Obciążenie środowiska produktami spalania peletów z biomasy roślinnej w kotle górnego spalania

• Autorzy: Kraszkiewicz A. , Stryjecka M. , Nowosad N. , Kocira S.

Warianty tytułu

EN

Burden for the Environment by the Products of Pellets from Plant Biomass Incineration in Low-Power Heating Devices

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Spalanie biomasy, jest traktowane jako proces neutralny dla środowiska przez pryzmat emisji CO₂. Jednak w pewnych warunkach spalanie biopaliw w indywidualnych systemach grzewczych, może powodować poważne zagrożenie w skali lokalnej dla środowiska i zdrowia ludzi. Biorąc pod uwagę cechy energetyczne biomasy, podjęto badania, których celem było ilościowe określenie wybranych produktów gazowych i stałych spalania peletów ze słomy pszennej, żytniej i trocin sosnowych. W grupie produktów gazowych określono emisję CO, NO i SO₂, natomiast w grupie produktów stałych (w popiele) określono zawartość wybranych makro- i mikroelementów oraz metali ciężkich. W warunkach badań zaobserwowano znacznie zróżnicowaną emisję CO, NO i SO₂. Na obciążenie środowiska CO i SO₂ wyraźny wpływ ma technologia spalania i warunki spalania. Okresowe spalanie porcji peletów z biomasy roślinnej na ruszcie z zapłonem od dołu i podawaniem powietrza pod ruszt powoduje znaczną emisję CO do atmosfery w początkowej fazie spalania oraz w końcowej podczas dopalania pozostałości koksowej. Jedynie, głównie dla peletów z biomasy drzewnej, przez krótki czas spalania emisja CO była na poziomie akceptowalnym, określonym przez stosowne standardy. Wykorzystanie peletów w takich urządzeniach grzewczych niesie ze sobą niewielki efekt ekologiczny oraz sprawia że spalanie odbywa się ze znacznie mniejszą efektywnością. Przy wykorzystaniu tego typu biopaliw, charakteryzujących się przeciętną temperaturą spalania mniejszą od 800°C, istotna jest również emisja NO do atmosfery, która poprzez zależność od zawartości azotu w paliwie mniej jest związana z konstrukcją paleniska. Wybór do spalania biopaliw o jak najmniejszej zawartości azotu powinien przyczynić się do zmniejszenia emisji NO, która staje się kolejnym kryterium dopuszczającym urządzenia grzewcze do obrotu. Wielu badaczy zwraca uwagę na możliwą emisję pyłów i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych podczas spalania biomasy. Stąd też celowym byłoby wykonanie takich analiz w odniesieniu do kotłów małej mocy górnego spalania i z automatycznym podawaniem paliwa, uwzględniając różnice pomiędzy rodzajami wykorzystanych do spalania surowców. Stały produkt spalania w postaci popiołu ze słomy, ze względu na większą obecność potasu niż w drewnie, może powodować dodatkowo problemy z dystrybucją powietrza przez spieki tworzące się na ruszcie. Skutkuje to pogorszeniem spalania i większą emisją do atmosfery. 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. Niewielka zawartość metali ciężkich w analizowanych peletach świadczy o jego ekologicznych właściwościach w aspekcie jego energetycznego wykorzystania, nie powodując przeciwskazań przy wprowadzeniu do środowiska stałych produktów spalania jako nawozu.

