Słoma jako biopaliwo: metody produkcji energii ze słomy

Dobrymi źródłami biomasy na cele energetyczne mogą być jednoroczne lub wieloletnie uprawy rolne, a także odpady i uboczne produkty powstające w przemyśle rolno-spożywczym. Jednym z popularniejszych, bo ogólnodostępnym, surowcem rolnym do produkcji biopaliw stałych, szczególnie w gospodarstwach o profilu roślinnym, jest słoma. Biopaliwa produkowane ze słomy mogą różnić się od siebie wieloma cechami charakterystycznymi, metodami i poziomem przetwórstwa, energetycznością oraz innymi cechami.

Właściwości słomy jako biopaliwa

Słomą jest dojrzałe lub wysuszone źdźbło roślin zbożowych (pszenica, żyto, owies, jęczmień), strączkowych, rzepaku lub lnu. Głównym składnikiem słomy jest włókno surowe oraz wyciągowe związki bezazotowe. Jej cechą charakterystyczną jest duża zdolność chłonności gazów i wody, a także wysoka zawartość suchej masy (około 85%), co wynika z przestrzenno-rurkowej budowy źdźbła. Z tego powodu uciążliwą wadą słomy jest jej duża objętość w stosunku do ilości energii z niej wytworzonej. Pod względem energetyczności wyróżnia się dwa rodzaje słomy: „żółtą” - świeżą oraz „szarą” - poddaną działaniu czynników atmosferycznych. Większą wartość opałową ma słoma „szara”, a ponadto wykazuje ona mniejszą emisję związków chloru i siarki, które zostają częściowo wypłukane przez opady deszczu. Im większy stopień zwiędnięcia słomy, tym mniejsza zawartość metali alkalicznych i związków chloru, co powoduje mniejszą korozyjność i zażużlenie kotłów przeznaczonych do jej spalania. Biomasa słomiasta do celów energetycznych powinna cechować się małą wilgotnością ok. 19-25% (im mniejsza wilgotność, tym większa wartość opałowa) oraz optymalnym stopniem zwiędnięcia i zbutwienia. Odpowiednia wartość opałowa dla słomy suchej mieści się w przedziale od 14 do 15 MJ/kg. W zależności od tego, jaki jest sposób zbioru, transportu, gromadzenia i przerobu słomy mogą powstać trzy główne rodzaje paliw stałych, do których zalicza się: baloty, brykiety i pelety.

Metody produkcji energii ze słomy

Energię ze słomy otrzymuje się w procesie spalania, podczas którego ulega ona bardzo gwałtownemu zgazowaniu. Spalaniu słomy towarzyszy tzw. „słomiany ogień” i cały proces zachodzi bardzo szybko. Temperatura płomienia jest wysoka i wynosi nawet do 1400 ºC. Komora spalania do słomy musi mieć specjalną konstrukcję, aby móc dystrybuować i mieszać duże ilości gazów z powietrzem. W spalinach po spaleniu słomy powstaje głównie SO₂ oraz CO₂ (otrzymywany w tym procesie, zaliczany jest do gazów nieszkodliwych dla środowiska, ponieważ krąży w przyrodzie w obiegu zamkniętym w okresie rocznym), a także NO_x. Wyróżnia się trzy typy kotłów do spalania słomy, do których zalicza się:

• kotły wsadowe – odbywa się w nich okresowe spalanie głównie balotów lub bel ze słomy. Charakteryzuje je konieczna cykliczność załadunku słomy. Wyróżnia się dwa rodzaje kotłów wsadowych, do których należą:
• kotły przepływowe - osiągają małą sprawność rzędu: 35- 40%, wadą jest emisja dużych ilości CO i pyłów. Zbudowane są z jednej komory. Powietrze niezbędne do spalania jest wtłaczane do komory, w której znajduje się zapalony balot ze słomy, po spaleniu spaliny wyprowadzone są z komory spalania do wymiennika i na koniec do komina. W przepływowym systemie spalania słomy powietrze i spaliny przepływają w ta samą stronę,
• kotły przeciwprądowe - osiągają dużą sprawność rzędu: 70-75%, potrzebny jest nadmiar powietrza (25-50%). W przeciwprądowym systemie spalania słomy powietrze i spaliny przepływają w przeciwną stronę. Bardzo ważne jest dobre wymieszanie gazu i powietrza. Na rysunku 13 przedstawiono uproszczone działanie przeciwprądowego spalania słomy. Kotły takie zbudowane są z dwóch komór: I komora, służąca do ładowania i zgazowywania słomy i II komora, gdzie dochodzi do spalania lotnych składników gazu (nazywana właściwą komorą spalania). Powietrze wpływa przez wentylator nadmuchowy do kotła, gdzie dzieli się na dwie strugi: P – pierwotna. która wtłaczana jest do komory, w której jest zapalona słoma - zachodzi zgazowanie słomy przy niewystarczającej ilości tlenu, powstaje głównie CO i inne palne składniki oraz W – wtórna, gdzie wytworzony CO powraca w przeciwprądzie do komory i jest poddany działaniu wtórnej strugi powietrza (która zapewnia dostateczną ilość tlenu), następuje dopalenie CO do CO₂ oraz spalenie pozostałych związków organicznych. Wydzielające się spaliny przechodzą przez  wymiennik i opuszczają kocioł przez komin,
• kotły do spalania rozdrobnionej słomy, które umożliwiają wprowadzanie do kotła rusztowego i palenie słomy rozdrobnionej i wilgotnej. Do elementów podstawowego wyposażenia takiego kotła należą: podajnik do słomy (może być mechaniczny lub pneumatyczny), rozdrabniacz wolnoobrotowy (tnie słomę na sieczkę o długości 6 - 10 mm), zabezpieczenie przeciwpożarowe, stół podawczy słomy do kotła oraz kocioł najczęściej z rusztem schodkowym,

