Comparison and Assessment of Emission Factors for Toxic Exhaust Components During Combustion of Biomass Fuels

• Autorzy: Zając Grzegorz , Szyszlak-Bargłowicz Joanna , Słowik Tomasz

Warianty tytułu

PL

Porównanie i ocena wskaźników emisji toksycznych składników spalin podczas spalania paliw biomasowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The assessment of environmental benefits resulting from biomass burning is a complex issue. The most reliable is when there is the possibility of empirical emission assessment using various fuels in energy installations. If no specific emission data is available, it should be estimated using appropriate indicators. There is still considerable uncertainty in the assessment of the impact of pollutant emissions accompanying the combustion of biomass on air quality on a local scale. This is caused not only by the lack of data on the amount of biomass burned but also by the lack of emission factors that would characterize real combustion. In this context, it is extremely important to expand knowledge about environmental aspects resulting from the use of energy biomass. The aim of the work was to compare and assess emission factors of toxic exhaust components obtained on the basis of direct measurements and indicators estimated using the index method, calculated on the basis of appropriate fixed-point indicators available in the literature. The work uses a commercially available automatic pellet boiler with a capacity of 10 kW. Combustion tests were carried out for five different materials, including wood pellets, energy plant pellets and agricultural waste. The emission factors were determined for CO, NO_x and SO₂ with reference to the unit of mass of fuel and calorific value of fuel. The CO, NO_x, SO₂ emission indices determined using the index method were burdened with a large error. In the case of CO and NO_xemission indicators, this resulted from the course of the combustion process, which for the biofuels tested did not always run equally smoothly and without problems, which affected the obtained boiler power. During the conducted combustion tests, when the boiler reached its rated power and maximum load, the CO emission indices determined using the index method were much higher than those determined empirically. On the other hand, NO_x emission factors determined using the index method were lower than those determined empirically. It follows that setting emission indicators using biomass fuels may be subject to a very large error and not to inform about the actual emissions from low-capacity boilers installed in individual households. Because the combustion process is very sensitive to the conditions in which it occurs, and their slight change may cause major changes in emission factors, it can not be considered that the emission factors obtained in the conducted research can be an undisputable source of information about emissions from this type of installations. Further emission tests are required, taking into account different types of equipment, a wide range of their models and technologies as well as various biomass fuels. The results of this research will allow the development of more accurate drift rates for biomass fuels and for more precise estimation of emission factors.

PL

Ocena korzyści środowiskowych, wynikających ze spalania biomasy, jest zagadnieniem złożonym. Najbardziej wiarygodna jest wówczas, gdy istnieje możliwość empirycznej oceny emisji z wykorzystaniem różnych paliw w instalacjach energetycznych. Jeżeli brak jest konkretnych danych o emisji, należy ją oszacować, wykorzystując odpowiednie wskaźniki. Wciąż istnieje znaczna niepewność oceny wpływu emisji zanieczyszczeń towarzyszących spalaniu biomasy na jakość powietrza w skali lokalnej. Spowodowane jest to nie tylko brakiem danych dotyczących ilości spalanej biomasy ale również brakiem współczynników emisji, które charakteryzowałyby spalanie rzeczywiste. W tym kontekście niezwykle istotne jest poszerzanie wiedzy dotyczącej aspektów środowiskowych wynikających z wykorzystania energetycznego biomasy. Celem pracy było porównanie i ocena wskaźników emisji toksycznych składników spalin, uzyskanych na podstawie pomiarów bezpośrednich oraz wskaźników oszacowanych za pomocą metody wskaźnikowej, obliczonych na podstawie odpowiednich, dostępnych w literaturze wskaźników unosu. W pracy wykorzystano dostępny komercyjnie, automatyczny kocioł na pelety o mocy 10 kW. Testy spalania przeprowadzono dla pięciu różnych materiałów, w tym peletów drzewnych, peletu z roślin energetycznych i odpadów rolniczych. Wskaźniki emisji wyznaczono dla CO, NO_x SO₂ SO₂ w odniesieniu do jednostki masy paliwa i wartości opałowej paliwa. Wskaźniki emisji CO, NO_x, SO₂ wyznaczone metodą wskaźnikową były obciążone dużym błędem. W przypadku wskaźników emisji CO NO_x wynikało to z przebiegu procesu spalania, który dla badanych biopaliw nie zawsze przebiegał jednakowo sprawnie i bezproblemowo, co wpływało na uzyskiwaną moc kotła. Podczas prowadzonych testów spalania, kiedy kocioł osiągał moc znamionową i maksymalne obciążenie, wskaźniki emisji CO wyznaczone metodą wskaźnikową były o wiele wyższe od wyznaczonych empirycznie. Natomiast wskaźniki emisji NO_xwyznaczone metodą wskaźnikową były niższe niż wyznaczone empirycznie. Wynika stąd, że wyznaczanie wskaźników emisji metodą wskaźnikową dla paliw biomasowych może być obarczone bardzo dużym błędem i nie informować o rzeczywistej emisji z kotłów małej mocy zainstalowanych w indywidualnych gospodarstwach domowych. Ponieważ proces spalania jest bardzo wrażliwy na warunki w jakich zachodzi, a niewielka ich zmiana może spowodować duże zmiany wskaźników emisji, nie można uznać, że wskaźniki emisji uzyskane w przeprowadzonych badaniach mogą stanowić bezdyskusyjne źródło informacji o emisjach z instalacji tego typu. Niezbędne są dalsze badania emisji z uwzględnieniem różnych typów urządzeń, szerokiej gamy ich modeli i technologii oraz różnych paliw biomasowych. Wyniki tych badań pozwolą na opracowanie dokładniejszych wskaźników unosu dla paliw biomasowych oraz na precyzyjniejsze szacowanie wskaźników emisji.

Słowa kluczowe

EN

pellets; biomass combustion; small scale boilers; emission factor

PL

pelety; spalanie biomasy; kotły małej mocy; wskaźniki emisji

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: Tom 21, cz. 1
• Strony: 378--394
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., tab.

Twórcy

autor

Zając Grzegorz

• University Life Sciences of Lublin, Poland

autor

Szyszlak-Bargłowicz Joanna

• University Life Sciences of Lublin, Poland

autor

Słowik Tomasz

• University Life Sciences of Lublin, Poland

Bibliografia

• 1. Boman, C., Pettersson, E., Westerholm, R., Boström, D., Nordin, A. (2011). Stove performance and emission characteristics in residential wood log and pellet combustion, part 1: pellet stoves. Energy & Fuels, 25(1), 307-314.
• 2. Borycka, B. (2008). Towaroznawcze studium nad żywnościową i energetyczną użytecznością bogatobłonnikowych odpadów przemysłu owocowo-warzywnego. Wyd. Polit. Radomskiej, Radom.
• 3. Borycka, B. (2009). Walory ekologiczne spalania biomasy z odpadów owocowo-warzywnych. Energetyka, 12, 847-851.
• 4. Carvalho, L., Wopienka, E., Pointner, C., Lundgren, J., Verma, V. K., Haslinger, W., Schmidl, C. (2013). Performance of a pellet boiler fired with agricultural fuels. Applied Energy, 104, 286-296.
• 5. Chen, Y., Bond, T. C. (2010). Light absorption by organic carbon from wood combustion. Atmospheric Chemistry and Physics, 10(4), 1773-1787.
• 6. Dołżyńska, M., Obidziński, S. (2017). Wpływ dodatku zużytego oleju spożywczego na efekty spalania osadów ściekowych. Przemysł Chemiczny, 96(9), 1848-1851.
• 7. Evtyugina, M., Alves, C., Calvo, A., Nunes, T., Tarelho, L., Duarte, M., Prozil, S.O., Evtuguin, D.V., Pio, C. (2014). VOC emissions from residential combustion of Southern and mid-European woods. Atmospheric environment, 83, 90-98.
• 8. Garcia-Maraver, A., Rodriguez, M. L., Serrano-Bernardo, F., Diaz, L. F., Zamorano, M. (2015). Factors affecting the quality of pellets made from residual biomass of olive trees. Fuel Processing Technology, 129, 1-7.
• 9. Gonçalves, C., Alves, C., Pio, C. (2012). Inventory of fine particulate organic compound emissions from residential wood combustion in Portugal. Atmospheric Environment, 50, 297-306.
• 10. Grudziński, Z., Stala-Szlugaj, K. (2016). Koszty środowiskowe a użytkowanie węgla kamiennego w obiektach o mocy do 50 MW. Rocznik Ochrona Środowiska, 18(1), 579-596.
• 11. Hrdlička, J., Skopec, P., Dlouhý, T., Hrdlička, F. (2016). Emission factors of gaseous pollutants from small scale combustion of biofuels. Fuel, 165, 68-74.
• 12. IPCC/OECD. (1995). Greenhouse Gas Inventory Relerence Manual. IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventorries. Vol. 1.2 and 3. Bracknell, UK.
• 13. Janka, R. (2014). Zanieczyszczenia pyłowe i gazowe. Podstawy obliczania i sterowania poziomem emisji. WNT, Warszawa.
• 14. Johansson, L. S., Leckner, B., Gustavsson, L., Cooper, D., Tullin, C., Potter, A. (2004). Emission characteristics of modern and old-type residential boilers fired with wood logs and wood pellets. Atmospheric Environment, 38(25), 4183-4195.
• 15. Juszczak, M. (2012). Pollutant concentrations from a 15 kW heating boiler supplied with sunflower husk pellets. Environment Protection Engineering, 38(1), 35-43.
• 16. Kowalczyk-Juśko, A. (2010). Redukcja emisji zanieczyszczeń dzięki zastąpieniu węgla biomasą spartiny preriowej. Problemy Inżynierii Rolniczej, 18(4), 69-77.
• 17. Lasek, J. A., Matuszek, K., Hrycko, P., Piechaczek, M. (2018). Adaptation of hard coal with high sinterability for solid fuel boilers in residential heating systems. Fuel, 215, 239-248.
• 18. Lewtas, J. (2007). Air pollution combustion emissions: Characterization of causative agents and mechanisms associated with cancer, reproductive, and cardiovascular effects. Mutation Research/Reviews in Mutation Research, 636(1), 95-133.
