Porównanie wpływu na środowisko spalania węgla kamiennego i tzw. błękitnego węgla w kotle c.o. z wykorzystaniem analizy tradycyjnej oraz analizy LCA

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla od ponad 25 lat prowadzi wielotorowe działania zmierzające do ograniczenia niskiej emisji. Przeprowadza m.in. akredytowane badania paliw stałych, kotłów c.o., pieców, kominków itp. Opracowuje także technologie uszlachetniania paliw kopalnych oraz doskonali systemy eksploatacji kotłów c.o.

W związku z narastającym problemem zanieczyszczenia powietrza w Polsce, za które w dużej mierze odpowiedzialny jest sektor ogrzewnictwa indywidualnego, oparty w naszym kraju głównie na spalaniu stałych paliw węglowych w urządzeniach z ręcznym podawaniem paliwa, w Instytucie podjęto działania zmierzające do opracowania sposobu natychmiastowej poprawy jakości powietrza.

Głównym założeniem było pozostawienie istniejącej infrastruktury, której wymiana na nowoczesną będzie trwała kilkanaście lat.

Dla osiągnięcia założonego celu zaproponowano zastosowanie w ogrzewnictwie indywidualnym odpowiednio zmodyfikowanego paliwa węglowego. Instytut przygotował wytyczne odnośnie do parametrów, jakimi powinno się charakteryzować tego typu paliwo, i znalazł partnera przemysłowego (Polchar Sp. z o.o.), który podjął z nim współpracę w celu opracowania nowego rozwiązania.

W sezonie grzewczym 2015/2016 przeprowadzono duży program pilotażowy, w którym na terenie trzech województw, w wybranych lokalizacjach, rozdysponowano 2 tys. ton odpowiednio zmodyfikowanego paliwa węglowego, które nazwano „błękitnym węglem” [1].Obecnie trwają prace zmierzające do budowy przemysłowej instalacji wytwórczej tego paliwa.

Na potrzeby niniejszego artykułu wykorzystano wyniki badań, które przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, zanim „błękitny węgiel” trafił do testów w ramach programu pilotażowego.

Celem artykułu jest przedstawienie korzyści środowiskowych, jakie wiążą się z zastąpieniem węgla kamiennego przez „błękitny węgiel” w istniejącej infrastrukturze grzewczej Polski, przede wszystkim w oparciu o wyniki analizy LCA (Life Cycle Assessment – ocena cyklu życia), która dzięki zastosowaniu uniwersalnych wskaźników umożliwia porównanie oddziaływania na środowisko różnych produktów.

Badania energetyczno-emisyjne

Na potrzeby artykułu z testów energetyczno-emisyjnych przeprowadzonych w ramach zadania 3 w projekcie nr ID: 268432 GEKON wybrano dwa, które pozwalają w prosty sposób przeprowadzić analizę porównawczą [2].

Badania energetyczno-emisyjne przeprowadzono na stanowisku testowym w Laboratorium Technologii Spalania i Energetyki IChPW. Stanowisko to pozwala na przeprowadzanie testów kotłów c.o. zasilanych paliwami stałymi zgodnie z normą PN-EN 303-5:2012 [3]. Jest ono wyposażone w regulowany i opomiarowany odbiór ciepła realizowany przez podłączone w odpowiedniej konfiguracji nagrzewnicę powietrza oraz chłodnię wentylatorową (pomiar temperatury wody i przepływu wody przez kocioł c.o.).

Stanowisko ma również system odbioru spalin z kotła c.o. (przewód dymowy/komin) z regulowanym ciągiem i zainstalowanymi układami pomiarowymi (temperatura, ciśnienie i skład spalin).

W ramach realizacji projektu na opisanym stanowisku zainstalowano standardowy kocioł c.o. z ręcznym zasypem paliwa typ KSW 30 PLUS o mocy nominalnej 20 kW (fot. 1).

Jest to jednostka niskotemperaturowa stalowa przeznaczona do układów otwartych, przystosowana do spalania węgla kamiennego sortyment orzech, sortyment groszek oraz drewna kawałkowego.

W DTR producent kotła nie podaje informacji dotyczących możliwości stosowania koksu w urządzeniu.

