Emisie vznikajúce pri spaľovaní dreva
Spalováním dendromasy dochází ke snížení emisí, zejména síry, ne vždy celkového uhlíku. Spalování v nevhodných zařízeních a nedokonalé spalování emise zvyšuje. CO a NOX můžeme eliminovat řízeným spalováním. Oxidy síry, tuhé částice, chlór, fluór a těžké kovy vznikají z nekvalitního paliva.
Problematika životného prostredia sa stáva fenoménom, ktorý ma existenčný význam. V poslednej dobe, sa táto fráza či veta opakuje čoraz častejšie a nie je to bezdôvodne. V ostatných rokoch môžeme častejšie počuť, ale aj sa dočítať o globálnom otepľovaní Zeme, o skleníkovom efekte a o nutnosti znižovania skleníkových plynov, ktoré by mohli nepriaznivo ovplyvniť atmosféru Zeme a tým aj klimatické zmeny, ale aj o oxide uhličitom. Jednoznačná odpoveď na nejasnosti okolo klimatických zmien Zeme však stále neexistuje.
Kľúčovou otázkou v znižovaní emisií produkovaných v súčasnosti sa stáva diverzifikácia energetických zdrojov, a to nielen podľa jednotlivých typov energetických zdrojov, ale aj podľa oblastí ich geografického pôvodu. Pre posilnenie energetickej sebestačnosti sa kladie čoraz väčší dôraz na zvýšenie účinnosti energetických zariadení a na využívanie obnoviteľných zdrojov energie [1]. Biomasa, ako obnoviteľný zdroj energie, má veľa výhod v porovnaní s konvenčnými energetickými zdrojmi, ako aj s niektorými inými obnoviteľnými zdrojmi energie. Ide najmä o relatívne nízke náklady na jej získanie, menšiu závislosť na krátkodobých zmenách počasia, podporu regionálnych hospodárskych štruktúr a poskytovanie alternatívnych zdrojov príjmov pre poľnohospodárov [3]. Tento príspevok pojednáva o emisiách, ktoré vznikajú pri spaľovaní dreva.
Spaľovanie dendromasy
V súčasnosti vo svete existuje značný potenciál využitia dreva na energetické účely. Podstatné pri jeho využívaní je, že sa dá energeticky zhodnocovať trvalo udržateľným spôsobom. Technológia priameho spaľovania je najbežnejším spôsobom energetického využitia biomasy. Biomasu je možné spaľovať samostatne, alebo spoločne s fosílnymi palivami. Moderné zariadenia, ktoré spaľujú uhlie, sú za účelom znižovania emisií oxidov uhlíka čoraz viac konštruované pre spoločné spaľovanie s biomasou. Spaľovanie paliva zahŕňa celý rad fyzikálnych a chemických pochodov, pri ktorých prebiehajú súčasne chemické reakcie jednotlivých horľavých zložiek paliva s kyslíkom pri vysokej teplote, pričom chemicky viazaná energia v palive sa mení na teplo a na vedľajšie produkty spaľovania (spaliny a popoloviny) [3], [4]. Oxidácia horľavých zložiek paliva najčastejšie prebieha s kyslíkom z atmosférického vzduchu. Dokonalé spaľovanie si vyžaduje správne množstvo privádzaného vzduchu. Pri nedostatočnom prísune vzduchu sa vytvárajú podmienky pre nedokonalé spaľovanie, pri ktorom ostávajú v spalinách nevyužité horľavé zložky a jeho produktom bývajú rôzne nebezpečné látky (oxid uhoľnatý, kyanovodík, metán, aromatické uhľovodíky a iné). Ak pri horení nie je zabezpečený dostatočný prívod množstva vzduchu, horenie je neúplné a vznikajúci dym, obsahujúci nespálený uhlík, je čierny. Tento proces je sprevádzaný aj charakteristickým zápachom a značným množstvom usadenín v komíne, ktoré môžu hroziť znovu zapálením. Na druhej strane, ak je pri horení veľké množstvo vzduchu, klesá teplota a plyny unikajú z dreva nespálené, pričom odnášajú so sebou aj užitočnú energiu. Správne množstvo vzduchu je preto kritické pre dokonalé horenie. Výsledkom je neprítomnosť dymu a zápachu [2], [3], [4].
