Екологічні аспекти використання твердого біопалива для потреб теплопостачання

1000000_1

Компанія “НВЦ Теплокомплект» продовжує досліджувати тему впливу викидів забруднюючих речовин в оточуюче середовище відпаливовикористовуючого обладнання. В попередніх матеріалах досліджувались екологічні аспекти теплопостачання населених пунктів. Мова йшла про контроль та нормування забруднення атмосфери джерелами теплової енергії населених пунктів.

http://tecom.com.ua/ekologichni-aspekti-vikoristannya-tverdogo-biopaliva-dlya-potreb-teplopostchannya-2.html  

Необхідність підвищення енергетичної ефективності систем теплопостачання та забезпечення енергонезалежності України потребують значного заміщення природного газу місцевими паливами. До таких палив відносять палива, що мають загальну назву: тверде біопаливо. Згідно Закону України «Про альтернативні палива» до твердих біопалив віднесені: дрова, торф, тирса, солома, інші сільськогосподарські відходи, гранули та брикети, вироблені з біомаси.

Ці матеріали є продовженням попередньої статті в частині оцінки екологічних аспектів систем теплопостачання населених пунктів за умов використання твердого біопалива.

Заміщення природного газу біопаливом є важливим та актуальним для України. Це безперечний факт. Агітуючи за використання біопалива лідери та теоретики біоенергетики, крім енергетичної ефективності застосування твердого біопалива, підкреслюють його так звануекологічність. Говорять про екологічну чистоту біопалива та пов’язаним з його застосуванням зниженням навантаження на природне середовище. На жаль, не все так добре з точки зору екології. Можна говорити про певне послаблення впливу на можливі зміни клімату, що є важливим для європейської та світової спільноти. Але застосування твердого біопалива посилює вплив токсичних речовин на мешканців населених пунктів України. Ідеологи запровадження твердого біопалива цей факт замовчують, створюючи «ура-екологічний» імідж твердого біопалива. Про це свідчить значна кількість публікацій з цього питання.

Можливе підвищення токсичного навантаження на приземний шар атмосфери в населених пунктах, пов’язане із заміщення газу твердим біопаливом, потребує вивчення та об’єктивної оцінки.

Свій погляд на екологічні аспекти процесів заміщення газу твердим біопаливом подають фахівці компанії «НВЦ Теплокомплект» в розділі «Разработки, проблемы, внедрения» сайту компанії.

http://tecom.com.ua/pro-ekologichni-aspekti-teplopostachannya-naselenih-punktiv-ukrayini-3.html 

Екологічні аспекти використання твердого біопалива для потреб теплопостачання

6_2

Заяви, схожі на приведені в епіграфі цієї статті, доводиться чути досить часто. Тверде біопаливо відносять до «екологічно чистих». Таку оцінку біопалива можна почути в повідомленнях засобів масової інформації та прочитати в статтях фахівців з біоенергетики. Згаданий в епіграфі статті «Посібник…», порівнюючи характеристики газових та  твердопаливних котлів, переконує читача (потенційного учасника впровадження енергоефективних технологій), що твердопаливний котел є практично «чистим» у порівнянні з газовим (?). Нижче приведений фрагмент з «Посібника…».

3_3

Автори «Посібника…» запевняють, що газові котли є джерелом значних забруднень  довкілля (СО2, NOх, бензопирен) тоді, як твердопаливні котли, даючи екологічно чисте тепло, залишають трохи золи та інколи можуть бути незначні викиди SO2. При цьому зроблений оптимістичний висновок: «Твердопаливні котли безпечні для довкілля».

В Аналітичних записках Біоенергетичної Асоціації України щодо аналізу енергетичних та екологічних показників виробництва енергії з біомаси зниження викидів парникових газів, що впливають на зміни клімату, розглядається як єдиний показник при оцінці впливу біоенергетичних технологій на оточуюче середовище. Визначення енергетичної ефективності біоенергетичних технологій та розрахунок викидів парникових газів покладено в основу так званої оцінки життєвих циклів.ОЖЦ розглядається як комплексний аналіз впливу на оточуюче середовище впровадження біоенергетичних технологій, з точки зору енергетичного балансу та балансу парникових газів. Саме ці показники покладені в основу оцінки енергетичних та екологічних показників процесів використання твердого біопалива. За згаданими вище показниками застосування твердого біопалива є ідеальним з точки зору впливу на оточуюче середовище.

