Popel z biomasy – významný zdroj živin

Biomasa patří mezi obnovitelné zdroje energie a její zastoupení v národních energetických strategiích narůstá z důvodu omezených zásob fosilních paliv. Nejdůležitějšími zdroji biomasy pro produkci energie jsou dřevo a dřevní odpad (64 %), biologicky rozložitelný komunální odpad (24 %), zemědělské plodiny a odpad z jejich zpracování (5 %), živočišné zbytky, gastroodpad, vodní rostliny, řasy a další. Většina (více než 97 %) světové energie z obnovitelných zdrojů pochází ze spalování biomasy [1], přičemž na celém světě je ročně generováno přibližně 476 milionů tun popele ze spálené biomasy [2], což je více než 60 % produkce popela ze spalování uhlí (780 milionů tun) [3].

Mezi nejpoužívanější spalovací technologie lze zařadit spalování na roštu, spalování ve fluidním loži a prachové spalování [4]. V České republice převládá technologie spalování na roštu, nicméně Saidur et al. [5] považují za nejvhodnější technologii pro spalování biomasy spalování ve fluidním loži, neboť se jedná o méně kvalitní a různorodá paliva s vyšším obsahem popela, nižší výhřevností, provozní teplotou a emisemi. Technické problémy související se spalováním biomasy jsou způsobeny většinou nízkou spalovací teplotou a vysokým zastoupením alkalických kovů (zejména draslíku) v biomase, které společně s chlorem, křemíkem a vápníkem způsobují slinování, aglomeraci a spékání popelů, zanášení kotle, erozi a také emise prachu a kovů [6].

Popel je tedy anorganická část paliva, která zůstane v kotli po spálení organické hmoty obsažené v biomase a obsahuje většinu minerálních látek původní biomasy [6].

Množství popela v palivech z biomasy se průměrně pohybuje v rozmezí 1 – 6 %. Dřevo obvykle obsahuje relativně nižší množství popela (0,3 – 1 %), zatímco výrazně vyšší hodnoty nalézáme v kůře (3 - 4 %), slámě (5 %) nebo trávách (7 %) [7], a v rýžových slupkách dokonce až 40 % [8]. Pro srovnání, množství popela v černém uhlí se pohybuje mezi 10 – 13 % [9].

V zařízeních na spalování biomasy můžeme obvykle rozlišit 2 hlavní druhy popelů: roštový a úletový. Chemické složení a množství popelů z biomasy se odvíjejí nejen od typu spalované biomasy, druhu rostliny nebo její části, růstových podmínek, stáří rostliny, ale částečně i od použitých hnojiv a pesticidů, doby a techniky sklizně, znečištění [10], spalovacích podmínek, spalovací technologie, skladování, aj. [7,8].

Zvýšená poptávka po energii z obnovitelných zdrojů znamená i větší množství produkovaných popelů po spálení biomasy a pro tyto materiály je nutné nalézt efektivní využití [8].

Živiny v popelech z biomasy

Podobně jako podíl popela, tak i obsahy jednotlivých prvků jsou významně ovlivněny původem biomasy, druhem rostliny, popřípadě její částí. Dřevo a kůra jsou bohaté na vápník, kdežto popele ze slámy a obilovin obsahují vysoké množství draslíku [7]. Mikroprvky jsou přítomny v menších a variabilních množstvích. Obsah dusíku je zanedbatelný, neboť ten uniká ve formě oxidů do atmosféry během spalovacího procesu [11], avšak v úletovém popelu velkých zařízení, která používají technologie katalytické redukce NOx, se mohou vyskytovat malá množství močoviny nebo amoniaku, které se do procesu přidávají jako redukční činidlo [12]. Důsledkem vysokého obsahu oxidů vápníku především v roštovém popelu po spalování dřeva a kůry, je vysoká hodnota pH, která vede k úvahám o využití tohoto materiálu k úpravě půdní reakce.

Ca, Mg, a K jsou obvykle ve formě uhličitanů, neboť během spalování biomasy při vysoké teplotě jsou organické sloučeniny mineralizovány a kationty jsou přeměněny do formy oxidů, které jsou pomalu hydratovány a následně za atmosférických podmínek přeměněny do formy uhličitanů [13].

Obsah ve vodě rozpustné frakce je u popelů z biomasy poměrně vysoký a může dosáhnout až 61 %, zatímco u popelů z uhlí je tato hodnota výrazně nižší (0,2 – 7,2 %) [14].

