ODREĐIVANJE ZNAČAJKI KVALITETE DRVNE BIOMASE
M. Trkmić, Lj. Janeš Centralni kemijsko‐ tehnološki laboratorij HEP‐Proizvodnja d.o.o. Zagorska 1, Zagreb, Hrvatska E mail: marija.trkmic@hep.hr Sažetak: U radu su prikazani rezultati određivanja značajki kvalitete drvne biomase‐ sječke za izgaranje u bioenerganama. Drvna biomasa uzorkovana je sa različitih područja Hrvatske. Ukupno je ispitivano devet uzoraka, s time da za tri uzorka je poznato njihovo porijeklo, odnosno drvo. Opisana je priprema uzoraka za analizu, kao i provedba metoda ispitivanja sukladno važećim europskim normama. Svim uzorcima određivan je sadržaj ukupne vlage, pepela, hlapivih tvari, sumpora, ugljika, vodika, dušika te ogrjevna vrijednost. Rezultati ispitivanja pokazuju variranje rezultata određivanih parametara među uzorcima. Sadržaj ukupne vlage w(ukupna vlaga)= 11,34‐33,07 %, što ovisi o skladištenju biomase. Sadržaj pepela je w(pepeo)= 1,67‐5,12 %, a sadržaj hlapivih tvari je w(hlapivih tvari)= 71,77‐82,78 %. Elementarna analiza je pokazala da je sadržaj sumpora < 0,05 %, w(C)= 45,68‐50,00 %, w(H)= 5,62‐6,10 %, w(N)= 0,25‐0,58 %. Rezultati određivanja ogrjevne vrijednosti pokazali su da se donja ogrjevna vrijednost uzoraka nalazi u intervalu 10,77‐14,93 MJ/kg.
I.
UVOD
Danas se biomasa prije svega spominje kao zamjena za fosilna goriva (ugljen i loživo ulje) pri
čemu je glavni razlog njezine upotrebe značajno smanjenje štetnih emisija pri izgaranju. U odnosu na fosilna goriva neusporedivo je manja emisija štetnih plinova i otpadnih tvari. Računa se da je opterećenje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući je količina emitiranog CO2 pri izgaranju jednaka količini apsorbiranog CO2 tijekom rasta biljke. Drvna biomasa u energetici ima dugogodišnju primjenu, a kao izvor energije uključuje ogrjevno drvo, grane i drvni otpad iz šumarstva, piljevinu, koru i drvni ostatak iz drvne industrije. Ona se koristi ili kao dodatak krutim gorivima ili samostalno izgaranjem u bioenerganama te se tako proizvodi pregrijana vodena para za grijanje u industriji i
‐ 72 ‐
kućanstvima ili za dobivanje električne energije u malim termoelektranama. Republika Hrvatska ima bogati potencijal sirovine drvne sječke, ali za sada njena primjena je ograničena samo na mala postrojenja i male kotlove. II.
ŠUMSKA BIOMASA
Biomasa se prema Zakonu o energiji (NN 68/2001, 177/2004, 76/2007, 127/2010) [1] definira
kao biorazgradivi dio proizvoda, ostataka i otpadaka od poljoprivrede (uključivo s biljnim i životinjskim tvarima), šumarstva i drvne industrije, kao i biorazgradivi dijelovi komunalnog i industrijskog otpada čije je energetsko korištenje dopušteno. Glavna prednost u korištenju biomase kao izvora energije su obilni potencijali i obnovljivost. Može se podijeliti prema porijeklu (šumska ili drvna, nedrvna biomasa i biomasa životinjskog porijekla) i prema konačnom pojavnom obliku (kruta biomasa, bioplinovi i kapljevita biogoriva). Šumska ili drvna biomasa je ona koja potječe iz šumarstva i drvnoprerađivačke industrije te je i jedan od najvećih prirodnih obnovljivih izvora energije jer se procjenjuje da danas u svijetu ima više od 4 milijarde ha površine pod šumama, pri čemu treba dodati još oko 4 milijuna ha godišnje, koliko se novih šuma podiže svake godine2. Šumska biomasa se pojavljuje i energetski iskorištava u četiri osnova uporabna oblika: cjepanice, sječka, briketi i peleti. Cjepanice su veći, pravilni komadi drvne biomase koji nastaju rezanjem i cijepanjem drvne sirovine, bez značajnije daljnje obrade (osim sušenja). Duljina cjepanica iznosi do 1 m, a ložišta su najčešće prilagođena za duljine 25, 33 i 50 cm. Proizvode se rezanjem drvne sirovine (stabala, grana) na određenu duljinu i potom se tako nastali komadi cijepaju na manje čime se olakšava njihovo sušenje i kasnije izgaranje u ložištu. Za primjenu cjepanica u ložištima važno je da budu od zdravog i suhog drva. Udio vlage u cjepanicama smije iznositi najviše do 20%, što se ostvaruje sušenjem na vanjskom zraku u trajanju do dvije godine. Ako su svi ti uvjeti zadovoljeni ostvaruje se izgaranje s udjelom pepela manjim od 0,5%. Sječka su komadići drvne biomase raznih dimenzija i oblika koji nastaju sječenjem i usitnjavanjem drvne sirovine. Najčešće se koristi u ložištima s toplinskim učinom većim od 50 kW pa sve do više MW, što znači i u kotlovima za centralno grijanje, ali i u industrijskim energanama i termoenergetskim postrojenjima. Duljina komadića sječke iznosi 1‐10 cm, dok o širini, odnosno o promjeru ovisi njezina trgovačka kategorija. Fina sječka ima promjer do 3 cm, srednja sječka do 5 cm i krupna sječka do 10 cm. Proizvodi se sječenjem i usitnjavanjem granja, kore i drugih ostataka iz procesa u šumarstvu i drvnoprerađivačkoj industriji. Za primjenu sječke u ložištima važno je da ima što manji udio vlage i da komadići imaju što ravnomjernije dimenzije jer se jedino tako može osigurati djelovanje automatiziranih ložišta bez pojave smetnji. Ako su svi ti uvjeti zadovoljeni, izgaranje će biti bez pojave štetnih emisija i udjelom pepela manjim od 0,5% [2]. Briketi su geometrijski pravilni komadi prešane usitnjene drvne sirovine, valjkastog oblika, odnosno kružnog poprečnog presjeka. Slični su cjepanicama, ali imaju mnogo veći energetski potencijal i mnogo bolje izgaraju. Duljina briketa iznosi 50‐100 mm, a promjer 15‐60 mm.
KOMPETENTNOST LABORATORIJA 2012
‐ 73 ‐
Udio pepela pri izgaranju uglavnom ne prelazi 0,5%. Ogrjevna vrijednost briketa u prosjeku iznosi 18,5 MJ/kg, što je gotovo jednako kao za brikete smeđeg ugljena. Energija koja se dobije izgaranjem 2 kg briketa ekvivalentna je onoj iz 1 litre loživog ulja [2]. Peleti su geometrijski pravilni komadići prešane usitnjene drvne sirovine, valjkastog oblika ili poput tableta. Duljina peleta iznosi 5‐45 mm, a promjer 6‐8 mm (za sustave grijanja kućanstava i manjih objekata), odnosno 10‐12 mm (za sustave grijanja većih objekata, energetska postrojenja), dok gustoća iznosi više od 650 kg/m3. Proizvode se prešanjem piljevine i strugotina osušenog drveta pod tlakom do 1000 bara, velike ogrjevne vrijednosti (hrasta, bukve, jasena, graba, topole, lipe i dr.). Udio vlage u peletima iznosi najviše 8%, zbog čega treba sirovinu prije proizvodnje osušiti. Prednost primjene peleta su, osim velike ogrjevne vrijednosti, njihov oblik i dimenzije zahvaljujući čemu se jednostavno prevoze i skladište, zatim automatizirano dovode do ložišta. Ogrjevna vrijednost peleta gustoće 650 kg/m3 iznosi 4,9‐5,4 kWh/kg, dok je energija dobivena izgaranjem 2 kg peleta ekvivalentna onoj iz 1 litre loživog ulja [2]. III.