Доцільність застосування твердих біопалив з точки зору вимог енергетичної безпеки та енергетичної ефективності не піддається сумнівам. Тверді біопалива характеризуються високими значеннями коефіцієнта виходу енергії (EYCNR), що є показником оцінки енергоефективності технології відновлювальної енергетики. Алевисновки про екологічну безпеку біопалива, що базуються лише на аналізі балансу парникових газів, є не досить переконливими.

На жаль, ми не є фахівцями з теорії оцінки життєвих циклів, на базі якої створюється імідж «ура-екологічності» твердого біопалива. Але виходячи із здорового глузду не важко зрозуміти, що при проведенні оцінки життєвого циклу технології необхідно визначитись із напрямками (категоріями) впливу на оточуюче середовище. Таких категорій впливу на довкілля досить багато, наприклад: зміна клімату, токсичність для людини, закислення природного середовища за рахунок поширення окислів сірки та азоту та випадання кислотних дощів.

На нашу думку хибна (або спеціально спланована) оцінка твердого біопалива, як екологічно чистого має місце через те, що враховується лише категорія впливу на зміну клімату. При цьому зовсім  не враховується категорії впливу застосування твердих біопалив на токсичність для людей, закислення та інші категорії.

Прийнято вважати, що застосування біопалива не має негативних наслідків на зміну клімату, бо існує так званий «вуглецевий баланс». Тобто вважається, що при спалюванні біопалива діоксиду вуглецю (СО2) утворюється рівно стільки, скільки було поглинуто рослинами під час росту. Біомаса розглядається, як СО2— нейтральне паливо. Але чи справедливо це для всіх видів біомаси. Для твердого біопалива, що отримується з використанням сировини сільськогосподарського виробництва, вуглецевий баланс безперечно існує, бо цикл цього виду біопалива короткий. Період росту сільгоспсировини, виготовлення та спалювання палива не перевищуватиме 1-3 роки.

Період росту сировини для твердого деревинного біопалива – стовбурної деревини, становитиме десятки і сотні років. Утворення торфу здійснюється на протязі тисяч років. Для таких довгих періодів важко говорити про вуглецевий баланс. Оперуючи поняттям «вуглецевий баланс», необхідно його розглядати в періоді часу, що співрозмірний з тривалістю життя людини.

Сказане вище, дає змогу стверджувати, що СО2— нейтральність твердих біопалив підлягає класифікації з метою визначення пріоритетів у використанні  біопалив. Але зрозуміло, що безперечний пріоритет має тверде біопаливо, що використовує сировину сільськогосподарського виробництва.

До процесів заміщення газу треба підходити зважено, враховуючи фактори зміни клімату та токсичності для людей, щоб не доводилось повертатись назад, як це часто буває.

Біомаса, що є основою твердих біопалив належить до відновлювальних джерел енергії. Поряд з терміном відновлювальні джерела енергії існує термін відновлювальна енергія.  Чим відрізняються ці терміни? Чи є термін відновлювальні джерела енергії синонімом терміну екологічно чисті джерела енергії ?  Достатня чіткість в нормативній базі України щодо цього питання відсутня.

До відновлювальних джерел енергії відносяться: біомаса та об’єкти природи, що зображено на схемі рисунку 1

1_7

Відновлювальна енергія – це енергія із джерел, що за людськими масштабами є невичерпними. Основний принцип використання відновлювальної енергії полягає в її вилучення із процесів, що постійно відбуваються в оточуючому середовищі та наданні для технічного використання. Вилучення відновлювальної енергії із природного середовища відбувається без його забруднення.

Основний принцип використання біологічно відновлювальної речовини – біомаси полягає в її використання як сировини для біопалива. Отримання енергії при спалюванні біопалива супроводжується виділенням забруднюючих речовин. Таким чином, не всі відновлювальні джерела енергії можна вважати екологічно чистими.

Згідно ст. 1  ЗУ «Про альтернативні види палива» тверде біопаливо – це тверда біомаса, що використовується як котельно-пічне паливо, у тому числі дрова, торф, тирса, тріска, солома, гранули та брикети. Біомаса – це біологічно відновлювальна речовина органічного походження, що зазнає біологічного розкладу (відходи сільського та лісового господарства, а також органічна частина промислових та побутових відходів). На рисунку 2 приведена спрощена схема класифікації твердого палива, в тому числі твердого біопалива.

5_1

Тверде біопаливо, що розглядається, характеризується широким спектром технічних характеристик: теплотворністю, вологістю, зольністю, складом забруднень у продуктах їх спалювання, особливостями вимог до спалювання.

Природний газ має досить сталий склад та вимоги до умов його спалювання незалежно від того, з якого родовища він походить. На відміну від газу, тверде біопаливо може мати різний склад та потребувати певні специфічні умови для його ефективного спалювання.Тому заміна газу на тверде біопаливо — це досить складний, з багатьох точок зору, процес. Але в цій статті ми ставимо за мету проаналізувати лише вплив на оточуюче середовище продуктів спалювання твердих біопалив у порівнянні з іншими викопними паливами.

Паливо складається з горючої маси та баласту. До складу горючої маси входить від двох до п’яти елементів. Вуглеводневе паливо, до якого відноситься природний  газ, складається лише з двох елементів: вуглецю (С) та водню (Н), при цьому склад вуглецю в 3-6 разів перевищує склад водню. В горючій масі деяких видів твердого палива склад кисню (О) в декілька разів перевищує склад водню, наприклад, у дровах він більше в 7 разів.

До складу баласту палива входять: волога, мінеральна маса та азот.

Частина мінеральної маси, що міститься в твердому біопаливі, вилучається рослинами з грунтів у вигляді різних солей.

Склад вологи в паливі коливається від часток відсотків до 50-60% в сирих дровах та свіже добутому торфі. Наявність вологи в паливі знижує його теплоту згорання. При згоранні палива з високою вологістю значно знижується температура горіння внаслідок витрат тепла на випаровування води та нагрів водяних парів, що утворюються.

Склад азоту в горючій масі твердого палива коливається від 0,5 до 2,0%. До порівняно недавнього часу азот в паливі розглядався лише як баласт, що частково знижує його теплоту згорання. Але з часом стала зрозумілою роль азоту палива в утворення токсичних окислів азоту, що входять до складу продуктів згорання палив.

Вуглець є важливим компонентом горючої маси палива. Його вміст в горючій масі різних видів палива коливається від 50 до 99%. Вуглець, що міститься  в складних органічних з’єднаннях, утворює горючу масу палива.

Другим по значенню компонентом палива являється водень. Його вміст в горючій масі різних видів палива від 1 до 25%. Найбільше водню в горючій масі природного газу, до 25%. Теплота згорання водню становить 28750 кквл/кг. Теплота згорання вуглецю – в 3,5 рази менша. Високий вміст водню є причиною високої теплоти згорання природного газу.

Водень та вуглець є основними складовими частинами горючої маси палива. При цьому чим вища частка водню, тим менше вуглецю використовується для отримання теплової енергії. А отже і вуглекислого газу утворюється менше.

В деяких видах палива міститься сірка. Вміст сірки в деяких паливах може становити до 5-8%. При спалюванні палива, що містить у своєму складі сірку, утворюється досить шкідливий діоксин сірки, що є забруднювачем атмосферного повітря.

Одним із найбільш поширених твердих біопалив є біопаливо з деревинних ресурсів. Деревинна біомаса у тому вигляді, в якому вона поступає в топку котла, називається робочим паливом.  Робочий склад деревинної біомаси характеризується таким рівня         

                                      Ср + Нр + Ор + Nр + Aр + Wр = 100%

де, С – вуглець, Н – водень, О – кисень, N – азот, A – зола, W – волога.

Для біомаси із вторинної сировини сільськогосподарського виробництва та для торфу до складу рівнянь буде включена сірка (S).

Рівняння складу робочої маси твердого біопалива буде таким

                                     Ср + Нр + Ор + Nр + Sр + Aр + Wр = 100%

В таблиці 1 приведений приблизний робочий склад деяких твердих біопалив, природного газу та вугілля.

7_1

На рисунку 3 наведена кількість палива, необхідна для вироблення 1 Гкал теплової енергії та відповідно кількість вуглецю, що використовується для вироблення 1 Гкал теплової енергії.

2_4

Як видно з графіка, найменше вуглецю використовується при використанні в якості палива газу. Потреба у вуглеці при використанні твердого біопалива в 1,5 – 2 рази вище, ніж при використанні газу. Якщо в якості базового палива розглядати кам’яне вугілля, то потреби у вуглеці практично однокові.

Порівняння  викидів забруднюючих речовин  в атмосферу для газу і твердого біопалива явно не на користь біопалива. Як уже сказано вище, при генерації теплової енергії з використанням твердого біопалива використовується в 1,5 – 2 рази більше вуглецю, ніж при використанні газу. При повному спалюванні вуглецю палива утворюється вуглекислий газ (СО2), а при неповному згоранні (в разі незадовільної організації процесу спалювання палива) частково утворюється газ – оксид вуглецю (СО). При недостачі кисню частина вуглецю виділяється у вільному стані у вигляді сажі. При цьому має місце чорний дим.

Таким чином заміщення газу твердим біопаливом супроводжується збільшенням навантаження на оточуюче середовище, як за категорією зміна клімату, так і за категорією підвищення токсичності середовища для людини.

При спалюванні біопалива в 1,5 – 2 рази збільшується утворення СО2 у порівнянні з газом. З’являються нехарактерні для газового палива оксид вуглецю та сажа (тверді частки). Валові викиди цих речовин складають значні об’єми (через відносну складність організації оптимальних процесів спалювання та необхідність якісної підготовки біопалива).

Біопалива, що містять у своєму складі сірку є причиною викидів в оточуюче середовище діоксиду сірки (SO2), яка відсутня у викидах продуктів згорання газу.

Згідно даних інструментальних спостережень концентрація оксидів азоту (NOх) у продуктах згорання  твердого біопалива значно вища, ніж у продуктах згорання газу.

Без глибокого наукового аналізу важко аргументовано говорити про кількісні характеристики щодо утворення парникових газів та впливу на зміну клімату для твердого біопалива і газу, але безперечним є те, що з категоричними термінами: «екологічне паливо», «екологічно чисте паливо» та подібними визначеннями щодо твердого біопалива треба зачекати.

З точки зору токсичності для людини та закислення природного середовища маємо безперечне збільшення навантаження на природне середовище.

Для аргументації останнього висновку проведемо аналіз концентрацій забруднюючих речовин у продуктах згорання природного газу та твердого біопалива.

Питання, що стосується викидів забруднюючих речовин в атмосферу при спалюванні газу досить детально висвітлене у матеріалах попередньої статті 

Згідно матеріалів, приведених у цій статті, забруднюючими речовинами при спалюванні газу являються оксид вуглецю (СО) та оксиди азоту (NOх). Технологічні нормативи допустимих викидів забруднюючих речовин у атмосферне повітря для газових котлів теплопродуктивністю до 50 Мвт, як і для котлів, що працюють на твердому біопаливі, в Україні відсутні. Але згідно ряду ДСТУ та ГОСТ встановлений певний рівень допустимих концентрацій СО та NOх для котлів теплопродуктивністю до 3,15 Мвт, що найбільше поширені в Україні: ССО =130 мг/м3, СNOх = 250 мг/м3 (при   α = 1).

Водогрійні та парові газові котли від європейських лідерів газового теплогенеруючого обладнання забезпечують  граничні концентрації забруднюючих речовин на рівні:

Ссо = 0-10 мг/м3, NOх = 80 мг/м(при   α = 1).

Дані по гранично-допустимим концентраціям забруднюючих речовин для газових котлів приведені в таблиці 2.

8_2

Інформації про фактичні концентрації викидів забруднюючих речовин при використанні твердих біопалив відносно небагато. До того ж біопаливо в Україні не сертифіковане та  має багато різновидів і їх спалювання здійснюється за різних умов. За таких умов важко говорити про абсолютну коректність аналізу, що проводиться, але, одночасно підтверджується необхідність проведення такого аналізу. Скористаємось вибірковою інформацією, отриманою із різних джерел та власним досвідом фахівців «НВЦ Теплокомплект».

1. Згідно даних Звіту «Виробництво теплової енергії із біомаси», виконаного Інститутом місцевого розвитку в рамках Прогами USAID «Місцеві альтернативні джерела енергії, м. Миргород» концентрації забруднюючих речовин у викидах продуктів згорання соломи у котлах LIN-KA (Данія) при α = 1 становлять:

  • оксиди азоту NOх       —  1040 мг/м3;
  • оксид вуглецю СО      —  1040 мг/м3;
  • тверді частинки           —  26 мг/м3 (після очищення).

2. Згідно технічних характеристик котла КВм(а) тепловою потужністю 300 квт, виробництва ТОВ «Котлозавод «КРИГЕР» (для твердого біопалива: дрова, стружка, щепа, торф фрезерний), концентрації забруднюючих речовин у продуктах згорання становлять не більше (приα = 1):

  • оксиди азоту NOх       —  750 мг/м3;
  • оксид вуглецю СО      —  2000 мг/м3;
  • тверді частинки           —  дані відсутні

3. Згідно «Технологічного нормативу допустимих викидів забруднюючих речовин у атмосферне повітря із котелень, щ о працюють на лушпинні соняшнику» концентрації забруднюючих речовин у продуктах згорання становлять не більше (при α = 1):

  • оксиди азоту NOх       —  600 мг/м3;
  • оксид вуглецю СО      —  до 4000 мг/м3;
  • діоксин сірки SO2       —  500 мг/м3;
  • тверді частинки           —  до 1200 мг/м3

Враховуючи приведені вище дані та цілий ряд додаткової інформації, отриманої шляхом прямих інструментальних вимірів та згідно даних технічної літератури, приймемо умовні усереднені значення показників концентрацій забруднюючих речовин для твердого біопалива (таблиця2).

З метою отримання більш широкого кола інформації до аналізу включені дані щодо викидів забруднюючих речовин при спалюванні кам’яного вугілля (таблиця 2). Ці дані приведені з використанням роботи І.Я.Сігала «Защита воздушного басейна при сжигании топлив» Ленинград «Недра» 1977 г

Комплексну оцінку токсичності викидів забруднюючих речовин при спалюванні умовного твердого біопалива, природного газу та кам’яного вугілля можливо виконати з використання умовного показника токсичності, що визначається за формулою запропонованою І.Я. Сігалом:

   Тум = СNOх/ГДКNOх + СCO/ГДКCO +  СSO2/ГДКSO2 + СТЧ/ГДКТЧ

де, СNOх; СCO; СSO2; СТЧ прийняті в табл 2 концентрації забруднюючих речовин у       продуктах згорання.

ГДКNOх=0,2-гранично-допустима концентрація оксидів азоту у приземному шарі, мг/м3

ГДКСО =5,0-гранично-допустима концентрація  оксиду вуглецю у приземн. шарі, мг/м3

ГДКSO2=0,5-гранично-допустима концентрація діоксиду сірки у приземн. шарі, мг/м3

ГДКТЧ= 0,3-гранично-допустима концентрація твердих частинок у приземн. шарі, мг/м3

Результати розрахунку умовного показника токсичності для газу, кам’яного вугілля та твердого біопалива приведені на графіку рисунку 4.

4_6

Умовний показник токсичності характеризує вплив на людей продуктів згорання палив. Отримані значення показника токсичності носять попередній оціночний характер. Більш коректні характеристики показників токсичності палив можна отримати лише після проведення достатнього об’єму випробувань котлів різних виробників для різних видів палива. В той же час маємо можливість константувати, що усереднений умовний показник токсичності для твердих біопалив має дещо нижче значення, ніж для кам’яного вугілля. Заміна кам’яного вугілля твердим біопаливом дещо знижує токсичність викидів продуктів згорання. Але заміщення природного газу твердим біопаливом в декілька разів підвищує забруднення  оточуючого середовища, збільшуючи токсичний вплив на людей.

Проведений аналіз показує, що застосуванню характеристики:екологічне чисте тверде біопаливо не відповідає.

Зроблені вище висновки ні в якому разі не мають на меті стверджувати, що широке впровадження твердого біопалива замість газу є справою неперспективною. Навпаки, тверде біопаливо вважаємо беззаперечно перспективним для застосування в Україні. Але його впровадження має носити не стихійний характер, а супроводжуватись цілою системою обов’язкових заходів, що забезпечують енергетичну, економічну та екологічну ефективність цього процесу.

До таких заходів мають бути віднесені:

  1. Заміщення природного газу твердим біопаливом має проводитись з одночасним проведенням термомодернізації будівель, що забезпечує скорочення споживання тепла не менше, ніж в 2 рази.
  2. Для всіх твердих біопалив має бути проведення чітка класифікація з обов’язковою сертифікацією.
  3. Враховуючи, що організація якісного спалювання твердого палива набагато складніша, ніж організація спалювання газу, виробники твердопаливних котлів повинні надавати експлуатаційну документацію, що містить інформацію про види твердого біопалива, дозволеного для використання та інформацію про екологічні показники викидів продуктів згорання кожного виду палива.
  4. Необхідно розробити методологію та порядок проведення режимно-налагоджува-льних робіт на твердопаливних котлах та порядок здійснення контролю енергетичної та екологічної ефективності твердопаливних котлів з урахуванням вимог Директив Європейського Союзу.
  5. Необхідно розробити та втілити систему моніторингу викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря для твердопаливних котлів для оцінки їх впливу на оточуюче середовище для подальшої розробки технологічних нормативів.

C.Парасочка В.Хрящевський