Produkty ich spalania są ponownie asymilowane przez rośliny, zostają więc wykorzystane do wytworzenia kolejnych paliw. W tym zamkniętym obiegu energia słoneczna, pochłaniana przez rośliny, zostaje w procesie spalania przetworzona w energię cieplną.
Do ekologicznych zalicza się paliwa biologiczne, czyli biopaliwa: biogaz, różne postacie drewna, słomę. Zawierają one tylko nieznaczne ilości substancji szkodliwych. W związku z tym nie skażają środowiska naturalnego. Zaletą biopaliw jest także zmniejszenie kosztów ogrzewania o 30-70% w stosunku do paliw tradycyjnych.
Biomasa
Z powodu wysokich cen węgla i koksu wzrosło zainteresowanie paliwami odnawialnymi: drewnem, trocinami, słomą zbóż i rzepakową, gałęziami wierzby, liśćmi, igliwiem, makulaturą itd., ogólnie nazywanymi biomasą. Rozwijają się zatem firmy oferujące kotły przystosowane do spalania tego rodzaju materiałów.
W kotłach na biomasę stosuje się paliwa ekologiczne niskokaloryczne i wytwarzające długi płomień w czasie spalania. Kotły te charakteryzują się dużą pojemnością wodną i dużą powierzchnią wymiany ciepła. Niektóre z nich wyposażone są w automatyczny podajnik paliwa, zapłon i system usuwania popiołów.
|
| Kocioł pobierający paliwo z sąsiedniego pomieszczenia (fot. PGK System) |
Nowoczesne kotły mogą współpracować z instalacjami wysokotemperaturowymi (tradycyjne instalacje grzejnikowe o parametrach wody grzewczej 90/70°C), jak również z systemami niskotemperaturowymi (np. ogrzewanie podłogowe o parametrach 40/30°C).
Kotły na biomasęwymagają dwu- lub trzykrotnego ładowania paliwa ekologicznego w ciągu doby, a w przypadku trocin lub kory nawet cztero-, czy pięciokrotnego. Jeżeli przy kotle zastosujemy automatyczny podajnik w postaci zbiornika przypominającego lej, wówczas paliwo trzeba będzie dokładać do kotła tylko raz na dobę.
Podajnik jest często samodzielnym urządzeniem. Paliwo może być także umieszczone w sąsiednim pomieszczeniu i stamtąd pobierane automatycznie do kotła.
Na przykład kocioł trocinowy o mocy 25 kW wymaga 0,1-0,2 m³ trocin na dobę, w zależności od temperatury panującej na zewnątrz. Sprawność nowoczesnych kotłów spalających biomasę przekracza 90%, ale tylko pod warunkiem zastosowania paliwa suchego.
Jest to bardzo istotny parametr, gdyż wilgotne ma mniejszą wartość opałową. Sprawność kotła na biomasęmoże przy takim paliwie spaść nawet do 40%. Jeżeli więc zdecydowaliśmy się na kocioł spalający biomasę, musimy pamiętać, że trociny, drewno, gałęzie itd. należy składować, aby nie doszło do ich zawilgocenia.
Drugim istotnym parametrem paliwa ekologicznegojest zawartość popiołu, pozostającego po jego spaleniu. Im mniej popiołu, tym paliwo jest lepsze, gdyż nie tylko dostarcza więcej energii z 1 kg, ale także mniejsza jest ilość odpadów powstających w procesie spalania.
Ze względu na budowę rozróżniamy następujące typy kotłów:
- ze spalaniem górnym– najtańsze i najczęściej stosowane kotły na paliwo stałe; powietrze jest w nich doprowadzane do całej objętości paliwa, wysoka temperatura zapewnia stabilny ciąg kominowy, ale te urządzenia mają niską sprawność, co wynika z niecałkowitego spalania węgla – jego część w postaci sadzy ulatuje wraz ze spalinami,
- ze spalaniem dolnym– spalanie zachodzi w tylnej części komory spalania, a powstałe spaliny są dodatkowo dopalane, co pozwala na uzyskanie w efekcie wyższej sprawności kotła,
- zgazowujące– w komorze zgazowywania uwalniany jest gaz drzewny, kierowany następnie do dyszy palnika w komorze spalania i spalany w temperaturze 1200°C,
- retortowe – służące do spalania pelet, zrębek oraz trocin; wyposażenie tych urządzeń w automatyczny system podawania paliwa i dostarczania powietrza oraz w zasobnik paliwa pozwala na bezobsługową pracę nawet przez kilka dni.
Drewno
Najbardziej popularnym paliwem ekologicznym jest drewno, w Polsce łatwo dostępne. Jego wartość opałowa waha się w granicach od 8,4 do 19 MJ/kg; zależy to od zawartości wilgoci i postaci paliwa.
