spalania słomy jest więc dłuższy niż w przypadku drewna, co może stanowić problem eksploatacyjny w jednostce energetycznej. Innymi cechami charakterystycznymi procesu spalania słomy są: relatywnie wysoka temperatura płomienia (przy wolnym dostępie powietrza słoma pali się w temperaturze ºC [7]) oraz znaczna wyso16