Spalanie biomasy

1. Wprowadzenie:

Biomasa to najstarsze i najszerzej współcześnie wykorzystywane odnawialne źródło energii. Jest to masa materii zawarta w organizmach, podawana w odniesieniu do powierzchni lub objętości. Wyrażana jest w postaci świeżej masy (organizmów żywych lub naturalna masa organizmów żywych) oraz suchej masy (masa organizmów żywych po wysuszeniu lub odparowaniu wody).

Najważniejsze związki chemiczne, które ją tworzą to: holoceluloza, lignina, pektyny, woski i tłuszcze. W porównaniu z węglem biomasa charakteryzuje się większym udziałem tlenu i części lotnych oraz mniejszym udział pierwiastka węgla. Poprzez fotosyntezę energia słoneczna jest akumulowana w biomasie, początkowo organizmów roślinnych, później w łańcuchu pokarmowym także zwierzęcych.

Energię zawartą w biomasie można wykorzystać dla celów człowieka. Polega to na przetwarzaniu na inne formy energii poprzez spalanie biomasy lub spalanie produktów jej rozkładu. W wyniku spalania uzyskuje się ciepło, które może być przetworzone na inne rodzaje energii, np. energię elektryczną. Duża różnorodność nadających się do energetycznego wykorzystania gatunków biomasy powoduje, że istnieje wiele technicznych rozwiązań stosowania biomasy jako nośnika energii pierwotnej.

Do celów energetycznych wykorzystuje się najczęściej:

• drewno o niskiej jakości technologicznej oraz odpadowe

• odchody zwierząt

• osady ściekowe

• słomę i inne odpady produkcji rolniczej

• wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych

• oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce.

Biomasę warto wykorzystywać z wielu powodów. Paliwo to jest nieszkodliwe dla środowiska: ilość dwutlenku węgla emitowana do atmosfery podczas jego spalania równoważona jest ilością CO2 pochłanianego przez rośliny, które odtwarzają biomasę w procesie fotosyntezy. Ogrzewanie biomasą staje się opłacalne, ponieważ ceny biomasy są konkurencyjne na rynku paliw. Zasoby biomasy są dostępne na całym świecie. Jako źródło energii elektrycznej biomasa jest mniej zawodna niż – na przykład - energia wiatru czy energia Słońca . Jej zasoby mogą być magazynowane i wykorzystywane w zależności od potrzeb, a ich transport i magazynowanie nie pociąga za sobą takich zagrożeń dla środowiska, jak transport czy magazynowanie ropy naftowej bądź gazu ziemnego. Poza tym wykorzystanie biomasy z terenów leśnych i z pastwisk zmniejsza ryzyko pożaru, zaś uprawy na cele energetyczne pozwalają też zagospodarować nieużytki rolne i rekultywować tereny poprzemysłowe

Wśród wad biomasy należy wymienić:

• szeroki przedział wilgotności biomasy, utrudniający jej przygotowanie do wykorzystania w celach energetycznych,

• mniejszą niż w przypadku paliw kopalnych wartość energetyczną surowca: do produkcji takiej ilości energii, jaką uzyskuje się z tony dobrej jakości węgla kamiennego potrzeba około 2 ton drewna bądź słom

• stosunkowo małą gęstość surowca, utrudniającą jego transport, magazynowanie i dozowanie.

1. Schemat układu pomiarowego:

Rysunek 1 Schemat stanowiska.

2. Wodna

nagrzewnica powietrza;

1. Komin;

2. Termometr membranowy;

3. Manometry;

4. Pompa;

5. Przepływomierz;

6. Naczynie wzbiorcze;

7. Kocioł;

8. Przewód spalinowy;

9. Panel sterownika kotła;

10. Wentylator powietrza;

11. Zasobnik paliwa;

12. Miernik

temperatury płomienia;

1. Miernik temperatury spalin;

2. Silnik krokowy;

3. Analizator spalin;

4. Podajnik ślimakowy;

1. Wykaz przyrządów pomiarowych:

• analizator spalin

• rotametr

• miernik temperatury spalin

• termometr membranowy

1. Tabele pomiarowe:

Numer pomiaru	strumień objętościowy wody qv	Temperatura
		wody
		na wylocie tw1
	m^3/h	^oC
1	0,922	66
2	0,941	68
3	0,932	68
4	0,926	68
5	0,942	68
średnia	0,933	68

Tabela 1.1 Wyniki pomiarów.

