PARAMETRY BIOMASY ODPADOWEJ W ŚWIETLE JEJ PRZYDATNOŚCI DLA ENERGETYKI

Transkrypt

1 Alina KOWALCZYK-JUŚKO, Sylwester ZYWER PARAMETRY BIOMASY ODPADOWEJ W ŚWIETLE JEJ PRZYDATNOŚCI DLA ENERGETYKI Streszczenie W artykule omówiono właściwości trzech rodzajów biomasy powstającej w rolnictwie, jako produkty uboczne lub odpadowe. Badaniom poddano łuski gryki, które stanowią pozostałość przy wyrobie kaszy, otręby pszenne jako produkt uboczny przetwórstwa zbóż oraz peletowane wysłodki buraków cukrowych, powstające w cukrowniach. Biomasa ta może stanowić wartościowy surowiec opałowy. Badania przeprowadzone w specjalistycznym laboratorium obejmowały parametry energetyczne: ciepło spalania, wartość opałową, zawartość popiołu i substancji palnej oraz pierwiastków istotnych dla energetycznego wykorzystania, jak węgiel, siarka i chlor. Badania wykazały duże zróżnicowanie badanych surowców. Mogą one być poddawane granulacji do brykietów lub peletów w postaci czystej lub jako dodatek do innych surowców, np. słomy. WSTĘP Wzrost zainteresowania biomasą ze strony zawodowej energetyki powoduje istotne zmiany w rolnictwie. Wymogi nałożone przez rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. (DzU z 2008 r., nr 156, poz. 969) zobowiązały jednostki wytwórcze nie tylko do zastępowania energii tradycyjnej odnawialną, ale też do stopniowego zmniejszania ilości biomasy leśnej (stanowiącej dotychczas główny surowiec odnawialny) w ogólnym jej zużyciu. Taka konstrukcja rozporządzenia miała na celu zmniejszenie ryzyka wystąpienie gospodarki rabunkowej w lasach, dając równocześnie szansę na energetyczne zagospodarowanie odpadów i produktów ubocznych powstających w rolnictwie, a także zakładanie celowych plantacji roślin energetycznych. Nasadzenia roślin o dużym potencjale biomasy powstają w Polsce powoli, ponadto okres oczekiwania na uzyskanie pełnych plonów z plantacji wynosi 3-4 lata od założenia. Poszukiwane są więc surowce dostępne już teraz, które charakteryzują się cechami korzystnymi z punktu widzenia energetyki [1]. Ciągle jeszcze szeroko dostępnym produktem ubocznym jest słoma, jednak obserwowane jest zjawisko podejmowania konkurencji cenowej przez producentów granulatów (brykietów, peletów) ze słomy. Należy mieć na uwadze, że zasoby słomy są ograniczone, a ponadto powinna być ona w pierwszym rzędzie wykorzystana w rolnictwie (jako ściółka, pasza i nawóz organiczny). Otwarcie nowego rynku zbytu słomy może prowadzić do zaniechania jej przyorywania, a to z kolei wpłynie na zmniejszenie zawartości substancji organicznej w glebie. Alternatywnym rozwiązaniem jest poszukiwanie innych surowców odpadowych powstających w rolnictwie i przetwórstwie rolno-spożywczym. Niezbędne jest rozpoznanie parametrów energetycznych różnych produktów ubocznych. Cechy te to przede wszystkim ciepło 236 AUTOBUSY

2 spalania i wartość opałowa, uzależnione od zawartości wody w biomasie, a także zawartość węgla, chloru i siarki. Te ostatnie dwa pierwiastki wpływają negatywnie na trwałość urządzeń energetycznych, przyspieszając ich korozję. Wymienione powyżej parametry były badane w trzech produktach ubocznych powstających w przemyśle rolno-spożywczym: peletowanych wysłodkach z buraków cukrowych, łusce gryki i otrębach pszennych. Badania przeprowadzono w laboratorium Energa Kogeneracja w Elblągu, według metod akredytowanych w tej jednostce, zgodnych z normami. 1. WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ 1.1. Wysłodki buraczane Burak cukrowy był do niedawna jedną z najważniejszych roślin przemysłowych w Polsce. Pełnił też bardzo ważną rolę w utrzymaniu kultury rolnej, gdyż otwierał płodozmian i wymagał oprócz nawożenia obornikiem intensywnego odchwaszczania. Zmniejszenie powierzchni uprawy buraka w Polsce, spowodowane konkurencją ze strony cukru trzcinowego, stanowi stratę zarówno dla gospodarstw, które specjalizowały się w jego uprawie, jak i szerzej dla poziomu krajowego rolnictwa. Burak cukrowy i pastewny od kilku lat stanowi obiekt zainteresowania energetyki. Istnieją różne technologie konwersji energii zawartej w związkach chemicznych gromadzonych w tych roślinach na energię użytkową. Korzenie przydatne są do produkcji bioetanolu, korzenie i liście mogą być substratem do wytwarzania biometanu w technologii fermentacji beztlenowej, zaś pozostałości po produkcji cukru w postaci wysłodków mogą być spalane po wysuszeniu [2]. Wysłodki stanowiły cenny produkt paszowy, jednak w sytuacji spadku pogłowia zwierząt i malejącego zapotrzebowania na pasze obserwowany jest problem zagospodarowania nadwyżek wysłodków w niektórych cukrowniach. Racjonalnym rozwiązaniem wydaje się ich termiczna utylizacja i wykorzystanie energii w nich zawartej bądź to w kotłowniach cukrowni, bądź też przez zawodowych wytwórców energii. Zagęszczone do postaci granulatu (peletu), suche (o wilgotności tzw. powietrzno-suchej na poziomie 8,6%) wysłodki charakteryzują się zawartością węgla na poziomie 40,2% (tab. 1). Negatywną cechą tej biomasy jest wysoka zawartość popiołu (od 6,6% w stanie roboczym do 7,2% w stanie suchym), podczas gdy cecha ta kształtuje się u większości surowców biomasowych na poziomie 2-4% [3]. Stwierdzono również nieco wyższe, w porównaniu do innych rodzajów biomasy, zawartości pierwiastków niekorzystnych z energetycznego punktu widzenia, tj. siarki i chloru. Wartość energetyczna granulowanych wysłodków z buraków cukrowych okazała się porównywalna do innych rodzajów biomasy. Wartość opałowa w stanie absolutnie suchej masy wyniosła 15,56 MJ/kg, zaś ciepło spalania 16,83 MJ/kg. Obecność wody w wysłodkach powoduje obniżenie tych parametrów, co wyraża się poprzez niższe wyniki wartości opałowej i ciepła spalania biomasy w stanie roboczym i analitycznym (tab. 1). Badania Kubik i Żuchowskiego [4], przeprowadzone na dziewięciu próbach wysłodków peletowanych wykazały, że ciepło spalania tego surowca wahało się w granicach 15,21-16,05 MJ/kg przy wilgotności 9,2-13,2%. Ciepło spalania tych peletów w stanie absolutnie suchym wyniosło średnio 17,50 MJ/kg. W cytowanych badaniach stwierdzono, że granulacja wysłodków pozwala zmniejszyć różnice w wilgotności tego materiału, nie wpływa zaś na kaloryczność suchej masy surowca. AUTOBUSY 237

3 Tab. 1. y wysłodków buraczanych istotne dla energetycznego wykorzystania Wilgoć całkowita, W c [%] 8,6 8,0 - - Popiół, A [%] 6,6 6,6 7,2 - Substancja palna [%] 84,8 85,4 92,8 - Ciepło spalania, Q s [kj/kg] Wartość opałowa, Q i [kj/kg] Siarka całkowita, S t [%] 0,17 0,18 0,19 0,21 Chlor, Cl [%] 0,07 0,07 0,07 0,08 Węgiel, C [%] 40,2 40,5 44,0 47, Łuska gryki Gryka (Fagopyrum esculentum) należy do zbóż, mimo że jest rośliną dwuliścienną. Zaliczono ją do tej grupy ze względu na sposób uprawy i użytkowanie nasion. Owocem gryki jest trójgraniasty orzeszek, który po usunięciu okrywy owocowej przeznaczany jest do spożycia, jako kasza gryczana. W kaszarniach powstaje odpad, złożony z tychże okryw, nazywanych łuskami, które stanowią ok % masy całego orzeszka. Wprawdzie uprawa gryki w Polsce nie jest szczególnie powszechna, a