Energy and emission effects of the wood board waste combustion in the small boiler

Transkrypt

1 Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami ISSN , Vol. 12 nr 1 (2010), p Efekty energetyczno-emisyjne spalania odpadów z przeróbki płyt drewnopochodnych w kotle małej mocy Wasielewski R., Hrycko P., Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla Zabrze, ul. Zamkowa 1 tel , fax rywas@ichpw.zabrze.pl Streszczenie Przedstawiono problemy związane ze spalaniem płyt drewnopochodnych (wiórowych pilśniowych, MDF i HDF) w małych instalacjach kotłowych. Płyty drewnopochodne zawierają około 90% wagowo czystego drewna. Jednak do produkcji tych materiałów stosowane są syntetyczne spoiwa, które mogą powodować zagrożenie emisyjne przy ich energetycznym wykorzystaniu. Przeprowadzone badania odpadów płyt drewnopochodnych wykazały, że zawierają one znacznie więcej (ponad 20-krotnie) azotu niż typowe biomasy. Stwierdzono również ponad dwukrotnie wyższy poziom emisji tlenków azotu podczas spalania płyt drewnopochodnych w stosunku do typowej biomasy drzewnej. Abstract Energy and emission effects of the wood board waste combustion in the small boiler The problems concerning combustion of wood boards (fibreboards; MDF and HDF) in small boiler installations have been presented. Wood boards contain about 90 % w/w of pure wood. However to the production of these materials synthetic binders are used, which can cause emission threat during combustion. Conducted tests of wood board waste showed that they contain much more (over 20 times) of nitrogen than typical biomasses. It was stated over twice higher emission levels of nitric oxides during combustion of wood board in comparison to typical wood biomass. 1. Wstęp Do produkcji mebli, paneli podłogowych, boazerii oraz innych elementów wykończeniowych w budownictwie często stosowane są płyty drewnopochodne, które wykonywane są z elementów drewna o różnych rozmiarach, zwykle łączonych za pomocą spoiw syntetycznych [1-3]. Jako spoiwa do produkcji płyt najczęściej stosowane są żywice mocznikowo-formaldehydowe, melaminowe lub fenolowe oraz ich mieszaniny [4]. Jednym

2 28 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 12 nr 1 (2010) ze składników płyt jest też parafina stosowana jako środek hydrofobowy [2]. Dodatkowe substancje występują w powłoce pokrywającej surową płytę. Są to różnego rodzaju laminaty lub folie zawierające zwykle w swoim składzie zadrukowany papier nasycony żywicą [1]. Wszystkie substancje dodatkowe stanowią w płycie na ogół nie więcej niż 10% masy. Zarówno podczas produkcji, jak i na etapie wykorzystywania tych wyrobów powstają odpady, które zawierają w znacznej większości (około 90%) drewno. Tak wysoka zawartość biomasy skłania do energetycznego wykorzystania materiału i produkcji tzw. zielonej energii elektrycznej. Powstaje jednak problem zagrożenia emisyjnego związany z zastosowanymi w produkcji płyt spoiwami. W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu przeprowadzono badania energetyczno-emisyjne dla kilku próbek odpadów płyt drewnopochodnych, których celem było określenie występującej podczas spalania emisji zanieczyszczeń oraz odpowiedź na szersze pytanie: czy odpady płyt drewnopochodnych są biomasą? 2. Charakterystyka materiału badawczego Badaniom poddano uśrednioną próbkę zawierającą mieszankę odpadów płyt wiórowych, pilśniowych, MDF i HDF pochodzących od jednego z krajowych producentów mebli. Dla potrzeb realizacji dalszego etapu badań procesu spalania (ułatwienie podawania paliwa do paleniska podajnikiem ślimakowym) odpady poddano peletyzacji. Jako próbkę porównawczą zastosowano klasyczną biomasę drzewną w postaci peletów z trocin. Dla obydwu badanych próbek wykonano analizy: techniczną i elementarną. Właściwości fizykochemiczne oznaczono zgodnie ze standardami PN oraz procedurami dla odpadów obowiązującymi w Akredytowanym Zespole Laboratoriów IChPW (certyfikat PCA nr AB 081). Wyniki analiz podano w tabeli 2.1. Dla porównania, w tabeli 2. 2 przedstawiono właściwości fizykochemiczne wybranych próbek biomasy drzewnej, dla których oznaczenia wykonano w ICHPW w ramach innych badań. Tabela 2.1. Charakterystyka właściwości fizykochemicznych spalanych materiałów. Oznaczenie Symb. Jedn. pelety z trocin pelety z płyt drewnopochodnych Analiza techniczna Zaw. wilgoci całkowita r W t % 5,7 11,9 Zawartość wilgoci W a % 4,8 4,2 Zawartość popiołu A a % 0,3 1,1 Zawartość cz. lotnych V a % 80,14 76,10 Zawartość cz. lotnych V daf % 84,45 80,36 Wartość opałowa r Q i J/g Analiza elementarna Zawartość węgla a C t % 49,5 47,4 Zawartość wodoru a H t % 5,79 5,76 Zawartość azotu N a % 0,37 3,62 Zaw. siarki całkowita a S t % 0,02 0,05 Zawartość chloru Cl a % 0,011 0,037