Skład spalin
O2
%
0,01
0,05
0,06
0,07
0,1
0,11
0,12
0,14
0,16
0,18
0,19
0,74
1,06
1,16
1,21
1,56
1,6
1,61
1,76
1,95
1,98
2,05
2,84
2,96
3,35
3,56
3,59
3,69
3,74
3,87
3,89
3,95
4,08
4,62
4,67
4,71
4,77
5,12
5,23
5,27
5,36
5,41
5,51
5,84
5,84
5,91
5,95
5,96
6,15
6,27
6,29
6,35
6,35
6,36
6,36
6,4
6,53
6,55
6,85
6,9
6,91
6,94
6,98
7,18
7,21
7,51
7,52
7,66
7,66
7,74
7,77
7,84
7,84
7,96
7,96
8,02
8,12
8,12
8,36
8,4
8,55
8,57
8,64
8,83
8,84
8,98
9,06
9,15
9,44
9,52
9,65
9,66
9,92
9,97
10,1
10,1
10,2
10,2
10,2
10,3
10,4
10,4
10,4
10,5
10,5
10,5
10,8
10,8
10,8
10,8
10,9
11
11
11,1
11,2
11,2
11,3
11,3
11,4
11,6
11,7
11,8
11,8
11,8
11,9
12,1
12,3
12,5

Tabela 1.2 Wyniki pomiarów.

1. Przykładowe obliczenia:

• współczynnik nadmiaru powietrza

np.:

• udział tlenku węgla w odniesieniu do stałej zawartości tlenu 10%

np.:

• udział tlenku azotu w odniesieniu do stałej zawartości tlenu 10%

np.:

• sprawność kotła

, gdzie

, , ,

- strumień paliwa

- wartość opałowa paliwa

Wyniki obliczeń:

Qi paliwa	13,5	MJ/kg
Bb - strumień masy paliwa	0,00125	kg/s
Cw dla 60⁰C	4,189	J/(kg·deg)
Gęstość wody dla 60⁰C	983.2	kg/m3
Strumień masy wody	0,255	kg/s
Sprawność kotła	72,72%

Tabela 1.3 Wyniki obliczeń.