1. Průměrný podíl rozpustných živin vyluhovaných vodou z popela z biomasy (buková štěpka, kukuřičné klasy, mořské řasy, švestkové pecky, rýžové slupky, proso, slunečnicová semena a ořechové skořápky) (hmotnostní %) [15]

I. Průměrné celkové obsahy a mediány vybraných živin (mg/kg) u hodnoceného souboru popelů (22 vzorků roštového popela, 20 vzorků úletového popela, 8 vzorků směsného popela)

V popelech ze spalování dřevní štěpky byl v našich vzorcích dle očekávání výrazně zastoupen vápník (okolo 20 %), neboť ve dřevní hmotě je vápník dlouhou dobu akumulován. Vyšší obsahy vápníku vedou také ke zvýšeným hodnotám pH v těchto popelech (tab. II). Fosfor i hořčík byly v popelech zastoupeny mezi 1 - 2 % a ačkoli nejsou v popelech ze spalování biomasy zastoupeny tak výrazně jako vápník nebo draslík, jedná se o cenné živiny, kterých je v našich půdách nedostatek, a měli bychom maximalizovat jejich navracení do ekosystému. Vzhledem ke zjištěnému zastoupení živin v popelech je proto skládkování těchto materiálů jednoznačně v rozporu s myšlenkou trvale udržitelného rozvoje.

II. Průměrné hodnoty a mediány pH v popelech ze spalování dřevní štěpky a slámy

Naše výsledky potvrdily, že popel ze spalování biomasy je silně zásaditý materiál, hodnoty pH v popelech ze spalování dřevní štěpky i slámy se pohybovaly průměrně okolo hodnoty pH 12, což potvrzují například i Mandre et al. [16] ve svých výsledcích.

Rizika použití popelů

Spolu s živinami potřebnými pro růst rostlin, obsahuje popel i nežádoucí příměsi, zahrnující rizikové prvky [17], jejichž obsah je ale ve srovnání s jinými látkami používanými jako hnojivo (např. čistírenský kal) relativně nízký [18], podobně jako obsah živin závisí také na použité biomase [17]. Obecně se nedoporučuje používat popel z odpadního nebo chemicky ošetřeného dřeva [19]. Dle Liao et al. [20] některé kovy při vysokých teplotách spalování těkají, a poté buď kondenzují, nebo jsou adsorbovány na povrchu menších částic ve spalinách po zchlazení. Aplikací popela mohou být sice některé rizikové prvky v půdě imobilizovány především díky zvýšení hodnoty pH [13,18], ale riziko uvolnění těžkých kovů by nemělo být podceňováno, protože rozpustnost těžkých kovů se značně liší v závislosti na chemickém složení popela a je ovlivňována i specifickými polními podmínkami [21].

2. Průměrný podíl rizikových prvků těkajících z biomasy během spalování (hmotnostní %) [15]

III. Průměrné hodnoty a mediány rizikových prvků v popelech ze spalování dřevní štěpky a slámy (mg/kg)

Z našich výsledků je zřejmé, že obsah rizikových prvků je vyšší především v úletových popelech ze spalování dřevní štěpky, kdy získané hodnoty převyšují povolené limity stanovené nově přijatou národní legislativou (tab. VI). Roštové popele normě vyhovují až na zvýšený obsah chromu, což si vysvětlujeme pravděpodobně spalováním kontaminované biomasy, neboť chrom se vyskytuje mimo jiné v ochranných prostředcích na dřevo, podobně jako arsen. Kadmium i olovo jsou během spalování biomasy vysoce těkavé (graf 2) a uvolňují se z paliva ve formě spalin. Při poklesu teploty mohou těkavé sloučeniny kondenzovat na částicích úletového popela nebo aerosolu a jsou následně zachycovány na filtrech. Úletový popel tedy obsahuje více kadmia a olova ve srovnání s popelem roštovým. Směsné popele ze spalování slámy jsou z hlediska obsahu rizikových prvků nejméně zatíženy, neboť zde nedochází k dlouhodobé akumulaci těchto prvků jako v případě dřeva.