Drewno do opalania budynku może być nieprzetworzone lub przetworzone. Drewno nieprzetworzone dostępne jest jako opałowe, kora, igliwie, liście, zrębki, gałęzie, wióry, wiklina, trociny. Drewno przetworzone to brykiety i pelety.
|
| Średnie wartości opałowe różnych paliw |
Drewno opałowe
Są to kawałki pni, gałęzi i korzeni długości 15-30 cm. Ich wilgotność waha się w granicach 15-60%, w zależności od rodzaju drewna i czasu przechowywania. Zawartość popiołu nie przekracza 2%.
Trociny
Powstają jako produkt uboczny podczas cięcia drewna w tartakach i stolarniach. Wykorzystywane są jako paliwo oraz surowiec do produkcji brykietów i pelet. Wilgotność wynosi 15-60%, a zawartość popiołu do 3%.
Zrębki
Są to ścinki drzewne o nieregularnych kształtach, długości 5-50 mm. Surowcem do produkcji zrębków są odpady z przemysłu tartacznego, gałęzie i korzenie drzew iglastych i liściastych uzyskane podczas wycinki lasu. Wilgotność zrębków waha się w granicach 30-55%. Wartość opałowa zależy od pochodzenia surowca i zawartości wilgoci. Zawartość popiołów wynosi 0,6-5%.
Kora
Jest to odpad powstały w trakcie okorowywania drzew. Jej wilgotność wynosi 50-60%. Wykorzystywana jest jako paliwo lub surowiec do produkcji brykietów (w mieszance z innymi rodzajami odpadów).
Wióry
Są produktem ubocznym, powstającym przy obróbce drewna suchego w fabrykach mebli i stolarniach. Charakteryzują się wilgotnością 5-20% i zawartością popiołu poniżej 1%.
Brykiety
Do ich produkcji wykorzystuje się głównie trociny tartaczne, ale też korę i pozostałości po wycince lasów, wióry oraz rozdrobnione odpady suchego drewna. W procesie brykietowania surowiec wyjściowy zostaje zagęszczony, zmniejsza się jego objętość pod wpływem wysokiego ciśnienia.
|
| Brykiety w powiększeniu i w specjalnym opakowaniu transportowym typu „big-bag” (fot. Drewexpol) |
Może ono osiągać wartość nawet 200 atmosfer (20 MPa). Wzrasta także temperatura. Oba te czynniki powodują, że z drewna wydziela się lignina, która po ochłodzeniu zastyga i spaja cały surowiec.
Brykietymają z reguły wymiary od kilku do kilkunastu centymetrów, kształt cylindryczny, prostopadłościenny lub walcowaty.
Niska zawartość wilgoci (6-10%) pozwala uzyskać stosunkowo wysoką wartość opałową. Sięga ona 17-21 MJ/kg. Duże zagęszczenie surowca powoduje, że proces spalania jest powolny. Do palenia brykietów zaleca się stosowanie kotłów zgazowujących lub retortowych.
Pelety
Otrzymuje się je poprzez sprasowanie trocin pod wysokim ciśnieniem. Średnica peletów nie przekracza 2,5 cm. Paliwo to odznacza się bardzo niską zawartością popiołu (poniżej 1%). Do jego zalet należą łatwość wykorzystania jako paliwa ekologiczneoraz magazynowania; pelety są drobne, układają się ciasno, można więc maksymalnie wykorzystać przestrzeń, jaką dysponujemy.
Nie są zanieczyszczone piaskiem. Zwarte, błyszczące ich ścianki są odporne na działanie wilgoci, utrudniają też jej przenikanie w głąb peletów. Toteż, podobnie jak w przypadku brykietów, pelety zawierają jej niewiele, ok. 8%. Mają dość wysoką wartość opałową (17-22 MJ/kg).
Drewno wiklinowe, z krzewiastych gatunków wierzby
Drewno wiklinowe, z krzewiastych gatunków wierzby jest uważane za paliwo przyszłości. Uprawia się je na plantacjach tzw. energetycznych. Z sadzonki długości 25 cm wyrasta w ciągu jednego roku kilka pędów, które ścina się w zimie. W następnym roku ze wspólnego pnia wyrasta już 40-60 łodyg.
Po trzech latach wierzbę ścina się nisko nad ziemią, po czym odrasta ona na nowo. Na plantacjach sadzi się wierzbę wiciową (tzw. konopianka, salix viminalis). W ciągu roku z jednego hektara takiej uprawy otrzymuje się 12-15 ton suchego drewna. Ma ono wartość opałową dwa razy mniejszą niż węgiel. Ta ilość wikliny odpowiada więc 6-7,5 tony węgla kamiennego.
