1. Wstęp teoretyczny

Energię cieplną możemy pozyskiwać na wiele różnych sposobów. Jednym z nich jest spalanie biomasy.

Biomasa jest wytwarzaną w organizmach roślinnych i zwierzęcych materią organiczną, bardzo różnorodną ze względu na stan skupienia, formę i skład chemiczny. Zwykle jest substancją palną, ale często nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania w celach energetycznych, dlatego bywa przetwarzana do postaci biopaliw.

Zaletą biomasy jest zerowy bilans emisji CO₂ (jest to jednak pewne uproszczenie nie uwzględniające obróbki biomasy przed jej spaleniem). Ponadto jest to paliwo odnawialne. W porównaniu do węgla biomasa jest znacznie „czystsza” – emisja NOx oraz SO₂ jest mniejsza. W związku ze zmianami klimatu duży nacisk kładzie się na takie źródła energii jak biomasa.

Wyróżniamy wiele typów tego paliwa:

-drewno

-słoma

-rośliny oleiste

-rośliny przeznaczone na fermentację alkoholową

-obornik, gnojowica i odpady organiczne.

Każdy typ biopaliw spala się inaczej, różnią się one także wartościa opałową oraz zawartością substancji mineralnych.

Najczęściej spotykanym biopaliwem jest biomasa drzewna oraz utworzony ze słomy brykiet- tzw. pellet. Podczas doświadczenia w laboratorium w małym kotle z paleniskiem retortowym spalaliśmy pellety ze słomy pszeniczno-rzepakowej.
Ten rodzaj paliwa jest przystosowany bezpośrednio do spalania, jednakże wymaga dosyć kosztownej i energochłonnej obróbki (prasowanie. brykietowanie i transport słomy).

Biopaliwa możemy podzielić ze względu na ich stan skupienia:

a) biopaliwa stałe, takie jak: drwa, wióry drzewne, torf, darń torfowa, trawa, siano.

b) biopaliwa ciekłe, takie jak: olej rzepakowy, etanol, metanol.

c) biopaliwa gazowe, takie jak: gaz z fermentacji metanowej, z termicznego rozkładu drewna, ze zgazowania odpadów drzewnych, ze składowisk śmieci (gaz gnilny).

Wartość opałowa paliw biomasowych jest niższa niż ich nieodnawialnych odpowiedników.

Głównym jednak problemem przy spalaniu biomasy jest szlakowanie się kotłów oraz wolniejszy proces spalania.

Niska gęstość nasypowa biomasy i jej rozproszenie powoduje, że paliwo to jest kosztowne w transporcie i ciężko oprzeć energetykę zawodową jedynie na biomasie.

2. Obliczenia i wykresy

a) wykres 1. zawartość CO^rzecz w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza

Możemy zauważyć, że przy λ ∼ 1 zawartość tlenku węgla jest bardzo wysoka. Spalanie z niedomiarem powietrza często prowadzi do tragicznych konsekwencji, ponieważ wydzielany tlenek węgla zwany czadem wypiera tlen z hemoglobiny, to zaś skutkuje niedotleniem, a w konsekwencji grozi śmiercią.

Na wykresie na osi Y odczytujemy zawartość CO w spalinach odniesioną do stałej zawartości tlenu zgodnie ze wzorem: $\text{CO}^{\text{rzecz}} = \text{CO}^{\text{zmierz}} \bullet \frac{21 - 10}{21 - O_{2}}$

Dostarczenie większej ilości powietrza powoduje spadek zawartości CO w spalinach.

b) wykres 2. Zawartość NO^rzecz w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza

W przypadku tlenków azotu przy λ ∼ 1 ich zawartość jest stosunkowo niska. Rośnie ona wraz ze współczynnikiem nadmiaru powietrza i stabilizuje się dla λ > 1, 9.

Na wykresie na osi Y odczytujemy zawartość CO w spalinach odniesioną do stałej zawartości tlenu zgodnie ze wzorem: $\text{\ \ \ \ }\text{NO}^{\text{rzecz}} = \text{NO}^{\text{zmierz}} \bullet \frac{21 - 10}{21 - O_{2}}$

c) wykres 3. Zawartość CH_{4 rzeczywistego} w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza

Łatwo zauważyć, że zawartość palnego CH₄ dynamicznie maleje wraz ze wzrostem współczynnika lambda. Dla wartości λ ∼ 1 w spalinach znajduje się duża ilość CH₄ – wynika to z niedostatecznej ilości tlenu dostarczonego do spalania, co powoduje, że w spalinach możemy odnaleźć znaczne ilości CH₄ (jest to strata niezupełnego spalania). Dostarczenie odpowiedniej ilości powietrza powoduje, że w spalinach znajdują się śladowe ilości CH_4.

d) wyznaczenie sprawności kotła metodą bezpośrednią

Strumień objętości wody	Ciepło właściwe wody	Temperatura wody na powrocie z kotła	Temperatura wody zasilającej instalacje	Wartość opałowa paliwa	Strumień masy paliwa	Gęstość wody w temp 66 C
m^3/s	kJ/kgK	°C	°C	kJ/kg	kg/s	kg/m^3
0,000264	4,175	66	82	18100	0,00125	980,5

$$\eta = \frac{m_{w} \bullet c_{w} \bullet \left( T_{w2} - T_{w1} \right)}{B_{b} \bullet Q_{w}} \bullet 100\% = \frac{0,2588 \bullet 4,175 \bullet \left( 82 - 66 \right)}{0,00125 \bullet 18100} = 76,43\%$$

$$m_{w} = \dot{V_{\text{wody}}} \bullet \varrho = 0,000264 \bullet 980,5 = 0,2588\ \frac{\text{kg}}{s}$$

Wartość opałową pelletu znalazłem na stronie jednego z producentów tego typu paliw (www.widokenergia.pl)

Gęstość wody i jej ciepło właściwe określiłem na podstawie tabeli znalezionej w internecie. Podane w tabeli wielkości obowiązują dla temperatury 65 °C (nie udało mi się odnaleźć danych dla temp. 66 °C) (www.naukowiec.org)

Przykładowe obliczenia dla zawartości tlenu 0,1 %

$$\text{CO}^{10\%} = \text{CO}^{\text{zm}}*\frac{21 - 10}{21 - O_{2}} = 324*\frac{11}{21 - 0,1} = 171\ ppm$$

$${\text{NO}_{x}}^{10\%} = {\text{NO}_{x}}^{\text{zm}}*\frac{21 - 10}{21 - O_{2}} = 1430*\frac{11}{21 - 0,1} = 753\ ppm$$

$${\text{CH}_{4}}^{10\%} = {\text{CH}_{4}}^{\text{zm}}*\frac{21 - 10}{21 - O_{2}} = 27317*\frac{11}{21 - 0,1} = 14377\ ppm$$

3. Wnioski

- w spalaniu biomasy stosowaliśmy dużo szerszy zakres współczynnika nadmiaru powietrza niż np. w spalaniu oleju opałowego

- w komorze spalania panowała temperatura – około 800°C do 1000°C, a więc wyraźnie niższa niż przy spalaniu oleju opałowego

-dopalanie składników w palenisku retortowym trwa znacznie dłużej niż w typowym kotle energetycznym. Przez wziernik można było obserwować dopalające się na retorcie cząstki biomasy. Takie rozwiązanie jest stosowane, ponieważ biomasa spala się znacznie dłużej od węgla, a więc musi dłużej przebywać w komorze spalania

-dobór optymalnej wartości współczynnika λ jest kompromisem między zawartością szkodliwego tlenku azotu w spalinach (która rośnie wraz ze wzrostem λ) a ilością czadu w spalinach (która spada wraz ze wzrostem λ)

-spalanie w kotle jest niezupełne, ponieważ w spalinach występuje tlenek węgla CO oraz CH₄

-sprawność kotła nie może być określona do końca precyzyjnie, ponieważ nie znamy dokładnie wartości opałowej pelletu

-współczynnik nadmiaru powietrza wzrastał proporcjonalnie do wzrostu ilości obrotów wentylatora

-sprawność kotła obliczona przez nas wyniosła ponad 76%. Nie jest to jednak wynik zbyt wysoki, ponieważ produkowane są kotły o sprawnościach rzędu 90%.

-tlenki azotu znajdujące się w paliwach powstały w paliwowym mechanizmie powstawania tlenków azotu. W słomie znajduje się stosunkowo dużo azotu ( dla słony pszenicznej 0,28% zaś dla rzepakowej nawet 0,8%)¹

---

1. Za tabelą 10.31 Analiza elementarna wybranych gatunków słomy zawartą w podręczniku Spalanie i paliwa pod redakcją Włodzimierza Kordylewskiego.↩