1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Biomasa- to najstarsze i najszerzej współcześnie wykorzystywane odnawialne źródło energii. Należą do niej zarówno odpadki z gospodarstwa domowego, jak i pozostałości po przycinaniu zieleni miejskiej. Biomasa to cała istniejąca na Ziemi materia organiczna, wszystkie substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji. Biomasą są resztki z produkcji rolnej, pozostałości z leśnictwa, odpady przemysłowe i komunalne. Biomasa zwykle jest palna, ale nie zawsze nadaje się do bezpośredniego wykorzystania w celach energetycznych, dlatego bywa przetwarzana do postaci tak zwanych biopaliw.

W Polsce za najważniejsze rodzaje biomasy uważa się:

• Drewno

• Słomę

• Rośliny oleiste

• Rośliny przeznaczone na fermentacje alkoholową

• Obornik, gnojownicę, i odpady organicznie

Wyróżniamy:

• Stałe biopaliwa (suszenie, rozdrabnianie, granulowanie, brykietowanie)

• Ciekłe paliwa (estryfikacja oleju rzepakowego)

• Gazowe biopaliwa ( fermentacja metanowa, rozkład drewna, zgazowanie odpadów, gaz ze składowisk śmieci)

Paleniska do spalania biomasy:

• Paleniska rusztowe (stałe lub przesuwne)

• Fluidalne

• Retortowe

• Cygarowe

• Cyklonowe

Podczas doświadczenia spalaliśmy wytłoki z buraka cukrowego. Burak cukrowy jest rośliną podatną na proces fermentacji i z ekonomicznego punktu widzenia może w przyszłości wypełnić braki surowcowe do produkcji energii odnawianej. Może on zwiększyć konkurencyjność w pozyskiwaniu substratów na cele biogazowe i w dużym stopniu przyczynić się do zwiększenia dochodowości biogazowni. Ważnym kierunkiem hodowli, który może zrewolucjonizować płodozmian roślin energetycznych jest zastosowanie ozimej formy buraka cukrowego. Wysiewa się go w lipcu lub sierpniu, a zbioru dokonuje w maju następnego roku, przy czym plony są porównywalne z plonami uzyskiwanymi w tradycyjnej uprawie buraków. Umożliwi to zastosowanie buraków jako poplonu ozimego, dającego ogromną masę surowca w sezonie ubogim w masę biologiczną.

Kocioł zastosowany w laboratorium jest kotłem retortowym o mocy 15 kW. Wyposażony jest w silnik elektryczny o działaniu krokowym, który połączony jest z podajnikiem ślimakowym, który wypycha paliwo wsypane do zbiornika ku górze. Pierwsza warstwa paliwa znajduje się w obszarze wysokiej temperatury, dochodzi tam do rozkładu termicznego, czyli odgazowania biomasy. Znajduje się tam najwięcej części lotnych, które palą się intensywnym płomieniem. w drugiej warstwie paliwo ulega zapłonowi. W ten obszar, poprzez dysze w ściance dostarczany jest utleniacz. Całkowity udział żużlu jako pozostałości po spalaniu jest niewielki dzięki specjalnej półce, która pozwala na całkowite dopalenie się paliwa.

2. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO

1. komin; 2. naczynie wzbiorcze; 3. przewód spalinowy; 4. panel sterownika kotła;

5. zasobnik paliwa; 6. wodna nagrzewnica powietrza; 7.,8. termometr; 9. pompa obiegowa; 10. kocioł; 11. wentylator powietrza; 12. podajnik ślimakowy; 13. silnik krokowy;

14. analizator spalin; 15. przepływomierz.

