Menu

Problem samozapłonu biomasy

Problem samozapłonu biomasy (na podstawie art. "NIEBEZPIECZEŃSTWO SAMOZAPŁONU TOWARZYSZĄCE SKŁADOWANIU BIOMASY PRZEZNACZONEJ DO CELÓW ENERGETYCZNYCH" mgr Adam Gierasimczuk)

 

Składowiska biomasy mają różną konstrukcję, która uzależniona jest od formy i rodzaju biomasy. Luźna biomasa zawiera znaczne ilości wody. Jest mało wrażliwa na zawilgocenie, stąd też skoszona trzcina lub roślinność trawiasta, kłody, papierówka, luźne trociny i zrębki, składowane są na wydzielonych fragmentach placóozebio190.jpgw węglowych lub nowo projektowanych składowiskach. Składuje się je bez zadaszenia. Wiaty, zadaszenia, czy też zamknięte silosy konieczne są natomiast przy składowaniu brykietów i peletów. Kontakt z wilgocią powoduje pogorszenie właściwości energetycznych paliwa, kruszenie i rozpadanie się ich.

Po prawej na zdjęciu pokazano hałdę luźnej biomasy przeznaczonej do energetycznego wykorzystania składowaną bez zadaszenia.

 

W obrębie dużej hałdy składowanej biomasy można wyróżnić 3 warstwy (Rys. poniżej). Głównym czynnikiem różnicującym jest ich temperatura. Temperatura zewnętrznej warstwy związana jest z ozebio191.jpgsilnym oddziaływaniem czynników atmosferycznych. Charakterystyczne są tutaj duże wahania temperatury, w największym stopniu jest ona zależna od temperatury powietrza i nasłonecznienia. Ze względu na brak czynników utrudniających parowanie, proces przebiega samorzutnie. Głębsza warstwa jest cienka. Jej cechą charakterystyczną jest duża gęstość objętościowa, biomasa w tym miejscu wyróżnia się zbitą konsystencją. Warstwa ta stanowi izolację pomiędzy atmosferą a wnętrzem hałdy. Najgłębiej zalegające cząstki biomasy tworzą trzecią warstwę, która ma najwyższą temperaturę i największą objętość. Jak widać z rys. temperatura w tej warstwie może przekraczać nawet 100°C.

Wzrost temperatury wewnątrz hałdy ma podłoże biologiczne, fizyczne i chemiczne. Biologiczne związane jest z rozwojem bakterii i grzybów, fizyczne z oddziaływaniem na hałdę czynników zewnętrznych, np.

- wzrost ciśnienia spowodowany grawitacją i masą warstw wyżej położonych

- nacisk wywołany sprzętem mechanicznym do transportu biomasy (spychacze, ładowarki itp.)

- tarcie związane z przemieszczaniem się poszczególnych warstw względem siebie

Oddziaływanie chemiczne związane jest z zachodzącymi reakcjami w złożu biomasy z wydzielaniem ciepła np.

ozebio193.jpg

Utlenianiu może ulegać też węgiel wchodzący w skład związków organicznych. Proces ten jest możliwy przy odpowiednich warunkach początkowych reakcji

ozebio194.jpg

Wszystko to powoduje powolny wydzielanie dużych ilości ciepła, które nie ma ujścia. Pryzma na dużej głębokości jest bowiem traktowana jak układ zamknięty i pod względem fizycznym podlega w przybliżeniu Drugiej Zasadzie Termodynamiki, która mówi, że w układzie zamkniętym o stałej objętości zmianie ulegają tylko ciśnienie i temperatura. Przy czym, zgodnie z równaniem gazu doskonałego, wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury.

   Wydzielanie ciepła w całej objętości hałdy nie jest równomierne. Na początku powstają tzw. rozproszone ogniska zapalne. Stopniowo, ich zasięg staje się coraz większy. Takie miejsca o podwyższonej temperaturze mogą tworzyć się w całej masie zgromadzonego materiału roślinnego. Powierzchniowe ogniska zapalne dotyczą zewnętrznych warstw hałdy.
Występują na poziomie około 1/3 wysokości ogólnej. Są charakterystyczne dla okresu jesiennego i wiosennego. Przyczyną ich powstawania jest skraplanie pary wodnej, które z kolei spowodowane jest dużą różnicą temperatur pomiędzy biomasą a otaczającym ją powietrzem. Pojawianie się ognisk zapalnych może być związane również z występowaniem silnych miejscowych zawilgoceń składowanego materiału, na przykład poprzez nasypywanie niewielkiej ilości mokrej biomasy na suchą. W miejscu takim następuje silny rozwój drobnoustrojów. Tego typu punkty zapalne nazywane są gniazdowymi. Geneza pionowowarstwowych ognisk związana jest z nierównomiernym nagrzewaniem lub ochładzaniem ścian zboczy hałdy. Często towarzyszy temu samosortowanie się biomasy, na przykład pod względem wielkości. Pył i lekkie zanieczyszczenia są bogate w drobnoustroje. Drobne frakcje gromadzą się przy ścianach hałdy, stanowiąc źródło wzrostu temperatury. Przyczyną takiego stanu może być również wysypywanie na zimne podłoże ciepłego drewna w okresie zimowym. Tworzące się wówczas miejscowe podwyższenia temperatury nazywane są
dolnymi.

 

Warunkiem zapalenia się biomasy jest dostarczenie odpowiednio dużej porcji energii cieplnej. Jest to energia aktywacji niezbędna dla zainicjowania reakcji, jaką jest spalanie. Zapłon poprzedza stopniowe, coraz silniejsze nagrzewanie się składowanego materiału. Przyczyną wzrostu temperatury są wyżej opisane przemiany. Towarzyszą im zmiany
właściwości biomasy. Obserwacje ich i okresowe pomiary temperatury mogą posłużyć jako wskaźniki niebezpieczeństwa wystąpienia pożaru. Na tej podstawie, w procesie samonagrzewania się biomasy można wyróżnić następujące etapy:
1. Nagrzewanie biomasy do temperatury 24 – 30°C, zmiany trudne do zaobserwowania
metodami organoleptycznymi.
2. Wzrost temperatury do 34 - 38°C, tzw. „pocenie się” drewna, zmiany barwy, wyczuwalny zapach słodowy, szybki rozwój drobnoustrojów.ozebio196.jpg
3. Wzrost temperatury powyżej 50°C, następuje zmiana barwy biomasy, wyczuwalny zapach stęchły, zapach zgniłych liści.
4. Szybki wzrost temperatury wewnątrz hałdy, jej wartość przekracza 110°C, następuje powolny termiczny rozkład składników.
5. Temperatura przyjmuje wartości w zakresie 210 – 350°C, następuje zapłon biomasy.
Spalaniu biomasy towarzyszy piroliza substancji organicznych i nieorganicznych, wskutek czego następuje wydzielanie CO, H2, CO2, N2 i acetonu.

 

Fot. Po prawej spalony w wyniku procesu pirolizy zrębek dewna

 

Zapobieganie samozapłonowi biomasy

 

Z badań prowadzonych na hałdach biomasy wynika, że ochładzanie hałdy przez polewanie jej wodą jest skuteczne tylko do pewnej głębokości. W krótkim czasie zjawisko konwekcji spowoduje ponowne nagrzanie się górnych warstw.

 ozebio195.jpg

Rys. Sonda do pomiaru temperatury w hałdzie TP-155 produkcji Czaki Termo-produkt Długość sondy "L" od 1-2,5m

 

Ograniczenie ryzyka wystąpienia samozapłonu można osiągnąć poprzez składowanie luźnej biomasy w mniejszych hałdach. Ich wysokość nie powinna być większa od 4 m. Ograniczona powierzchnia placów składowych często wymusza układanie znacznie większych stosów. Należy wówczas unikać długotrwałego składowania biomasy na otwartym terenie. W ten sposób nie dopuszcza się do wydzielenia niebezpiecznie dużych ilości ciepła. Wskazana jest również okresowa kontrola temperatury wewnątrz hałdy. Służą do tego celu specjalne urządzenia np. penetracyjny czujnik temperatury TP-155 (Rys.). Sposobem przeciwdziałania wystąpieniu pożaru jest również okresowe przekładanie pryzmy zwałowarko-ładowarką lub spychaczem. Dostęp powietrza, a tym samym tlenu, utrudnia rozwój drobnoustrojów beztlenowych, które odgrywają kluczowa rolę w samozapłonie materiału aktywnego biologicznie.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});