3 Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 1 (2010) 29 Tabela 2.2. Właściwości fizykochemiczne wybranych próbek biomasy drzewnej Oznaczenie Symb. Jedn. Trociny iglaste Zrębki drzewne Trociny liściaste Pelety drzewne Analiza techniczna Zaw. wilgoci całkowita Wtr % 40,6 34,2 31,0 6,6 Zawartość wilgoci Wa % 4,4 8,3 2,6 3,8 Zawartość popiołu Aa % 6,9 0,9 0,3 0,4 Zawartość części lotnych Va % 73,22 73,75 82,83 80,86 Zawartość części lotnych Vdaf % 82,55 81,22 85,30 84,41 Wartość opałowa Qir J/g Analiza elementarna Zawartość węgla Cta % 47,2 47,2 51,7 50,0 Zawartość wodoru Hta % 5,28 5,85 6,32 6,06 Zawartość azotu Na % 0,14 0,25 0,23 0,17 Zaw. siarki całkowita Sta % 0,02 <0,02 <0,02 <0,02 Porównując wyniki analizy technicznej badanych próbek płyt (Tab. 2.1) z wartościami uzyskanymi dla peletów z trocin (Tab. 2.1) oraz wartościami typowymi dla biomasy drzewnej (badania własne ICHPW Tab.2.2) można zauważyć wyraźne podobieństwo.. Przy porównaniu wyników analizy elementarnej należy jednak zauważyć, że wszystkie badane próbki odpadów płyt drewnopochodnych zawierają znacznie więcej (ponad 20- krotnie) azotu niż typowe biomasy (poziom ten jest zwykle niższy niż 0,5%, dla biomasy drzewnej nawet poniżej 0,3%). Taki wynik oznaczeń wskazuje na zastosowanie przy produkcji płyt lepiszcza o dużej zawartości azotu, co może wpływać niekorzystnie na poziom emisji tlenków azotu przy spalaniu badanych materiałów. Z kolei, w tablicy 2.3 przedstawiono wyniki badań zawartości metali ciężkich w próbkach odpadów płyt i porównano je z wartościami typowymi dla biomasy drzewnej. Tabela 2.3. Charakterystyka właściwości fizykochemicznych spalanych materiałów. Wartość, mg/kg s.m Oznaczenie Symb. Pelety z płyt Drewno Drewno drewnopochodnych iglaste [5] liściaste [5] Zawartość miedzi Cu 9,65 0,5-10,0 0,5-10,0 Zawartość ołowiu Pb 38,1 <0,5 10,0<0,5 Zawartość niklu Ni 4,98 <0,1-10,0 <0,1-10,0 Zawartość chromu Cr 16,6 0,2 10,0-0,2 Zawartość kobaltu Co 1,56 Brak danych Brak danych Zawartość arsenu As 2,33 <0,1-1,0 <0,1-1,0 Zawartość manganu Mn 99, Brak danych Zawartość wanadu V 0,658 <2,0 <2,0 Zawartość antymonu Sb 2,7 Brak danych Brak danych

4 30 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 12 nr 1 (2010) Przedstawione dane wykazują, że badane próbki odpadów płyt posiadają wyższą zawartość metali ciężkich niż wartości typowo spotykane dla klasycznej biomasy: drewna liściastego oraz iglastego w zakresie: arsenu, ołowiu i chromu. Skłania to do pewnej ostrożności przy traktowaniu tych materiałów jako czystych materiałów biomasowych. Dla oceny przebiegu procesu rozkładu termicznego badanych próbek podczas procesu spalania wykorzystano również elementy analizy termograwimetrycznej. Rejestrację zmiany masy, zachodzącą podczas ogrzewania próbki (pomiary termograwimetryczne TG), przeprowadzono za pomocą analizatora do jednoczesnej analizy termicznej STA 409 PG Luxx firmy Netzsch. Próbki analityczne o masie około 20mg ogrzewano każdorazowo, ze stałym narostem temperatury 10 K/min począwszy od temperatury otoczenia 25 o C, do temperatury 700 o C. Pomiar prowadzono w atmosferze powietrza ze stałym przepływem 125ml/min. Eksperyment ten odzwierciedla zachowanie badanego materiału w komorze paleniskowej kotła. Rys Przebieg rozkładu termicznego w zakresie o C dla mieszanki odpadów płyt: pilśniowych, wiórowych, MDF i PDF (kolor czerwony) oraz biomasy drzewnej trocin (kolor zielony) podczas ich ogrzewania ze stałą prędkością 10K/min w atmosferze powietrza (spalanie). Przebieg krzywych ubytku masy (TG) przedstawiony na rys wskazuje na bardzo podobny trójetapowy przebieg rozkładu termicznego obydwu próbek badanych materiałów zarówno w postaci odpadów płyt jak i trocin. W początkowej fazie następuje suszenie materiału i wydziela się woda, a później następuje dekompozycja substancji organicznej z emisją lotnych produktów spalania. Z kolei krzywe szybkości ubytku masy (DTG) pokazują, że intensywność uwalniania lotnych produktów rozkładu z odpadów płyt

5 Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 1 (2010) 31 zarówno w drugim jak i trzecim etapie rozkładu jest nieco niższa niż dla trocin. Należy zauważyć, że początek wydzielania produktów lotnych dla próbki odpadów płyt w drugim i trzecim etapie rozkładu występuje prędzej niż dla biomasy drzewnej. W trzecim etapie rozkładu w temperaturach powyżej 350 o C wydzielanie lotnych produktów rozkładu trocin drzewnych kończy się wcześniej niż w przypadku płyt drewnopochodnych, z których nadal emitowane są składniki lotne. Różnica ta wynika zapewne z zastosowanego lepiszcza żywicznego, którego produkty spalania wydzielają się w tej ostatniej fazie procesu. Wyniki analizy termograwimetrycznej wskazują na duże podobieństwo badanych odpadów płyt do typowej biomasy drzewnej, jednak nie potwierdzają, że są to materiały identyczne. 3. Charakterystyka kotła i przebieg badań Badania energetyczno-emisyjne spalania badanych próbek przeprowadzono na akredytowanym stanowisku atestacji paliw i urządzeń grzewczych IChPW w kotle c.o. o mocy 20 kw, z automatycznym ciągłym załadunkiem paliwa (rys.3.1). Rys Kocioł retortowy wykorzystany do testu spalania. Kocioł ten wyposażony jest w żeliwny palnik retortowy II-ej generacji, do którego podawane jest paliwo z zasobnika za pomocą podajnika ślimakowego. Powietrze do spalania doprowadzane jest przez wentylator do układu dysz w palniku. Praca kotła sterowana jest za pomocą zaprogramowanego sterownika elektronicznego włączającego podajnik i wentylator. Badania przeprowadzono zgodnie z procedurami opracowanymi w IChPW dla celów testowania paliw i kotłów w oparciu o polskie i europejskie normy. Zakres każdego testu obejmował:

6 32 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 12 nr 1 (2010) - wyznaczenie stężeń emitowanych zanieczyszczeń (CO, CO 2, SO 2, NO 2, pył, TOC, WWA), - wyznaczenie wskaźników emitowanych zanieczyszczeń. - wykonanie bilansu energetycznego procesu spalania. Skład spalin na wylocie z kotła mierzono za pomocą mobilnego układu analizatorów produkcji firmy SIEMENS. W skład układu pomiarowego weszły analizatory typu ULTRAMAT 23 umożliwiające pomiar: CO w zakresach 0-5% i 0-50%, CO 2 w zakresie 0-50%, SO 2 w zakresie ppm oraz dwa analizatory NO o zakresach ppm, w tym jeden współpracujący z konwertorem NO 2 do NO. Pomiary były prowadzone z wykorzystaniem referencyjnej metody IR. Pomiaru stężenia O 2 w spalinach dokonano za pomocą analizatora typu OXYMAT 61, działającego w oparciu o referencyjną metodę wykorzystującą zjawisko paramagnetyzmu. Analizator ten posiada zakres pomiarowy: 0-5% O 2. Spaliny były próbkowane w sposób ciągły za pomocą układu sondy grzanej z filtrem ceramicznym, węża grzanego oraz układu kondycjonowania gazu. Pobór próbki spalin do oznaczenia stężenia pyłu i zanieczyszczeń organicznych, był realizowany za pomocą układu składającego się z sondy połączonej z ogrzewanym separatorem pyłu, chłodnicy, rurki z XAD2 i węglem aktywnym oraz aspiratora gazu. 3. Wyniki badań energetyczno-emisyjnych Poniżej w tablicy 3.1 przedstawiono zbiorcze rezultaty badań energetyczno-emisyjnych dla próbek odpadów płyt drewnopochodnych oraz peletów z trocin. Tabela 3.1. Wyniki testów energetyczno-emisyjnych badanych próbek paliw. Wyniki badań Rodzaj badania Symb. Jedn. pelety z trocin pelety z płyt drewnopochodnych Sprawność kotła η % 90,2 87,3 CO C CO mg/m 3 26,4 274,5 Stężenie SO 2 C SO2 mg/m 3 0,0 116,3 zanieczyszczeń NO 2 C NO2 mg/m 3 364,4 746,4 w spalinach Pył C pył mg/m 3 55,9 83,7 (przeliczone na Zanieczyszczenia 10% O 2 ) organiczne C org mg/m 3 65,0 132,1 16 WWA wg EPA C WWA mg/m 3 0,2 0,2 Badania energetyczno-emisyjne wykazały niewielkie (ok. 3%) obniżenie sprawności kotła i ponad dwukrotnie wyższe poziomy emisji tlenków azotu podczas spalania badanej próbki płyt drewnopochodnych w stosunku do typowej biomasy drzewnej. Potwierdza to zagrożenie wynikające z zastosowanego lepiszcza, wpływającego na wysoką zawartość azotu w składzie elementarnym badanego materiału. Stwierdzono również zauważalnie wyższy poziom emisji tlenku węgla CO oraz dwukrotnie wyższy poziom emisji związków organicznych. Zwiększona emisja tych zanieczyszczeń jest spowodowana tym, że kotły małej mocy stosowane w ogrzewnictwie indywidualnym nie zapewniają warunków

7 Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 1 (2010) 33 koniecznych do pełnego i bezpiecznego ekologicznie prowadzenia procesu spalania takich materiałów jak żywice mocznikowo-formaldehydowe oraz inne spoiwa, stosowane jako przy produkcji płyt drewnopochodnych. Poniżej w tablicy 3.2 przedstawiono opracowane w IChPW kryteria na znak bezpieczeństwa ekologicznego dla kotłów małej mocy, wykorzystywanych najczęściej w ogrzewnictwie indywidualnym. Tabela 3.2. Wymagania wg kryteriów na znak bezpieczeństwa ekologicznego. Rodzaj badania Symb. Jedn. Wymagania wg kryteriów na znak bezpieczeństwa ekologicznego Klasa A Klasa B Sprawność kotła η % CO C CO mg/m Stężenie NO 2 C NO2 mg/m zanieczyszczeń Pył C pył mg/m w spalinach (przeliczone na Zanieczyszczenia C organiczne org mg/m % O 2 ) 16 WWA wg EPA C WWA mg/m Uzyskane wyniki badań wskazują na brak spełnienia przedstawionych kryteriów przy spalaniu płyt drewnopochodnych w wytypowanym do badań kotle w zakresie emisji ditlenku azotu NO 2. Wykazano, że spalanie tego typu odpadów w małych jednostkach grzewczych stwarza istotne zagrożenie ekologiczne. 5. Podsumowanie Przedstawione wyniki badań wskazują na duże podobieństwo badanych próbek odpadów płyt: pilśniowych, wiórowych, MDF i HDF do typowej biomasy drzewnej. Jednak wyraźnie widoczne są również różnice, wynikające z zastosowanego do ich produkcji lepiszcza. Wpływa ono na znacznie zwiększony poziom zawartości azotu w stosunku do typowej biomasy drzewnej oraz związaną z tym znacznie wyższą emisję tlenków azotu w procesie spalania badanego materiału. Spalanie tego typu materiałów w instalacjach grzewczych stosowanych w ogrzewnictwie indywidualnym nie powinno mieć miejsca, ponieważ prowadzi również do zwiększonej emisji tlenku węgla oraz zanieczyszczeń organicznych. W przypadku energetycznego wykorzystania w instalacjach przemysłowych - odpady płyt drewnopochodnych powinny być z całą pewnością potraktowane jako biomasa pod względem rozliczania energii elektrycznej wytworzonej z jego udziałem oraz rozliczania emisji ditlenku węgla. Jednak pod względem stosowanych standardów emisyjnych i kwalifikacji procesu spalania płyt drewnopochodnych (wiórowych, pilśniowych, MDF i HDF) należy uwzględnić wszystkie uwarunkowania obowiązujące dla termicznego przekształcania odpadów.

8 34 Literatura Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 12 nr 1 (2010) [1] Nicewicz D., Płyty pilśniowe MDF, Wyd. SGGW, Warszawa, [2] Drouet T.: Technologia płyt wiórowych, Wyd. SGGW, Warszawa, [3] Nicewicz D., Borysiuk P., Pawlicki J.: Tworzywa drzewne specjalnego przeznaczenia, Wyd. SGGW, Warszawa, [4] Proszyk S., Wirpsza Z., Jóźwiak M., Jabłoński W.: Kleje z reaktywnych rozpuszczalników mocznika przeznaczone do wytwarzania tworzyw drzewnych, Wyd. Instytut Technologii Drewna, Poznań, [5] FprEN Solid biofuels fuel specifications and classes part 1: general requirements.