3. WYKAZ PRZYRZADÓW POMIAROWYCH

1. Analizator spalin z wejściami:

- sondy do pomiaru zawartości NO CO i CH₄ wykorzystującej transformatę Fouriera w podczerwieni

- sondy lambda do pomiaru udziału tlenu w spalinach
2. Termometry membranowe do pomiaru temperatury wody na wejściu i wyjściu z wymiennika

4. TABELE POMIAROWE

Lp.	NO	NO^10%	CH4	CH4^10%	CO	CO^10%	O2	λ
	ppm	ppm	ppm	ppm	ppm	ppm	%	-
1	485	262	222	120	11157	6040	0,68	1,03
2	491	269	390	214	10347	5671	0,93	1,05
3	489	273	371	207	10598	5924	1,32	1,07
4	453	254	333	187	9457	5302	1,38	1,07
5	504	283	179	101	8552	4814	1,46	1,07
6	567	322	378	215	7419	4211	1,62	1,08
7	568	324	169	96	7336	4183	1,71	1,09
8	541	310	165	95	7170	4108	1,80	1,09
9	514	294	209	120	8574	4915	1,81	1,09
10	486	281	169	98	7082	4096	1,98	1,10
11	433	252	410	238	8530	4957	2,07	1,11
12	424	247	281	164	9384	5473	2,14	1,11
13	489	285	181	106	7910	4616	2,15	1,11
14	565	332	130	77	5642	3308	2,24	1,12
15	565	332	115	68	5616	3298	2,27	1,12
16	638	375	131	77	5725	3364	2,28	1,12
17	555	327	111	65	5624	3315	2,34	1,13
18	527	312	110	65	5474	3241	2,42	1,13
19	512	305	159	95	7878	4687	2,51	1,14
20	681	411	75	45	4946	2983	2,76	1,15
21	590	358	102	62	4570	2768	2,84	1,16
22	688	417	123	74	3831	2323	2,86	1,16
23	555	337	110	67	5269	3197	2,87	1,16
24	545	331	142	87	5704	3468	2,91	1,16
25	559	341	129	78	5746	3498	2,93	1,16
26	591	360	113	69	5160	3141	2,93	1,16
27	694	426	101	62	4686	2882	3,11	1,17
28	718	442	83	51	4146	2555	3,15	1,18
29	693	427	92	57	3737	2305	3,17	1,18
30	646	402	94	59	4148	2581	3,32	1,19
31	523	326	153	95	6292	3917	3,33	1,19
32	606	380	94	59	5058	3174	3,47	1,20
33	742	467	75	47	3654	2298	3,51	1,20
34	667	421	117	74	4948	3124	3,58	1,21
35	629	398	120	76	5060	3203	3,62	1,21
36	490	311	161	102	5462	3463	3,65	1,21
37	614	389	112	71	4732	3000	3,65	1,21
38	674	427	88	56	3652	2315	3,65	1,21
39	587	374	112	72	4829	3081	3,76	1,22
40	689	440	102	65	4248	2712	3,77	1,22
41	708	454	86	55	3325	2129	3,82	1,22
42	532	343	98	63	5498	3547	3,95	1,23
43	560	361	157	101	5690	3673	3,96	1,23
44	498	321	129	83	5880	3798	3,97	1,23
45	689	445	91	59	3753	2424	3,97	1,23
46	609	393	117	76	5120	3307	3,97	1,23
47	583	378	94	61	4578	2973	4,06	1,24
48	616	401	96	63	4162	2714	4,13	1,24
49	668	437	83	54	3689	2414	4,19	1,25
50	628	412	68	45	3582	2351	4,24	1,25
51	699	461	96	63	3860	2550	4,35	1,26
52	663	440	97	64	3835	2544	4,42	1,27
53	726	482	97	64	4156	2759	4,43	1,27
54	767	512	73	49	3615	2416	4,54	1,28
55	587	393	129	86	5200	3482	4,57	1,28
56	627	421	78	52	3474	2329	4,59	1,28
57	517	349	113	76	5388	3638	4,71	1,29
58	824	557	84	57	3107	2101	4,73	1,29
59	670	457	86	59	3409	2325	4,87	1,30
60	775	531	89	61	3564	2441	4,94	1,31
61	607	416	91	62	4733	3242	4,94	1,31
62	690	473	71	49	3275	2244	4,95	1,31
63	797	547	64	44	2436	1671	4,96	1,31
64	745	512	73	50	3049	2095	4,99	1,31
65	717	493	79	54	3105	2135	5,00	1,31
66	631	435	73	50	3247	2235	5,02	1,31
67	785	541	61	42	2678	1846	5,04	1,32
68	586	404	118	81	4358	3008	5,06	1,32
69	738	510	66	45	2657	1837	5,09	1,32
70	594	412	111	77	4928	3420	5,15	1,32
71	744	519	71	49	2709	1888	5,22	1,33
72	783	549	59	41	3049	2136	5,30	1,34
73	641	450	87	61	3656	2563	5,31	1,34
74	578	408	103	73	4671	3298	5,42	1,35
75	592	420	137	97	4654	3297	5,47	1,35
76	536	380	84	60	4697	3331	5,49	1,35
77	621	441	76	54	4083	2901	5,52	1,36
78	604	430	108	77	3950	2809	5,53	1,36
79	718	511	71	51	3406	2425	5,55	1,36
80	713	508	50	36	2572	1832	5,56	1,36
81	617	440	124	88	5494	3917	5,57	1,36
82	710	509	75	54	2994	2146	5,65	1,37
83	743	533	59	42	2859	2053	5,68	1,37
84	786	565	79	57	3012	2165	5,70	1,37
85	626	450	67	48	3680	2646	5,70	1,37
86	613	442	126	91	4981	3588	5,73	1,38
87	718	518	111	80	3467	2502	5,76	1,38
88	778	562	55	40	2610	1887	5,79	1,38
89	775	561	60	44	2444	1770	5,81	1,38
90	750	544	66	48	2568	1861	5,82	1,38
91	598	434	82	60	4084	2963	5,84	1,39
92	672	488	76	55	3047	2213	5,85	1,39
93	627	457	106	77	3928	2862	5,90	1,39
94	644	470	89	65	4488	3278	5,94	1,39
95	621	455	109	79	4687	3430	5,97	1,40
96	562	412	135	99	4786	3507	5,99	1,40
97	618	453	135	99	5382	3944	5,99	1,40
98	644	474	90	67	4124	3038	6,07	1,41
99	628	464	111	82	4501	3321	6,09	1,41
100	660	489	95	71	3397	2514	6,14	1,41
101	701	519	56	42	2724	2016	6,14	1,41
102	647	479	115	85	4155	3078	6,15	1,41
103	658	488	92	68	4080	3024	6,16	1,42
104	718	533	81	60	3157	2347	6,20	1,42
105	635	472	131	97	4302	3200	6,21	1,42
106	697	521	66	49	3085	2306	6,28	1,43
107	805	604	65	49	2406	1805	6,34	1,43
108	735	552	62	46	2533	1903	6,36	1,43
109	689	520	100	76	4479	3379	6,42	1,44
110	750	567	57	43	2488	1880	6,44	1,44
111	714	539	65	49	2688	2032	6,45	1,44
112	661	502	68	52	3113	2365	6,52	1,45
113	652	497	114	87	4387	3342	6,56	1,45
114	651	497	105	80	4176	3185	6,58	1,46
115	688	525	77	59	3545	2706	6,59	1,46
116	729	559	87	67	3001	2302	6,66	1,46
117	733	562	61	46	2499	1917	6,66	1,46
118	770	591	64	49	3279	2519	6,68	1,47
119	702	541	93	72	3179	2449	6,72	1,47
120	690	532	85	66	3685	2842	6,74	1,47
121	728	562	65	50	3080	2377	6,75	1,47
122	709	549	54	42	2808	2172	6,78	1,48
123	727	564	58	45	2890	2242	6,82	1,48
124	788	614	52	41	2500	1947	6,88	1,49
125	744	583	78	61	3478	2723	6,95	1,49
126	642	504	106	84	4344	3409	6,98	1,50
127	789	621	68	53	3247	2553	7,01	1,50
128	710	560	87	68	3068	2417	7,04	1,50
129	680	539	66	52	3032	2404	7,13	1,51
130	669	535	96	77	3671	2937	7,25	1,53
131	703	564	59	48	2889	2316	7,28	1,53
132	650	522	108	87	3559	2862	7,32	1,54
133	740	597	57	46	2588	2087	7,36	1,54
134	657	530	102	82	3477	2806	7,37	1,54
135	638	515	88	71	4497	3629	7,37	1,54
136	747	606	76	61	2870	2328	7,44	1,55
137	627	509	100	81	4270	3469	7,46	1,55
138	794	649	65	53	2742	2243	7,55	1,56
139	741	607	86	71	3034	2487	7,58	1,56
140	636	525	113	94	4529	3737	7,67	1,58
141	726	600	74	61	3062	2529	7,68	1,58
142	753	623	75	62	2965	2454	7,71	1,58
143	724	599	56	46	2722	2253	7,71	1,58
144	645	535	119	99	4674	3874	7,73	1,58
145	793	660	62	51	2991	2487	7,77	1,59
146	754	627	82	68	2931	2439	7,78	1,59
147	726	605	51	43	2657	2214	7,80	1,59
148	709	591	56	47	2886	2405	7,80	1,59
149	695	579	68	57	3242	2701	7,80	1,59
150	730	620	66	56	2741	2328	8,05	1,62
151	657	560	78	66	3317	2824	8,08	1,63
152	749	639	76	65	3574	3052	8,12	1,63
153	745	638	112	95	3164	2709	8,15	1,63
154	711	611	72	62	3332	2861	8,19	1,64
155	709	612	70	60	3282	2829	8,24	1,65
156	687	594	69	60	3476	3006	8,28	1,65
157	758	665	90	79	3087	2708	8,46	1,67
158	653	578	106	94	4537	4021	8,59	1,69
159	703	624	94	84	4076	3613	8,59	1,69
160	738	667	104	94	3198	2891	8,83	1,73
161	765	693	68	61	3270	2960	8,85	1,73
162	753	683	83	75	2977	2699	8,87	1,73
163	754	683	66	60	3142	2849	8,87	1,73
164	654	597	89	81	4363	3986	8,96	1,74
165	672	617	78	72	3889	3574	9,03	1,75
166	771	713	67	62	3011	2786	9,11	1,77
167	661	629	78	75	4386	4177	9,45	1,82
168	719	698	97	94	3348	3247	9,66	1,85
tab. 1 – kolumny 2-7: pomiary zawartości CO, NO, CH4 w spalinach oraz wartości przeliczone na stałą zawartość tlenu w spalinach – 10%. Kolumny 8-9: procentowy udział tlenu w spalinach oraz współczynnik nadmiaru powietrza λ