W jednostkach tych paliwo zasypywane jest do komory załadowczej na ruszt wodny.

• Komora załadowcza zamknięta jest drzwiczkami zasypowymi. Na nich umieszczona jest przepustnica powietrza wtórnego.
• Nad drzwiczkami zasypowymi znajdują się drzwiczki wyczystne umożliwiające dostęp do wymiennika ciepła.
• Pod ruszt podawany jest za pomocą wentylatora nadmuchowego strumień powietrza pierwotnego.
• Spaliny po przejściu przez wymiennik ciepła spaliny-woda przechodzą przez czopuch kotła do komina.
• Regulacja wydajności cieplnej kotła realizowana jest przez elektroniczny sterownik. Steruje on pracą wentylatora powietrza i pompą obiegową c.o., dążąc do utrzymania zadanej temperatury wody wychodzącej z kotła.
• Jednostka wyposażona jest również w mechaniczny przegarniacz rusztu.
• Kocioł izolowany jest wełną mineralną osłoniętą blachą stalową.

Do badań wybrano dwa paliwa stałe:

1) węgiel bazowy sortyment orzech oraz

2)  wytworzony z niego „błękitny węgiel”.

Wybrane parametry fizykochemiczne tych paliw przedstawiono w tab. 1.

Celowo podano trzy różne wartości opisujące „kaloryczność” badanych paliw – każda z nich może być wykorzystana przy okazji np. sprzedaży.

Dobrze, żeby kupujący był zorientowany, iż ciepło spalania każdego z paliw stałych zawsze będzie wyższe od jego wartości opałowej, a ta może być także podana w różnym stanie i mieć tym samym różny poziom.

Ponieważ paliwa spalamy w warunkach rzeczywistych (roboczych), jako użytkowników powinna nas interesować przede wszystkim wartość opałowa w stanie roboczym, bo w rzeczywistości tylko te „kalorie” możemy wykorzystać.

Testy energetyczno-emisyjne każdego z paliw przeprowadzano zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 303-5:2012 [3].

W dużym skrócie badania przeprowadzane są w następujący sposób:

• Najpierw wytwarza się na ruszcie warstwę żaru z podpałki i paliwa testowego.
• Gdy warstwa ta jest już wystarczająca do rozpalenia ilości paliwa wystarczającej do pracy kotła z mocą nominalną przez co najmniej 4 h, jednorazowo zasypuje się do komory spalania paliwo.
  W omawianym przypadku jest to jednorazowy zasyp około 20 kg paliwa węglowego (ok. 2 wiadra).
• Po wypaleniu się tego złoża paliwa na warstwę żaru zasypuje się kolejny raz tę samą ilość paliwa (ok. 20 kg) i jest to pierwszy z zasypów, nazywany roboczo „pomiarowym”.
• Po około 4 h, czyli wypaleniu się pierwszego zasypu „pomiarowego”, następuje drugi zasyp „pomiarowy”.

Rozważane wyniki pomiarów to średnie wartości zebrane w czasie trwania obu zasypów „pomiarowych”.

Czytaj też: Wpływ standardów energetycznych i rodzaju zaopatrzenia w ciepło na emisję zanieczyszczeń oraz koszty ekonomiczne >>>

Tradycyjna analiza wyników

W przypadku analizy składu gazu w trakcie testów energetyczno-emisyjnych wyniki rejestrowane są w postaci stężeń wybranych składników spalin. A więc np. średnie stężenie tlenku węgla CO wynosiło 2755,1 mg/m³n, a tlenu O₂ 14,57%.

Podawane jest stężenie zanieczyszczenia w przeliczeniu na tlen referencyjny, np. O2 = 10%, co pozwala porównywać wyniki z różnych testów, a szerzej zostało omówione w artykule [4].

Wyniki badań przeprowadzonych podczas spalania paliw w warunkach i przy opomiarowaniu pozwalających na sporządzenie tzw. bilansu można podać również w postaci wskaźników, a więc w przeliczeniu danej emisji zanieczyszczenia (np. CO) na 1 kg spalonego paliwa lub na 1 GJ wytworzonego ciepła.

