1. WSTĘP TEORETYCZNY

Biomasa jest wytwarzaną w organizmach roślinnych i zwierzęcych materią organiczną, różnorodną ze względu na skład chemiczny, formę, stan skupienia. Najpowszechniej spalaną biomasą w energetyce cieplnej jest biomasa roślinna w postaci stałej. Najważniejszym typem biomasy

o podstawowym znaczeniu energetycznym jest lignino-celuloza, którą dzieli się na trzy grupy biomasy: drewno i odpady drzewne; słomy i trawy; skorupy i łuski.

Biomasa jest substancją zwykle palną, jednak często jest przetwarzana na biopaliwa, ponieważ nie zawsze nadaje się do bezpośredniego wykorzystania. Większość prognoz przewiduje zwiększenie zużycia biomasy w bieżącym stuleciu m.in. dlatego, że użytkowanie biomasy nie przyczynia się do efektu cieplarnianego, ponieważ podczas jej przetwarzania bilans CO₂ jest zerowy.

Większość biomasy jest pochodzenia roślinnego oraz powstała w procesie fotosyntezy

nCO₂ +  nH₂O + swiatlo  → (CH₂O)_n +  nO₂

Biomasa użyteczna w celach energetycznych: odpady z produkcji i przetwarzania roślin; rośliny szybko rosnące, hodowane do celów energetycznych; odchody z produkcji zwierzęcej i niektóre odpady komunalne. W Polsce do najważniejszych rodzajów biomasy zalicza się: drewno, słomę, rośliny oleiste, rośliny przeznaczone na fermentację alkoholową, obornik, gnojowicę i odpady organiczne.

Biopaliwa wytwarza się ze względu na duże zawilgocenie biomasy, jej stan skupienia lub zróżnicowane rozmiary. mają większą wartość opałową niż biomasa, jednak są kosztowne
i energochłonne do wytworzenia. Do najważniejszych operacji przetwarzania roślinnej biomasy na biopaliwa stałe należą: suszenie, rozdrabnianie, zagęszczanie i spajanie.

Do sposobów energetycznego wykorzystania biomasy należą: spalanie i współspalanie oraz zgazowanie.

Mechanizm spalania drewna:

1. Nagrzewanie i suszenie.

2. Rozkład termiczny.

3. Spalanie produktów rozkładu termicznego.

4. Spalanie pozostałości koksowej.

Suszenie odbywa się bez reagowania chemicznego, następnie zachodzi odgazowanie i spalanie części lotnych, na końcu spala się karbonizat. Zapłon drewna opóźnia duży udział wody w nim zawartej. Drewno jako paliwo wymaga dużego nakładu pracy (należy je pozyskać, rozdrobnić i posegregować. Ze względu na organizację procesu spalania można wyróżnić cztery ważniejsze typy palenisk:

-paleniska warstwowe (ruszty stałe i przesuwne);

-fluidalne,

-retortowe,

-cyklonowe.

Mechanizm zgazowania i odgazowania drewna:

Zgazowanie drewna polega na działaniu na nie w podwyższonej temperaturze czynnikiem zgazowującym (O₂, H₂O, CO₂ i ich mieszaninami) w warunkach niedoboru tlenu. Czynnikiem zgazowującym biomasę najczęściej jest powietrze z parą wodną. Piroliza biomasy to niekompletny rozkład termiczny , którego produktami są: koks, kondensujące składniki ciekłe, smoła oraz gaz. Produkty ciekłe zawierają m.in. wodę, kwas mrówkowy, kwas octowy, aceton, fenol, toluen. Składniki gazów pirolitycznych to m.in. H₂, H₂O, CO, CO₂, CH₄. Ilość i skład gazu, smoły, karbonizatu zależy od szybkości nagrzewania, temperatury końcowej i czasu trwania pirolizy.

Mechanizm spalania słomy: jest podobny do spalania drewna, jednak słoma spala się wolniej, ponadto po spaleniu słomy pozostaje około 10 razy więcej popiołu niż po spaleniu drewna.

1. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO

Przyrządy pomiarowe :

1. Wodna nagrzewnica powietrza

2. Komin

3. Naczynie wzbiorcze

4. Palenisko

5. Kocioł wodny

6. Zasobnik paliwa

7. Podajnik ślimakowy

8. Silnik krokowy

9. Analizator spalin

10. Miernik temperatury spalin

11. Wentylator powietrza

12. Manometr

13. Przepływomierz

14. Manometr

15. Pompa obiegowa

16. Manometr

17. Termometr membranowy

18. Termometr membranowy

19. Przewód spalinowy

20. Panel sterowania kotła

1. TABELE POMIAROWE

Tabela . Zestawienie danych pomiarowych

Nr pomiaru	Strumień obj. wody	Temperatura wody
-	[m3/h]	[⁰C]
		tw1
1	0,905	69
2	0,907	69
3	0,898	68
4	0,903	65
5	0,900	62
6	0,920	64
Średnia:	0,906	66,17

Tabela . Zestawienie danych pomiarowych c.d. (fragment tabeli pomiarowej - pierwsze 20 pomiarów)

L.p.	NO2	NO2^10%	NO	NO^10%	NOx^10%	CH4	CO	CO^10%	O2	λ
	ppm	ppm	ppm	ppm	ppm	ppm	ppm	ppm	%	-
1.	7	4	153	97	101	3365	31005	19669	3,66	1,21
2.	7	5	146	93	98	2715	27879	17809	3,78	1,22
3.	7	4	143	92	96	2573	27424	17569	3,83	1,22
4.	7	5	155	99	104	3635	32068	20616	3,89	1,23
5.	7	5	150	98	102	3017	31427	20480	4,12	1,24
6.	7	5	150	98	102	2792	29395	19178	4,14	1,25
7.	8	5	150	98	103	3496	30171	19731	4,18	1,25
8.	8	5	148	97	102	2895	28544	18701	4,21	1,25
9.	7	5	151	99	104	3337	31868	20916	4,24	1,25
10.	7	4	151	99	103	2731	31255	20525	4,25	1,25
11.	7	5	151	99	104	2925	31434	20680	4,28	1,26
12.	8	5	149	98	103	3047	29348	19354	4,32	1,26
13.	7	5	154	102	107	3820	32802	21697	4,37	1,26
14.	7	5	157	104	108	3563	32636	21614	4,39	1,26
15.	7	5	160	106	111	3667	33050	21940	4,43	1,27
16.	8	5	150	100	105	2952	29197	19500	4,53	1,28
17.	8	5	148	99	104	3041	29467	19693	4,54	1,28
18.	7	5	147	99	103	3334	31032	20751	4,55	1,28
19.	8	5	149	100	105	3295	30297	20272	4,56	1,28
20.	8	5	149	100	106	3699	30904	20881	4,72	1,29

Qpaliwa	13,5	MJ/kg
B - strumień masy paliwa	0,00125	kg/s
Cw dla 55^oC	4176	J/kgK
Gęstość wody dla 55^oC	985,7	kg/m3
Średni strumień masy wody	0,25	kg/s

1. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA
   

   • Obliczanie strumienia masy wody:
     
     m_w = V_w ∙ ρ = 0,906 ∙ 985,7 = 893,05$\frac{\text{kg}}{h}$ = 0,25 $\frac{\text{kg}}{s}$

   • Obliczanie sprawności kotła ze wzoru:

$$\mathbf{\eta =}\frac{\mathbf{m}_{\mathbf{w}}\mathbf{\bullet}\mathbf{C}_{\mathbf{w}}\mathbf{(}\mathbf{t}_{\mathbf{w}\mathbf{1}}\mathbf{-}\mathbf{t}_{\mathbf{w}\mathbf{2}}\mathbf{)}}{\mathbf{B}_{\mathbf{b}}\mathbf{\bullet}\mathbf{Q}_{\mathbf{w}}}\mathbf{\bullet 100}$$

η - sprawność kotła (procent)

m_w - średni strumień masy wody w instalacji (kg ∙ s^-1)

C_w - ciepło właściwe wody (kJ ∙ kg^-1 ∙ deg^-1)

tw1 – średnia temperatura wody na zasilaniu instalacji (deg)

t_w2 - średnia temperatura wody na powrocie do kotła (deg)

Qw – wartość opałowa paliwa (kJ·kg-1)

Bb – strumień masy paliwa (kg·s-1)

$$\eta = \frac{0,25 \bullet 4176(66,17 - 54,33)}{13,5 \bullet 10^{6} \bullet 0,00125} = 73,25\ \%$$

