Prvkové složení biomasy

Ve městské výtopně ve Žluticích na Karlovarsku bylo během topné sezóny na počátku roku 2008 provedeno podrobné sledování spalovacích procesů. Přitom byl sledován také vliv prvkového složení spalované biomasy na provoz kotlů. Z výsledků chemických rozborů vyplynulo, že poměr zastoupení prvků i v podobných druzích biomasy je odlišný.

Biomasu vhodnou ke spalování můžeme rozdělit dle obecných kritérií na:

• dřevní biomasu ve formě štěpek, pilin, hoblin, mající původ ve dřevozpracujícím průmyslu a v lesnictví („odpadní“ biomasa) nebo dřevní biomasu získanou z cíleně pěstovaných energetických dřevin
• rostlinnou biomasu ve formě balíků ze slámy zbylé po sklizni zrna („odpadní“ biomasa) nebo rostlinná biomasa získaná z cíleně pěstovaných energetických rostlin

Obr. 1: Kotle ve žlutické výtopně jsou schopny spálit i méně kvalitní biomasu

Obecné složení biomasy

O složení biomasy můžeme obecně říci, že se skládá z vlastního materiálu, což je organická struktura paliva, bohatá na funkční skupiny kyslíkaté, sirné a dusíkaté a anorganická součást paliva, přítomná ve velmi pestrých formách uvnitř organické struktury, hrající funkci esenciálních součástí biomasy při jejím růstu. K biomase se ovšem mohou přidružit také cizí materiály, což je anorganický materiál, kterým může být biomasa kontaminována vlivem geologických procesů, kontaminací během sklizně nebo dopravy paliva, kdy dochází velice často ke znečištění biomasy zeminou a dalšími materiály, které mohou být smíchány s palivem během sběru, dopravy nebo skladování.

Z hlediska zastoupení těchto prvků v biomase lze říci, že biomasa dřevního charakteru je obecně považována za palivo nízkoalkalické, s nižší koncentrací chloru a vyšší koncentrací síry a rostlinná biomasa je naopak považována za palivo vysokoalkalické, s vyšším obsahem chloru a nižším obsahem síry. Přítomný chlor a síra se zapojují do nežádoucích korozívních procesů kotlového tělesa v případě, že biomasa je využívána k získávání energie spalováním.

Obr. 2: Dosavadní provoz výtopny dokazuje, že spolehlivá výroba tepla ze slámy je možná

Prvkové složení biomasy spalované ve žlutické výtopně

Ve žlutické výtopně byly během topné sezóny na počátku roku 2008 prováděny podrobná sledování spalovacích procesů a za tímto účelem byl sledován též vliv prvkového složení spalované biomasy na provoz kotlů.

Z odebraných vzorků paliva byl před stanovením jejich složení připraven řízeným spalováním popel. Z výsledků chemických rozborů vyplývá, že poměr zastoupení prvků ve sledovaných vzorcích je značně odlišný. V případě slámy se od sebe odlišovaly vzorky pšeničné slámy nabalíkované v různých rocích sklizně, vzorky pšeničné slámy sklizené z různých lokalit a samozřejmě dle očekávání též vzorky slámy z různých rostlin. Značné rozdíly byly též zjištěny v případě prvkového složení dřevní štěpky s minimálním obsahem kůry „bílá“ a vzorku štěpky tzv. lesní (hnědá), získané z klestí zbylého v lese po těžbě dřeva. Výsledky chemického rozboru paliv jsou uvedeny v tabulce.

Tabulka: Chemický rozbor vzorků paliva (hmot. % oxid/prvek)

Rozbor prvkového složení spalované rostlinné biomasy

Pšeničná sláma byla dovezena z lokality ležící jižně od Plzně, uskladněna byla v hale. Sklizeň této slámy dle dodavatele proběhla v roce 2006. Barva stébel byla šedivá, vlhkost slámy byla nízká, okolo 13 % vody.

Analýzou popela vzniklého z této slámy bylo zjištěno, že je složen z 83,42 hmot. % z oxidu křemičitého, dále obsahuje 6,83 hmot. % oxidu vápenatého a 3,82 hmot. % oxidu draselného. Byl zaznamenán též nízký obsah síry, a to 1,46 hmot.% a velmi nízký obsah chloru, a to 0,02 hmot. %. Z výsledků chemické analýzy byl vytvořen výsečový graf 1.

Graf 1: Chemický rozbor popela z pšeničné slámy

Graf 2: Chemický rozbor popela z pšeničné slámy

Sláma s výše uvedeným složením se značně odlišovala od dalších zkoumaných vzorků pšeničné slámy získaných ze sklizně roku 2007 pocházejících z lokality severního Plzeňska a z jižní části žatecké oblasti. Šedá barva stébel a též nízký obsah oxidu sodného v porovnání s jeho obsahem v dalších sledovaných vzorcích pšeničných slám, ukazuje na to, že stébla slámy byla pravděpodobně před nabalíkováním a odvezením z pole vystavena dešti a následně nabalíkována a sklizena z pole až po jejím vyschnutí. Omytí stébel deštěm by vysvětlovalo též nízký obsah chloru v tomto palivu.

