Menu

Właściwości biomasy

Zawartość wilgoci
Wilgotność drewna jest wyrażana jako wartość procentowa i jest obliczana przy użyciu następujących formuł:
Wilgotność w relacji do materiału suchego u (%), wyraża ona ilość wody obecnej w relacji do masy drewna suszonego w suszarni.

ozebio175.jpg

 

Gdzie:

Ww - wilgotność drewna mokrego w %

Wo - wilgotność drewna suszonego w %

 

Wilgotność w relacji do materiału mokrego M (%)
Wyraża ona ilość wody obecnej w relacji do masy drewna świeżego. Miara ta jest używana w handlu paliwami pochodzenia drzewnego.

ozebio176.jpg

Formuły przeliczników
Poniższe formuły używane są do przeliczania u na M i odwrotnie.

ozebio177.jpg

ozebio178.jpg

Skład chemiczny biomasy
Biomasa pochodzenia roślinnego składa sie głównie z węgla (C), tlenu (O) oraz wodoru (H). Węgiel jest substancją o stanie stałym, której energia jest uwalniana w procesie utleniania. Oprócz tego, dodatkowa energia jest dostarczana przez wodór do procesu utleniania, co razem stanowi wartość kaloryczna netto paliwa. W przeciwieństwie, tlen jest jedyną substancją, która podtrzymuje postęp procesu utleniania.

Tabela Skład chemiczny biomasy

ozebio179.jpg

Wpływ składu chemicznego stałych biopaliw na ich spalanie i poziom emisji
Pierwiastki chemiczne, które maja bezpośredni wpływ na poziom szkodliwych emisji produkowanych w procesie spalania to: siarka (S), azot (N), chlor (Cl), oraz zawartość popiołów. Następująca reguła ma ogólne zastosowanie do powyżej wymienionych pierwiastków: im wyższa ich zawartość w paliwie, tym większa ich obecność w emisji substancji szkodliwych do atmosfery.
Zawartość azotu w biopaliwach drzewnych jest stosunkowo niska, natomiast jest znacznie wyższa w zbożach – szczególnie w częściach reproduktywnych (ziarnach) – i przede wszystkim w rzepaku (wytłoczynach rzepakowych); ma to bezpośredni wpływ na tworzenie sie tlenków azotu (NOx), które w czasie spalania, uwalniają się jako gazy i nie są związane w pozostałości popiołu.
Potas (K), który znajduje sie głównie w biopaliwach pochodzenia rolniczego, obniża temperaturę topnienia popiołów, co prowadzi do tworzenia sie żużlów w palenisku, które z kolei sprawiają znaczne problemy w procesie spalania. Co więcej, potas, który powstaje w konsekwencji spalania, jest uwalniany w postaci drobnych cząsteczek, przez co jest obecny w dużych ilościach w cząstkach stałych spalin.
Zawartość siarki (S) w stałych biopaliwach jest znacznie niższa w porównaniu do węglowodorowych paliw kopalnych; siarka generalnie pozostaje w większości w popiołach (40 to 90%), podczas gdy lotny SO2 jest uwalniany z pozostałej zawartości siarki. W odróżnieniu od słomy pochodzącej ze zbóż, która ma znacznie wyższą zawartość chloru (Cl), paliwa drzewne charakteryzują sie raczej niską zawartością tego pierwiastka. Cl ma udział w tworzeniu związków takich jak HCl oraz dioksyn/furanów. pomimo tego, że większa część Cl jest w związkach obecnych w popiołach lotnych (40-95%), pozostała część tego pierwiastka tworzy HCl, co jest ułatwiane przez procesy kondensacji, który to związek, wraz innymi, powoduje korozje wewnętrznych metalowych części kotłów.

Wartość kaloryczna
Wartość kaloryczna paliwa wyraża ilość energii uwalnianej w całkowitym spaleniu jednostki masy danego paliwa. Zawartość wilgoci w drewnie zmienia wartość kaloryczna poprzez jej obniżenie. W rzeczywistości, część energii uwalnianej w procesie spalania jest wykorzystywana na wyparowywanie wody, i przez to, nie jest ona dostępna do założonego celu cieplnego. Wyparowywanie wody wymaga "zużycia" 2.44 MJ na każdy kilogram wody. Możemy wiec rozróżnić następujące wartości:
Wartość kaloryczna netto (Net calorific value - NCV): Woda jest traktowana jako para, tzn. energia ciepła potrzebnego do zamienienia wody w parę wodną (ciepło utajone parowania wody przy 25°C) została odjęta od wartości.
Wartość kaloryczna brutto (Gross calorific value - GCV): Woda w procesie spalania traktowana jest jako płyn. Jeśli nie jest to określone, wartość kaloryczna należy traktować jako wartość kaloryczną netto.

Wartość kaloryczna drewna suszonego w suszarniach (oven-dry calorific value -NCV0) różnych gatunków różni się w wąskim zakresie wartości, od 18,5 do 19 MJ/Kg. W drewnie iglastym jest ona 2% wyższa niż w drewnie liściastym. Różnica ta wynika szczególnie z wyższej zawartości lignin – a także częściowo z powodu wyższej zawartości żywic, wosku, i olejków obecnych w drzewach iglastych. W porównaniu do celulozy (17.2-17.5MJ/kg) i hemicelulozy (16 MJ/kg), lignina ma wyższą zawartość energii (26-27 MJ/kg
ncv). Pewne różnice w bezwodnych wartościach kalorycznych są powodowane niewielkimi różnicami zawartości wodoru (H) oraz stosunkowo większą różnorodnością w składzie popiołów. Jednakże, biorąc pod uwagę także biopaliw pochodzenia rolniczego, bezwodna wartość kaloryczna waha się w przedziale 16,5 do 19 MJ/Kg. Bezwodna wartość kaloryczna paliw drzewnych jest średnio 9% wyższa od paliw pochodzenia roślinnego.

Tabela  - Wartość kaloryczna, zawartość popiołu, temperatura topnienia popiołów różnych biopaliw

ozebio180.jpg

Zawartość popiołów i temperatura topnienia
Wśród stałych biopaliw, drewno bez kory jest paliwem z najmniejsza zawartością popiołów, podczas gdy biopaliwa pochodzenia rolniczego mają zwykle wysoką zawartość popiołów. Podczas spalania, na powierzchni żarzącego się paliwa, występują pewne modyfikacje fizyczne popiołu; wraz ze wzrostem temperatury, popioły ulegają zmiękczeniu aż do osiągnięcia pełnej jednorodności jego cząstek. Korzystanie z paliw o niskiej temperaturze tworzenia sie popiołów zwiększa ryzyko tworzenia sie żużlu popiołowego na palenisku. Żużel taki przeszkadza w procesie spalania poprzez zmianę pierwotnych
przepływów powietrza, doprowadzenie do przegrzewania sie paleniska, jak również prowadzi do zjawiska korozji.
Jednakże możliwe jest rozwiązanie problemów związanych z tworzeniem sie żużli przez stosowanie chłodzenia paleniska oraz recyrkulacji gazów spalinowych, oraz przez zamontowanie systemów mechanicznych automatycznego czyszczenia (samoczyszczące się paleniska), lub w przypadku spalania roślin zbożowych, dodawanie środków wapniowych.
Drewno oraz kora mają stosunkowo wysoką temperaturę topnienia (1.300-1.400°C), tak więc nie powoduje to sytuacji krytycznych. W przeciwieństwie do wyżej wspomnianego paliwa, temperatura topnienia paliw pochodzenia roślinnego wynosi poniżej 1.000°C i w konsekwencji, żużle są łatwo odkładane w procesie spalania. W przypadku zbóż i ich ziaren, temperatura topnienia jest niższa niż 750°C i fakt ten prowadzi do problemów.
W związku z wyżej wspomnianymi powodami, biopaliwa pochodzenia rolniczego stwarzają większe problemy w spalaniu w porównaniu ze spalaniem drewna, i należy ich używać tylko w piecach specjalnie to tego przeznaczonych.

Charakterystyka popiołów oraz ich wykorzystanie
Popioły można podzielić na dwie kategorie:
Popiół dolny
Stanowi on znaczącą część popiołu, który się gromadzi pod paleniskiem pieca, i jest on kierowany do zbiornika popiołu. Gęstość jego masy wynosi 1.3 t/m3.
Popiół lotny
Jest to popiół, który pochodzi z oczyszczania gazów spalinowych, i może być on podzielony na:
- lekki popiół z filtrów cyklonowych;
- drobne cząsteczki z filtrów elektrostatycznych i workowych.
Charakteryzują się one gęstością masy 0.8-0.9 t/m3.


Skład chemiczny popiołów
Pierwiastki, które mają największy wpływ na środowisko naturalne (ołów, kadm i cynk) są pierwiastkami najbardziej lotnymi, i głównie występują w drobnym pyle popiołu. Poniżej w tabeli podano skład chemiczny popiołu pochodzącego ze spalania różnych rodzajów biomasy.

Tabela. Skład chemiczny popiołów pochodzących z różnych rodzajów biomasy

ozebio181.jpg

ozebio182.jpg

 

Wartość kaloryczna drewna przy danej wilgotności

Często potrzebujemy obliczyć wartość energetyczną paliwa świeżo ściętego i sezonowanego do określonej wilgotności. W praktyce możemy skorzystać z następującej formuły:

ozebio183.jpg

gdzie:

NCVM - wartość kaloryczna biomasy przy wilgotności M

NCVo - wartość kaloryczna biomasy suszonej w suszarni o wilgotności 0%

 

Poniżej wygodny i stosowany dla celów praktycznych przelicznik w formie wykresu i tabeli

ozebio184.jpg

 

 ozebio185.jpg

 

Gęstość energii
Miara ta wyraża współczynnik pomiędzy zawartością energii a objętością zajmowanąprzez dane paliwo.


Tabela   – Gęstość energii przy różnych poziomach wilgotności dla różnych rodzajów paliwa drzewnego

ozebio186.jpg

 Tabela Ekwiwalencja paliw

ozebio187.jpg

Zadanie 1. Kotłowania na węgiel spalająca rocznie 15 ton węgla, w kotle o sprawności 65% została wymieniona na kocioł na zrębki bukowe M30. Oblicz zapotrzebowanie zrębek w tonach. Przyjmij sprawność kotła na zrębki 80%.

Dostarczana moc spalanego węgla wyniesie

15000x0,65x7,67 = 74782,5 kWh

Wymagana ilość zrębek

74782,5/1107/0,8 = 84,44mn (metra nasypowego)

masa zrębek 84,44 x 328 = 27696,3 kg ≈ 28 ton

Zakładając czas pracy kotła na zrębki 1500 h/rok jego przybliżona moc wyniesie:

74782,5:1500:0,8 = 62,3 kW

Zadanie 2. Oblicz o ile kWh wzrosła wartość energetyczna drewna topoli o NCVo = 18,5MJ/kg w wyniku jego sezonowania od wilgotności M50 do wilgotności M25.

a) wartość energetyczna w MJ/kg drewna świeżo ściętego M50 wyniesie:

ozebio188.jpg

b) wartość energetyczna w MJ/kg przy wilgotności 25%

ozebio189.jpg

 

 Odp. Wartość energetyczna wzrosła o 5,23:3,6 = 1,45 kWh na każdym kilogramie

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});