EN

Biomass combustion is treated as a neutral process for the environment through the prism of CO₂ emissions. However, under certain conditions, the burning of biofuels in individual heating systems can result in a serious local threat to the environment and human health. Considering energetic features of biomass, research was undertaken to quantify selected gas products and solid combustion of wheat, rye, and sawdust straw pellets. In the group of gaseous products the emission of CO, NO and SO₂ was determined, whereas in the group of solid products (in ash) the value of selected macro- and microelements as well as heavy metals was determined. In the test conditions, significantly differentiated emissions of CO, NO and SO₂ were observed. The combustion technology and combustion conditions have a significant effect on the CO and SO₂ load. Periodic combustion of a portion of plant biomass pellets on the grate with ignition from below and air supply under the grate causes a significant emission of CO to the atmosphere in the initial combustion phase and in the final coke residue after burning. Only, mainly for wood biomass pellets, CO emission for a short time was at an acceptable level, determined by appropriate standards. The use of pellets in such heating devices brings with it a small ecological effect and makes burning much less effective. Using this type of biofuels, characterized by average combustion temperature less than 800°C, also important is the emission of NO to the atmosphere, which through the dependence on the nitrogen content in the fuel is less related to the construction of the furnace. 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. Many researchers point to the possible emission of dust and polycyclic aromatic hydrocarbons during biomass burning. Therefore, it would be advisable to carry out such analyzes with regard to low-power upper combustion boilers and with automatic fuel delivery, taking into account the differences between the types of raw materials used for combustion. The solid combustion product in the form of straw ash, due to the greater presence of potassium than in wood, can cause additional problems with the distribution of air by the sinters forming on the grid. This results in reduced combustion and increased emissions to the atmosphere. Despite the varied chemical composition, the ashes analyzed in terms of the macro, micronutrient and heavy metals load do not tend to exceed the limits set by the relevant standards. The low content of heavy metals in the analyzed pellets shows its ecological properties in terms of its energy use, without causing contraindications when introducing solid combustion products to the environment as a fertilizer.

Słowa kluczowe

PL

spalanie biomasy; emisja; metale ciężkie

EN

biomass combustion; emission; heavy metals

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: Tom 20, cz. 2
• Strony: 1269--1285
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Kraszkiewicz A.

• Uniwersytet Przyrodniczy, Lublin

autor

Stryjecka M.

• Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa, Chełm

autor

Nowosad N.

• Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa, Chełm

autor

Kocira S.