Pšeničná sláma byla dovezena z lokality severního Plzeňska a pocházela ze sklizně roku 2007. Vypěstována byla na školním statku zemědělské školy. Lze předpokládat, že při jejím pěstování byly dodrženy všechny potřebné agrotechnické postupy. Chemické složení této pšeničné slámy je znázorněno na výsečovém grafu 2.

Obr. 3: Dřevní hmota o různé kvalitě je před spálením promíchána na skladovací ploše

Prvkovým rozborem popela této slámy bylo zjištěno, že obsahuje 51,99 hmot. % oxidu křemičitého, téměř stejná množství, a to 15, 82 hmot. % a 14,29 hmot. % oxidu vápenatého a oxidu draselného. Vzorek této slámy dále obsahoval třikrát více, a to 1,31 hmot. % oxidu sodného, čtyřikrát více, a to 4,34 hmot. % oxidu fosforečného, třikrát více oxidu sírového, a to 4,73 hmot. % a desetkrát více chloru, a to 0,20 hmot. % v porovnání se vzorkem pšeničné slámy.

Řepková sláma byla dovezena z jižní části žatecké oblasti. Řepková sláma byla nabalíkovaná během sklizně roku 2007. Prvkové složení této slámy se značně liší od prvkového složení vzorků sledovaných pšeničných slám. Ve vzorku řepkové slámy byl nalezen převážně oxid vápenatý a oxid draselný. Obsah oxidu vápenatého byl 53,66 hmot. % a obsah oxidu draselného byl 32,41 hmot. %. Obsah oxidu křemičitého byl velmi nízký, a to jen 0,63 hmot. %. Též obsah chloru byl velmi malý, a to 0, 01 hmot. %. Řepková sláma obsahovala ovšem poměrně dost oxidu fosforečného, a to 4,61 hmot. % a síry stanovené jako oxid sírový, a to 4,15 hmot. %. Ze zjištěného chemického složení tohoto paliva byl sestrojen výsečový graf 3.

Graf 3: Chemický rozbor popela z řepkové slámy

Graf 4: Chemické složení popela z pšeničné slámy

Pšeničná sláma pocházela z lokality jižní části žatecké oblasti. Sklizena byla v roce 2007. Vyrostla na pozemcích dlouhodobého spolehlivého dodavatele slámy pro žlutickou výtopnu. Při jejím pěstování byly dodrženy veškeré potřebné agrotechnické postupy. Pšeničná sláma se svým prvkovým složením velmi podobala prvkovému složení pšeničné slámy. Popel z ní obsahoval 57,42 hmot. % oxidu křemičitého, oxidu draselného obsahovala v porovnání s obsahem oxidu vápenatého více, a to 15,02 hmot. %, oxidu vápenatého pak 11,08 hmot. %. Obsah oxidu manganatého byl téměř stejný jako obsah tohoto oxidu v případě pšeničné slámy, a to 4,98 hmot. %. V porovnání s pšeničnou slámou obsahovala ovšem téměř poloviční množství oxidu fosforečného, a to 2,25 hmot. %. Obsah chloru v popelu z této slámy byl pětkrát vyšší, než u pšeničné slámy, a to 1,25 hmot. %. Vzorek popela této slámy obsahoval též o něco více síry stanovené jako oxid sírový, a to 5,36 hmot.%. Výrazně vyšší obsah chloru může být způsoben tím, že při pěstování této slámy byla použita hnojiva obsahující vyšší procento chloru. Chemické složení popela z pšeničné slámy znázorňuje výsečový graf 4.

Rozbor prvkového složení spalované dřevní biomasy

Vzorek „bílé“ štěpky obsahoval jen minimální množství kůry (asi 5%). Dřevo, ze kterého byla štěpka připravena, bylo vytěženo na severním Plzeňsku. V tomto regionu se nenacházejí žádné větší průmyslové podniky, které by znečišťovaly ovzduší.

Chemickým rozborem popela připraveného řízeným spalováním vzorku paliva v laboratoři bylo zjištěno, že popel z této štěpky obsahoval 26,07 hmot. % oxidu křemičitého a 36,97 hmot. % oxidu vápenatého. Dřevo obecně je považováno za palivo mající nízký obsah alkalických kovů a chloru. Toto bylo chemickým rozborem potvrzeno. Oxidu draselného bylo nalezeno poloviční množství ve srovnání se vzorky získanými z pšeničné slámy, a to 8,88 hmot. %, chlor ve vzorku nebyl nalezen žádný. Ve srovnání se vzorky pšeničné slámy však dřevo obsahuje vysoké procento oxidu hlinitého, a to v popelu 8,72 hmot. %, oxidu manganatého, a to 4,34 hmot. % a oxidu železitého, a to 3,91 hmot. %. Tyto prvky pocházejí pravděpodobně z druhotného znečištění dřeva během těžby a dopravy dřeva ke zpracování. Prvkové zastoupení ve vzorku popela „bílé“ štěpky je znázorněno na výsečovém grafu 5.

