Movement of Chemical Elements in Ash on the Example of a Process of Combustion Corn Straw Briquettes in a Low Power Boiler

• Autorzy: Kraszkiewicz Artur , Sobczak Paweł , Żukiewicz-Sobczak Wioletta , Niedziółka Ignacy , Zawiślak Kazimierz , Dula Małgorzata

Warianty tytułu

PL

Przemieszczanie się pierwiastków w popiele na przykładzie procesu spalania brykietów ze słomy kukurydzianej w kotle małej mocy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In Poland, the use of plant biomass for energy purposes is gaining importance. At the same time, the popularity of dendromass, despite changes in regulations increasing its supply for energy purposes, promotes an increased interest in a biomass of agricultural origin. This trend is associated not only with professional energy industry, but also depends on the increase in demand for different assortments of solid biofuels in single-family housing or municipal buildings, where coal boilers are replaced by modern heating devices powered by a biomass under the "anti-smog" program. Biomass combustion is treated as a process neutral to the environment through the prism of CO₂ emissions. However, under certain conditions, the combustion of biofuels in individual heating systems can cause serious risks on the local scale for the environment and human health. The aim of the study was to assess the migration of elements in the ash during the burning process of maize straw briquettes in the low power boiler in the aspect of their impact on the natural environment, taking into account the directions and potential for the potential management of ashes. In the test conditions, the fuel used in the form of briquettes from maize straw does not differ from other fuels of this type. The combustion criteria adopted during the tests, whose characteristic feature was the use of a grate combustion system with fuel ignition from below and distribution of air under the grate, at minimum content O₂, was acceptable in the scope of CO emissions for this type of boiler, falling into 3rd class according to the standard PN-EN 303-5: 2012. The burning of the gas components CO, NO and SO₂ is significantly affected by combustion technology, combustion conditions and nitrogen content in the fuel. Choosing to burn biofuels with the lowest nitrogen content should contribute to the reduction of NO emissions, which becomes another criterion for allowing heating devices to be marketed. Despite the varied chemical composition, the ashes analyzed in terms of the macro environment, microelements and heavy metals do not tend to exceed the limits set by the relevant standards. The experimental results indicate that in low-power boilers fed with briquettes of maize straw, the ash components move. Anomalies that appeared for Al, Fe, Sc are particularly important. This process is important from the point of view of environmental protection, boiler durability and the possibility of using furnace wastes. Low-power boilers, which do not have exhaust gas treatment installations in which biomass fuels are used, may be a source of harmful emissions.

PL

W Polsce wykorzystanie biomasy roślinnej na cele energetyczne zyskuje na znaczeniu. Jednocześnie popularność dendromasy, pomimo zmian w przepisach zwiększających jej podaż na cele energetyczne, sprzyja zwiększonemu zainteresowaniu biomasą pochodzenia rolniczego. Trend ten wiąże się nie tylko z energetyką zawodową, ale również koresponduje ze wzrostem zapotrzebowania na różne sortymenty biopaliw stałych w budownictwie jednorodzinnym lub komunalnym gdzie wymieniono kotły węglowe na nowoczesne urządzenia grzewcze zasilane biomasą na mocy programu „antysmogowego”. Spalanie biomasy, jest traktowane jako proces neutralny dla środowiska w kontekście emisji CO₂. Jednak w pewnych warunkach spalanie biopaliw w indywidualnych systemach grzewczych, może powodować poważne zagrożenie w skali lokalnej dla środowiska i zdrowia ludzi. Celem przeprowadzonych badań była ocena przemieszczania się pierwiastków w popiele podczas procesu spalania brykietów ze słomy kukurydzianej w kotle małej mocy w aspekcie ich wpływu na środowisko przyrodnicze uwzględniając tym samym kierunki i możliwości potencjalnego zagospodarowania popiołów. W warunkach badań wykorzystane paliwo w postaci brykietów ze słomy kukurydzianej nie odbiegało od innych paliw tego typu. Przyjęte podczas badań kryteria spalania, którego charakterystyczną cechą było wykorzystanie rusztowego systemu spalania z zapłonem paliwa od dołu i dystrybucją powietrza pod ruszt, przy minimalnej zawartości O₂, była akceptowalna w zakresie emisji CO dla tego typu kotła mieszcząc się w 3 klasie według normy PN-EN 303-5:2012. Na obciążenie środowiska składnikami gazowymi CO, NO i SO₂ wyraźny wpływ ma technologia spalania, warunki spalania i zawartość azotu w paliwie. Wybór biopaliw o jak najmniejszej zawartości azotu powinien przyczynić się do zmniejszenia emisji NO, która staje się kolejnym kryterium dopuszczającym urządzenia grzewcze do obrotu. Pomimo zróżnicowanego składu chemicznego analizowane popioły pod kątem obciążenia środowiska makro-, mikroelementami i metalami ciężkimi nie wykazują tendencji do przekroczenia wartości granicznych określonych odpowiednimi normami. Wyniki eksperymentalne wskazują, że w kotłach małej mocy zasilanych brykietami ze słomy kukurydzianej zachodzi przemieszczanie się składników popiołu. Szczególnie istotne są anomalie, które pojawiły się dla Al, Fe, Sc. Proces ten jest istotny z punktu widzenia ochrony środowiska, trwałości kotłów oraz możliwości wykorzystania odpadów paleniskowych. Kotły małej mocy, nieposiadające instalacji oczyszczania spalin w których stosuje się biopaliwa stałe mogą być źródłem emisji substancji szkodliwych.

Słowa kluczowe

EN

biomass combustion; emission; ash composition

PL

spalanie biomasy; emisja; skład popiołu

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: Tom 21, cz. 2
• Strony: 1294--1306
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Kraszkiewicz Artur

• University of Life Sciences in Lublin, Poland

autor

Sobczak Paweł

• University of Life Sciences in Lublin, Poland

autor

Żukiewicz-Sobczak Wioletta

• Pope John Paul II State School of Higher Education in Biala Podlaska, Poland

autor

Niedziółka Ignacy

• University of Life Sciences in Lublin, Poland

autor

Zawiślak Kazimierz

• University of Life Sciences in Lublin, Poland

autor

Dula Małgorzata

• University of Life Sciences in Lublin, Poland

Bibliografia

• 1. Ahmaruzzaman, M. (2010). A review on the utilization of fly ash. Prog. Energ Combust. 36, 327-363.
• 2. Commission Regulation (EU) 2015/1189 of 28 April 2015 on the implementation of Directive 2009/125 / EC of the European Parliament and of the Council with regard to the ecodesign requirements for solid fuel boilers.
• 3. Demirbas, A. (2004). Combustion characteristics of different biomass fuels. Prog. Energy Combust Sci., 30(2), 219-230.
• 4. Dong, Y., Hampshire, S., Zhou, J., Lin, B., Ji, Z., Zhang, X., & Meng, G. (2010). Recycling of fly ash for preparing porous mullite membrane supports with titania addition. J. Hazard. Mater. 180, 173-180.
• 5. Eisenbies, M.H., Volk, T.A., Patel, A. (2016). Changes in feedstock quality in willow chip piles created in winter from a commercial scale harvest. Biomass and Bioenergy, 86, 180-190.
• 6. Graham, S., Ogunfayo, I., Hall, M.R., Snape, C., Quick, W., Weatherstone, S., & Eastwick, C. (2016). Changes in mechanical properties of wood pellets during artificial degradation in a laboratory environment. Fuel Processing Technology, 148, 395-402.
• 7. Grzybek, A. (2004). Biomasa jako źródło energii. W: Wierzba energetyczna – uprawa i technologie przetwarzania (red. A. Grzybek). Bytom, Wyd. WSEiA, 10-19.
• 8. Jenkins, B.M., Baxter, L.L., Miles Jr., T.R., & Miles, T.R. (1998). Combustion properties of biomass. Fuel Processing Technology, 54, 17-46.
• 9. Jewiarz, M., & Kubica, K. (2012). Technologie spalania słomy. W: Słoma ˗ wykorzystanie w energetyce cieplnej (red. A. Grzybek). Falenty, ITP.
• 10. Johnson, A., Catalan, L.J.J., & Kinrade, S.D. (2010). Characterization and evaluation of fly-ash from co-combustion of lignite and wood pellets for use as cement admixture. Fuel, 89, 3042-3050.
• 11. Juszczak, M. (2014). Concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides from a 25 kW boiler supplied periodically. Chem. Process Eng., 35(2): 163-172.
• 12. Kabala, C., Karczewska, A., & Kozak, M. (2010). Przydatność roślin energetycznych do rekultywacji i zagospodarowania gleb zdegradowanych. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Rolnictwo, 96, 97-117.
• 13. Kalembasa, D. (2006). Ilość i skład chemiczny popiołu z biomasy roślin energetycznych. Acta Agrophysica, 7(4), 909-914.
• 14. Kamińska, J. (2018). Czy branża kotlarska jest gotowa na walkę ze smogiem? Biomasa 10(50), 18-21.
• 15. Karcz, H., Kantorek, M., Grabowicz, M., Wierzbicki, K. (2013). Możliwość wykorzystania słomy jako źródła paliwowego w kotłach energetycznych. Piece przemysłowe i kotły XI-XII, 8-15.
• 16. Konieczyński, J., Komosiński, B., Cieślik, E., Konieczny T., Mathews, B., Rachwał, T., & Rzońca, G. (2017). Research into properties of dust from domesticcentral heating boiler fi red with coal and solid biofuels. Archives of Environmental Protection, 43(2), 20-27.
• 17. Kordylewski, W. (2008). Spalanie i paliwa. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.
• 18. Kowalczyk-Jusko, A. (2017). The Influence of the Ash from the Biomass on the Power Boiler Pollution. J. Ecol. Eng., 18(6), 200-204.
• 19. Kraszkiewicz, A., Kachel-Jakubowska, M., & Niedziółka, I. (2017). The chemical composition of ash from the plant biomass in terms of indicators to assess slagging and pollution of surface heating equipment. Fresenius Environ. Bull. 26(11), 6383-6389.
• 20. Krzyżaniak, M., Stolarski, M.J., Szczukowski, S., & Tworkowski, J. (2014). Thermophysical and chemical properties of biomass obtained from willow coppice cultivated in one- and three-year rotation cycles. J. Elem., 1, 161-175.
• 21. Kubica, K., Kubica, R., Mokrosz, W., & Szlęk, A. (2012). Założenia do standaryzacji parametrów jakościowych słomy i technologii spalania w kotłach rusztowych. W: Słoma – wykorzystanie w energetyce cieplnej. (red. Grzybek A.). Falenty, ITP.
• 22. Li, J., Paul, M.C., Younger, P. L., Watson, I., Hossain, M., & Welch, S. (2015). Characterization of biomass combustion at high temperatures based on an upgraded single particle model. Applied Energy, 156, 749-755.
• 23. Liu, H., Chaney, J., Li, J., & Sun, Ch. (2013). Control of NOx emissions of a domestic/ small-scale biomass pellet boiler by air staging. Fuel, 103, 792-798.
• 24. Meij, R., & Winkel H. (2007). The emissions of heavy metals and persistent organic pollutants from modern coal-fired power stations. Atmospheric Environment, 41, 9262- 9272.
• 25. Niedziółka, I., Zuchniarz, A. (2006). Analiza energetyczna wybranych rodzajów biomasy pochodzenia roślinnego. Motrol. 8A, 232-237.
• 26. Obernberger, I., Brunner, T., & Bärnthaler, G. (2006). Chemical properties of solid biofuels – significance and impact. Biomass Bioenergy, 30, 973-982.
• 27. Onisei, S., Pontikes, Y., Van Gerven, T., Angelopoulos G.N., Velea, T., Predica, V., & Moldovan, P. (2012). Synthesis of inorganic polymers using fly ash and primary lead slag. J. Hazard. Mater. 205, 101-110.
• 28. Ozgen, S., Caserini, S., Galante, S., Giugliano, M., Angelino, E., Marongiu, A., & Morreale, C. (2014). Emission factors from small scale appliances burningwood and pellets. Atmospheric Environment, 94, 144-153.
• 29. Pandey, V.C., & Singh, N. (2010). Impact of fly ash incorporation in soil systems. Agr. Ecosystems Environ. 136, 16-27.
• 30. Pandey, V.C., Abhilash, P.C, & Singh N. (2009). The Indian perspective of utilizing fly ash in phytoremediation, phytomanagement and biomass production. J. Environ. Manage. 90, 2943-2958.
• 31. PN-EN 18122:2016 Biopaliwa stałe – Oznaczanie zawartości popiołu.
• 32. PN-EN 18125:2017 Biopaliwa stałe – Oznaczanie wartości opałowej.
• 33. PN-EN 18134-3:2015 Biopaliwa stałe – Oznaczanie zawartości wilgoci – Metoda suszarkowa– Część 3: Wilgoć w próbce do analizy ogólnej
• 34. PN-EN 303-5:2012 Kotły grzewcze – Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW – Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
• 35. Ram, L.C., & Masto, R.E. (2010). An appraisal of the potential use of fly ash for reclaiming coal mine spoil. J. Environ. Manage. 91, 603-617.
• 36. Reijnders, L. (2005). Disposal, uses and treatments of combustion ashes: a review. Resour. Conserv. Recy. 43, 313-336.
• 37. Reijnders, L. (2007). Cleaner phosphogypsum, coal combustion ashes and waste incineration ashes for application in building materials: A review. Build. Environ. 42, 1036-1042.
• 38. Róg, L. (2011). Wpływ czynników, wynikających z jakości paliwa, na proces spalania w kotłach energetycznych. dostęp 27.04.2016r.: http://www.nettg.pl/news/19093/ wplyw-czynnikow-wynikajacych-z-jakosci-paliwa-na-proces-spalania-w-kotlachenergetycznych
• 39. Rybak, W. (2006). Spalanie i współspalanie biopaliw stałych. Wrocław, Wyd. Politechniki Wrocławskiej.
• 40. Shao, Y., Wang, J., Preto, F., Zhu, J., & Xu, Ch. (2012). Ash Deposition in Biomass Combustion or Co-Firing for Power/Heat Generation. Energies, 5, 5171-5189.
• 41. Syc, M., Pohorely, M., Kamenikova, P., Habart, J., Svoboda, K., & Puncochar, M. (2012). Willow trees from heavy metals phytoextraction as energy crops, Biomass Bioenerg. 37, 106-113.
• 42. Szyszlak-Bargłowicz, J., & Zając, G. (2015). Rozdział metali ciężkich pomiędzy strumienie odpadów podczas spalania biomasy ślazowca pensylwańskiego. Przemysł chemiczny. 94(10), 1723-1727.
• 43. Szyszlak-Bargłowicz, J., Piekarski, W., & Krzaczek, P. (2006). Spalanie słomy jednym z kierunków jej wykorzystania. Energetyka. Zeszyt tematyczny IX, 53-57.
• 44. Szyszlak-Bargłowicz, J., Zając, G., & Słowik, T. (2017). Badanie emisji wybranych zanieczyszczeń gazowych podczas spalania peletów z agro biomasy w kotle małej mocy. Rocznik Ochrona Środowiska, 19, 715-730.
• 45. Uliasz-Bocheńczyk, A., & Mokrzycki, E. (2012). The elemental composition of biomass ashes as a preliminary assessment of the recovery potential. Gospodarka SurowcamiMineralnymi – Mineral Resources Management, 34(4), 115-132.
• 46. Van Loo, S., & Koppejan, J. (2008). Handbook of biomass combustion and co-firing. IEA Bioenergy Task, 32, 266-272.
• 47. Villeneuve, J., Palacios, J.H., Savoie, P., & Godbout, S. (2012). A critical review of emission standards and regulations regarding biomass combustion in small scale units (<3 MW). Bioresour Technol., 111, 1-11.
• 48. Wang, Z.J., & Pei, D. (2011). Physical properties of pellets made from sorghum stalk, corn stover, wheat straw, and big bluestem. Industrial Crops and Products, 33, 325-332.
• 49. Wąsowicz, R. (2018). Biomasa leśna – jak przekuć popyt na sukces całej branży? Biomasa, 7(47), 20-26.
• 50. Zajac, G., Szyszlak-Barglowicz, J., Slowik, T., Wasilewski, J., & Kuranc, A. (2017). Emission characteristics of biomass combustion in a domestic heating boiler fed with wood and Virginia Mallow pellets. Fresenius Environmental Bulletin, 26(7), 4663-4670.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).