• 19. Lighty, J. S., Veranth, J. M., Sarofim, A. F. (2000). Combustion Aerosols: Factors Governing Their Size and Composition and Implications to Human Health. Journal of the Air & Waste Management Association, 50(9), 1565-1618.
• 20. Maj, G. (2015). Diversification and Environmental Impact Assessment of Plant Biomass Energy Use. Polish Journal of Environmental Studies, 24(5), 2055-2061.
• 21. Maj, G. (2017). Analysis of energy properties and emissions factors of selected plant biomass and peat. W IX International Scientific Symposium Farm machinery and processes management in sustainable agriculture : Symposium Proceedings (ss. 222- 227). (Red.) E. Lorencowicz, J. Uziak, B. Huyghebaert, Lublin.
• 22. Niemczewska, J. (2017). Określanie wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza towarzyszących eksploatacji złóż ropy naftowej i gazu ziemnego metodą wskaźnikową. Nafta-Gaz, 73(4), 287-292.
• 23. Pastorello, C., Caserini, S., Galante, S., Dilara, P., Galletti, F. (2011). Importance of activity data for improving the residential wood combustion emission inventory at regional level. Atmospheric Environment, 45(17), 2869-2876.
• 24. Paulrud, S., Kindbom, K., Gustafsson, T. (2010). Emission factors and emissions from residential biomass combustion in Sweden; 34. Swedish Meteorological and Hydrological Institute: Norrköping.
• 25. PN-EN 14778: 2011. Biopaliwa stałe - Pobieranie próbek.
• 26. PN-EN ISO 18122: 2016. Biopaliwa stałe -Oznaczanie zawartości popiołu.
• 27. PN-EN ISO 18123: 2016. Biopaliwa stałe - Oznaczanie zawartości części lotnych.
• 28. PN-EN ISO 18134-3: 2015. Biopaliwa stałe - Oznaczanie zawartości wilgoci – Metoda suszarkowa - Część 3: Wilgoć w próbce do analizy ogólnej.
• 29. PN-ISO 1928: 2002. Paliwa stałe - Oznaczanie ciepła spalania metodą spalania w bombie kalorymetrycznej i obliczanie wartości opałowej.
• 30. Radović, U. (1997). Zanieczyszczenie atmosfery: źródła oraz metodyka szacowania wielkości emisji zanieczyszczeń. CIE. ZE, Warszawa.
• 31. Stolarski, M. J., Krzyżaniak, M., Warmiński, K., Tworkowski, J., Szczukowski, S. (2015). Willow Biomass Energy Generation Efficiency and Greenhouse Gas Reduction Potential. Polish Journal of Environmental Studies, 24(6), 2627-2640.
• 32. Szyszlak-Barglowicz, J., Zajac, 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.
• 33. Ściążko, M., Zieliński, H. (2003). Termochemiczne przetwórstwo węgla i biomasy. Zabrze- Kraków: ICPW.
• 34. Vamvuka, D., Kakaras, E. (2011). Ash properties and environmental impact of various biomass and coal fuels and their blends. Fuel Processing Technology, 92(3), 570-581.
• 35. Verma, V. K., Bram, S., Gauthier, G., De Ruyck, J. (2011). Performance of a domestic pellet boiler as a function of operational loads: Part-2. Biomass and Bioenergy, 35(1), 272-279.
• 36. Warych, J. (1999). Procesy oczyszczania gazów: problemy projektowo-obliczeniowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej.
• 37. Win, K. M., Persson, T., Bales, C. (2012). Particles and gaseous emissions from realistic operation of residential wood pellet heating systems. Atmospheric Environment, 59, 320-327.
• 38. Zajac, G., Szyszlak-Barglowicz, J., Dudziak, A., Kuranc, A., Wasilewski, J. (2017). Ash composition and deposition tendencies of selected biomass types. W IX International Scientific Symposium Farm machinery and processes management in sustainable agriculture : Symposium Proceedings (ss. 438-443). (Red.) Edmund Lorencowicz, Jacek Uziak, Bruno Huyghebaert, Lublin.
• 39. 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. FEB-Fresenius Environmental Bulletin, 26(7), 4663-4670.
• 40. Zielinska, B., Samburova, V. (2011). Residential and Non-Residential Biomass Combustion: Impacts on Air Quality. W J. O. Nriagu (Red.), Encyclopedia of Environmental Health (ss. 819-827). Burlington: Elsevier.
• 41. Zwoździak, J., Walawska, B. (2008). Źródła oraz metodyka szacowania wielkości emisji zanieczyszczeń. Chemik, 61(3), 146-149.

Uwagi

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