• Uniwersytet Przyrodniczy, Lublin

Bibliografia

• 1. Chao, C.Y.H., Kwong, P.C.W., Wang, J.H., Cheung, C.W., Kendall, G. (2008). Co-firing coal with rice hust and bamboo and the impact on particulate matters and associated PAHs emission, Biores. Technol., 99, 83-93.
• 2. Demirbas, A. (2004). Combustion characteristics of different biomass fuels. Prog. Energy Combust Sci., 30(2), 219-230.
• 3. 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.
• 4. Grzybek, A. (2004). Biomasa jako źródło energii. W: Wierzba energetyczna - uprawa i technologie przetwarzania (red. A. Grzybek). Bytom, Wyd. WSEiA, 10-19.
• 5. Hermann, J., Harasimowicz-Hermann, G. (2005). Przydatność popiołów ze spalania biomasy do stosowania w rolnictwie i rekultywacji gruntów. Zeszyty Problemowe Postępu Nauk Rolniczych, 506, 189-196.
• 6. Heykiri-Acma, H. (2003). Combustion characteristic of different biomas matterials, Energy Convers. Mgmt, 44, 155-162.
• 7. Jenkins, B.M., Baxter, L.L., Miles Jr., T.R., Miles, T.R. (1998). Combustion properties of biomass. Fuel Processing Technology, 54, 17-46.
• 8. Jewiarz, M., Kubica, K. (2012). Technologie spalania słomy. W: Słoma - wykorzystanie w energetyce cieplnej (red. A. Grzybek). Falenty, ITP.
• 9. Juszczak, M. (2002). Ecological burning waste wood. Industrial research limit of carbon monoxide and nitrogen oxide. Poznań, Wyd. Pol. Poznańskiej.
• 10. Juszczak, M. (2014). Concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides from a 25 kW boiler supplied periodically. Chem. Process Eng., 35(2), 163-172.
• 11. 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.
• 12. Kabata-Pendias, A., Pendias, H. (1979). Pierwiastki śladowe w środowisku geologicznym. Warszawa, Wyd. Geologiczne.
• 13. Kalembasa, D. (2006). Ilość i skład chemiczny popiołu z biomasy roślin energetycznych. Acta Agrophysica, 7(4), 909-914.
• 14. 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.
• 15. Kordylewski, W. (2008). Spalanie i paliwa. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.
• 16. Kowalczyk-Juśko, A. (2017). The Influence of the Ash from the Biomass on the Power Boiler Pollution. J. Ecol. Eng., 18(6), 200-204.
• 17. 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.
• 18. 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.
• 19. Kubica, K. (2007). Energetyczne wykorzystanie biomasy - uwarunkowania techniczno-technologiczne. Biuletyn Ekologiczny, 3(163), 3-7.
• 20. 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.
• 21. Kuboń, M., Kocira, S., Kocira, A., Leszczyńska, D. (2018). Use of Straw as Energy Source in View of Organic Matter Balance in Family Farms. K. Mudryk and S. Werle (eds.), Renewable Energy Sources: Engineering, Technology, Innovation, Springer Proceedings in Energy, https://doi.org/ 10.1007/978-3-319-72371-6_53.
• 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. Molo, B. (2016). Polityka Unii Europejskiej a rozwój odnawialnych źródeł energii w Niemczech. Rocznik Integracji Europejskiej, 10, 121-142.
• 25. Obernberger, I., Brunner, T., Barnthaler, G. (2006). Chemical properties of solid biofuels - significance and impact. Biomass Bioenergy, 30, 973-982.
• 26. Ociepa-Kubicka, A., Ociepa, E. (2012). Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na rośliny, zwierzęta i ludzi. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 15(2), 169-180.
• 27. 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.
• 28. PN-EN 17225-2:2014 Biopaliwa stałe - Specyfikacje paliw i klasy. Pelety drzewne do zastosowań nieprzemysłowych.
• 29. PN-EN 17225-6:2014 Biopaliwa stałe - Specyfikacje paliw i klasy. Pelety niedrzewne do zastosowań nieprzemysłowych.
• 30. PN-EN 18125:2017 Biopaliwa stałe - Oznaczanie wartości opałowej.
• 31. PN-EN 18134-3:2015 Biopaliwa stałe - Oznaczanie zawartości wilgoci - Metoda suszarkowa - Część 3: Wilgoć w próbce do analizy ogólnej.
• 32. 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.
• 33. PN-EN 18122:2016 Biopaliwa stałe - Oznaczanie zawartości popiołu.
• 34. Róg, L. (2011). Wpływ czynników, wynikających z jakości paliwa, na proces spalania w kotłach energetycznych. dostęp 27.04.2016 r.: http://www.nettg.pl/ news/19093/wplyw-czynnikow-wynikajacych-z-jakosci-paliwa-na-proces- spalania-w-kotlach-energetycznych.
• 35. Rybak, W. (2006). Spalanie i współspalanie biopaliw stałych. Wrocław, Wyd. Politechniki Wrocławskiej.
• 36. 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.
• 37. Szyszlak-Bargłowicz, J., Piekarski, W., i Krzaczek, P. (2006). Spalanie słomy jednym z kierunków jej wykorzystania. Energetyka. Zeszyt tematyczny IX, 53-57.
• 38. 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.
• 39. Temmerman, M., Mignon, Ch., Pieret N. (2011). Influence of increasing shares of miscanthus on physical and mechanical properties of pellets produced in an industrial softwood pellets plant. In: Proceedings of V International Scientific Symposium Farm machinery and process management in sustainable agriculture. Lublin, Poland, 151-166.
• 40. Van Loo, S., Koppejan, J. (2007). Handbook of biomass combustion and co- firing. IEA Bioenergy Task, 32, 266-272.
• 41. 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.
• 42. 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.
• 43. 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

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).