Cílem spalování je přeměna spalitelného materiálu v palivu (zejména uhlíkatých sloučenin) na energii, přičemž uniká oxid uhličitý. Ideálně by ve zbylém popelu neměl zůstat žádný organický uhlík. Neprobíhá-li však spalovací proces optimálně (např. při nedostatku kyslíku, nízké spalovací teplotě nebo krátké době zdržení paliva v kotli), zůstává v popelu nespálený organický podíl (ztráta žíháním ZŽ) a dochází k tvorbě polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU) [22]. Fisher et al. [23] uvádějí, že PAU vznikají sekundárními reakcemi, v jejichž důsledku dochází k aromatizaci uhlíkatých sloučenin v popelu v pyrolýzní fázi nedokonalého spálení biomasy při teplotách nad 400 °C. V případě dřeva a slámy složení spalované směsi nemá zásadní vliv na vznik PAU, protože elementární složení biomasy je přibližně stejné. Množství PAU, jejich zastoupení a distribuci mezi úletovým a roštovým popelem ovlivňují převážně typ kotle a podmínky spalování [24]. Hlavními typy PAU isolovanými po spálení dendromasy jsou naftalenové a fenanthrenové struktury, kondenzovanější homology s více než třemi cykly jsou zastoupeny minoritně. Deriváty naftalenu vznikají aromatizací fytosterolů a seskviterpenů, které se nacházejí ve vysokých koncentracích v jehličnanech. Fenanthren se objevuje po teplotní degradaci steroidů a diterpenoidů [25].

IV. Průměrné hodnoty a mediány ztrát žíháním (ZŽ) v popelech ze spalování dřevní štěpky a slámy (%)

Podíváme-li se na naše výsledky ztrát žíháním (tab. IV) ve vztahu k limitní hodnotě uváděné v legislativních opatřeních vybraných států Evropy pro použití popelů ze spalování biomasy na zemědělské či lesní půdě, kde je uvedena hranice 5 %, při jejímž překročení se vyžaduje stanovení obsahů polyaromatických uhlovodíků, zjistíme, že tomuto nařízení by v našem případě vyhovovala většina roštových popelů ze dřevní štěpky i směsné popele ze spalování slámy (s výjimkou 4 provozoven), zatímco úletové popele by nařízení nesplnily ani v jednom případě.

V. Průměrné hodnoty a mediány obsahu PAU (Σ16 PAU) v popelech ze spalování biomasy (mg/kg)

Průměrné hodnoty PAU nalezené ve vzorcích popelů (tab. V) jsou v porovnání s národními novými předpisy (tab. VI) zcela vyhovující. Množství PAU, jejich zastoupení a distribuce mezi úletovým a roštovým popelem ovlivňuje převážně typ kotle a podmínky spalování [24], z nichž jsou nejvýznamnějšími faktory teplota spalování, dostatek oxidačního média ve spalovacím zařízení, a také fyzikálně-chemické vlastnosti paliva [6]. Lze tedy usuzovat, že spalování biomasy probíhá v České republice ve většině případů za dobrých podmínek.

Využití popelů v zemědělství Jedním z logických využití popela z biomasy, je jeho přímá aplikace na půdu z důvodu vysokého obsahu živin, které by měly být navráceny zpět do půdy [8].

Využití popela jako hnojiva se tedy nabízí, mimo jiné, z níže uvedených důvodů:

1. Obsah živin (Ca, K, S, Mg, P, Na) a mikroživin (Mn, Zn, Fe, B, Cu, Mo a další) podporujících růst rostlin,
2. zásaditý charakter popela poskytuje podobný efekt jako při vápnění,
3. snižuje mobilitu a biologickou dostupnost rizikových prvků,
4. redukuje toxicitu hliníku, manganu a železa pro rostliny snížením výměnných obsahů jejich iontů v kyselých půdách,
5. zajišťuje biologickou aktivitu a podmínky pro některé mikroorganismy,
6. zlepšuje texturu, aeraci a vodní kapacitu půdy [2].

Z výsledků našich nádobových experimentů s pšenicí jarní i jílkem vytrvalým můžeme potvrdit, že po aplikaci popela ze spalování biomasy do půdy došlo v pokusných nádobách k nárůstu pH půdy a v testovaných rostlinách ke zvýšení obsahu živin a snížení přístupných obsahů rizikových prvků v půdě s přídavkem popelů.

Přídavek do kompostů

Bioodpad jako složka kompostu má obvykle nižší pH a na začátku dekompozičního procesu tak může narůstat počet mezofilních mikroorganismů - bakterií mléčného kvašení a kvasinek, což je pro efektivní biochemickou degradaci bioodpadu nežádoucí [26]. Popel ze spalování dendromasy je tedy vhodný jako doplněk do kompostu díky jeho schopnosti upravit pH, doplnit obsah živin a omezit zápach kompostu.

Legislativa

Využití popelů ze spalování biomasy nemělo v naší legislativě oporu, ale díky nové vyhlášce č. 131/2014, kterou se mění vyhláška Ministerstva zemědělství č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva, ve znění pozdějších předpisů, a vyhláška č. 377/2013 Sb., o skladování a způsobu používání hnojiv, je možné popele ze samostatného spalování biomasy využívat na zemědělské půdě, pokud nebudou překročeny limitní hodnoty rizikových prvků a látek (tab. VI). Maximální aplikační dávka popele ze samostatného spalování biomasy je stanovena na 2 t/ha za 3 roky, přičemž v témže roce nesmí dojít k souběžnému použití popele a upravených kalů nebo sedimentů.