Emisie zo spaľovania dendromasy
Materiálnym výstupom z procesu spaľovania dendromasy vo forme palivového dreva, štiepky, drevných peliet a brikiet sú spaliny a popol. Spaliny zo spaľovania vzduchosuchého dreva pozostávajú z produktov horenia, t.j. oxidu uhličitého (CO2) a vodnej pary (H2O), zo zložiek nespáleného vzduchu dusíka (N2) a kyslíka (O2) a emisií. Kvantitatívne zastúpenie jednotlivých zložiek v suchých a vlhkých spalinách zo spaľovania vzduchosuchého dreva je uvedené v tab. 1 [1], [5].
Tab. 1 Výhrevnosť jednotlivých častí niektorých druhov dreva
Popol je pevný zvyšok z procesu spaľovania dendromasy. Z chemického hľadiska popol z dreva a kôry je zmes oxidov: K2O, Na2O, CaO, MgO, Fe2O3, Al2O3, SiO2, P2O5. Priemerná produkcia popola pri spaľovaní dendromasy je daná hodnotou popola z hmotnosti spaľovaného dreva a hodnotou popola z hmotnosti spálenej kôry. Po prepočte možno konštatovať, že zo spáleného objemu 1 m3 drevnej hmoty vznikne 3 až 5 kg popola. Popoloviny sa pri teplotách pod hodnotou 1100°C v kúrenisku nespekajú a popol vo forme sypkej hmoty môže byť použitý ako prírodné hnojivo, pretože obsahuje oxidy vápnika, draslíka, horčíka a fosforu [1], [5].
Základné znečisťujúce látky zo spaľovania dreva
Proces spaľovania dreva v roštových a pyrolytických kúreniskách spaľovacích zariadení je sprevádzaný produkciou nežiaducich sprievodných látok, emisií pozostávajúcich z:
- tuhých znečisťujúcich látok (TZL) ako je popolček a sadze,
- oxidu uhoľnatého (CO),
- oxidov dusíka (NOX), najmä oxidu dusnatého (NO) a oxidu dusičitého (NO2), vyjadrených ako NO2,
- organických látok, označovaných ako celkový organický uhlík (TOC) [1].
Tuhé znečisťujúce látky
Z kúrenísk spaľovacích zariadení spaľujúcich pevné palivá, sú prúdom spalín odnášané pevné častice, tuhé znečisťujúce látky. Tuhé znečisťujúce látky (TZL) pozostávajú z anorganických látok (popolček) a organických látok (neprchavá horľavina) a sadze. TZL sú do spalín importované popolčekom, neprchavou horľavinou a sadzami. Popolček predstavuje jemné frakcie anorganického podielu paliva (popola) strhávané prúdom spalín z priestoru kúreniska. Množstvo unášaných častíc je závislé na zrnitosti paliva, obsahu popolovín v spaľovanom palive, geometrickom tvare kúreniska, aerodynamických podmienkach prúdenia spaľovacieho vzduchu a spalín v kúrenisku. Neprchavá horľavina predstavuje jemné frakcie nevyhorenej sypkej drevnej hmoty (drevené uhlie), ktoré sú spalinami zo spaľovacieho priestoru kúreniska unášané. Sadze sú vlastne tuhým uhlíkom vylúčeným z plynných produktov dokonalej a nedokonalej oxidácie horľaviny pri náhlom poklese teploty plameňa v kúrenisku či teploty spalín v niektorých častiach výmenných plôch kotla. Ich množstvo je jednoznačne závislé od podmienok spaľovania paliva a stálosti teploty v spaľovacom priestore kúreniska [1], [5]. Medzi tuhými palivami je na tom biomasa, z pohľadu obsahu popolovín, pomerne dobre, ale aj napriek tomu sa tak nedá hovoriť o biomase celkovo, pretože sú značné rozdiely medzi jednotlivými druhmi tuhej biomasy, najmä medzi dendromasou a fytomasou. Až na výnimky je obsah popolovín v sušine biomasy veľmi malý a u kvalitatívnych drevín sa pohybuje pod 1 %. U bylín je obsah popolovín väčšinou okolo 4 %. Oproti tomu sa podiel popoloviny v českom hnedom uhlí pohybuje od 10 po 40 %. Popol z biomasy musí vznikať v podstatne menšom množstve ako z uhlia. Ďalším pozitívom biomasy je rádovo nižší podiel ťažkých kovov v palive, ktoré sa popolom a popolčekom odvádza. Popol z biomasy obsahuje veľké množstvo alkalických kovov (Na, Ca, Mg, K a P), ktoré sú súčasťou rady minerálnych hnojív. Na odlučovanie či zachytávanie popolčeka zo spalín pred ich vypúšťaním do ovzdušia sa používajú odlučovacie zariadenia ako sú rôzne druhy filtrov, elektroodlučovače či cyklónové odlučovače. Najvyššiu účinnosť odlučovania popolčeka zo spalín majú elektroodlučovače a tkaninové filtre s účinnosťou 99,9 %. Nižšiu účinnosť majú suché mechanické odlučovače a multicyklóny [1], [5].
Oxid uhoľnatý
Oxid uhoľnatý (CO) je bezfarebný, veľmi jedovatý, toxický plyn bez chuti a zápachu, nedráždivý a ľahší ako vzduch. Má silné redukčné vlastnosti a vo vode je málo rozpustný.
Prudko sa zlučuje s kyslíkom 2 CO + O2 → 2 CO2
Horí modrastým plameňom a pri horení vzniká oxid uhličitý, pričom dochádza k uvoľňovaniu značného množstva tepla. V prírode sa vyskytuje v nepatrnom množstve v atmosfére, kde vzniká predovšetkým fotolýzou oxidu uhličitého pri pôsobení ultrafialového žiarenia a tiež je obsiahnutý v sopečných plynoch. V nepatrnom množstve vzniká aj metabolickými procesmi v živých organizmoch, a preto je obsiahnutý v stopových množstvách vo vydychovanom vzduchu z pľúc. V atmosfére je oxid uhoľnatý veľmi stabilný a oxidácia na oxid uhoľnatý vyžaduje niekoľko mesiacov až rokov. Pri antropogénnej činnosti vzniká ako produkt nedokonalého spaľovania fosílnych palív, ale aj biomasy, a to v mobilných aj stacionárnych zdrojoch. Koncentrácia oxidu uhoľnatého v spalinách zo spaľovacích zariadení spaľujúcich uhlíkaté palivo je závislá na dokonalosti procesu spaľovania paliva, t.j. na oxidácii uhlíka (C) na finálny produkt, oxid uhličitý (CO2). Medzi praktické príčiny produkcie oxidu uhoľnatého pri spaľovaní palív patria:
- nedokonalé premiešanie paliva s oxidačným činidlom a vytváranie zón v spaľovacom priestore kúreniska s nedostatkom kyslíka pre dokonalú oxidáciu uhlíka
- nestabilita teplotných pomerov v spaľovacom priestore kúreniska a kolísanie teplôt v kúrenisku.
Emisný limit pre oxid uhoľnatý pre spaľovacie procesy je v porovnaní s ostatnými limitmi veľmi prísny. Dôvodom prísnosti tohto emisného limitu je nielen snaha o čo najvyššie využitie chemicky viazaného tepla v palive, ale predovšetkým docielenie nízkej produkcie emisií uhľovodíkov (CXHY), ktoré sú z veľkej časti karcinogénne, najmä vysokomolekulárne uhľovodíky [1], [5].
Oxidy dusíka
Významnými znečisťovateľmi ovzdušia z plynných oxidov dusíka sú oxid dusnatý a oxid dusičitý. Vznikajú z nich v ovzduší dusičnany, ktoré v zrážkovej vode padajú v podobe slabých kyselín na zem, pričom sa zároveň veľkou mierou podieľajú na tvorbe fotochemického smogu. Znamená to, že sú jedným z dôležitých znečisťovateľov ovzdušia z hľadiska kyslých dažďov [6]. Oxidy dusíka sú charakteristické typickým čpavkovým zápachom, dráždia dýchacie cesty a vo vyšších koncentráciách pôsobia toxicky. Z toho dôvodu sa v oblastiach postihnutých exhalátmi oxidov dusíka často vyskytujú akútne ochorenia dýchacích ciest. Krátkodobé pôsobenie (od 1 hod.) NO2 v rozsahu koncentrácií od 47 do 140 mg.m-3, môže spôsobovať zápaly pľúc a priedušiek. Pri koncentrácii 560 až 940 mg.m-3 existuje veľká pravdepodobnosť smrteľnej dávky v dôsledku opuchu pľúc. Funkcionálne zmeny v pľúcach zdravých ľudí sa začínajú po desaťminútovej inhalácii NO2 pri koncentrácii 1300 μg.m-3. Okrem toho v poslednej dobe existuje podozrenie, že oxidy dusíka pôsobia tiež karcinogénne. Oxidy dusíka vznikajú oxidáciou dusíka v závislosti na teplote plameňa, čo má vplyv aj na množstvo vznikajúcich oxidov dusíka. Na celkovej produkcii sa podieľajú rôznou mierou tri mechanizmy vzniku, podľa ktorých sa rozlišujú tzv. termické, palivové a rýchle oxidy dusíka [6]. Pri spaľovaní vlhkého a mokrého dreva s relatívnou vlhkosťou paliva nad 23 % pri prebytku spaľovacieho vzduchu 2,0 sa nevytvárajú podmienky pre tvorbu oxidov dusíka cestou vysokoteplotnej oxidácie dusíka, ani na tvorbu okamžitých oxidov dusíka. Oxidy dusíka v procese spaľovania vlhkého dreva a kôry v kúreniskách tepelných generátorov sa tvoria len cestou nízkoteplotnej oxidácie časti viazaného dusíka v palive. Ich produkcia je závislá od množstva dusíka nachádzajúceho sa v palive a podielu transformujúceho sa palivového dusíka v palive na emisie [1], [6]. Na tvorbu palivových oxidov dusíka majú vplyv dusíkaté zlúčeniny. Výrazný podiel majú tieto oxidy dusíka hlavne pri spaľovaní hnedého uhlia a biomasy, kde sa nedosahuje príliš vysokých teplôt (1200 až 1300°C). Nad teplotou 900°C je produkcia palivových oxidov dusíka prakticky nezávislá na teplote, avšak výrazne závislá je na koncentrácii kyslíka v zóne plameňa (možná oblasť pre obmedzenie tvorby oxidov dusíka) [6]. Vzhľadom k tomu, že obsah dusíka v dreve a kôre jednotlivých drevín nie je rovnaký, ani koncentrácie oxidov dusíka v spalinách, ani produkcia oxidov dusíka do atmosféry zo spaľovania dreva a kôry jednotlivých drevín, nebudú rovnaké. Hodnoty koncentrácie oxidov dusíka v spalinách z procesu spaľovania vlhkého dreva, s priemernou vlhkosťou vyššou ako 30 %, v roštových kúreniskách sú nižšie než je hodnota emisného limitu k = 650 mg.m-3 pre spaľovanie fytomasy tak na Slovensku, ako aj vo viacerých krajinách európskej únie [1].
Organický uhlík
Spaľovanie dreva a inej organickej hmoty rastlinného pôvodu je špecifické tým, že sa v procese spaľovania uvoľňuje vysoký podiel prchavej horľaviny, ktorej úplná oxidácia si vyžaduje vytvorenie špecifických podmienok v spaľovacom priestore kúreniska. Súčasný stav techniky pre spaľovanie dendromasy nevytvára podmienky pre úplnú oxidáciu horľaviny paliva vo všetkých prevádzkových stavoch procesu spaľovania dreva v kotloch. Analýzami spalín zo spaľovania dreva boli v spalinách identifikované chemické zlúčeniny obsahujúce organický uhlík ako formaldehyd, fenol, dibenzofuran, benzén, toluén, etylbenzén, styrén, naftalen, inden, acetnaftylén, fluoren, fenantren, antracén, pyrén, benzo-antracén, chryzén, benzo(a)pyren, dibenzo(a,h)antracen [1]. Priemerná hodnota koncentrácií chemických zlúčenín obsahujúcich organický uhlík v spalinách z kotlov malých výkonov nie je mimoriadne vysoká. Pre životné prostredie sú uvedené emisie o to škodlivejšie, pretože obsahujú aldehydy a vysokomolekulárne uhľovodíky [1], [5]. Negatívom aldehydov je, že v atmosfére podliehajú fotodisociácii a stávajú sa zdrojom voľných radikálov v ovzduší. Pre spaľovacie zariadenia spaľujúce drevo, drevný odpad a inú hmotu rastlinného pôvodu, je stanovený emisný limit organické látky, označovaný ako celkový organický uhlík C [1].
Záver
Spaľovanie dendromasy prispieva určite k nižšej produkcii emisií v porovnaní s fosílnymi palivami. Najvýznamnejšie sa to prejavuje u emisií síry, menej priaznivo u plynných organických látok vyjadrených ako celkový uhlík (TOC). Spaľovanie dendromasy v nevhodných kúreniskách alebo nevhodným spôsobom, teda nedokonalým spaľovaním, môže viesť k podstatnému nárastu produkcie emisií. Vznik niektorých škodlivých látok je možné eliminovať riadením spaľovacieho procesu (CO, NOX). Vznik skupiny škodlivých látok (oxidy síry, tuhé častice, chlór, fluór, ťažké kovy) nie je možné eliminovať, alebo obmedziť, riadením spaľovacieho procesu, pretože ich produkcia a množstvo vyplýva z kvality a zloženia paliva.
Použitá literatúra
1. JANDAČKA, J. - MALCHO, M. - MIKULÍK, M. Ekologické aspekty zámeny fosílnych palív za biomasu. Žilina: Jozef Bulejčík, 2008. 226 s. ISBN 978-80-969595-5-6.
2. JANDAČKA, J. - MALCHO, M. - MIKULÍK, M. Technológie pre prípravu a energetické využitie biomasy. Žilina: Jozef Bulejčík, 2007. 222 s. ISBN 978-80-969595-3-2.
3. JANDAČKA, J. - MALCHO, M. Biomasa ako zdroj energie. Žilina: Juraj Štefuň - GEORG, 2007. 78 s. ISBN 978-80-969161-4-6.
4. BUČKO, J. Chemické spracúvanie dreva v teórii a praxi. Zvolen: Vydavateľstvo TU vo Zvolene, 2001. 427 s. ISBN 80-228-1089-4.
5. DZURENDA, L. Spaľovanie dreva a kôry: Príručka. Zvolen: Vydavateľstvo TU vo Zvolene, 2005. 124 s. ISBN 80-228-1555-1.
6. HORBAJ, P. Ekologické aspekty spaľovania. Košice: TU v Košiciach, 1999. 71 s. ISBN 80-7099-405-3.
Combustion devices in inappropriate and incomplete combustion emissions increases. CO and NOx can eliminate the controlled combustion, sulfur oxides, particulate matter, chlorine, fluorine and heavy metals resulting from poor quality fuel.