spożycie kaszy gryczanej umiarkowane, jednak kaszarnie odnotowują problem z zagospodarowaniem odpadu w postaci łuski. Bywa ona wykorzystywana do wyrobu poduszek i materacy zapobiegających odleżynom, jednak najczęściej stanowi bezużyteczny odpad. W przeprowadzonych badaniach oceniono przydatność łuski do produkcji energii w procesie spalania. Tab. 2. y łuski gryczanej istotne dla energetycznego wykorzystania Wilgoć całkowita, W c [%] 17,1 13,1 - - Popiół, A [%] 2,6 2,7 3,1 - Substancja palna [%] 80,3 84,2 96,9 - Ciepło spalania, Q s [kj/kg] Wartość opałowa, Q i [kj/kg] Siarka całkowita, S t [%] 0,14 0,15 0,17 0,18 Chlor, Cl [%] 0,03 0,03 0,03 0,03 Węgiel, C [%] 41,3 43,3 49,8 51,4 Łuska gryki wykazała się niską zawartością popiołu i chloru (tab. 2). Odpad ten w stanie roboczym cechuje się wilgotnością na poziomie 17,1%, co pozwala wykorzystywać taką biomasę bezpośrednio do spalania lub przerobu do postaci granulatów. Na uwagę zasługuje wysoka wartość energetyczna wyrażona jako wartość opałowa lub ciepło spalania. Wartość opałowa suchej masy łuski wyniosła 18,45 MJ/kg, zaś jej ciepło spalania 19,78 MJ/kg, co jest wynikiem relatywnie wysokim dla biomasy. Obidziński [5] podaje, że wartość opałowa suchej masy łuski gryczanej wynosi 18,76 MJ/kg, zaś jej ciepło spalania 20,12 MJ/kg. Korzystne parametry energetyczne łuski z owoców gryki wskazują, że jest ona cennym surowcem do produkcji granulatów. Ponadto odpady te charakteryzuje się dużym wyrównaniem (łuski mają podobną wielkość, gdyż pochodzą z obłuszczenia trójgraniastych orzeszków), są jednorodne, co ułatwia ich zagęszczanie w granulatorach Otręby pszenne Odpad powstający podczas wyrobu mąki to otręby. W związku z wykorzystaniem w Polsce pszenicy i żyta jako zbóż chlebowych, również otręby dzielimy na pszenne i żytnie, zaś otręby owsiane, kukurydziane czy jęczmienne występują na rynku w mniejszych ilościach ze względu na odmienne przeznaczenie tych zbóż. Otręby wykorzystywane są na cele paszowe 238 AUTOBUSY

4 i spożywcze (jako dietetyczne, wypełniające układ pokarmowy, zmniejszające łaknienie). W przypadku korzystnych relacji cenowych mogą stać się także surowcem dla energetyki. Przeprowadzone badania pozwalają pozytywnie ocenić przydatność otrąb pszennych do spalania (tab. 3). y energetyczne tego surowca nie odbiegają znacząco od innych rodzajów biomasy; jedynie zawartość siarki całkowitej (0,20% w stanie roboczym i 0,23% w stanie suchym) jest wyższa w porównaniu z łuską gryki i wysłodkami, testowanymi w badaniach własnych, a także biomasą roślin energetycznych ocenianych w innych badaniach [3]. Tab. 3. y otrąb pszennych istotne dla energetycznego wykorzystania Wilgoć całkowita, W c [%] 12,9 10,6 - - Popiół, A [%] 3,7 3,8 4,3 - Substancja palna [%] 83,3 85,6 95,7 - Ciepło spalania, Q s [kj/kg] Wartość opałowa, Q i [kj/kg] Siarka całkowita, S t [%] 0,20 0,21 0,23 0,25 Chlor, Cl [%] 0,04 0,04 0,05 0,05 Węgiel, C [%] 40,3 41,4 46,3 48,4 PODSUMOWANIE Wzrost zapotrzebowania na biomasę rolniczą sprawia, że energetyka sięga po surowce z upraw celowych, a także produkty uboczne i odpady powstające w przemyśle rolnospożywczym. Są to często odpady o korzystnych parametrach, jednak jej pozyskanie może nastręczać problemy logistyczne. Biomasa odpadowa ma często charakter rozproszony, jest niejednorodna, wymaga wstępnego przerobu (najczęściej zagęszczenia) umożliwiającego jej transport na duże odległości. Granulacja biomasy jest procesem energochłonnym, jednak efekt ekonomiczny tej czynności najczęściej jest korzystny dla przedsiębiorstwa. Aby zwiększyć opłacalność produkcji granulatów należy poszukiwać surowców tanich, realnych do pozyskania możliwie jak najbliżej przedsiębiorstwa zajmującego się aglomeracją biomasy. Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, że odpady pochodzące z przetwórstwa płodów rolnych, takie jak granulowane wysłodki z buraków cukrowych, łuska powstająca przy wyrobie kaszy gryczanej oraz otręby zbożowe to wartościowe materiały energetyczne. Poszczególne cechy fizyko-chemiczne, ważne z punktu widzenia energetyki, nieznacznie się różnią. Najwięcej korzystnych cech wykazała łuska gryczana, jednak dostępność tego odpadu jest w Polsce niewielka. Badane surowce odpadowe mogą stanowić jednorodny materiał do produkcji granulatów, bądź mogą być mieszane z innymi substratami (np. słoma, siano) w celu poprawy jakości finalnego produktu, jakim jest granulat. Energetyczne wykorzystanie surowców o charakterze biomasy pozwala na zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery, otwiera nowe rynki zbytu dla rolników, przyczyniając się do ożywienia gospodarczego obszarów wiejskich. Rozpoczęcie działalności nastawionej na produkcję granulatów powinno być poprzedzone dokładnym rozpoznaniem dostępności różnych surowców celowych i odpadowych. Pozwoli to na zmniejszenie ryzyka niewłaściwej lokalizacji zakładu oraz na uniknięcie kosztownego transportu luźnej biomasy na miejsce jej dalszego przerobu lub utylizacji. AUTOBUSY 239

5 WASTE BIOMASS PARAMETERS IN TEMS OF ITS USEFULNESS FOR ENERGY SECTOR Abstract The characterization of three types of biomass from agricultural waste production raw material has been presented. The research subject was buckwheat husk (waste material from groats production), wheat bran (from wheat production) and sugar beet pulp from sugar factories. That type of biomass could be considered like a fuel in combustion process. Research conducted in specialized laboratory included energy parameters like: burning heat, calorific value, ash content and presents of chemical elements like carbon, sulphur and chlorine. Research proved high diversity of tested materials. Those raw materials could be granulated into briquettes or pellets in pure form of like a substrate to other raw materials like straw for instance. Praca przygotowana w ramach projektu Nauka <=> Biznes, współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach EFS, umowa nr 404/POKL /10-00 BIBLIOGRAFIA 1. Borycka B.: Wybrane energetyczne właściwości biomasy wytłokowej. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 2002, z Kowalczyk-Juśko A.: Alternatywne możliwości wykorzystania buraków na cele energetyczne. Biuletyn Informacyjny LIR 2006, nr Kowalczyk-Juśko A.: Charakterystyka biomasy wybranych roślin pod kątem jej przydatności do granulacji i spalania. [w:] Lisowski A. (red.): Konwersja odnawialnych źródeł energii. SGGW, Warszawa, Kubik B., Żuchowski J.: Badania wybranych właściwości wysłodków buraczanych jako paliwa alternatywnego. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 2002, z Obidziński S.: Ciepło spalania i wartość opałowa odpadowych surowców pochodzenia roślinnego. Inżynieria Rolnicza, 2002, nr 4(37). 6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. DzU 2008, nr 156, poz Recenzent: prof. dr hab. Janusz Mysłowski Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Autorzy: dr inż. Alina Kowalczyk-Juśko Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie mgr Sylwester Zywer Anzet-Trans sp. z o.o., Nowa Wieś 240 AUTOBUSY