• Obliczanie zawartości CO w spalinach na 10% tlenu:

$$\mathbf{\text{CO}}^{\mathbf{10\%}}\mathbf{=}\mathbf{\text{CO}}^{\mathbf{\text{zm}}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{21 - 10}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}}$$

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{CO}^{10\%} = 25160 \bullet \frac{21 - 10}{21 - 3,66} = 19669\ ppm$$

• Obliczanie zawartości NO w spalinach na 10% tlenu:

$${\mathbf{\text{NO}}_{\mathbf{x}}}^{\mathbf{10\%}}\mathbf{=}{\mathbf{\text{NO}}_{\mathbf{x}}}^{\mathbf{\text{zm}}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{21 - 10}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}}$$

$$\text{NO}^{10\%} = 153 \bullet \frac{21 - 10}{21 - 3,66} = 97\ ppm$$

• Obliczanie zawartości NO₂ w spalinach na 10% tlenu:

$${\mathbf{\text{NO}}_{\mathbf{x}}}^{\mathbf{10\%}}\mathbf{=}{\mathbf{\text{NO}}_{\mathbf{x}}}^{\mathbf{\text{zm}}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{21 - 10}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}}$$

$${NO_{2}}^{10\%} = 7 \bullet \frac{21 - 10}{21 - 3,66} = 4\ ppm$$

• Obliczanie NO_x^10% :

NO_x^10% = NO^10% + NO₂^10% = 97 + 4 = 101 ppm

• Wyznaczanie współczynnika nadmiaru powietrza:

$$\lambda = \ \frac{21}{21 - \ O_{2}}$$

$$\lambda = \ \frac{21}{21 - 3,66\ } = 1,21$$

1. WYKRESY

2. UWAGI I WNIOSKI

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z budową i działaniem kotła małej mocy na paliwo biomasowe (tzw. pelety), wykonanie bilansu energetycznego układu grzewczego oraz pomiar emisji zanieczyszczeń podczas spalania biomasy. Na podstawie wykonanych pomiarów należało wykonać charakterystyki udziału CO, NO_x i CH₄ w spalinach (dla stałej zawartości tlenu 10%) w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza λ. Dodatkowo wyznaczono sprawność kotła.

Moc kotła używanego do powyższego ćwiczenia to ok 15 kW. Spalanym paliwem w kotle były pelety ze słomy rzepakowej o wartości opałowej wynoszącej 13,5 MJ/kg. Podajnik paliwa w kotle był podajnikiem ślimakowym (ślimak nawinięty na pręt), paliwo grawitacyjnie opadało na ślimak, a w następstwie na palenisko retortowe. Powietrze podawano dyszą. Spaliny zasysane wężem, były podawane do kondycjonera, a następnie do analizatora spalin (pomiar w podczerwieni). Wilgoć w spalinach nie była wykrapiana, a zatem podawano spaliny wilgotne ( aby zapobiec wykropleniu utrzymywano stałą temperaturę 180^oC). Pod koniec pomiarów płomień, widoczny przez szybkę w drzwiczkach, wydłużył się i widoczna była sadza.

Sprawność kotła z paleniskiem retortowym wg producenta wynosi ok. 80-90%. Sprawność która została wyznaczona na podstawie obliczeń wyniosła 73,25%. Wynik ten może świadczyć o pojawiających się stratach, które spowodowane są np. przez: niestandardowe warunki pracy kotła lub wstawienie szybki w drzwiach do komory spalania.

Po analizie uzyskanych wykresów (w sposób przybliżony), możemy zauważyć, że wraz ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza λ zawartość NO_x w spalinach wzrasta liniowo, zawartość CH₄ w maleje, natomiast zawartość CO w spalinach spada do chwili, kiedy λ ≅ 3, następnie zauważamy lekki wzrost emisji, gdyż skraca się czas przepływu części lotnych przez kocioł w strefie wysokiej temperatury. Na wykresach widoczny jest znaczny rozrzut punktów, który wynika z niedokładnego przeprowadzenia pomiarów, przyczyną jest m.in zbyt krótki czas pomiaru oraz sposób podawania paliwa do paleniska (podajnik pracował stopniowo: praca podajnika/przerwa/praca podajnika itd.).

Błędy systematyczne w pomiarach wynikają m.in z czynnika ludzkiego oraz błędami które spowodował odczyt analizatora spalin. Małe różnice temperatur wody mogą być spowodowane tym, że nagrzewnica na danym stanowisku była zbyt słaba.