Nox ppm	Lambda %	Co-10% ppm	NOx-10% ppm	CH4-10% ppm
340	1,00	30776	178	1006
381	1,00	29711	200	2060
394	1,00	28352	207	3776
402	1,00	32285	211	2864
324	1,00	24904	171	753
390	1,01	24640	206	1198
383	1,01	22870	202	2453
348	1,01	23042	183	1643
374	1,01	25947	197	1965
378	1,01	24821	200	1504
368	1,01	20306	195	855
415	1,04	24854	225	2888
381	1,05	13090	210	723
372	1,06	20428	206	1058
372	1,06	24537	207	1758
357	1,08	13185	202	689
363	1,08	19309	206	796
410	1,08	21634	232	1020
357	1,09	19447	204	707
440	1,10	9305	254	310
374	1,10	11767	216	514
431	1,11	11616	250	331
366	1,16	12190	222	485
453	1,16	8429	276	304
426	1,19	12736	265	421
412	1,20	12251	260	213
372	1,21	11716	235	434
481	1,21	12095	305	156
438	1,22	12703	279	226
431	1,23	12468	277	191
452	1,23	8223	291	305
467	1,23	5876	302	186
361	1,24	12458	235	486
452	1,28	8583	304	280
415	1,29	6967	280	264
454	1,29	5749	307	174
464	1,29	6097	314	174
421	1,32	6731	292	201
441	1,33	9944	308	324
412	1,34	8695	288	298
422	1,34	7192	297	237
448	1,35	5912	316	200
467	1,36	10949	332	324
427	1,39	7724	310	267
444	1,39	12583	322	569
456	1,39	8965	333	376
491	1,40	1955	359	40
428	1,40	2198	313	51
455	1,41	7683	337	251
428	1,43	12561	320	420
490	1,43	4697	366	98
457	1,43	6076	343	223
468	1,43	5077	352	141
510	1,43	5492	383	137
442	1,43	6416	332	207
407	1,44	9306	307	325
477	1,45	5240	363	160
467	1,45	5714	356	136
425	1,48	8366	330	259
528	1,49	3764	412	69
502	1,49	4313	392	72
437	1,49	6924	342	211
511	1,50	4570	401	96
448	1,52	9932	357	373
418	1,52	10521	333	419
476	1,56	5377	388	168
442	1,56	11806	360	405
518	1,57	2034	427	41
481	1,57	5176	397	99
464	1,58	7076	385	218
447	1,59	10972	372	380
494	1,60	10153	413	301
448	1,60	10620	375	452
495	1,61	4551	417	86
499	1,61	4533	421	123
478	1,62	4646	405	118
537	1,63	3535	458	56
486	1,63	5540	415	188
518	1,66	5315	451	121
449	1,67	7212	392	198
469	1,69	7677	415	228
436	1,69	7857	385	261
507	1,70	4448	451	67
500	1,73	4013	452	97
467	1,73	6114	423	154
490	1,75	4396	448	101
525	1,76	2395	484	42
498	1,77	5034	463	137
486	1,82	9495	462	315
491	1,83	5279	470	159
460	1,85	6030	446	128
470	1,85	7485	455	212
478	1,90	5364	475	104
489	1,90	4257	488	90
435	1,93	7525	439	224
434	1,93	7428	439	239
491	1,94	5124	497	123
500	1,94	4869	508	74
515	1,95	4597	526	76
456	1,97	7067	471	182
505	1,97	6075	521	132
477	1,97	4876	492	107
419	1,98	9093	434	319
516	1,99	3433	538	64
440	1,99	11262	460	411
471	2,01	4885	495	101
462	2,05	8038	496	227
453	2,06	6529	488	158
464	2,06	5650	500	128
471	2,06	5683	509	152
462	2,08	7007	504	205
489	2,10	6098	537	138
495	2,10	4867	545	113
482	2,12	6723	534	152
417	2,15	9889	468	355
451	2,15	6404	508	162
452	2,16	6649	511	183
478	2,17	5840	544	100
467	2,20	6353	537	148
415	2,24	10544	488	321
456	2,27	6847	541	146
427	2,27	8914	508	257
447	2,28	9419	532	283
414	2,29	10862	496	335
437	2,31	8333	529	247
445	2,36	8930	551	277
396	2,41	11033	500	367
424	2,47	9002	549	278

Tabela 1.4 Wyniki obliczeń.

1. Wykresy:

Wykres 1 Wływ nadmiaru powietrza na zawartość CO w spalinach.

Wykres 2 Wpływ nadmiaru powietrza na zawartość NO w spalinach.

Wykres 3 Wpływ powietrza na zawartość metanu w spalinach.

Wykres 4 Wpływ powietrza na zawartość poszczególnych związków w spalinach.

1. Uwagi i wnioski:

• Doświadczenie polegało na wyznaczeniu charakterystyk udziału tlenku węgla i azotu w spalinach dla stałej zawartości tlenu równej 10% i wyznaczenie sprawności kotła. Spalając biomasę należało się spodziewać dużej zawartość czadu i znacznie niższego udziału tlenku azotu w spalinach. Potwierdzeniem tego są wyniki naszych pomiarów ukazujące dużą różnice udziałową obu powyższych związków.

• W doświadczeniu uzyskaliśmy niższą sprawność kotła (72,71%) od podawanej przez producenta. Sprawność kotła KP15 (wykorzystanego podczas doświadczenia) powinna wynosić około 90% dla ekogroszku. Spadek sprawności jest spowodowany między innymi:

- zbyt krótkim czasem wykonywania pomiarów od momentu uruchomienia,

- wykorzystaniem innego paliwa niż zalecane przez producenta – pelet z pszenicy i rzepaku zamiast ekogroszku,

- przeróbką kotła do celów laboratoryjnych – wstawienie szyby w drzwiczkach do komory spalania, co powoduje znaczne straty ciepła.

• Na podstawie wykresów możemy stwierdzić, że wraz ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza:

- spada zawartość CO w spalinach,

- wzrasta zawartość NO w spalinach,

- spada zawartość CH₄ w spalinach.