Analiza możliwości spalania biomasowych paliw energetyki zawodowej w domowych kominkach

Rozwój energetyki zgodny z zasadą zrównoważonego rozwoju oraz dyrektywami Unii Europejskiej wymaga zwiększania udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) i zastępowania nimi paliw konwencjonalnych [1]. Jednym z najpopularniejszych rodzajów „zielonego paliwa” jest biomasa.

Ze względu na ograniczone możliwości reprodukcyjne lasów i związane z tym limity spalania drewna biomasa do celów energetycznych najczęściej pochodzi z rolnictwa. Jest to głównie słoma z upraw roślin oleistych (słonecznik, rzepak) oraz słoma zbóż [2]. Biomasa taka charakteryzuje się dużą różnorodnością właściwości w obrębie jednego typu, co wynika z różnic w warunkach atmosferycznych i glebowych. Fakt ten ma znaczny wpływ na sam proces spalania: jego szybkość i stabilność oraz projektowanie instalacji przeznaczonych do konwersji biomasy [3].

Aby skoncentrować masę i energię biomasy oraz zredukować zawartość wilgoci, przekształca się ją w brykiet lub pelet. Proces ten zachodzi pod dużym ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze [4].

Pobierz bezpłatnie poradnik: Bezpłatny e-book Kotły na pellet i drewno kawałkowe | RynekInstalacyjny.pl

Spalanie cząstki paliwa charakteryzuje się dużą dynamiką i mnogością zachodzących procesów, a jego celem jest uzyskanie maksymalnej ilości energii cieplnej i największego stopnia konwersji do CO₂ i H₂O. Trzy najważniejsze etapy to:

• nagrzewanie cząstki z odparowaniem wilgoci,
• piroliza,
• spalanie powstającego karbonizatu [5].

Procesom tym towarzyszy wydzielanie szkodliwych dla środowiska naturalnego gazów: CO, NO_X i SO₂ – ich ilość zależy od składu chemicznego paliwa oraz nadmiaru powietrza. Zwłaszcza pomiary zawartości CO w spalinach są istotnym elementem kontroli jakości spalania biomasy, ponieważ emisje w dużym stopniu zależą od sposobu prowadzenia procesu spalania [6].

Poza bezpośrednim spalaniem lub współspalaniem z węglem, paliwo to wykorzystuje się w procesach: karbonizacji, pirolizy, zgazowania, fermentacji lub transestryfikacji [7].

System dofinansowań termomodernizacji w Polsce, na przykład w ramach programu priorytetowego „Czyste Powietrze”, stawia liczne wymagania, w szczególności wymianę źródeł ciepła na wysokosprawne urządzenia o obniżonej emisji pyłów i tlenku węgla.

W artykule przedstawiono analizę procesu spalania różnych typów biomasy w kominkach, pozwalającą na opracowanie systemu sterowania procesami spalania w celu spełnienia wymagań tego programu.

Wykorzystane paliwo

Próbki poddane badaniom (rys. 1) pochodzą z elektrowni, w której paliwo dla kotła fluidalnego stanowi mieszanina 80% (masowo) biomasy leśnej i 20% biomasy agro.

Paliwo zostało przygotowane do badań poprzez osuszenie i rozdrobnienie. Analizę techniczną i elementarną przeprowadzono w laboratorium własnym elektrowni – wyniki podano w tab. 1.

Stanowisko pomiarowe

Próbki paliwa spalano we wkładzie kominkowym, którego parametry podane zostały w tab. 2.

Schemat stanowiska badawczego przedstawia rys. 2.

W skład aparatury kontrolno-pomiarowej wchodziły:

• analizator spalin Eco 3000 Plus,
• automatyczna przepustnica regulująca dopływ powietrza do paleniska,
• termopary typu K umieszczone w deflektorze i na czopuchu,
• sterownik PLC z serii Wago 750–880,
• waga pomostowa umożliwiająca pomiar masy paliwa podczas spalania.

Rzeczywisty wygląd stanowiska obrazuje rys. 3.

Analizator spalin wykorzystuje dwie metody pomiarowe: elektrochemiczną i Non-Despersive Infrared (NDIR) [8].

Metodyka badawcza

Próbki paliwa spalano we wkładzie kominkowym o małej mocy w laboratorium Wydziału Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej przy różnym dopływie powietrza do komory spalania. Jako parametry opisujące ten proces wyodrębniono:

• temperaturę komory spalania i spalin,
• udział CO₂, O₂ w spalinach,
• emisje CO, SO₂ i NO_x,
• ubytek masy paliwa.

Dzięki zastosowaniu programu CoDeSys możliwa była wizualizacja gromadzonych danych, np. kreślenie charakterystyk. Również nastawy przepustnicy dokonywano za pomocą wirtualnego suwaka.

Aby otrzymać miarodajne pomiary, spalanie każdego rodzaju paliwa powtórzono trzy razy, starając się odtworzyć ten sam piramidalny układ paliwa i podpałki. Stopień otwarcia przepustnicy wynosił odpowiednio 50, 75 i 100%. Do spalania wykorzystano metalowy ruszt, co miało zwiększyć przepływ powietrza oraz powierzchnię wymiany ciepła [9].

Wyniki pomiarów

Przebieg krzywych temperaturowych komory spalania dla każdego z badanych paliw przy różnym stopniu otwarcia przepustnicy pokazuje rys. 4.

Wartości przyjmowane dla poszczególnych paliw zależą od wielkości cząstek biomasy oraz jej struktury fizykochemicznej i szybkości nagrzewania.

• Spalanie peletu i brykietu ze słomy przebiega w sposób najbardziej powtarzalny: paliwo gwałtownie się ogrzewa i osiąga maksimum dla nastawy 100%.
• Dla peletu ze słonecznika i zrębek drzewnych temperatura paleniska w znacznym stopniu zależy od stopnia otwarcia przepustnicy – najwyższą odnotowano dla nastawy 50%.
• Spalanie zrębki drzewnej podlega największym wahaniom temperatury i jest najmniej powtarzalne.

Na podstawie wszystkich wykresów można stwierdzić, że im więcej powietrza jest dostarczane do paleniska, tym szybciej się ono rozgrzewa.

Na rys. 5a i rys. 5b przedstawiono charakterystyki emisji CO, CO₂ i O₂.

Dla nastawy 50% przy spalaniu peletów i brykietu występuje największa emisja CO, nawet do 10 000 ppm, co jest zjawiskiem niekorzystnym. Świadczy to o zbyt szybkim spalaniu i niedoborze powietrza, które nie pozwala na utlenienie się CO do CO₂.

Przy pełnym otwarciu przepustnicy emisje CO są bardzo niskie, nawet ok. 500 ppm dla peletów i brykietu, jednak w fazie dopalania znów rosną.

Najbardziej złożony proces spalania zachodzi dla biomasy drzewnej – poszczególne etapy są rozmyte, a więc muszą zachodzić równocześnie w całej objętości paliwa. Po osiągnięciu maksymalnej temperatury spalania we wszystkich przypadkach odnotowano znaczny wzrost emisji CO.

Równie ważnymi parametrami procesu spalania są emisje tlenków siarki i tlenków azotu (rys. 6a i rys. 6b), których ilość zależy od zawartości pierwiastków S i N w paliwie oraz od jakości procesu spalania.

Największe emisje przy nastawie 50% odnotowano dla brykietu ze słomy: 300 ppm NO_x i powyżej 100 ppm SO₂ w fazie zapalenia części stałych paliwa.

Najmniejsze emisje występują w przypadku spalania zrębek drzewnych, co wynika z ich składu pierwiastkowego.

Podobne zależności obserwuje się przy otwarciu przepustnicy na 100%, jednak im więcej powietrza doprowadzano do paleniska, tym szybciej następowały emisje omawianych tlenków.

Ubytek masy paliwa informuje o szybkości procesu spalania oraz wydajności danego rodzaju paliwa. Największe spadki świadczą o dużej zawartości części lotnych, co jest zjawiskiem charakterystycznym dla biomasy. Im otwarcie przepustnicy jest większe, tym paliwo szybciej się wypala. Paliwo w formie peletów spala się wolniej niż brykiety.

Odchyłki, które są widoczne na wykresach (rys. 7a i rys. 7b), wynikają z niedopalenia paliwa bądź z kroku wagi, który wynosił 0,2 kg, co zaznacza się również jako charakterystyka schodkowa.

Obliczono również procentowy udział produktu wtórnego spalania, czyli popiołu w ogólnej masie paliwa. Wyniki zestawione zostały w tab. 3.