Ponieważ w analizowanym przypadku spalanie paliw węglowych ma służyć wytworzeniu ciepła użytkowego, wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w postaci wskaźników w przeliczeniu na 1 GJ (tab. 2).

W prawej kolumnie zamieszczono ujęty procentowo efekt redukcji poszczególnych emisji zanieczyszczeń w przypadku zastąpienia węgla kamiennego „błękitnym węglem”, przyjmując, że wskaźnik emisji dla węgla bazowego wynosi 100%, a efektem jest różnica wskaźników emisji obu paliw.

Dane dotyczące redukcji emisji wskazują, że w przypadku zastąpienia węgla kamiennego „błękitnym węglem” przeszło 90-proc. efekt redukcji uzyskuje się dla takich zanieczyszczeń jak pył i B(a)P. 80-proc. efekt redukcji ma miejsce w przypadku sumy 16 WWA uważanych przez EPA za najbardziej kancerogenne, a więc niebezpieczne dla zdrowia, oraz w przypadku TOC, czyli zanieczyszczeń organicznych (np. smół).

Odnotowano również przeszło 50-proc. redukcję NO_x oraz około 30-proc. redukcję CO i SO2. Jedynym wskaźnikiem emisji, który wzrósł, jest CO2, na co wpływ ma głównie wyższe uwęglenie „błękitnego węgla” w stosunku do węgla bazowego.

Zastosowanie LCA do oceny wyników badań

Technika LCA (Life Cycle Assessment – ocena cyklu życia) polega na ocenie potencjalnego wpływu na środowisko, w całym cyklu życia, badanego produktu lub technologii. Wyniki analizy LCA wyrażane są w kategoriach wpływu, czyli określonych problemach środowiskowych, jakie powoduje analizowany produkt czy technologia.

Technikę LCA przedstawiają normy PN-EN ISO 14040:2009 oraz PN-EN ISO 14044:2009, zgodnie z którymi analiza LCA powinna się składać z czterech faz:

1. Określenie celu i zakresu;
2. Analiza zbioru wejść i wyjść (LCI – Life Cycle Inventory);
3. Ocena  wpływu (LCIA – Life Cycle Impact Assessment);
4. Interpretacja.

• Pierwsza faza polega na określeniu funkcji systemu, jednostki funkcjonalnej, granicy systemu oraz innych założeń analizy.
• Kolejny etap, czyli faza analizy zbioru wejść i wyjść, obejmuje identyfikację wszystkich elementów wejścia i wyjścia wraz z ich opisem ilościowym.
• Trzecia faza oceny cyklu życia (LCIA) polega na wyznaczeniu wartości wskaźników kategorii wpływu i szkód z zastosowaniem wybranych metod (np. ReCiPe 2008, IPCC 2013, ILCD 2011 itd.).
  Faza LCIA może składać się z czterech etapów:
  • Dwa pierwsze – klasyfikacja i charakteryzowanie – są obligatoryjne,
  • kolejne dwa – normalizacja i ważenie – są etapami opcjonalnymi (­PN-EN ISO 14044:2009).

Klasyfikowanie polega na przypisaniu poszczególnych elementów wejścia i wyjścia analizowanego procesu do odpowiednich kategorii wpływu na środowisko.

Rezultatem klasyfikacji jest zatem identyfikacja, jaki problem środowiskowy powstaje w wyniku wykorzystania określonego zasobu czy uwolnienia danej emisji.

Kolejnym obligatoryjnym etapem LCIA jest charakteryzowanie, czyli obliczenie wskaźników kategorii wpływu. Odbywa się to na podstawie wskaźników określonych przez wykorzystywaną metodę.

Następnymi krokami w analizie LCIA są normalizacja i ważenie.

Normalizacja polega na odniesieniu wyników z etapu charakteryzacji do określonego punktu referencyjnego, co pozwala na dokonanie oceny skali problemu oraz ułatwia interpretację.

Ważenie natomiast umożliwia agregację wszystkich kategorii wpływu w wartość jednego wskaźnika.

Współczynniki normalizacji oraz współczynniki wagowe są określone przez wybraną do analizy metodę.

• Ostatnia faza polega na interpretacji uzyskanych wyników, do której zaliczamy m.in. analizę determinantów wartości wskaźników kategorii wpływu [5].

Funkcją analizowanego na potrzeby pracy systemu jest produkcja ciepła ze spalania „błękitnego węgla” oraz węgla bazowego.

Za jednostkę funkcjonalną przyjęto 1 GJ wytworzonego ciepła.

Jako granicę systemu przyjęto tzw. from gate to gate, czyli wybrany został fragment cyklu życia.

Przedstawiona praca była pierwszą próbą oceny środowiskowej „błękitnego węgla” z zastosowaniem metody oceny cyklu życia (LCA). W związku z tym dotyczyła ona jedynie wybranego procesu z całego cyklu życia, którym jest proces wytwarzania ciepła ze spalania, i uwzględnione zostały tylko dane dotyczące emisji z tego procesu.

Obliczenia z wykorzystaniem metody IPCC 2013

Metoda IPCC 2013 pozwala obliczyć wartość wskaźnika śladu węglowego (carbon footprint) – tab. 3. Jest on wyliczany w oparciu o potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) i wyrażony w ekwiwalencie CO₂.

Obliczenia zostały wykonane zgodnie z metodyką zaproponowaną przez Międzyrządowy Panel ds. Zmian Klimatu IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).

Obliczenia z wykorzystaniem metody ReCiPe Midpoint

Metoda ReCiPe Midpoint pozwala na przedstawienie wpływu na środowisko danego procesu w 18 kategoriach wpływu.

W tab. 4 przedstawiono tylko kategorie, dla których wskaźnik był różny od zera.

• Wskaźnik kategorii emisja gazów cieplarnianych pokazuje wymuszenie radiacyjne emitowanych gazów cieplarnianych w przeliczeniu na ekwiwalent CO_2.
• Zakwaszenie lądowe opisuje zakwaszenie gleby w wyniku depozycji emitowanych do atmosfery kwaśnych związków nieorganicznych, takich jak siarczany, azotany i fosforany. 
• Eutrofizacja morska dotyczy nadmiernego wzrostu roślinności w morzach pod wpływem zwiększonego stężenia azotu.
• Kategoria toksyczność dla ludzi opisuje narażenie na substancje toksyczne w wyniku wdychania z powietrzem i spożywania z pokarmem, podobnie ekotoksyczność lądowa, słodkowodna oraz morska.
•  Fotochemiczne powstanie utleniaczy wyraża się poprzez potencjalny wpływ na fotochemiczne powstanie ozonu pod wpływem NMVOC (Non-Methane Volatile Organic Compounds).
• Kategoria tworzenie pyłów dotyczy zanieczyszczenia powietrza pyłami PM10, a także tworzenia aerozoli tlenków siarki, azotu i amoniaku [7].

Po dokonaniu normalizacji, czyli odniesieniu w tym przypadku do wartości europejskich, otrzymano wskaźniki względne, które są wartościami niemianowanymi – tab. 5. Służą one zatem jedynie do celów porównawczych.

Normalizacja została dokonana na podstawie wskaźników metody ReCiPe (ReCiPe 2008: A life cycle impact assessment method which comprises harmonised category indicators at the midpoint and endpoint level).

Czytaj też: Paliwa węglowe dla małych kotłów c.o. >>>

Analiza determinantów wartości wskaźników kategorii wpływu

Na podstawie składowych procesu przeprowadzono analizę w celu wykrycia, które elementy determinują wartości wskaźników kategorii wpływu, otrzymane za pomocą metody ReCiPe Midpoint (H) V1.13/Europe Recipe H na etapie charakteryzacji.

Obliczono również redukcję wartości poszczególnych wskaźników kategorii wpływu w przypadku zastąpienia węgla bazowego „błękitnym węglem”.

W tab. 6 przedstawiono, jaką część wartości redukcji wskaźnika kategorii wpływu stanowi określona emisja.

Wyniki uzyskane za pomocą metody ReCiPe Midpoint pokazały mniejszy wpływ na środowisko procesu spalania „błękitnego węgla” we wszystkich kategoriach wpływu poza emisją CO2.

Jak wykazano, zastąpienie węgla kamiennego „błękitnym węglem” w największym stopniu wpływa na kategorie dotyczące toksyczności, gdyż w tym przypadku znormalizowane wyniki były pięciokrotnie mniejsze od wartości wskaźników kategorii wpływu dla procesu spalania węgla bazowego.

Podobna sytuacja dotyczy kategorii eutrofizacji morskiej.

Z analizy wynika, że zdecydowanie dominującą determinantą wartości wskaźników kategorii dotyczących toksyczności jest emisja wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych.

Analizy wymagają kontynuacji, której efektem będzie wykonanie środowiskowej oceny całego cyklu życia „błękitnego węgla” oraz węgla bazowego, czyli z uwzględnieniem produkcji i transportu węgla, jak i budowy oraz eksploatacji (w tym również likwidacji) instalacji spalania.

Podsumowanie

Zarówno tradycyjna analiza, jak i ocena z zastosowaniem metodyki LCA wykazały zmniejszenie negatywnego wpływu na środowisko (jakość powietrza) w przypadku zastosowania „błękitnego węgla” zamiast węgla kamiennego.

Jedyne zanieczyszczenie, które okazało się wyższe w przypadku spalania „błękitnego węgla”, to CO2.

Wyższa wartość wskaźnika IPCC GWP 20a dla procesu spalania węgla błękitnego oraz wskaźnika emisji gazów cieplarnianych w metodzie ReCiPe Midpoint została spowodowana wyższą o 15% emisją CO2 uwalnianą w tym procesie, jest to jednak związane z przyjętą osłoną bilansową, którą na potrzeby analizy LCA objęto jedynie wskaźniki emisji zanieczyszczeń.

W analizowanym przypadku wyższa emisja CO2 jest wynikiem wyższej zawartości pierwiastka węgla w „błękitnym węglu” w porównaniu do węgla kamiennego i świadczy o dobrym wykorzystaniu dostarczonego paliwa.

W przypadku spalania paliwa stałego w urządzeniach grzewczych małej mocy węgiel (pierwiastkowy) zawarty w paliwie reaguje z tlenem, tworząc głównie CO2 i pożądany efekt produkcji ciepła użytkowego, albo jako odpad przechodzi do popiołu czy żużla.

Wyższa emisja CO2 dla przyjętej na potrzeby pracy osłony bilansowej jest więc wskaźnikiem informującym o dobrej przydatności „błękitnego węgla” do wykorzystania w istniejącej infrastrukturze grzewczej [8].

Literatura

1. Polchar Sp. z o.o., IChPW, Badania nad innowacyjnym, niskoemisyjnym paliwem bezdymnym, wniosek do NCBiR oraz NFOŚiGW.
2. Sobolewski A., Stelmach S., Matuszek K., Hrycko P., Kotyczka-Morańska M., Plis A., Mertas B., Badania nad innowacyjnym, niskoemisyjnym paliwem bezdymnym – zadania 3 i 5, Sprawozdanie IChPW nr 136/2016.
3. PN-EN 303-5:2012 Kotły grzewcze. Cz. 5. Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
4. Matuszek K., Hrycko P., Przeliczanie składników gazowych i pyłu w spalinach na tlen referencyjny – idea stosowania, „COW” nr 2/2015, s. 43–45.
5. Fugiel A., Burchart-Korol D., Identyfikacja problemów środowiskowych z wykorzystaniem metody oceny cyklu życia na przykładzie technologii zgazowania węgla, „Polityka Energetyczna”, 2016, Tom 19, Zeszyt 4, s. 51–62.
6. Raport końcowy z badań i prac technicznych projektu „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii”, Część Tematu Badawczego nr 4.7 pt. Analiza LCA modelowanych układów użytkowania gazów z podziemnego zgazowania węgla, Główny Instytut Górnictwa, 2015.
7. Blaut A., Zawartka P., Analiza LCA procesu spalania „błękitnego węgla” oraz węgla bazowego, nr pracy w GIG wykonanej na zlecenie Polchar: 58303338-343, 2018.

Czytaj też: Zastosowanie elektrofiltrów w kotłach c.o. z automatycznym podawaniem paliwa stałego >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!