kotły do cygarowego spalania balotów (ciągłe, automatyczne spalanie) - tzw. „cygaro”, które utworzone jest poprzez zagęszczanie wtórne rozluźnionej słomy lub poprzez wprowadzanie do przedpaleniska całych balotów. Spalanie w takim kotle jest procesem ciągłym. Kotły cygarowe mogą być zaopatrzone w szarpacze słomy, dzięki którym ogranicza się zjawisko blokowania transportu słomy rozdrobnionej.

Rys.1 Schemat przepływowego spalania słomy, gdzie: 1 - powietrze wtórne, 2 - powietrze pierwotne, 3- balot słomy, 4 – komin, opracowanie własne na podstawie: Lewandowski i Ryms 2013.

Rys.2. Schemat przeciwprądowego spalania słomy, gdzie: 1 - komin, 2 - wentylator podający powietrze do spalania, 3 -balot słomy, opracowanie własne na podstawie: Lewandowski i Ryms 2013.

Zbiorniki akumulacyjne (bufory) są bardzo istotne przy kotłowniach opalanych słomą, żeby uniknąć dyskomfortu cieplnego wywołanego wahaniami temperatury, związanymi z obsługą kolejnych cyklów kotła (wygaszenie, wybranie popiołu, kolejne ładowanie porcji słomy i rozpalenie). Akumulator energii cieplnej gromadzi nadwyżkę tej energii w okresie pracy kotła, by móc ją wykorzystać w okresach przerw. Takim akumulatorem tak jak w przypadku spalania drewna może być zbiornik wody izolowany termicznie. Pojemność takiego zbiornika musi uwzględniać długość pauzy pomiędzy wygaszeniem, a kolejnym rozpaleniem. Zbiorniki takie dla lepszej wydajności powinny być zaopatrzone w mieszadła, by efektywniej przekazywać ciepło w czasie trwania pauzy. W kotłach konieczny jest także układ rozpalający, który umożliwi zapoczątkowanie procesu spalania. Kotły spalające słomę są zaopatrzone w specjalne drzwiczki rozpałkowe lub zapalarkę elektryczną. Jako dodatkowe urządzenie montuje się także suszarki, które umożliwiają podsuszenie balotów słomy do wymaganej (optymalnej) wilgotności przed poddaniu ich procesowi spalenia w kotle. Dzięki temu mogą być stosowane także mokre baloty słomy, które są osuszane spalinami pochodzącymi z pracującego kotła. W ten sposób unika się restrykcyjnych wymogów, co do przechowywania słomy w suchych warunkach.

 Źródła:

1. Niedziółka I., Szpryngiel M., Możliwości wykorzystania biomasy na cele energetyczne, Katedra Maszynoznawstwa Rolniczego, Inżynieria Rolnicza, 2014:1(149): 155-164.
2. Igliński B., Buczkowski R., Cichosz M., Technologie bioenergetyczne. Monografia, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2009.
3. Lewandowski W.M., Ryms M., Biopaliwa. Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2013.
4. Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2007.
5. Burczyk B., Biomasa - surowiec do syntez chemicznych i produkcji biopaliw, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
6. Pazera A., Bizukojć M., Michalska K., Werbalny model bilansowania energii i dwutlenku węgla w produkcji i wykorzystywaniu biopaliw, Acta Innovations, nr 11, 2014.
7. Gradziuk P., Grzybek A., Kowalczyk K., Kościk B., Biopaliwa, Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa.