Poprawa parametrów ekologicznych paliw opałowych pochodzących z upraw rolnych

• Autorzy: Żak Grażyna , Wojtasik Michał , Markowski Jarosław , Wojtowicz Robert , Rataj Mateusz , Kwilosz Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.12.05

Warianty tytułu

EN

Improving the environmental performance of heating fuels from agricultural crops

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wykonane badania zostały ukierunkowane na poprawę parametrów ekologicznych paliw opałowych wytworzonych z komponentów pochodzących z upraw rolnych. Dotyczyły przede wszystkim: oceny wpływu różnych innych niż biomasa leśna komponentów paliw biomasowych na wielkość emisji toksycznych składników spalin powstających w trakcie spalania, poprawy parametrów ekologicznych paliw biomasowych poprzez wykorzystanie mieszanin komponentów „agro” z mniej problematycznym komponentem pochodzenia leśnego oraz poprawy procesu spalania poprzez zastosowanie modyfikatora procesu spalania. Jako komponenty paliw z biomasy wykorzystano pozostałości roślin uprawnych (słomę pszenżyta, łuski słonecznika), roślinę z upraw energetycznych (miskant) oraz biomasę pochodzenia leśnego w postaci pozostałości z przemysłu meblarskiego (trociny). Testy spalania próbek peletów przeprowadzono w piecu kominkowym na pelet model AirPell 8, o nominalnej mocy cieplnej 8 kW. Wykonano pomiary zawartości w spalinach: CO, NOx oraz OGC. Spaliny przeznaczone do analizy zawartości substancji szkodliwych pobierano z króćców zamontowanych w odcinku pomiarowym łączącym ogrzewacz z przewodem kominowym. Skład spalin analizowano z wykorzystaniem analizatorów gazu: model MRU ECU 3000 oraz model Thermo-FID TG. Paliwa biomasowe otrzymane wyłącznie ze składników pochodzących z upraw rolnych charakteryzowały się znacznie wyższymi poziomami emisji CO i OGC niż paliwo z biomasy leśnej. Poprawa parametrów ekologicznych paliw z biomasy poprzez zastosowanie komponentu pochodzenia leśnego okazała się skuteczna w przypadku słomy i łuski słonecznika i dotyczyła obniżenia średniej emisji CO i OGC. Wprowadzenie do składu paliwa trocin w przypadku miskantu wpłynęło jednak negatywnie na stabilność procesu spalania oraz w niewielkim stopniu poprawiło stabilność procesu spalania paliwa z łuskami słonecznika. Zastosowanie modyfikatora spalania wpłynęło pozytywnie na wielkość emisji CO i OGC mieszanek paliw zawierających miskant i łuskę słonecznika. Modyfikator stabilizował również przebieg procesu spalania mieszanek z tymi komponentami. W przypadku wartości emisji NOx nie zaobserwowano jednoznacznego wpływu na ten parametr ani w przypadku wprowadzenia do składu paliw biomasy leśnej, ani modyfikatora spalania.

EN

The research was aimed at improving the environmental performance of heating fuels made from components from agricultural crops and mainly concerned of the impact of biomass fuel other than forest biomass on the emission of toxic flue gas components formed during combustion, improvement of the environmental performance of biomass fuels by using mixtures of "agro" components with a less problematic component of forest origin and improving the combustion process by using a combustion process modifier. Crop residues (wheat straw, sunflower husks), energy crop residues (miscanthus) and forest biomass (sawdust from a furniture industry) were used as biomass fuel components. Combustion tests of pellets were carried out in Defro Airpell 8 furnace with a nominal thermal power of 8 kW. CO, NOx and OGC were measured in the exhaust gases. The flue gases for the analysis were collected from connectors mounted in a measuring section connecting the heater with the chimney. The composition of the exhaust gas was tested using gas analyzers: MRU ECU 3000 and ThermoFID TG. Biomass fuels derived solely from agricultural crops residues were characterized by significantly higher levels of CO and OGC emissions compared to forest biomass fuel. An effective improvement in the environmental performance of those fuels by using the forest biomass was obtained in the case of straw and sunflower husks and concerned a reduction of average CO and OGC emission. An addition of sawdust to miscanthus had a negative impact on the combustion process stability and had a slightly positive impact on the stability of the sunflower husks combustion process. The use of the combustion modifier had a positive impact on the emission of CO and OGC of fuels containing miscanthus and sunflower husks. The modifier also stabilized the combustion process of those fuels. In the case of NOx emission, the addition of forest biomass or of the combustion modifier had no clear impact on this parameter.

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 12
• Strony: 821--829
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz.

Twórcy

autor

Żak Grażyna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Wojtasik Michał

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Markowski Jarosław

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Wojtowicz Robert

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Rataj Mateusz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kwilosz Tadeusz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Becidan M., Todorovic D., Skreiberg Ø., Khalil R.A., Backman R., Goile F., 2012. Ash related behaviour in staged and non-staged combustion of biomass fuels and fuel mixtures. Biomass Bioenergy, 41: 86–93. DOI: 10.1016/j.biombioe.2012.02.005.
• Brunner T., Obernberger I., Scharler R., 2009. Primary measures for low-emission residential wood combustion – comparison of old with optimised modern systems. Proceedings of the 17th European Biomass Conference & Exhibition: 1–10.
• Carroll J.P., Finnan J.M., 2015. The use of additives and fuel blending to reduce emissions from the combustion of agricultural fuels in small scale boilers. Biosyst. Eng., 129: 127–133. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2014.10.001.
• Daood S.S., Yelland T.S., Nimmo W., 2017. Selective non-catalytic reduction – Fe-based additive hybrid technology. Fuel, 208: 353–362. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.07.019.
• Fagerström J., Näzelius I.-L., Gilbe C., Boström D., Öhman M., Boman C., 2014. Influence of peat ash composition on particle emissions and slag formation in biomass grate co-combustion. Energy Fuels, 28: 3403–2411. DOI: 10.1021/ef4023543.
• Fournel S., Palacios J.H., Godbout S., Heitz M., 2015. Effect of additives and fuel blending on emissions and ash-related problems from small-scale combustion of reed canary grass. Agriculture, 5: 561–576. DOI: 10.3390/agriculture5030561.
• Gil M.V., Oulego P., Casal M.D., Pevida C., Pis J.J., Rubiera F., 2010. Mechanical durability and combustion characteristics of pellets from biomass blends. Bioresour. Technol., 101: 8859–8867. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.06.062.
• Glarborg P., 2007. Hidden interactions – trace species governing combustion and emissions. Proc. Combust. Inst., 31: 77–98. DOI: 10.1016/j.proci.2006.08.119.
• Khan A.A., de Jong W., Jansens P.J., Spliethoff H., 2009. Biomass combustion in fluidized bed boilers: Potential problems and remedies. Fuel Process. Technol., 90: 21–50. DOI: 10.1016/j.fuproc.2008.07.012.
• Kortelainen M., Jokiniemi J., Nuutinen I., Torvela T., Lamberg H., Karhunen T., 2015. Ash behaviour and emission formation in a small-scale reciprocating-grate combustion reactor operated with wood chips, reed canary grass and barley straw. Fuel, 143: 80–88. DOI: 10.1016/j.fuel.2014.11.006.
• Lajili M., Limousy L., Jeguirim M., 2014. Physico-chemical properties and thermal degradation characteristics of agropellets from olive mill by-products/sawdust blends. Fuel Process. Technol., 126: 215–221. DOI: 10.1016/j.fuproc.2014.05.007.
• Lewandowski W.M., Ryms M., Meler P., 2010. Termiczno-chemiczna piroliza do biopaliw ciekłych i gazowych, jako metoda podnoszenia sprawności konwersji energii biomasy. Nafta-Gaz, 8: 675–680.
• Mladenović M., Paprika M., Marinković A., 2018. Denitrification techniques for biomass combustion. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82: 3350–3364. DOI: 10.1016/j.rser.2017.10.054.
• Nussbaumer T., 2003. Combustion and co-combustion of biomass: Fundamentals, technologies, and primary measures for emission reduction. Energy Fuels, 17: 1510–1521. DOI: 10.1021/ef030031q.
• Obernberger I., Brunner T., Bärnthaler G., 2006. Chemical properties of solid biofuels – significance and impact. Biomass Bioenergy, 30: 973–982. DOI: 10.1016/j.biombioe.2006.06.011.
• Obernberger I., Brunner T., Mandl C., Kerschbaum M., Svetlik T., 2017. Strategies and technologies towards zero emission biomass combustion by primary measures. Energy Procedia, 120: 681–688. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.07.184.
• Pajdak B., Walawska A., 2016. Zastosowanie modyfikowanych sorbentów sodowych w oczyszczaniu spalin z SO2 i HCl z elektrowni i elektrociepłowni w świetle polityki energetycznej Unii Europejskiej. Polityka Energ., 19(2): 135–148.
• Rebbling A., Sundberg P., Fagerström J., Carlborg M., Tullin C., Boström D., Öhman M., Boman C., Skoglund N., 2020. Demonstrating Fuel Design To Reduce Particulate Emissions and Control Slagging in Industrial-Scale Grate Combustion of Woody Biomass. Energy Fuels, 34:2574–2583. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b03935.
• Ren Q., Zhao C., Duan L., Chen X., 2011. NO formation during agricultural straw combustion. Bioresour. Technol., 102: 7211–7217. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.04.090.
• Rogowska D., 2021. Wytyczne do modelowania emisji GHG w cyklu życia komponentów paliw z pirolizy biomasy. Nafta-Gaz, 8: 561–567. DOI: 10.18668/NG2021.08.07.
• Rokni E., Chi H.H., Levendis Y.A., 2017. In-Furnace Sulfur Capture by Cofiring Coal with Alkali-Based Sorbents. J. Energy Resour. Technol. Trans., 139(4): 042204. DOI: 10.1115/1.4035752.
• Scharler R., Benesch C., Schulze K., Obernberger I., 2011. CFD simulations as efficient tool for the development and optimization of small-scale biomass furnaces and stoves. 19th European Biomass Conference and Exhibition: 4–12.
• Sharif H.M.A., Mahmood N., Wang S., Hussain I., Hou Y., Yang L., Zhao X., Yang B., 2021. Recent advances in hybrid wet scrubbing techniques for NOx and SO2 removal: State of the art and future research. Chemosphere, 273: 129695. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.129695.
• Skreiberg A., Skreiberg Ø., Sandquist J., Sørum L., 2011. TGA and macro-TGA characterisation of biomass fuels and fuel mixtures. Fuel, 90: 2182–2197. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.02.012.
• Vassilev S.V., Baxter D., Vassileva C.G., 2013. An overview of the behaviour of biomass during combustion: Part I. Phase-mineral transformations of organic and inorganic matter. Fuel, 112: 391–449. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.05.043.
• Vassilev S.V., Baxter D., Vassileva C.G., 2014. An overview of the behaviour of biomass during combustion: Part II. Ash fusion and ash formation mechanisms of biomass types. Fuel, 117 (Part A): 152–183. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.09.024.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN EN 14785:2009 Ogrzewacze pomieszczeń opalane peletami –Wymagania i metody badań.
• 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.
• CEN/TS 15414-1:2010 Solid recovered fuels – Determination of moisture content using the oven dry method – Part 1: Determination of total moisture by a reference method.
• PN-EN 15403:2011 Stałe paliwa wtórne – Oznaczanie zawartości popiołu.
• PN-EN 15408:2011 Stałe paliwa wtórne – Metody oznaczania zawartości siarki (S), chloru (Cl), fluoru (F) i bromu (Br).
• PN-EN 15400:2011 Stałe paliwa wtórne – Oznaczanie wartości opałowej.
• PN-EN 15407:2011 Stałe paliwa wtórne – Metody oznaczania zawartości węgla (C), wodoru (H) i azotu (N).
• PN-EN 15402:2011 Stałe paliwa wtórne – Oznaczanie zawartości części lotnych.
• PN-EN 14785:2009 Ogrzewacze pomieszczeń opalane peletami – Wymagania i metody badań.
• Rozporządzenia Komisji (UE) 2015/1185 z dnia 24 kwietnia 2015 roku w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).