VI. Limitní hodnoty rizikových prvků a látek v popelech ze samostatného spalování biomasy [27]

Vybrané státy Evropy (např. Rakousko, Dánsko, Finsko, Švédsko) mají ve svých legislativách, vytvořených speciálně pro využití popela ze spalování biomasy jako hnojivého materiálu, kromě maximálních přípustných obsahů rizikových prvků zanesena některá další omezení, z nichž nejčastěji je určena maximální aplikační dávka popela (např. Rakousko 2 t/ha/rok, Dánsko 5 t/ha/5 let), minimální obsahy živin a jsou požadovány analýzy PAU, jestliže ztráta žíháním překročí hodnotu 5 %.

Vypracováno v rámci řešení projektu NAZV QI102A207. Článek byl otištěný ve sborníku z 20. mezinárodní konference Racionální využití hnojiv konané 27. 11. 2014 na ČZU v Praze.

Celý seznam autorů

Pavla Ochecová, Pavel Tlustoš, Jiřina Száková, Zdeněk Košnář, Filip Mercl

Literatura

• [1] M.F. Demirbas, et al., Energ. Convers. Manage., 2009, 50 (7), pp. 1746-1760.
• [2] S.V. Vassilev, et al., Fuel, 2013, 105, pp. 40–76.
• [3] M. Izquierdo, X. Querol, X., Int. J. Coal Geol., 2012, 94, pp. 56-66.
• [4] F. Rosillo-Calle, et al., The biomass assessment handbook: Bioenergy for sustainable environment, Earthscan, Londýn 2006.
• [5] R. Saidur, et al., Renew. Sust. Energ. Rev., 2011, 15 (5), pp. 2262-2289.
• [6] A.A. Khan, et al., Fuel Process. Technol., 2009, 90 (1), pp. 21-50.
• [7] F. Biedermann, I. Obernberger, available on http://www.bios-bioenergy.at/uploads /media/Paper-Biedermann-AshRelated-2005-10-11.pdf, 2005.
• [8] A.K. James, et al., Energies, 2012, 5 (10), pp. 3856-3873.
• [9] J. Kalembkiewicz, U. Chmielarz, Resour. Conserv. Recy., 2012, 69, pp. 109-121.
• [10] S.V. Vassilev, et al., Fuel, 2010, 89 (5), pp. 913-933.
• [11] T. Tulonen, et al., Eur. J. Forest Res., 2012, 131 (5), pp. 1529-1536.
• [12] W. Nimmo, et al., Fuel, 2004, 83 (9), pp. 1143-1150.
• [13] A. Demeyer, et al., Bioresource Technol., 2001, 77 (3), pp. 287-295.
• [14] S.V. Vassilev, C. Vassileva, Fuel, 2007, 86, pp. 1490-1512.
• [15] S.V. Vassilev, et al., Fuel, 2014, 117, pp. 152-183.
• [16] M. Mandre, et al., Forest Ecol. Manag., 2006, 223 (1-3), pp. 349-357.
• [17] B.B. Park, et al., Water Air Soil Poll., 2004, 159, pp. 209–224.
• [18] B. Omil, et al., Sci. Total Environ., 2007, 381 (1-3), pp. 157–168.
• [19] I. Obernberger, K. Supancic, Possibilities of ash utilisation from biomass combustion plants. Proceedings of the 17th European Biomass Conference and Exhibition, Hamburg, ETA-Renewable Energies (Ed.), Italy, 2009.
• [20] C. Liao, et al., Fuel Process. Technol., 2007, 88 (2), pp. 149–156.
• [21] A. Ferreiro, et al., Grass Forage Sci., 2011, 66 (3), pp. 337-350.
• [22] S. Sarenbo, Biomass Bioenerg., 2009, 33 (9), pp. 1212-1220.
• [23] T. Fisher, et al., J Anal. Appl. Pyrol., 2002, 62 (2), pp. 331-349.
• [24] P. Straka, M. Havelcová, Acta Geodyn. Geomater., 2012, 9 (4), pp. 481-490.
• [25] F.J. Gonzalez-Vila, et al., Fresen. J. Anal. Chem., 1991, 339, pp. 750-753.
• [26] J.M. Kurola, et al., Bioresource Technol., 2011, 102 (8), pp. 5214-5220.
• [27] Vyhláška č. 131/2014, Sbírka zákonů 56, 2014.

Příloha:

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu