Хемијске карактеристике биомасе
Може се уопштено рећи да пољопривредна биомаса сведена на чисту гориву масу има практично исти хемијски састав, дефинисаном хемијском формулом ЦХ1,4 О0,6 Н0,1:
где је: Ц – угљеник, Х – водоник, О – кисеоник и Н – азот.
Постоје велике разлике у природи полимера, који улазе у њен састав. Ту се пре свега подразумевају: целулоза, хемицелулоза, лигнин и екстравативна уља. Тако се за пшеничну сламу може констатовати да је лигноцелулозни материјал донекле променљивог елементарног састава, што је условљено читавим низом фактора. Рајкенс наводи да су основне материје које улазе у град житне сламе: целулоза 36%, хемицелулоза 25%, органске компоненте 8%, лигнин 18%, соли 6% и минералне материје 7%. Хемијски састав пшеничне сламе према Преведену је: целулоза 36 до 54%, пентозани 22 до 28%, фурфурол 17 до 19%, лигнин 14 до 16%, масноће и восак 2 до 4%, што минералне материје 2 до 8%, слама спада у целулозне материје.
Топлотна моћ масноћа и смола у слами износи 35,6 - 38,1 МЈ/кг, целулозе 17,3 - 18,2 МЈ/кг и лигнина 25,5 МЈ/кг. На основу наведеног може да се констатује да слама има релативно високу топлотну моћ 12,7 до 15,8 МЈ/кг, изражено на апсолутно суву материју.
Пшенична слама се састоји од истих хемијских елемената као и друга природна врста горива (фосилна горива). Ту се подразумевају: угљеник (Ц), водоник (Х), кисеоник (О), азот (Н), сумпор (С), минералне материје (А) и влага (В), што се може представити једнаком масених удела:
ц + х + о + н + с + а + в = 1 кг
Елементарна хемијска анализа неких врста биомаса, изведена на суву материју, показује да је елементарни састав врло сличан дрвету: Угљеник Ц : слама, окласак, љуске сунцокрета, дрво, респективно 44,84%, 48,31%, 50,57%, 50,30%, Водоник Х ; 5,68%, 5,74%, 5,68%, 6,20%, Кисеоник + Азот (О + Н) , 41,48%, 43,13 + 0,66%, 40,91 + 0,57 %, 43,10%, Пепео А, 8%, 2,16%, 2,27%, 0,40%. Удео Сумпора (С) је овде занемарен. То значи да дрво има виши садржај хемијских елемената, а мање минералних материјала (пепела) од пољопривредне биомасе.
Процентуални масени удели појединачних компоненти се односе на апсолутно суву материју. Уколико се посебно изражава садржај влаге у биомаси (В), онда све масене уделе треба свести на влажну основу (базу).
Елементарни састав пшеничне сламе (као и сваког горива) у многоме одређује начин и карактеристике процеса њеног сагоревања. Од важнијих карактеристика сламе које су значајне за елементарни хемијски састав су пре свега:
- мањи садржај угљеника (Ц) и водоника (Х) у односу на фосилна горива,
- велики садржај кисеоника (О) чиме се смањује топлотна моћ сламе,
- мали удео азота (Н) и сумпора (С) (којег има само у траговима), што биогориво од пшеничне сламе у великој мери чини еколошким,
- релативно мали удео минералних материја (А), које и поред тога посебно усложњавају процес сагоревања пшеничне сламе (због ниске температуре топљења пепела),
- променљиви удео влаге (В), што се у ложишту може манифестовати као да сагоревају два потпуно различита горива.
Према неким изворима удео сумпора у биомаси може да износи 0 - 0,1%. Према другим изворима удео сумпора у љусци сунцокрета може да буде до 0,3%. Удео сагорљивог сумпора у окласку кукуруза и љусци сунцокрета може да износи до 0,08%. Као што се види, ове количине сумпора у биомаси нису значајне. У поређењу са количином сумпора код конвенционалних горива (1 - 3%), овде је количина сумпора 10 - 30 пута мања. Познато је да се сагоревањем конвенционалног горива стварају сумпорни оксиди (СнОм), који су врло штетни за животну средину, нарочито када дођу у додир с влагом. Тада се ствара сумпорна или сумпораста киселина, која нагриза све материје с којима дође у додир. Због овога коришћење биомасе еколошки има велике предности у поређењу са конвенционалним врстама горива.
Процес сагоревања биомасе је специфичан. Пре него што сагори, биомаса се суши и термички разлаже на високим температурама (без присуства довољне количине кисеоника, тј. познат као процес пиролизе или суве дестилације органске масе). Одређивање садржаја испарљивих компоненти у биогоривима је од велике важности. Поред квалитета биогорива тиме се одређује и начин употребе горива, као и тип ложишта у коме гориво сагорева.
За биогорива, самим тим и пшеничну сламу температура самозапаљења се креће у границама од 220 °С, па навише. Са тиме се слаже и Радоњић, који поређења ради наводи температуре паљења: лигнита 280 – 300 °С, мрког угља 230 – 240 °С, каменог угља 150 – 260 °С и антрацита око 485 °С.
Гориви састојци биомасе (Ц, Х, С) чине више од 50% од укупне количине биомасе. Удео пепела у биомаси износи 2 - 7% (макс. 8%). Удео пепела је виши него код дрвета, али је знатно нижи него код домаћег угља (2 - 7 пута). Садржај пепела у окласку кукуруза је нешто виши него у љусци сунцокрета и може да износи до 6 % према неким ауторима. Садржај пепела у љусци сунцокрета је око 2%, а садржај волатила (испарљивог дела горива - гасови) релативно је висок и износи око 80%. Пепео од конвенционалних горива је штетан за животну средину, а пепео од биомасе може да послужи као добро минерално ђубриво. Љуске сунцокрета, као алтернативно биогориво, успешно су се користиле за погон котлова у фабрикама уља у Зрењанину, Сомбору и Врбасу.
Окласак и љуске сунцокрета представљају у основи добро биогориво. Оно се може сагоревати у слоју (у решеткастим ложиштима разних типова) или у вртлогу (циклонска ложишта). Код сагоревања окласка на класичној косој решетки јављају се озбиљни проблеми везани за прегревање решетке. Због тога она мора бити изведена од ватроотпорног материјала. Да не би дошло до прегревања решетке користи се и водом хлађена коса решетка. Млевени окласак врло добро сагорева у циклонским ложиштима. Сагоревање комадног окласка у вертикалном слоју још није довољно проучено. У појединим семенским центрима здробљени окласак сагоревао је у флуидизираном слоју (Суботица, Бачка Топола, Шид) или на косој решетци (Сомбор, Земун Поље, Пожаревац).
Истраживањем сагоревања кукурузовине показало се да је она погодна за употребу као биогориво. Анализом узорака добијене су просечне вредности сагорљивих компонената према Пеарт-у. Ако се узме у обзир апсолутно сува маса кукурузовине онда испарљиви део (Во - волатили) износе 90,12 %, фиксни угљеник (Цфикс) 8,24% и пепео (А) 1,64%. Код влажне биомасе 35% и 15%, испарљиви део износи 54,6 до 76,6%, фиксни угљеник 7,2 до 7,0%, пепео 3,2 до 1,4% и температура топљења пепела 840 – 954 °С за влажну и 790 – 815 °С за сувљу масу.
Топлотна моћ биомасе
Повишењем количине влаге у пшеничној слами опада у већој или мањој мери и њена топлотна моћ. Тако, Мартинов наводи средњу вредност доње топлотне моћи (за узорке од 15% влаге) од 13.086,7 кЈ/кг. Бркић и Јанић износе оријентациону вредност за доњу топлотну моћ пшеничне сламе, при њеној складишној влажности од 14%, од 14.000 кЈ/кг.
Топлотна моћ житне и сојине сламе износи од 12,7 - 16 кЈ/кг, а окласка од кукурузног клипа 14,7 кЈ/кг. Топлотна моћ биомасе зависи од садржаја влаге у биљном материјалу. За апсолутно сув окласак добијена је горња топлотна вредност од 18,35 кЈ/кг. Доња топлотна вредност окласка мења се са садржајем влаге за 5% - 17,45 кЈ/кг, за 10% - 16,4 кЈ/кг, за15 % - 15,36 кЈ/кг, за 20% - 14,3 кЈ/кг и за 25% - 13,3 кЈ/кг.
Раније се топлотна вредност биомасе упоређивала са каменим угљем. Данас се упоређује са течним горивом (дизел горивом или уљем за ложење). Оквирно посматрано 3 кг сламе може да замени 1 кг дизел горива (Д2) или уља за ложење. 2,56 кг окласка (са 7,5% садржаја влаге) по топлотној моћи одговара 1 кг лаког уља за ложење (ЕЛ).
Љуске од сунцокрета, које настају у технолошком процесу производње јестивог уља, представљају веома квалитетно биогориво, које је рентабилно сагоревати у ложиштима парних котлова инсталисаним на уљарама. Доња топлотна моћ љуске од сунцокрета је 15.600 – 16.700 кЈ/кг, зависно од садржаја влаге у љусци. Садржај влаге у љусци обично износи 12 - 14%, док је садржај пепела око 2%, а садржај волатила релативно висок (око 80 %).
Према неким ауторима љуска од сунцокрета има топлотну моћ 17,55 МЈ/кг. Један килограм љуске може да замени 0,4 кг мазута. Код доброг сагоревања љуске у ложишту котла не долази до загађивања околне средине. Продукти сагоревања (димни гасови) немају штетних састојака, а количина пепела је мала.
Топлотна моћ кукурузовине, као биогорива, је доста висока, већа је од лигнита. Она износи око 16,6 МЈ/кг. Уколико се сакупља влажна кукурузовина влага јој смањује топлотну вредност. Сагоревањем влажне кукурузовине троши се властита енергија на испаравање воде. Ригинс је утврдио корелацију између садржаја влаге и доње топлотне вредности за кукурузовину (Едв):
Едв = 19.002,44 – 186,82 в (кЈ/кг)
где је: в - садржај влаге у кукурузовини, тзв. влажност, (%)
Дакле, истраживања сагоревања кукурузовине показују да је она погодна за употребу као биогориво. Гасификацијом кукурузовине постигнут је енергетски степен корисности гасогенератора од 85 - 90%, у случају када после тога сагорева топао гас, а око 70%, кад се гас пречишћава и хлади за погон гасних мотора.
Горња топлотна моћ горива (Ег) добија се одређивањем у калориметријској бомби (најчешће), при томе се продукти сагоревања хладе на температуру околине, а водена пара из продуката сагоревања се кондензује, при чему предаје топлоту фазе (тзв. "латентну топлоту") околини. Код доње топлотне моћи вода се налази у облику водене паре.
Познавајући горњу топлотну моћ (Егс) и количину (садржај) водене паре у продуктима сагоревања апсолутно суве биомасе може се израчунати доња топлотна моћ према изразу:
Едс = Егс – 24,4 Вп (кЈ/кг)
где је: Вп - количина водене паре у продуктима сагоревања, процентуално изражена у односу на апсолутно суву масу горива (%).
Добијена вредност топлотне моћи односи се на апсолутно суву масу биогорива. Прерачунавање топлотне вредности на масу влажног биогорива обавља се уз помоћ израза:
Едв = Едс ((100 - в)/100) – 24,4 в (кЈ/кг)
где је: в - влажност биогорива (%).
Горња топлотна моћ изражена у односу на влажно биогориво је:
Егв = Едв + 24,4 (Вп + в) (кЈ/кг)
Као што је већ истакнуто пепео биогорива, па и пшеничне сламе, представља једну од највећих сметњи за адекватно вођење процеса њеног сагоревања. То се посебно односи на сагоревања биогорива у слоју, где се минералне материје топе услед високих температура које владају у коксној зони, а затим се хладе при контакту са ваздухом за сагоревање. При томе отврдну образујући порозну, али чврсту шљаку. Услед тога може доћи до зачепљавања отвора за довод ваздуха за сагоревање и повећања отпора при његовом доводу, прљања загревне површине постројења и проузроковању великих тешкоћа у подешавању рада постројења за сагоревање. Лоша особина пепела се огледа и у његовом интензивном лепљењу на површине ложишта, измењивачким површинама и димним каналима, што може довести до озбиљних оштећења постројења за сагоревање. Тај проблем је изузетно изражен при сагоревању пшеничне сламе (поготово високо алкалне), код које агротехника у производњи сламе налаже већу примену минералних ђубрива.
На сагледавању карактеристика пепела од пшеничне сламе радили су многи истраживачи. Тако у литератури за температуру омекшавања пепела наводи се вредност од 800 °С. У раду Перуновића се истиче да се температура топљења пепела налази испод 900 °С, услед високог садржаја алкалних елемената у пепелу пшеничне сламе. Према њиховом истраживању, наводи се да пепео пшеничне сламе садржи: калијума 11,90%, калцијума 2,60%, фосфора 1,50% и магнезијума 0,60%.
Из наведеног произилази да и поред тога што приликом сагоревања пшеничне сламе остаје релативно мало пепела, често се стварају знатно већи проблеми у односу на сагоревање угља са знатно вишим садржајем минералних материја (пепела). Из тог разлога се мора повести рачуна о ограничењу топлотног оптерећења решетке и ложишног простора постројења за сагоревање
Особине пепела, односно његових компоненти су нарочито важне за избор конструкције ложишта и начин регулисања сагоревања. Максимална температура продуката сагоревања је ограничена температуром омекшавања, односно топљења пепела и мора се врло прецизно регулисати. Високи проценат На2О, заједно са СиО2 у биомаси (код пепела сламе 30 – 40%), указује на ниску температуру топљења пепела, што је од битног утицаја на одређивање температурног нивоа ложишта.
Температуре топљења пепела из сламе и окласка према ДИН нормама су: почетак синтеровања 740 и 760 ºС, почетак омекшавања 940 и 970 ºС, омекшавање пепела 1080 и 1100 ºС и топљење пепела 1240 и 1325 ºС.
