strona 536 lipiec 2008www.energetyka.eu

Opis hałdy biomasy

Omawiana hałda składa się z trzech części – warstw (rys. 1, 2).Warstwa I składa się z najbardziej narażonych na wpływ

czynników atmosferycznych zrębków drewnianych; występują w niej duże wahania temperatury, a procesy parowania przebiega-ją bez problemu. W warstwie tej występuje największa wymiana cząsteczek z atmosferą.

Warstwę II stanowi cienka warstwa na granicy dwóch ośrod-ków. Działają na nią największe siły, zarówno z pierwszej warstwy (nacisk spychacza, ciężar własny mokrego drewna) jak i z trzeciej warstwy (procesy izochoryczne).

Warstwa III składa się ze zrębków drewnianych najgłębiej położonych i o najwyższej temperaturze.

Mgr Szymon SuskiZespół Elektrowni Dolna Odra S.A., Elektrownia Szczecin

Właściwości drewna w hałdzie paliwa znajdującej się na wolnym powietrzu

Rys. 1. Schemat hałdy zrębków drewnianych na składowisku paliwa

Rys. 2. Hałda ze zrębkami

1) Zwłaszcza gdy siły działają na obydwa wyloty kanalików, wtedy woda z nich nie ma ujścia i wtedy następuje wzrost ciśnienia w kanalikach.

III warstwa (najgłębsza) jest najbardziej odizolowana od warstwy I poprzez warstwę II. Dlatego temperatura w niej cały czas się podwyższa, co może doprowadzić do samozapłonu. Przy stałej objętości, zmianom ulegają temperatura (wzrasta) i ciśnienie. Jako że jest ona układem stałym, to cyrkulują w niej: para wodna i temperatura (zgodnie z II Zasadą Termodynamiki) z obszarów cieplejszych do obszarów chłodniejszych, gdzie następuje rozprężanie się gazu. Najwięcej niewiadomych jest w warstwie II, ponieważ znajduje się ona za granicą dwóch po-zostałych warstw. Od dołu działa na nią ciśnienie rozprężające, od góry siła ciężkości.

Budowa drewna i procesy w nim zachodzące

Podstawowymi pierwiastkami wchodzącymi w skład drewna są: węgiel (49,5%), tlen (43,8%), wodór (6,0%), azot (0,2%) i inne (0,5%). Tworzą one podstawowe związki organiczne: celulozę, hemicelulozę i ligninę. Ponadto występują też: cukier (odpowie-dzialny w mikrobiologii za spalanie oraz dostarczanie energii), białko, skrobia, garbniki, olejki eteryczne, guma oraz substancje mineralne, które po spaleniu dają popiół. Woda wypełniająca wnętrza komórek i przestrzenie międzykomórkowe nazywa się wodą wolną lub kapilarną i stanowi ok. 65% ogólnej zawartości wody w drewnie. Pozostała część to woda nasycająca błony komórkowe, tzw. woda związana (30%) oraz woda, która wcho-dzi w skład związków chemicznych (5%). Drewno składa się z dużej ilości kanalików położonych wzdłuż jego struktury; są one wypełnione wodą. Przy skręcaniu drewna (działających na niego sił zewnętrznych) na kanaliki też działają siły, co powoduje spadek objętości kanalików1). W nich właśnie wytwarza się podwyższone ciśnienie (gdyż woda jest cieczą słabo ściśliwą), co prowadzi do wzrostu temperatury cieczy (rys. 3).

Na zrębki – poza siłami wewnętrznymi, działają jeszcze siły zewnętrzne. Poprzez działanie sił zewnętrznych następuje de-formacja, powodująca zmianę położenia (w przestrzeni x y z hałdy), czyli przemieszczenie (translację) i obrót (rotację) oraz odkształcenie.

Opad atmosferycznywarstwa I – do 50°Cwarstwa II – 50–100°Cwarstwa III – pow. 100°C

strona 537lipiec 2008 www.energetyka.eu

Dla dowolnego zrębka może on wyglądać następujaco:

gdzie:x’ y’ z’ – współrzędne po deformacji x y z – współrzędne przed deformacjąσ – wektor zniekształceń (tensor naprężeń Cauchy’ego) t – translacja

Tensor naprężeń można przedstawić również w formie ma-cierzowej:

Tensor ten rozkłada się na dwie składowe:

σ = ε + ω

gdzie: ε – tensor odkształceń, ω – tensor rotacji.

Tensor odkształceń przyjmuje zaś postać:

i odpowiada on za zmianę długości linii i kątów w zrębku.

Kawałki zrębków znajdujące się w hałdzie paliwa przecho- dzą odkształcenia (które działają na kanaliki, powodując ich skręcanie oraz naprężanie, co powoduje zmianę ciśnienia cieczy w nich). Występują też siły powierzchniowe i objętościowe, jak również siły wewnętrzne, pochodzące od naprężeń „żyjącego” drewna [1, 2].

Wilgotność drewna i procesy powodujące podwyższenie temperatury i samozapłon

Magazynowanie drewna (zrębków) na wolnym powietrzu, w stosach o dużej objętości, w grubej warstwie, jest niekorzystne, gdyż narażone są one na długotrwałe wpływy atmosferyczne (zmiany temperatury, zmieniająca się wilgotność powietrza, co wpływa na wilgotność drewna2) i złożone procesy zachodzące wewnątrz stosu (korozja mikrobiologiczna3). W hałdach zrębków obserwuje się brunatnienie i pleśń, pojawiają się różne gatunki grzybów4) i bakterii oraz rośnie temperatura wewnątrz hałd. To wszystko wpływa na pogorszenie się jakości drewna, co z kolei prowadzi do zmniejszenia jego wartości energetycznej.

Wilgotność zawarta w przechowywanej hałdzie drewna mięk-kiego jest rozłożona nierównomiernie. Wpływ na nierównomierne rozłożenie wilgoci ma przede wszystkim wilgotność i temperatura otaczającego powietrza. Tu duży wpływ na częstą różnicę tempe-ratur wewnątrz i przy składowisku mają ruchy powietrza (wiatr), gdyż składowisko zazwyczaj jest zlokalizowane blisko cieku wodnego (kanału, rzeki, jeziora i innych cieków wodnych), więc wilgotność z obszaru wodnego szybko jest przenoszona na teren lądowy (na leżące nieopodal składowisko zrębków drewnianych). Następnymi elementami są: temperatura poszczególnych warstw masy zrębków, natężenie procesów życiowych (czyli jak świeże jest drewno). Jednak otaczające powietrze najintensywniej od-działuje na te warstwy masy, które bezpośrednio się z nim stykają. Stąd też największe zmiany wilgotności i temperatury w hałdach zachodzą w górnej jej warstwie.

Jeżeli temperatura poszczególnych warstw przechowywa-nych zrębków drewna jest nierównomierna, wówczas następuje przemieszczenie się wilgoci w postaci pary wodnej (w postaci mikroskopijnej występują ruchy Browna), z miejsc cieplejszych do miejsc zimniejszych (II Zasada Termodynamiki). Zjawisko to może doprowadzić do tak dużego nagromadzenia się wilgoci w chłodniejszych miejscach, że może nastąpić gnicie drewna lub kiełkowania przypadkowych nasion, jakie mogą się na nim zna-leźć. To natężenie procesów powoduje wydzielanie dużych ilości ciepła i pary wodnej, co objawia się podwyższeniem wilgotności i wzrostem temperatury w poszczególnych warstwach.

Chemiczno-biologiczne i fizyczne procesysamozagrzewania

Samozagrzewanie jest przyczyną nieodwracalnego pogorsze-nia jakości drewna oraz dużych ubytków suchej masy przechowy-wanych zrębków. Jest ono spowodowane wzmożeniem procesów życiowych drewna. Wchłanianie wody (równowaga kapilarna) przez drewno powoduje przyrost w nim temperatury, a uzyskana

Drewno

Kanaliki z wodą

Skręcenie drewna powo-duje nacisk na kanaliki

Rys. 3. Przekrój zrębka drewna z zaznaczonymi kanalikami

2) Higroskopijność drewna dąży do stanu równowagi z otoczeniem.3) Korozją mikrobiologiczną określa się wszelkiego rodzaju procesy korozyjne,

które są inicjowane lub intensyfikowane obecnością na powierzchni mikro-organizmów. Zachodzi ona w środowiskach naturalnych, przemysłowych i dotyczy wszystkich materiałów. Korozją mikrobiologiczną określa się wszel-kiego rodzaju procesy korozyjne, które są inicjowane lub intensyfikowaneobecnością na powierzchni mikroorganizmów. Zachodzi ona w środowiskach naturalnych, przemysłowych i dotyczy wszystkich materiałów.

4) Nie bez znaczenia jest również zapewnienie należytej jakości zrębków w as- pekcie warunków pracy załogi (źle magazynowane, zagrzybione czy spleśniałe zrębki mogą być źródłem kłopotliwych uczuleń skórnych czy alergii dróg oddechowych u pracowników ze skłonnościami alergicznymi).

strona 538 lipiec 2008www.energetyka.eu

energia nie może być szybko odprowadzona, ponieważ powietrze zawarte w przestrzeniach między zrębkami źle przewodzi ciepło (powietrze jest izolatorem)5).

W skali makro jednym z procesów fizycznych powodującychprzyrost temperatury w hałdzie jest tarcie. Występuje ono podczas przemieszczania się zrębków drewnianych względem siebie. Wy-stępuje przekazywanie energii do sąsiadujących zrębków, a z nich do otoczenia, czego skutkiem jest przyrost temperatury.

Innym czynnikiem jest ciśnienie. Przy wzroście nacisku (na przykład podczas ugniatania zrębków spychaczem gąsienicowym lub inną maszyną) wzrasta ciśnienie w komorach powietrznych między zrębkami i w samych zrębkach, co również powoduje gradient temperatury. Przyczyną podatności drewna na zmiany ciśnienia jest czterokrotnie większa niż w węglu zawartość po-wietrza i wysoka wartość (65–80%) części lotnych.

W skali mikro źródłem ciepła są drobnoustroje znajdujące się w zrębkach i silne zanieczyszczenie nasionami chwastów lub innych roślin6). Ciepło wytwarza się również poprzez reakcję:

drewno + mikroorganizmy + O2 (powietrze) → H20 + CO2 + ciepło

Woda z kolei przy kontakcie z drewnem daje ciepło poprzez fermentację metanową:

drewno + mikroorganizmy + H2O → CH4 + CO2 + (H2S + NH3) + ciepło

Przy podwyższonej już temperaturze, dzięki mikroorgani-zmom, mogą uwalniać się takie pierwiastki jak wodór czy siarka. Wnętrze hałdy można traktować jako układ półizolowany, ponie-waż procesy zachodzące w różnych warstwach mogą zachodzić również na ich granicach. Wolny wodór i tlen ochładzają się w chłodniejszych częściach hałdy i powstaje cykliczna reakcja wiązania, która uwalnia dość dużo energii (ciepła):

2H2 + O2→ 2H2O + ciepło (141,88 MJ/kg)

Przy uwolnionej siarce zachodzi reakcja wiązania:

S + O2 → SO2 + ciepło (9,27 MJ/kg)

Jak już wspomniano drewno składa się z celulozy (ok. 50%), a w jej skład wchodzi węgiel (ok. 49,5%) Przy kontakcie z tlenem wchodzi węgiel w reakcję spalania (oczywiście jeśli są odpowiednie warunki początkowe dla reakcji, zwłaszcza wysoka temperatura):

C + O2 → CO2 + ciepło (32,2 MJ/kg)

W układzie, w którym zachodzą wymienione procesy, wystę- puje cieplny przepływ energii między parą wodną a zrębkami drew-nianymi. W drewnie występują oddziaływania międzycząsteczkowe (siły Van der Walsa). Powietrze jest izolatorem, więc temperatura rozchodzi się tak wolno. Podwyższone ciśnienie w przestrzeniach między zrębkami też powoduje wzrost temperatury.

5) W artykule pominięto całkowicie rozkład Maxwella i energię wewnętrzną układu, czyli czysto mikrofizyczne wytłumaczenie problemu.

6) Zrębki drewniane są pozyskiwane z lasów lub innych miejsc, gdzie występuje bogata fauna i flora.

Miejsca samozapłonu w hałdzie

Proces samozagrzewania nigdy nie przebiega w całej hałdzie jednocześnie. Na początek powstają tzw. ogniska zapalne, które z czasem rozszerzają się na pozostałe jej części; w zależności od tego, która warstwa masy zaczyna się grzać, rozróżnia się ogniska: powierzchniowe – wzrost temperatury następuje w warstwie

znajdującej się na 1/3 wysokości od powierzchni; jest spo-wodowany skraplaniem pary wodnej na skutek dużej różnicy temperatur między drewnem a otaczającym je powietrzem; występuje najczęściej jesienią i wiosną;

gniazdowe – spowodowane silnym miejscowym zawilgoce- niem zrębków, nasypaniem niewielkiej ilości mokrego drewna na suche, także występowaniem w hałdzie miejsc o silnych ogniskach bakterii, czy drobnoustrojów lub zanieczyszczonych w inny poważny sposób;

pionowo-warstwowe – występuje w wyniku nierównomiernego nagrzewania lub oziębiania ścian zboczy hałdy, samosortowa-nia się zrębków (np. pod względem wielkości); pył i lekkie za-nieczyszczenia oraz różne nasiona chwastów (w dużym stopniu zarażone drobnoustrojami) gromadzą się przy ścianach hałdy, stanowiąc doskonałe źródło wzrostu temperatury;

dolne – jest skutkiem nasypania na zimną ziemię podłoża ciepłego drewna w okresie zimowym, natomiast powoli ochła-dzającego się na wiosnę lub jesienią.

Etapy samozagrzewania zrębków prowadzące do samozapłonu

Proces samozagrzewania przebiega w trzech stadiach które dla porównania pokazano na rysunkach 4 i 5.

W pierwszym stadium drewno zagrzewa się do temperatury 24–30°C i nie można jeszcze stwierdzić w nim zmian organolep-tycznych7).

W drugim stadium temperatura podnosi się do 34–38°C, a drewno zaczyna się pocić, zmienia barwę i pojawia się zapach słodowy. W wyniku rozwoju drobnoustrojów szybko następuje trzecie stadium, charakteryzujące się wzrostem temperatury do ponad 50°C. Drewno wtedy zmienia swoją barwę i uzyskuje silny zapach stęchlizny lub zgniłych liści8).

Temperatura wewnątrz hałdy wzrasta szybko. Powyżej temperatury 110°C rozpoczyna się powolny rozkład termiczny składników drewna i jest to czwarte stadium. W piątym stadium (w zakresie temperatur 210–350°C) następuje zapalenie drewna, (wg niektórych źródeł zapalenie dość może nawet w temperaturze ok. 150°C, a samozapalenie w temp. 310–450°C, choć zależy to dużym stopniu od gatunku drewna, warunków zajścia tego zjawiska, a także metody pomiarowej). Wtedy mamy do czynienia z procesem spalania drewna – pirolizy. Polega ona na termicznym rozkładzie substancji organicznych i nieorganicznych w czasie ograniczonej dostawy tlenu na: tlenek węgla, wodór, dwutlenek węgla, azot, aceton oraz znikome ilości popiołu (ok. 2%)9).

7) Zmian spowodowanych przez drobnoustroje.8) Traci całkowicie zdolność do dalszego rozwijania się.9) proces pirolizy wykorzystywany jest również do pozyskania z drewna gazu

drzewnego, tzw. holcgazu.

strona 539lipiec 2008 www.energetyka.eu

Wnioski

1. Znając budowę drewna (zrębków drewnianych), właściwości higroskopijne oraz procesy towarzyszące samozagrzewaniu można zapobiegać samozagrzewaniu, a w konsekwencji sa-mozapłonowi. Tworząc skomplikowane modele matematyczne, wykorzystujące między innymi tensory naprężeń, można prze-widzieć zachowanie się zrębków, a nawet całej hałdy paliwa. Wprowadzając dodatkowo dane warunków atmosferycznych można określić najbardziej odpowiedni czas na wykorzystanie zrębków jako paliwa w elektrowni cieplnej. Minusem tej formy jest tworzenie bardzo skomplikowanych modeli matematycz-nych, które wymagają dużej mocy obliczeniowej. Na realizację potrzebne byłyby duże środki finansowe, których brak. Elek-trownie wykorzystują zatem inne i tańsze środki zapobiegające samozapłonowi.

2. Okresowe zraszanie drewna (zrębków) z zewnątrz jest metodą mało skuteczną, gdyż temperatura zostaje zmniejszona tylko w warstwach powierzchownych, a wysoka temperatura we-wnętrzna i zjawisko konwekcji doprowadzi i tak do zmniejszenia wilgotności w górnych warstwach hałdy.

3. Ugniatanie zrębków spychaczem jest dobrym rozwiązaniem, ale niewystarczającym, gdyż przez to nie usunie (nie wypcha) się większości zgromadzonego powietrza w hałdzie, poza tym ugniata on tylko powierzchniowe warstwy do pewnej głębokości. Jest to tylko czasowe zapobieganie. Same zrębki stanowią niebezpieczeństwo dla osób i maszyn, które przeby-wają na hałdzie wtedy, gdy wcześniej w środku hałdy nastąpił samozapłon. Spalanie w środku hałdy spowodowało nie tylko spalenie samego paliwa, ale również wykorzystanie uwięzio- nego tam tlenu (powietrza), co doprowadziło do zmniejsze-nia ciśnienia w środku hałdy. Skutkiem samospalenia jest wytworzenie się wolnej przestrzeni po spalonym paliwie oraz wyrównanie ciśnienia w środku hałdy, co powoduje zachwianie struktury hałdy i przede wszystkim zanik siły (wypychającej) zrębków na zewnątrz. Niebezpieczeństwem jest możliwość zapadnięcia się do środka pod wpływem własnej siły ciężkości wywieranej na powierzchnię hałdy (chodząca osoba lub pracu-jąca maszyna jeżdżąca – co może doprowadzić do uszkodzenia sprzętu i powikłań zdrowotnych pracownika) lub samozapad-nięcia się górnej części powierzchni hałdy zrębków.

Rys. 6. Mały kąt podjazdu umożliwia wjechanie na hałdę spychacza

Rys. 4. Spalony zrębek drewna

Rys. 5. Porównanie zrębków: spalonego, starego i świeżego

Jeśli dochodzi do samozapłonu, to dobrym sposobem ga-śniczym jest dwutlenek węgla (CO2), a nie woda. Jest on cięższy od tlenu i od powietrza, więc opadając będzie wnikać do wnętrza źródła pożaru pozbawiając je tlenu, czego skutkiem jest pozba-wienie czynnika spalania i zduszenie ognia.

Najlepszym rozwiązaniem niedopuszczajacym do samoza-grzewania się mokrej biomasy byłby proces suszenia biopaliwa.

LITERATURA

[1] Jaśkowski W., Jóźwik M., Pielok J. Geodezyjne badania deformacji przedpola odkrywki Koźmin Kopalni Adamów wywołanych rozwo-jem leja depresji wód gruntowych: http://www.ppwb.org.pl

[2] Kreja I.: Mechanika ośrodków ciągłych. Rozdział IV – Materiały pomocnicze do wykładów dla słuchaczy Środowiskowego Stu-dium Doktoranckiego Inżynierii Lądowej i Architektury Politechniki Gdańskiej, Wydawnictwo Centrum Rewitalizacji Budowli Miejskich CURE, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2003