Słoma
Na obszarach rolniczych do wytwarzania ciepła można wykorzystać słomę. Zaleca się, aby jej wilgotność w tym przypadku nie przekraczała 20%. Do palenia w kotłach słomadostarczana jest w postaci 2-3-kilogramowych balotów (sprasowanych brył w kształcie walca). Polskie rolnictwo wytwarza ok. 25 mln ton słomy rocznie; średni zbiór z hektara wynosi ok. 5 ton.
Połowa z tego pozostaje niewykorzystywana i jest spalana przez rolników na polach. Z porównania wartości opałowej węgla i słomy wynika, że ze spalenia 1,7 tony słomy uzyskuje się tyle samo energii co ze spalenia 1 tony węgla. Zaletą słomy jako paliwa ekologicznegojest, że zawiera ona niewiele popiołów.
Ponadto w trakcie spalania powstają tylko niewielkie ilości tlenku siarki (0,05-0,1%) i tlenków azotu (0,002%). Mało też tworzy się tlenku węgla CO, rzędu 0,2%. To dużo mniej niż w tradycyjnych kotłach na węgiel, w których powstaje go 0,5-1%. Kotły na słomę osiągają sprawność ok. 80%.
Do spalania słomynależy używać specjalnie skonstruowanych kotłów, w których zapewniona jest możliwość dopalania lotnych gazów, powstających w procesie spalania. Dopalanie powinno odbywać się w temperaturze wyższej niż 800°C. Uzyskuje się to przez wykorzystanie wentylatora, tłoczącego powietrze prostopadle do załadowanych balotów, na spód ich stosu.
Po spaleniu tej warstwy baloty pod własnym ciężarem przesuwają się w dół, a gazy lotne uchodzą do góry, porywane przez strumień wdmuchiwanego powietrza. Ponieważ słoma spala się bardzo szybko, dlatego system grzewczy, współpracujący z kotłem, powinien mieć zbiornik wodny, gromadzący (akumulujący) ciepło.
Biogaz
Biogazpowstaje wskutek fermentacji metanowej ścieków miejskich, odchodów zwierząt hodowlanych, odpadów z przemysłu spożywczego i innych odpadów organicznych. Fermentacja ta zachodzi w warunkach beztlenowych w komorze fermentacyjnej. W trakcie tego procesu osad ściekowy lub gnojowica ulegają przetworzeniu.
Bakterie rozkładają substancje organiczne na metan (ponad 60% w składzie biogazu) i dwutlenek węgla (około 35%). Dodatkowo w niewielkich ilościach występują siarkowodór, wodór, tlenek węgla, azot i tlen. Skład biogazu zależy od składu przetwarzanych odpadów. Jego wartość opałowa waha się w granicach 20-27 MJ/m³ (dla gazu ziemnego wynosi ona ok. 34 MJ/m³).
W trakcie procesu fermentacji w 1 m³ komory fermentacyjnej wydziela się 0,8-1,5 m³ biogazu w ciągu doby. Biogazsłuży do zasilania kotłów grzewczych i kuchni gazowych. Ciepło, wytworzone w trakcie spalania, jest wykorzystywane do ogrzewania budynku, przygotowywania ciepłej wody, przygotowywania potraw. Służy także do podgrzewania komory fermentacyjnej.
W małych komorach fermentacyjnych o pojemności do 25 m³ ilość wytwarzanego biogazu może okazać się zbyt mała do ogrzania domu jednorodzinnego. Wtedy biogaz wykorzystywany jest na ogrzewanie ciepłej wody i gotowanie. Biogaz wykorzystuje się w ograniczonym zakresie, z powodu wysokich kosztów inwestycyjnych.
Inna niedogodność tego paliwa jest spowodowana mijaniem się okresów największego zapotrzebowania i największej wydajności wytwarzania: w systemie grzewczym budynku największe ilości biogazu uzyskuje się w okresie letnim, kiedy potrzeby energetyczne są najmniejsze. Przy wyższej temperaturze bowiem większa jest aktywność bakterii rozkładających związki organiczne.
W okresie zimowym, kiedy zużywa się najwięcej gazu, niska temperatura powoduje zmniejszenie aktywności bakterii. Mniejsza jest więc ilość produkowanego w ten sposób biogazu. Aby proces fermentacji nie ustał, część ciepła, uzyskanego ze spalania biogazu, przeznacza się na ogrzanie komory fermentacyjnej. Powoduje to zmniejszenie mocy cieplnej przeznaczonej do ogrzania budynku.
Tomasz Pabur
Dodaj komentarz