Qw	Bb	Vw	ρw	mw	Cw	twwlot	twwylot	η
MJ/kg	kg/h	m3/h	kg/m3	kg/h	J/kg K	C	C	%
15,98	4,5	0,506	983,24	497,52	4207	61	85	69,9
tab. 2 – parametry wody i paliwa potrzebne do obliczenia sprawności kotła ηb. Qw – wartość opałowa paliwa, Bb – strumień masy paliwa, Vw – strumień objętości wody w instalacji,
ρw – gęstość wody Cw – ciepło właściwe wody		wartości odczytane z tablic dla temperatury wody 61 C
mw – strumień masowy wody twwlot, twwylot – temperatura wody na zasilaniu i powrocie z instalacji

5. PRZYKŁADY OBLICZEŃ

$$\eta_{b} = \frac{m_{w} \cdot C_{w} \cdot \left( t_{\text{wwylot}} - t_{\text{wwlot}} \right)}{B_{b} \cdot Q_{w}} \cdot 100\% = \frac{497,52 \cdot 4207 \cdot \left( 85 - 61 \right)}{4,5 \cdot 15.98 \cdot 10^{6}} \cdot 100\% = 69,9\%\ \ $$

dla pierwszego pomiaru:

$$\lambda = \frac{21}{21 - O_{2}} = \frac{21}{21 - 0,68} = 1,03$$

$$NO^{10\%} = NO^{\text{zm}}\ \bullet \frac{21 - 10}{21 - O_{2}} = 485 \cdot \frac{21 - 10}{21 - 0,68} = 262\ ppm$$

$$CH_{4}^{10\%} = CH_{4}^{\text{zm}} \cdot \frac{21 - 10}{21 - O_{2}} = 222 \cdot \frac{21 - 10}{21 - 0,68} = 120\ ppm$$

$$CO^{10\%} = CO^{\text{zm}} \cdot \frac{21 - 10}{21 - 0,68} = 11157 \cdot \frac{21 - 10}{21 - 0,68} = 6040\ ppm$$

6. WYKRESY

wyk.1 – Zależność zawartości tlenku azotu w spalinach od współczynnika nadmiaru powietrza
wyk.2 – Zależność zawartości metanu w spalinach od współczynnika nadmiaru powietrza
wyk.3 – Zależność zawartości tlenku węgla w spalinach od współczynnika nadmiaru powietrza

7. UWAGI I WNIOSKI

Sprawność kotła obliczona na podstawie danych zamieszczonych w tab. 2 wynosi ok. 70%. Jest To wartość niższa niż podawana przez producenta (http://zebiec-kotly.eu/seria-kp/) – ok, 90%. Głównym powodem jest fakt, że w czasie doświadczenia strumień powietrza był ręcznie regulowany w celu zebranie danych na temat zawartości zanieczyszczeń w spalinach. Kocioł ten jest wyposażony system płynnego sterowania pracą kotła który umożliwia w pełni automatyczny dobór ilości dawki paliwa i powietrza do spalania w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ciepło przy zachowaniu najwyższej sprawności. dodatkowymi powodami mogą być błędy pomiaru temperatury wody na wlocie i wylocie z wymiennika, zużycie samego kotła, jak i aparatury pomiarowej a także jakość dostarczonego do badania paliwa.

Udział zanieczyszczeń w spalinach jest zróżnicowany, zarówno pod względem ich zawartości, a także proporcjonalności w stosunku do współczynnika nadmiaru powietrza.

Zawartość tlenku węgla wyraźnie maleje wraz ze wzrostem λ. Przyczyną jest niecałkowite spalanie zawartego w paliwie węgla w warunkach niedostatku tlenu. Przy wzroście współczynnika nadmiaru powietrza z 1,03 do 1,13 udział CO w spalinach zmalał dwukrotnie. Na wyk. 3 można zaobserwować, że w przypadku wzrostu wartości λ powyżej 1,5, udział CO zaczyna rosnąć.

Spowodowane jest to zbyt dużym wywiewaniem paliwa z paleniska co skraca czas przebywania w płomieniu i prowadzi do wzrostu produktu niecałkowitego spalenia węgla – CO.

W przeciwieństwie do tlenku węgla – udział NO w spalinach rośnie wraz ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza. Przyczyna tego zjawiska jest bardziej skomplikowana niż w przypadku spalania węgla. Udział azotów paliwowych N_f jest niewielki a temperatura spalania nie przekracza wartości przy której następuje termiczny mechanizm powstawania NO. Ważną rolę odgrywa natomiast zawarty w biomasie wapń. Jest on katalizatorem w reakcji konwersji związków N_f do NO. Zgodnie z tab. 6.5 na stronie 192 wyd. V podręcznika Spalanie i Paliwa możemy, na przykładzie słomy, zaobserwować, że podczas termicznego rozkładu biomasy wydzielona zostaje duża ilość cyjanowodoru NH₃, który utlenia się do NO. W związku z tym, wraz ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza, jego zawartość - rośnie.

Na wyk. 2 możemy zaobserwować, że prócz kilku pierwszych wartości, udział metanu w spalinach nie zależy od współczynnika nadmiaru powietrza. Jego źródłem jest termiczny rozkład związków o skomplikowanej strukturze, np. CH₃COOH lub CH₃CHO. Te natomiast, są składnikami lotnych produktów termicznego rozkładu biomasy. Ich udział zatem, zależy głównie od temperatury płomienia.

Wszystkie pomiary zawartości zanieczyszczeń w spalinach wahają się w pewnych granicach. Spowodowane jest to faktem, że silnik elektryczny podaje paliwo pulsacyjnie, więc do zadanej wartości λ zbliżamy się raz z lewej, raz z prawej strony.