Wykorzystano wzór:

gdzie:

A – zawartość popiołu w ogólnej masie paliwa, %;

M_k– masa końcowa badanego paliwa, kg;

M_p– masa początkowa badanego paliwa, kg.

Podsumowanie

• Przeprowadzone badania pokazują, że na proces spalania wpływa szereg czynników, m.in. ułożenie paliwa w komorze spalania, dopływ powietrza czy warunki fizykochemiczne paliwa. Parametry opisujące zachodzące procesy są wzajemnie powiązane, np. temperatura komory spalania oddziałuje na emisje gazów.
• Stwierdzono, że niemożliwe jest dobranie optymalnej nastawy przepustnicy dla danego paliwa – powinna być ona modyfikowana w zależności od fazy spalania. Jedno stałe ustawienie skutkuje wzrostem emisji szkodliwych tlenków i zbyt szybkim wypalaniem paliwa. Aby w pełni kontrolować proces spalania, konieczne jest automatyczne sterowanie przepustnicą w zależności od aktualnego stężenia O₂ i CO w spalinach.
• Początkowe fazy spalania wymagają dużej ilości powietrza, jednak wraz ze wzrostem temperatury należy zmniejszać jego dopływ poprzez domykanie przepustnicy. Zbyt duże otwarcie powoduje wychładzanie się komory spalania.
  Warto zauważyć, że powierzchnia kontaktu paliwa z utleniaczem zależy również od właściwości fizykochemicznych biomasy i sposobu jej ułożenia. Rozwiązaniem może być ruchomy ruszt paleniska.
  Warto rozważyć stosowanie kominków z płaszczem wodnym, które akumulują ciepło pobrane od ognia w palenisku oraz ciepło pobrane ze spalin [10].
• Zaobserwowane przebiegi emisji tlenków siarki i azotu prowadzą do wniosku, że niskie zawartości azotu i siarki w paliwie (poparte analizą elementarną tego paliwa), przekładają się na niską zawartość odpowiednio tlenków azotu i siarki w spalinach.
• Odpowiednia kontrola procesu spalania oraz montaż filtrów spalin mogą sprawić, że emisja tlenku węgla oraz pyłów powodowana przez kominki opalane biomasą będzie się mieścić w zakresie ustalonym dla kotłów piątej klasy. W przypadku użytkowania tych urządzeń w pomieszczeniach ich dodatkową zaletą jest fakt, że cechują się one wysoką estetyką.

Literatura

1. Kosowska-Golachowska M., Wolski K., Sieradzka M., Skrzypczyk D., Musiał T., Analiza właściwości fizyko-chemicznych brykietów z biomasy Agro, www.researchgate.net/publication/304479576 (dostęp: 16.12.2017).
2. Denisiuk W., Słoma – potencjał masy i energii, „Inżynieria Rolnicza” nr 2/2008, s. 23–30.
3. Szufa S., Biomasa i jej wykorzystanie w energetyce, www.proakademia.eu (dostęp: 29.12.2017).
4. Wisz J., Matwiejew A., Biomasa – badania w laboratorium w aspekcie przydatności do energetycznego spalania, Energopomiar Sp. z o.o., Centralne Laboratorium „Energetyka” – wrzesień 2005.
5. Ściążko M., Pronobis M., Zuwała J., Termochemiczne przetwórstwo węgla i biomasy, Zabrze–Kraków 2003.
6. Filipowicz M., Sornek K., Figórski A., Badania energetycznych i ekologicznych parametrów pracy domowych urządzeń grzewczych typu piecokominki, „Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury” nr 2/2015, s. 79.
7. Proces spalania, www.rojewo.osp.org.pl (dostęp: 16.12.2017).
8. Dane firmy Mru-Instruments nt. analizatora ECO 3000 PLUS, www.mru-instruments.pl (dostęp: 17.12.2017).
9. Sornek K., The Impact of Micro Scale Combustion of Biomass Fuels on Environment, „Ecological Chemistry and Engineering”, 23 (2), 2016, p. 247.
10. Żołądek M., Boroń A., Nabożna S., Markuś M., Sornek K., Filipowicz M., Analiza pracy wymiennika akumulacyjnego jako elementu wspomagającego system grzewczy z kominkiem, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 10(48)/2017, s. 395.