UPOTREBA BIOMASE
Mogućnosti za energetsko iskorištavanje biomase su brojne. Najčešće je izravno
iskorištavanje pri čemu ona, bez prethodne pretvorbe u druge oblike služi kao gorivo u ložištima raznih veličina i izvedbi: od kamina, peći i kotlova za grijanje (i pripremu potrošne tople vode) do velikih energetskih postrojenja (energana, toplana, elektrana, kogeneracijska postrojenja) pri čemu se proizvode toplinska i električna energija. Potencijali koje Hrvatska ima za iskorištavanje biomase je površina šumskog zemljišta koje iznosi 2,580 mil. ha, što čini oko 42% kopnene površine Hrvatske [2]. Kada se radi o vrsti drva, prevladavaju listače (84%) i četinjača (16%). Najzastupljenija je bukva (35%), zatim hrastovi (27%), jela i smreka (13%), grab (8%), jasen (3%) i borovi (2%). Osnovne značajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake su kao kod svakog goriva, te uključuju: kemijski sastav, ogrjevnu vrijednost, temperature samozapaljenja i izgaranja te fizikalna svojstva koja utječu na izgaranje (gustoća, vlažnost i dr.) [3,4]. Za izračun energije iz određene količine drvne sječke osnovni podatak je njena ogrjevna vrijednost. Na ogrjevnu vrijednost najveći utjecaj ima udio vlage (za svježe drvo iznosi 50‐ 55%), zatim kemijski sastav i gustoća [5]. Na ogrjevnu vrijednost utječe i vrsta drveta, te da li se ubraja u listače ili četinjače, odnosno u meko ili tvrdo drvo, jer je udio pojedinih sastojaka različit. Zbog većeg udjela vlage i hlapivih sastojaka (do 80%), energetska vrijednost drvne sječke (od 8,2‐18,7 MJ/kg) je znatno niža u odnosu na fosilna goriva (kameni ugljen: 24‐37,7 MJ/kg, mrki ugljen: 12,7‐23,9 MJ/kg, lignit: do 12,6 MJ/kg)2. Smanjenjem vlažnosti biomase ogrjevna vrijednost se znatno povećava i zbog toga je korisno sušiti biomasu. Sušenje se provodi toplim zrakom temperature oko 100°C, a može se smanjiti udio vlage za oko 20% [6].
‐ 74 ‐
IV.
EKSPERIMENTALNI DIO
Ispitivanje značajki kvalitete drvne biomase provedeno je u Centralnom kemijsko‐ tehnološkom laboratoriju (CKTL), Sektora za termoelektrane, HEP‐Proizvodnje d.o.o. CKTL je akreditirani laboratorij za ispitivanje loživog ulja i ugljena sukladno normi HRN EN ISO/IEC 17025:2007 [7]. Postojeći uređaji i instrumenti kao i razvijene te akreditirane metode za ispitivanja ugljena omogućile su da se uz manje preinake metoda ispita većina parametara šumske biomase koje određuju njenu kvalitetu. Sva ispitivanja provedena su sukladno važećim europskim normama.
Dostavljeni uzorci šumske biomase bili su u obliku sječke različitih veličina 3‐ 10 cm. Ukupno je bilo ispitivano 9 uzoraka koji su uzorkovani iz hrvatskih šuma, s time da je samo nekima od njih bilo poznato porijeklo, odnosno specificirano drvo iz kojeg su nastali. Sječka je u laboratorij bila dostavljena u zatvorenim plastičnim spremnicima s poklopcem. Početak ispitivanja biomase započeo je sušenjem u komori na temperaturi od 105 ± 2°C do konstantne mase. Nakon toga uzorci su usitnjavani u posebnom mlinu za biomasu te prosijavani na veličinu čestica promjera manjeg od 1 cm. Na tako pripremljenom analitičkom uzorku provedena određivanja navedena u Tablici 1. TABLICA I. PARAMETRI, METODE I KORIŠTENI INSTRUMENTI ZA ANALIZU BIOMASE Instrumenti
Metoda ispitivanja
Parametar 1. Priprema uzoraka za analizu
2. 3.
Određivanje sadržaja ukupne vlage
Određivanje sadržaja pepela
EN 14774‐1,2,3:2009[9‐11]
5. 6. 7.
Određivanje sadržaja ukupnog Određivanje sadržaja ugljika, vodika i dušika (CHN)
Određivanje ogrjevne vrijednosti metodom kalorimetrijske bombe
Razdjeljivač Retsch PT 100 Sterilizator Memmert UNE 500
EN 14775:2009[12]
Mufolna peć Heraeus M 110
EN 15148:2009[13]
Mufolna peć s protokom dušika EF 11/8, Lenton
EN 15289:2011[14]
Analizator sumpora CHNS TruSpec, LECO
EN 15104:2011[15]
CHN analizator, TruSpec, LECO
EN 14918:2009[16]
Kalorimetar IKA C 2000 Basic
Određivanje hlapivih tvari
4.
Mlin Retsch SM 100
EN 14780:2011[8]
Sva ispitivanja provode se na suhom stanju uzorka (uzorak prethodno osušen na 105 °C) te se zatim pomoću izraza navedenih u normi EN 15296:2011 [17] preračunavaju na dostavno ili mokro stanje uzoraka. Prilikom preračunavanja na različita stanja koristio se podatak o sadržaju ukupne vlage uzorka.
KOMPETENTNOST LABORATORIJA 2012
‐ 75 ‐
V.
REZULTATI
Analiza uzoraka sječke provedena je na prethodno osušenim, usitnjenim, homogeniziranim
uzorcima prosijanim na veličine čestica < 1 mm. Nakon postupaka pripreme, uzorke je bilo potrebno ponovno osušiti na temperaturi od 105 °C tijekom 90 minuta i tek tada su određivani parametri iz Tablice 1. Prema zahtjevima norme EN 14961 [18] koja navodi specifikacije pojedine vrste biomase parametri ukupne vlage i ogrjevne vrijednosti se izražavaju na dostavnom stanju, a sadržaj pepela, hlapivih tvari, sumpora, ugljika, vodika i dušika na suhoj osnovi. U tablici 2 su prikazani rezultati ispitivanja šumske biomase‐ sječke. TABLICA II. REZULTATI ISPITIVANJA ŠUMSKE BIOMASE‐ SJEČKE Broj uzorka
Drvo
1
‐‐‐‐‐‐‐‐‐
2
‐‐‐‐‐‐‐‐‐
3
‐‐‐‐‐‐‐‐
4
5
‐‐‐‐‐‐‐‐
‐‐‐‐‐‐‐‐
6
‐‐‐‐‐‐‐‐
7
Hrast
8
9
Hrast+
Hrast+
grab+
jasen+
jasen
topola
Ukupna vlaga
27,12
11,34
33,07
12,73
14,1
23,97
31,05
31,43
31,88
Pepeo
4,32
4,31
3,49
3,35
5,12
1,67
1,68
1,89
2,03
Hlapive tvari
71,77
79,66
77,66
80,09
77,19
81,41
82,78
81,03
80,76
Ukupni sumpor
0,02
0,019
0,018
< GK
< GK
0,05
0,03
0,04
0,05
Sadržaj C
45,68
46,06
47,39
49,35
49,20
50,00
48,72
49,31
49,00
Sadržaj H
5,71
6,10
5,62
6,06
5,99
5,63
5,80
5,67
5,94
Sadržaj N
0,58
0,36
0,45
0,40
0,36
0,25
0,25
0,26
0,26
Ogrjevna vrijed. gornja
14,09
16,22
12,36
16,39
15,93
14,63
13,21
13,32
13,24
Ogrjevna vrijed. donja
12,59
14,81
10,77
14,93
14,47
13,11
11,59
11,71
11,58
GK… granica kvantifikacije
‐ 76 ‐
Iz rezultata ispitivanja prikazanih u tablici 2 vidljivo je da sadržaj ukupne vlage znatno varira između svih uzoraka (w (ukupna vlaga)= 11,34‐33,07 %). Kako na sadržaj ukupne vlage najviše utječe vrijeme, mjesto i okoliš prilikom skladištenja za očekivati je da će sječka koja je dulje vrijeme skladištena imati veći udio vlage i da će prije korištenja biomasu biti potrebno sušiti. Sadržaj pepela kreće se u intervalu w(pepeo)= 1,67‐5,12 %, s time da najmanje pepela ima hrastova sječka. Sadržaj hlapivih tvari se nalazi unutar intervala 71,77‐82,78 %. Elementarna analiza je pokazala da sadržaj sumpora je jako mali (w(S)< 0,05 %) dok kod dva uzorka sječke ga nije bilo moguće odrediti jer se nalazi ispod granice kvantifikacije metode. Sadržaj ugljika se kreće unutar intervala 45,68‐50,00 %, vodika 5,62‐6,10 %, a dušika 0,25‐ 0,58 %. Rezultati određivanja ogrjevne vrijednosti pokazali su da je donja ogrjevna vrijednost uzoraka u intervalu 10,77‐14,93 MJ/kg.
VI.
ZAKLJUČAK
Provedena ispitivanja drvne sječke u laboratoriju pokazala su da je moguće postojećim
uređajima i instrumentima određivati najvažnije parametre kvalitete drvne biomase koje uključuju sadržaj vlage, pepela, hlapivih tvari, elementaran sastav i ogrjevnu vrijednost uzoraka. Ključni korak u samom ispitivanju je postupak sušenja uzoraka i pripreme s obzirom da usitnjavanje u mlinu, homogenizacija uzorka i prosijavanje je prilično dugotrajno te vezanje vlage uzorka iz okoliša predstavlja dodatni problem u daljnjim analizama. Unatoč tome što drvna biomasa u Hrvatskoj nema za sada svoju primjenu u većim ložištima, njena primjena je znatno razvijena u Europi, a ispitivanja njene kvalitete su obuhvaćena nizom europskih normi. Kao nastavak ispitivanja značajki kvalitete biomase laboratorij se treba opremiti za određivanje sastava i temperaturu taljenja pepela zbog mogućih problema koje pepeo biomase može izazvati u postrojenjima, te određivanje sadržaja elemenata u tragovima važnog s okolišnog aspekta prilikom izgaranja u bioenerganama.
KOMPETENTNOST LABORATORIJA 2012
‐ 77 ‐
VII.
LITERATURA
[1] Zakon o energiji; Narodne novine 68/2001, 177/2004, 76/2007, 127/2010 [2] B. Labudović, Osnove primjene biomase, Energetika marketing d.o.o., Zagreb, 2012. [3] E. Alakangas, Properties of wood fuels used in Finland‐ BIOSOUTH‐ project, VTT Processes, 2005. [4] S. Garivait, U. Chaiyo, S. Patumsawad, J. Deakhuntod, Physical and Chemical Properties of Thai Biomass Fuels from Agricultural Residues, The 2nd Joint International Conference on „Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)“, Bangkok, Tajland, 2006. [5] L. Gašparovič, Z. Korenova, L. Jelemensky, Kinetic study of wood chips decomposition by TGA, 36th International Conference of Slovak Society of Chemical Engineering, Bratislava, Slovačka, 2009. [6] A.G. Dumanli, B. Sakintuna, Y. Yürüm, Determination of the oxidation characteristics of wood, Div. Fuel. Chem 49(2) (2004) 810‐811 [7] HRN EN ISO/IEC:17025 Opći zahtjevi za osposobljenost ispitnih i umjernih laboratorija, Hrvatski zavod za norme, 2007 [8] EN 14780:2011 Solid biofuels ‐ Methods for sample preparation [9] EN 14774‐1:2009 Solid biofuels ‐ Determination of moisture content ‐ Oven dry method. Total moisture: Reference method [10] EN 14774‐2:2009 Solid biofuels ‐ Determination of moisture content ‐ Oven dry method. Total moisture: Simplified method [11] EN 14774‐3:2009 Solid biofuels ‐ Determination of moisture content ‐ Oven dry method. Moisture in general analysis sample [12]EN 14775:2009 Solid biofuels ‐ Determination of ash content [13]EN 15148:2009 Solid biofuels ‐ Determination of the content of volatile matter [14] EN 15289:2011 Solid biofuels ‐ Determination of total content of sulphur and chlorine [15] EN 15104:2011 Solid biofuels ‐ Determination of total content of carbon, hydrogen and nitrogen ‐ Instrumental methods [16]EN 14918:2009 Solid biofuels ‐ Determination of calorific value [17]EN 15296:2011 Solid biofuels ‐ Calculation of analyses to different bases [18]EN 14961:2009 Solid biofuels ‐ Fuel specifications and classes ‐ Part 1: General requirements
‐ 78 ‐