Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Popel z biomasy jako zdroj Popel z biomasy jako zdroj minerálních látekminerálních látek

T.Hanzlíček, I.PernáT.Hanzlíček, I.PernáÚstav struktury a mechaniky Ústav struktury a mechaniky

hornin AV ČR hornin AV ČR

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Historie využití popelůHistorie využití popelů Pozorování přírody vedlo první zemědělce k Pozorování přírody vedlo první zemědělce k

poznání, že po spálení lesa se porost velmi poznání, že po spálení lesa se porost velmi rychle obnovuje.rychle obnovuje.

To nakonec znamenalo, že z pozorování To nakonec znamenalo, že z pozorování přírody vzešla technologie tzv. „žďáření“ - přírody vzešla technologie tzv. „žďáření“ - řízené vypalování lesů, které bylo podmínkou řízené vypalování lesů, které bylo podmínkou k výraznému rozšíření zemědělské půdy. k výraznému rozšíření zemědělské půdy. Ždáření znamená, že byl popel z Ždáření znamená, že byl popel z kontrolovaného vypalování lesů ponechán na kontrolovaného vypalování lesů ponechán na místě budoucího pole. místě budoucího pole.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

SouvislostiSouvislosti Venkovský způsob života ještě v polovině Venkovský způsob života ještě v polovině

20.století využíval především místních zdrojů, jak 20.století využíval především místních zdrojů, jak pro obživu, tak pro získání tepla pro vaření a pro obživu, tak pro získání tepla pro vaření a topení.topení.

Zásadní bylo využívání dřeva jako základního Zásadní bylo využívání dřeva jako základního energetického zdroje a popel byl přirozeně energetického zdroje a popel byl přirozeně recyklován, tj. buď byl využíván přímo jako hnojivo, recyklován, tj. buď byl využíván přímo jako hnojivo, nebo byl přidáván do kompostu.nebo byl přidáván do kompostu.

Změnou životního stylu ve druhé polovině Změnou životního stylu ve druhé polovině 20.století se mění spotřeba energií celé 20.století se mění spotřeba energií celé společnosti – stále se zvyšuje spotřeba elektrické společnosti – stále se zvyšuje spotřeba elektrické energie a i venkovská stavení mají dnes ústřední energie a i venkovská stavení mají dnes ústřední topení na uhlí nebo plyn.topení na uhlí nebo plyn.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Jak to souvisí s popelem?Jak to souvisí s popelem? Spalování biologicky obnovitelných Spalování biologicky obnovitelných místních místních

zdrojů zdrojů v jednoduchých kuchyňských zařízení v jednoduchých kuchyňských zařízení (pec, sporák) znamená především velmi (pec, sporák) znamená především velmi limitovaná množství spalovaného materiálu.limitovaná množství spalovaného materiálu.

Materiál, tj. Materiál, tj. prakticky pouze dřevoprakticky pouze dřevo z lokální z lokální těžby a sběru, spolu s rozšířenou zvyklostí těžby a sběru, spolu s rozšířenou zvyklostí vařit a topit jen v jedné místnosti, limituje i vařit a topit jen v jedné místnosti, limituje i množství popela. množství popela.

V těchto podmínkách prakticky nevzniká V těchto podmínkách prakticky nevzniká odpad, vše z domácností je dále využíváno. odpad, vše z domácností je dále využíváno.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Konec 20.století a vědomí Konec 20.století a vědomí vyčerpatelnosti fosilních zdrojů vyčerpatelnosti fosilních zdrojů

Ekologická hnutí a iniciativy začaly významným způsobem Ekologická hnutí a iniciativy začaly významným způsobem poukazovat na možnost rychlého vyčerpání dnes běžných poukazovat na možnost rychlého vyčerpání dnes běžných energetických zdrojů – uhlí, ropy a zemního plynu.energetických zdrojů – uhlí, ropy a zemního plynu.

Pro stále nekontrolovatelně rostoucí poptávky po energiích Pro stále nekontrolovatelně rostoucí poptávky po energiích poukazují na nutnost využít zdrojů sluneční nebo větrné poukazují na nutnost využít zdrojů sluneční nebo větrné energie, stejně jako energie vodní nebo energie mořského energie, stejně jako energie vodní nebo energie mořského příboje.příboje.

Mimo jmenovaných zdrojů se ekologové vrací k tradičnímu Mimo jmenovaných zdrojů se ekologové vrací k tradičnímu spalování biologické hmoty – dřeva, ale i obilní slámy nebo spalování biologické hmoty – dřeva, ale i obilní slámy nebo speciálních druhů rychle rostoucích dřevin a trav. speciálních druhů rychle rostoucích dřevin a trav.

Někde se dokonce spaluje i obilí, vojtěška a sláma z řepky. Někde se dokonce spaluje i obilí, vojtěška a sláma z řepky. V nabídce jsou dnes i dovozové komodity: slupky z palmy V nabídce jsou dnes i dovozové komodity: slupky z palmy olejnaté, lisované slupky ze slunečnic apod. olejnaté, lisované slupky ze slunečnic apod.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Ekologický „boom“Ekologický „boom“ Vynecháme-li všechny extrémy vládních Vynecháme-li všechny extrémy vládních

podpor a cílů Evropské Unie v úspoře podpor a cílů Evropské Unie v úspoře fosilních paliv a nebudeme-li se zabývat fosilních paliv a nebudeme-li se zabývat fotovoltaikou, pak pro ilustraci zásahů fotovoltaikou, pak pro ilustraci zásahů úředníků úplně postačí trendy při spalování úředníků úplně postačí trendy při spalování biomasy.biomasy.

V rámci ČR existuje cca 42 zdrojů popela ze V rámci ČR existuje cca 42 zdrojů popela ze spalování biomasy a většina menších vznikla spalování biomasy a většina menších vznikla ještě z podpory projektů EU „Phare“ jako ještě z podpory projektů EU „Phare“ jako řešení místních kotelen, kdy se lokální řešení místních kotelen, kdy se lokální spalování uhlí mělo nahradit centralizovaným spalování uhlí mělo nahradit centralizovaným spalováním obnovitelných místních zdrojů. spalováním obnovitelných místních zdrojů.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Zdroje popela ze spalování biomasyZdroje popela ze spalování biomasy

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Velcí a malý producenti tepla a Velcí a malý producenti tepla a el.energie el.energie

Předchozí mapa ukazuje rozmístění spaloven a současně i Předchozí mapa ukazuje rozmístění spaloven a současně i velké producenty popela (Plzeň, Mydlovary), kde výstupem velké producenty popela (Plzeň, Mydlovary), kde výstupem je jak teplo, tak elektrická energie – tedy dotační titul.je jak teplo, tak elektrická energie – tedy dotační titul.

Vyrábí-li se současně výrazně dotovaná elektrická energie, Vyrábí-li se současně výrazně dotovaná elektrická energie, pak cena paliva prakticky nerozhoduje a svozem i z velkých pak cena paliva prakticky nerozhoduje a svozem i z velkých vzdáleností (z okruhu 50 – 80 km) lze stále cenu tepla vzdáleností (z okruhu 50 – 80 km) lze stále cenu tepla udržet.udržet.

Pro malé lokální provozovatele, ale cena paliva roste Pro malé lokální provozovatele, ale cena paliva roste neúměrně (zvýšení od roku 2002 až 3x) a došlo již k tomu, neúměrně (zvýšení od roku 2002 až 3x) a došlo již k tomu, že společně vybudovaná lokální kotelna musela být že společně vybudovaná lokální kotelna musela být uzavřena – cena GJ tepla přesáhla finanční možnosti uzavřena – cena GJ tepla přesáhla finanční možnosti obyvatel. obyvatel.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Moderní kotel Moderní kotel Výstavba zařízení na spalování biomasy sebou přinesla i Výstavba zařízení na spalování biomasy sebou přinesla i

nové technologie spalování, které znamenaly vývoj nové technologie spalování, které znamenaly vývoj nových kotlů – každý konstruktér, ale i uživatel se snaží nových kotlů – každý konstruktér, ale i uživatel se snaží o maximální efektivitu, o maximální využití potenciálu o maximální efektivitu, o maximální využití potenciálu spalovaného materiálu.spalovaného materiálu.

Spalovací proces je řízen počítačem – množství paliva, Spalovací proces je řízen počítačem – množství paliva, vzduchu, (včetně jeho předhřívání) při stálé kontrole vzduchu, (včetně jeho předhřívání) při stálé kontrole množství spalitelných látek v úletovém popelu. množství spalitelných látek v úletovém popelu.

Spalovací teploty rostou nad 800 °C (zvláště u velkých Spalovací teploty rostou nad 800 °C (zvláště u velkých výrobců tepla a elektrické energie, které využívají tzv. výrobců tepla a elektrické energie, které využívají tzv. fluidní spalování).fluidní spalování).

Jedním z určujících znaků efektivity spalování je nízký Jedním z určujících znaků efektivity spalování je nízký obsah spalitelných látek v popelu, které se identifikují obsah spalitelných látek v popelu, které se identifikují jako ztráta žíháním při posuzování složení popelajako ztráta žíháním při posuzování složení popela. .

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Chemická složení běžných popelů Chemická složení běžných popelů ze spalování biomasyze spalování biomasy

  Oxidy/ Oxidy/ zdroj zdroj

MgOMgO AlAl22OO33 SiOSiO22 KK22OO CaOCaO FeFe22OO33 MnOMnO PP22OO55 Z.Ž.Z.Ž.

dřevní dřevní štěpkaštěpka

22,,4343 1010,,22 5151,,7474 77,,5252 1616,,3030 55,,5555 11,,1010 11,,2929 33,,2525

Fluid Fluid 22,,7878 99,,9999 4242,,4343 55,,8989 1616,,2929 55,,4040 11,,7272 22,,1818 66,,3232

Sláma Sláma 11,,8686 11,,3030 6161,,6565 2020,,7676 88,,0000 00,,5555 00,,1212 22,,2222 22,,0404

Všimněte si prosím minimálních obsahů spalitelných látek (Z.Ž), tj. dokonalosti hoření a spálení prakticky všeho uhlíku a současně rozdílů v obsazích draslíku a vápníku i obsahu křemíku.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Posuzování popelůPosuzování popelů Pro růst rostlin jsou zásadní obsahy draslíku, Pro růst rostlin jsou zásadní obsahy draslíku,

vápníku, fosforu, dusíku současně i síry a železa v vápníku, fosforu, dusíku současně i síry a železa v půdě.půdě.

Je třeba si uvědomit, že v popelech se jedná o Je třeba si uvědomit, že v popelech se jedná o významnou koncentraci prvků (popel ze dřeva je cca významnou koncentraci prvků (popel ze dřeva je cca 1/7 – 1/8 hmotností dřeva, u slámy pak popel je cca 1 1/7 – 1/8 hmotností dřeva, u slámy pak popel je cca 1 hm. % původní hmoty).hm. % původní hmoty).

Všimněme si prosím obsahů křemene (SiOVšimněme si prosím obsahů křemene (SiO22) od 40 ) od 40 hm. % do více než 60 hm. % u obilní slámy.hm. % do více než 60 hm. % u obilní slámy.

Křemík (Si) z půdy se však může do rostliny dostat Křemík (Si) z půdy se však může do rostliny dostat jen v rozpustné, tj. gelovité formě.jen v rozpustné, tj. gelovité formě.

Jakou změnou procházejí další prvky vlivem Jakou změnou procházejí další prvky vlivem spalovacího procesu?spalovacího procesu?

Oxidy/ Oxidy/ zdroj zdroj

MgOMgO AlAl22OO33 SiOSiO22 KK22OO CaOCaO FeFe22OO33 MnOMnO PP22OO55 Z.Ž.Z.Ž.

dřevní dřevní štěpkaštěpka

22,,4343 1010,,22 5151,,7474 77,,5252 1616,,3030 55,,5555 11,,1010 11,,2929 33,,2525

Fluid Fluid 22,,7878 99,,9999 4242,,4343 55,,8989 1616,,2929 55,,4040 11,,7272 22,,1818 66,,3232

Sláma Sláma 11,,8686 11,,3030 6161,,6565 2020,,7676 88,,0000 00,,5555 00,,1212 22,,2222 22,,0404

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Mineralogie Mineralogie Odpověď na otázky složení formujících se látek při Odpověď na otázky složení formujících se látek při

spalování biomasy dává XRD analýza (rentgen difrakční spalování biomasy dává XRD analýza (rentgen difrakční analýza krystalických látek).analýza krystalických látek).

Podíl křemene (SiOPodíl křemene (SiO22) je naprosto dominantní a další ) je naprosto dominantní a další složky popela jsou živce mikroklin (M), leucit (L) a složky popela jsou živce mikroklin (M), leucit (L) a anortoklas (Ao) .anortoklas (Ao) . Převážná většina zjištěných látek v Převážná většina zjištěných látek v popelu jsou látky ve vodě nerozpustné. popelu jsou látky ve vodě nerozpustné.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Příklad popela z fluidního spalováníPříklad popela z fluidního spalování Podobně jako v předchozím případě je rozhodující Podobně jako v předchozím případě je rozhodující

obsah křemene, opět jsou zde živce –albit a mikroklin. obsah křemene, opět jsou zde živce –albit a mikroklin. Vedle nich se však vyskytuje i vápenec a anhydrit Vedle nich se však vyskytuje i vápenec a anhydrit (CaSO(CaSO44). Obě tyto složky však nepochází z biomasy, ale ). Obě tyto složky však nepochází z biomasy, ale jsou podílem ložového uhelného popela, který u fluidního jsou podílem ložového uhelného popela, který u fluidního kotle na dřevo tvoří lože fluidního kotle. kotle na dřevo tvoří lože fluidního kotle.

Vlastní uhelný kotel je zásobován vápencem, který se Vlastní uhelný kotel je zásobován vápencem, který se rozkládá a kompletně zachycuje oxid siřičitý vznikající ze rozkládá a kompletně zachycuje oxid siřičitý vznikající ze síry obsažené v uhlí.síry obsažené v uhlí.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Teploty spalováníTeploty spalování Oba příklady ukazují na dokonalé spalování Oba příklady ukazují na dokonalé spalování

biomasy což potvrzuje jak nízká ztráta biomasy což potvrzuje jak nízká ztráta žíháním, tak i tvorba živců, eventuelně v žíháním, tak i tvorba živců, eventuelně v případě fluidního spalování dřevní štěpky i případě fluidního spalování dřevní štěpky i tvorba vysokoteplotní modifikace křemene – tvorba vysokoteplotní modifikace křemene – cristobalitu.cristobalitu.

Teplota spalování kolem 800 °C však Teplota spalování kolem 800 °C však znamená takřka úplnou inhibici draselných znamená takřka úplnou inhibici draselných iontů, které případně včetně vápníku s iontů, které případně včetně vápníku s aluminium-silikátem tvoří nerozpustné živce. aluminium-silikátem tvoří nerozpustné živce.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Příklad složení popela ze slámyPříklad složení popela ze slámy

Významné je množství křemene, které je doplněno sylvitem (KCl) a Významné je množství křemene, které je doplněno sylvitem (KCl) a magnezitem (MgCOmagnezitem (MgCO33). Minoritní složkou je pak arkanit (K). Minoritní složkou je pak arkanit (K22SOSO44) a ) a nevýrazný je podíl případného dolomitu (CaCOnevýrazný je podíl případného dolomitu (CaCO33 . MgCO . MgCO33). Podle ). Podle průběhu křivky je zřetelné, že vedle identifikovatelných krystalických průběhu křivky je zřetelné, že vedle identifikovatelných krystalických podílů obsahuje vzorek popela i rentgen-amorfní podíly, což podílů obsahuje vzorek popela i rentgen-amorfní podíly, což signalizuje významné stoupání křivky od hodnoty cca 15 [°2 Theta].signalizuje významné stoupání křivky od hodnoty cca 15 [°2 Theta].

Rentgen-amorfní podíl (tvorba jednoduchých skel) je pro obilní Rentgen-amorfní podíl (tvorba jednoduchých skel) je pro obilní slámy typický – podíl draslíku a křemíku je pro jejich tvorbu slámy typický – podíl draslíku a křemíku je pro jejich tvorbu optimální, ale často znamená potíže při čištění kotlů.optimální, ale často znamená potíže při čištění kotlů.

Zde poprvé registrujeme Zde poprvé registrujeme podílpodíl ve vodě rozpustných látek ve vodě rozpustných látek a a můžeme konstatovat, že teploty spalování nepřesáhly 600 °C.můžeme konstatovat, že teploty spalování nepřesáhly 600 °C.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Co z toho vyplývá ?Co z toho vyplývá ? Čím efektivnější je spalování, čím vyšší jsou Čím efektivnější je spalování, čím vyšší jsou

teploty pro maximální využití potenciálu teploty pro maximální využití potenciálu dřevní (slámy) hmoty, tím nižší je účinnost dřevní (slámy) hmoty, tím nižší je účinnost popelů pro účely přihnojení minerálními popelů pro účely přihnojení minerálními hnojivy.hnojivy.

Ve vodě nerozpustné látky (křemen, živce) Ve vodě nerozpustné látky (křemen, živce) inhibují látky podporující růst rostlin.inhibují látky podporující růst rostlin.

Popely vznikající při spalování za vyšších Popely vznikající při spalování za vyšších teplot nejsou jako zdroj minerálních látek teplot nejsou jako zdroj minerálních látek účinné.účinné.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

ZávěrZávěr Tlak na podíl obnovitelných zdrojů pro výrobu tepla a Tlak na podíl obnovitelných zdrojů pro výrobu tepla a

elektrické energie ze spalování biomasy vytvořil spletitou elektrické energie ze spalování biomasy vytvořil spletitou situaci:situaci:

- Malý a střední výrobci tepla nemohou konkurovat v cenách Malý a střední výrobci tepla nemohou konkurovat v cenách paliva, které je přepláceno velkými výrobci, jímž dotační paliva, které je přepláceno velkými výrobci, jímž dotační titul výroby „zelené“ elektrické energie pokryje zvýšené titul výroby „zelené“ elektrické energie pokryje zvýšené náklady.náklady.

- Využití popelů (80 000 t) ročně jako minerálního hnojiva je Využití popelů (80 000 t) ročně jako minerálního hnojiva je vzhledem k mineralogickému složení problematické.vzhledem k mineralogickému složení problematické.

- Ceny za ukládání popelů ročně stoupají a to je dalším Ceny za ukládání popelů ročně stoupají a to je dalším problémem malých a středních výrobců tepla.problémem malých a středních výrobců tepla.

- Úpravou popelů lze určitý potenciál minerálních látek Úpravou popelů lze určitý potenciál minerálních látek zachránit, ale jen za cenu následného zpracování – zachránit, ale jen za cenu následného zpracování – vkladu další energie, práce a aditiv. vkladu další energie, práce a aditiv.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Práce vznikla za podpory projektu Ministerstva Práce vznikla za podpory projektu Ministerstva zemědělství ČR, NAZV QI102A207/2009. zemědělství ČR, NAZV QI102A207/2009.

Děkuji za pozornostDěkuji za pozornost