SPALANIE BIOMASY

1. Wstęp teoretyczny

BIOMASA – ulegająca biodegradacji frakcja produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej, leśnej i powiązanych gałęzi przemysłu. Jest ona zero emisyjna – tzn. w trakcie jej spalania do atmosfery dostaje się tyle dwutlenku węgla ile wcześniej zostało przez roślinę pochłonięte w czasie jej wzrostu. Biomasa powstaje w trakcje fotosyntezy:

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

CH₂O – ogólny wzór węglowodanów

Biomasa roślinna składa się z trzech podstawowych składników: celulozy (45-55 %), hemicelulozy (12-22 %) oraz ligniny (20-30 %). Wszystkie one są naturalnymi polimerami, z czego dwa pierwsze należą do polisacharydów (cukrów). Poza tymi głównymi składnikami biomasę roślinną tworzą również pektyny, tłuszcze i woski.

Zawartość węgla w biomasie jest znacznie mniejsza niż w typowych paliwach kopalnych (około 50 %), co spowodowane jest dużym udziałem tlenu (około 40-50 %). Zawartość wodoru w węglu i biomasie jest zbliżona i wynosi około 6 %. To wpływa na stosunkowo niską wartość opałową (w porównaniu do paliw kopalnych). Dodatkowo, na jej kaloryczność wpływa również negatywnie duża zawartość wilgoci.

Spalanie biomasy przebiega w czterech etapach charakterystycznych również dla węgla:

1) Nagrzewanie i suszenie

2) Rozkład termiczny

3) Spalanie produktów rozkładu termicznego

4) Spalanie pozostałości koksowej

Ale duża wilgotność opóźnia zapłon oraz wydłuża czas suszenia, dodatkowo rozkład termiczny skutkuje znacznym ubytkiem masy, a spalanie koksu z biomasy odbywa się znacznie szybciej niż np. z węgla brunatnego.

Problemy użytkowania biomasy:

- Ze względu na swoją włóknistą strukturę biomasa nie nadaje się do mielanie w młynach kulowych. Jej rozdrobnienie jest znacznie bardziej energochłonne niż ma to miejsce w przypadku węgla,

- Niska gęstość nasypowa powoduje, że transport biomasy jest kosztowny,

- Duża zawartość chloru oraz metali alkalicznych powoduje szlakowanie kotła, korozję i defluidyzację złoża (w paleniskach fluidalnych).

Wstępna obróbka biomasy:

1) suszenie

2) rozdrabnianie

3) zagęszczanie (peletyzacja, brykietowanie)

Mówiąc o biomasie warto zaznaczyć, że jej zastosowanie w procesach energetycznych nie ogranicza się tylko do spalania. Biomasa znajduje również zastosowanie w następujących procesach: zgazowania i pirolizy, fermentacji, konwersji do paliw ciekłych: olejów, alkoholi, estrów.

2. Cel ćwiczenia i schemat stanowiska

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem kotła małej mocy na paliwo biomasowe (pelety), wykonanie bilansu energetycznego układu grzewczego oraz pomiar emisji zanieczyszczeń podczas spalania biomasy.

3. Tabela pomiarowa

NO [ppm]	CH4 [ppm]	CO [ppm]	O2 [%]	λ	CO^10% [ppm]	NO^10% [ppm]
153	3365	31005	3,66	1,2111	19668,93	96,91
146	2715	27879	3,78	1,2195	17808,90	93,04
143	2573	27424	3,83	1,2231	17569,04	91,84
155	3635	32068	3,89	1,2274	20616,21	99,34
150	3017	31427	4,12	1,2441	20479,56	97,82
150	2792	29395	4,14	1,2456	19178,26	97,60
150	3496	30171	4,18	1,2485	19731,27	97,93
148	2895	28544	4,21	1,2507	18700,61	97,05
151	3337	31868	4,24	1,2530	20915,73	99,32
151	2731	31255	4,25	1,2537	20525,40	98,88
151	2925	31434	4,28	1,2560	20680,24	99,13
149	3047	29348	4,32	1,2590	19354,25	98,16
154	3820	32802	4,37	1,2628	21697,09	102,14
157	3563	32636	4,39	1,2643	21613,56	103,77
160	3667	33050	4,43	1,2674	21940,24	106,26
150	2952	29197	4,53	1,2750	19500,45	100,01
148	3041	29467	4,54	1,2758	19692,70	98,66
147	3334	31032	4,55	1,2766	20750,68	98,60
149	3295	30297	4,56	1,2774	20271,53	99,94
149	3699	30904	4,72	1,2899	20881,24	100,49
148	2954	28975	4,8	1,2963	19674,06	100,68
139	2500	25400	4,84	1,2995	17289,73	94,49
…	…	…	…	…	…	…

4. Obliczenia

Wyznaczanie współczynnika nadmiaru powietrza λ

$$\lambda = \frac{21}{21 - \ O_{2}} = \ \frac{21}{21 - 3,66} = 1,2111$$

21 – zawartość tlenu w powietrzu (procent)

O₂ – zawartość tlenu w spalinach (procent)

Przeliczenie poziomu zanieczyszczeń na odniesiony do stałej zawartości tlenu 10%

$$\text{CO}^{10\%} = \ \text{CO}^{\text{zm}} \bullet \frac{21 - 10}{21 - \ O_{2}} = 31005 \bullet \frac{21 - 10}{21 - 3,66} = 19668,93\ ppm$$

$${NO}^{10\%} = \ {NO}^{\text{zm}} \bullet \frac{21 - 10}{21 - \ O_{2}} = 153 \bullet \frac{21 - 10}{21 - 3,66} = 96,91\ ppm$$

CO^10% – przeliczona zawartość CO w spalinach (ppm)

NO^10% – przeliczona zawartość NO w spalinach (ppm)

CO – zmierzona zawartość CO w spalinach (ppm)

NO – zmierzona zawartość NO w spalinach (ppm)

21 – zawartość tlenu w powietrzu (procent)

10 – referencyjna zawartość tlenu w spalinach (procent)

O₂ – zawartość tlenu w spalinach (procent)

5. Wykresy

6. Wnioski