Graf 5: Chemický rozbor popela z „bílé“ štěpky

Graf 6: Chemický rozbor popela z „hnědé“ štěpky

Štěpka označená jako tzv. „hnědá“ byla připravena naštěpkováním klestí zbylého v lese po těžbě dřeva. Těžba dřeva byla prováděna v okolí Plzně. V tomto případě mohlo dojít ke kontaminaci dřeva průmyslovými exhaláty, což se chemickými rozbory popela připraveného řízeným spalováním vzorku nepotvrdilo.

Klestí bylo po těžbě dřeva vytaháno a naskladněno na dopravně dostupných místech na okrajích lesa nebo u přístupových cest na hromadách, kde došlo před naštěpkováním takto připraveného materiálu k jeho částečnému proschnutí. Takto připravená surovina byla poté přímo na místě štěpkována mobilním štěpkovačem do přistavených velkokapacitních kontejnerů. Poté byla odvezena ke spálení.

Chemickým rozborem vzorku popela připraveného z „hnědé“ štěpky bylo zjištěno, že obsahuje 52,53 hmot .% oxidu křemičitého, 15,83 hmot. % oxidu vápenatého, oxidu draselného obsahuje jen 5,37 hmot. %, obsahuje ovšem vysoké množství oxidu hlinitého, a to 11,96 hmot. % a poměrně vysoké množství oxidu železitého, a to 3,61 hmot. %. Vysoká množství oxidů křemičitého, hlinitého a železitého jsou dána tím, že tento druh štěpky je silně kontaminován zeminou během vytahování z lesa z míst těžby dřeva na místa štěpkování. Tento druh štěpky obsahuje také vysoké procento kůry, jelikož klestí je tvořeno celými větvemi těžených dřevin. Zastoupení jednotlivých prvků v popelu z tohoto vzorku paliva je znázorněno na výsečovém grafu 6.

Obr. : Sláma

Závěr

Po období boomu propagace pěstování energetických rostlin a rychlerostoucích dřevin, kdy se ukazuje řada problémů při snaze o jejich pěstování ve velkém, nastává vystřízlivění v podobě realističtějšího nazírání na potenciální zdroje biomasy. Praxe ukázala, že reálným, ale dosud ne zcela úplně využitým zdrojem biomasy je sláma.

Dosavadní provoz žlutické výtopny dokazuje, že spolehlivá výroba tepla ze slámy je možná. Dodavatelé slámy skladují nabalíkovanou slámu vesměs přímo na poli. Pokud je sláma sbalíkovaná za sucha, pro spalování je nejvhodnější asi 15% vlhkost, následně uložena v pečlivě vyskládaných stozích, nedochází během jejího skladování vlivem povětrnosti ke zvyšování vlhkosti uvnitř stohu.

Již zmíněný faktor vlhkosti paliva je klíčový v otázce možnosti použití slámy jako paliva. Zajímavé je zjištění, že chování různých druhů obilné slámy, kdy mají tyto slámy stejnou vlhkost, je odlišné. Bylo zjištěno, že velice obtížné je rozdružení ječné slámy, kdy se tato sláma již při vlhkosti okolo 19 % chová jako velice houževnatý téměř nerozdružitelný materiál, ovšem rozdružit pšeničnou slámu s touto vlhkostí takový problém není. Co se týká porovnání spalování dřevního materiálu různého původu a kvalitativních parametrů, jeví se jako nejvhodnější ke spalování dle očekávání „bílá“ štěpka, která obsahuje minimální množství kůry a má též příznivý obsah vlhkosti, a to kolem 40 až 45 %. Spalovat „hnědou“ štěpku je obtížnější nejen z důvodu vyššího obsahu kůry, vyšší vlhkosti, až kolem 50 %, ale hlavně z důvodu jejího prvkového složení. Při přípravě tohoto druhu štěpky totiž dochází při vytahování dřevního materiálu z lesního porostu k jeho druhotnému znečištění zeminou. Následně vede zvýšené množství anorganického materiálu k ponížení teploty liquidus biomasového popela s jeho následným spékáním během spalovacího procesu. Současný trh s biomasou ovšem není schopen nabídnout dřevní hmotu ideálních parametrů, což je nutné operativně ve výtopně řešit tím, že dřevní hmota o různé kvalitě je před spálením pečlivě promíchána přímo na skladovací ploše.

Kotle osazené ve žlutické výtopně jsou schopny spálit biomasu i o horších kvalitativních parametrech, tudíž zde není větším problémem, přizpůsobit se aktuální nabídce paliva na trhu s biomasou. Důležitou alternativní palivovou základnu žlutické výtopny tvoří, jak již bylo výše uvedeno, též obilná sláma, dovážená z okolí ve formě obřích hranatých balíků. Obyvatelé města Žlutice jsou plně závislí v otázce dodávky tepelné energie na biomasové výtopně, která dodává tepelnou energii asi 70 % místních obyvatel (město má asi 2600 obyvatel). Vytvoření spolehlivé palivové základny je tedy v případě tohoto města strategickou záležitostí.

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky