Popel z biomasy jako zdroj minerálních látek T.Hanzlíček, I.Perná Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR

Historie využití popelů Pozorování přírody vedlo první zemědělce k poznání, že po spálení lesa se porost velmi rychle obnovuje. To nakonec znamenalo, že z pozorování přírody vzešla technologie tzv. „žďáření“ - řízené vypalování lesů, které bylo podmínkou k výraznému rozšíření zemědělské půdy. Ždáření znamená, že byl popel z kontrolovaného vypalování lesů ponechán na místě budoucího pole.

Souvislosti Venkovský způsob života ještě v polovině 20.století využíval především místních zdrojů, jak pro obživu, tak pro získání tepla pro vaření a topení. Zásadní bylo využívání dřeva jako základního energetického zdroje a popel byl přirozeně recyklován, tj. buď byl využíván přímo jako hnojivo, nebo byl přidáván do kompostu. Změnou životního stylu ve druhé polovině 20.století se mění spotřeba energií celé společnosti – stále se zvyšuje spotřeba elektrické energie a i venkovská stavení mají dnes ústřední topení na uhlí nebo plyn.

Jak to souvisí s popelem? Spalování biologicky obnovitelných místních zdrojů v jednoduchých kuchyňských zařízení (pec, sporák) znamená především velmi limitovaná množství spalovaného materiálu. Materiál, tj. prakticky pouze dřevo z lokální těžby a sběru, spolu s rozšířenou zvyklostí vařit a topit jen v jedné místnosti, limituje i množství popela. V těchto podmínkách prakticky nevzniká odpad, vše z domácností je dále využíváno.

Konec 20.století a vědomí vyčerpatelnosti fosilních zdrojů Ekologická hnutí a iniciativy začaly významným způsobem poukazovat na možnost rychlého vyčerpání dnes běžných energetických zdrojů – uhlí, ropy a zemního plynu. Pro stále nekontrolovatelně rostoucí poptávky po energiích poukazují na nutnost využít zdrojů sluneční nebo větrné energie, stejně jako energie vodní nebo energie mořského příboje. Mimo jmenovaných zdrojů se ekologové vrací k tradičnímu spalování biologické hmoty – dřeva, ale i obilní slámy nebo speciálních druhů rychle rostoucích dřevin a trav. Někde se dokonce spaluje i obilí, vojtěška a sláma z řepky. V nabídce jsou dnes i dovozové komodity: slupky z palmy olejnaté, lisované slupky ze slunečnic apod.

Ekologický „boom“ Vynecháme-li všechny extrémy vládních podpor a cílů Evropské Unie v úspoře fosilních paliv a nebudeme-li se zabývat fotovoltaikou, pak pro ilustraci zásahů úředníků úplně postačí trendy při spalování biomasy. V rámci ČR existuje cca 42 zdrojů popela ze spalování biomasy a většina menších vznikla ještě z podpory projektů EU „Phare“ jako řešení místních kotelen, kdy se lokální spalování uhlí mělo nahradit centralizovaným spalováním obnovitelných místních zdrojů.

Zdroje popela ze spalování biomasy

Velcí a malý producenti tepla a el.energie Předchozí mapa ukazuje rozmístění spaloven a současně i velké producenty popela (Plzeň, Mydlovary), kde výstupem je jak teplo, tak elektrická energie – tedy dotační titul. Vyrábí-li se současně výrazně dotovaná elektrická energie, pak cena paliva prakticky nerozhoduje a svozem i z velkých vzdáleností (z okruhu 50 – 80 km) lze stále cenu tepla udržet. Pro malé lokální provozovatele, ale cena paliva roste neúměrně (zvýšení od roku 2002 až 3x) a došlo již k tomu, že společně vybudovaná lokální kotelna musela být uzavřena – cena GJ tepla přesáhla finanční možnosti obyvatel.

Moderní kotel Výstavba zařízení na spalování biomasy sebou přinesla i nové technologie spalování, které znamenaly vývoj nových kotlů – každý konstruktér, ale i uživatel se snaží o maximální efektivitu, o maximální využití potenciálu spalovaného materiálu. Spalovací proces je řízen počítačem – množství paliva, vzduchu, (včetně jeho předhřívání) při stálé kontrole množství spalitelných látek v úletovém popelu. Spalovací teploty rostou nad 800 °C (zvláště u velkých výrobců tepla a elektrické energie, které využívají tzv. fluidní spalování). Jedním z určujících znaků efektivity spalování je nízký obsah spalitelných látek v popelu, které se identifikují jako ztráta žíháním při posuzování složení popela.

Chemická složení běžných popelů ze spalování biomasy   Oxidy/ zdroj MgO Al2O3 SiO2 K2O CaO Fe2O3 MnO P2O5 Z.Ž. dřevní štěpka 2,43 10,2 51,74 7,52 16,30 5,55 1,10 1,29 3,25 Fluid 2,78 9,99 42,43 5,89 16,29 5,40 1,72 2,18 6,32 Sláma 1,86 1,30 61,65 20,76 8,00 0,55 0,12 2,22 2,04 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.

Posuzování popelů Pro růst rostlin jsou zásadní obsahy draslíku, vápníku, fosforu, dusíku současně i síry a železa v půdě. Je třeba si uvědomit, že v popelech se jedná o významnou koncentraci prvků (popel ze dřeva je cca 1/7 – 1/8 hmotností dřeva, u slámy pak popel je cca 1 hm. % původní hmoty). Všimněme si prosím obsahů křemene (SiO2) od 40 hm. % do více než 60 hm. % u obilní slámy. Křemík (Si) z půdy se však může do rostliny dostat jen v rozpustné, tj. gelovité formě. Jakou změnou procházejí další prvky vlivem spalovacího procesu? Oxidy/ zdroj MgO Al2O3 SiO2 K2O CaO Fe2O3 MnO P2O5 Z.Ž. dřevní štěpka 2,43 10,2 51,74 7,52 16,30 5,55 1,10 1,29 3,25 Fluid 2,78 9,99 42,43 5,89 16,29 5,40 1,72 2,18 6,32 Sláma 1,86 1,30 61,65 20,76 8,00 0,55 0,12 2,22 2,04

Mineralogie Odpověď na otázky složení formujících se látek při spalování biomasy dává XRD analýza (rentgen difrakční analýza krystalických látek). Podíl křemene (SiO2) je naprosto dominantní a další složky popela jsou živce mikroklin (M), leucit (L) a anortoklas (Ao) . Převážná většina zjištěných látek v popelu jsou látky ve vodě nerozpustné.

Příklad popela z fluidního spalování Podobně jako v předchozím případě je rozhodující obsah křemene, opět jsou zde živce –albit a mikroklin. Vedle nich se však vyskytuje i vápenec a anhydrit (CaSO4). Obě tyto složky však nepochází z biomasy, ale jsou podílem ložového uhelného popela, který u fluidního kotle na dřevo tvoří lože fluidního kotle. Vlastní uhelný kotel je zásobován vápencem, který se rozkládá a kompletně zachycuje oxid siřičitý vznikající ze síry obsažené v uhlí.

Teploty spalování Oba příklady ukazují na dokonalé spalování biomasy což potvrzuje jak nízká ztráta žíháním, tak i tvorba živců, eventuelně v případě fluidního spalování dřevní štěpky i tvorba vysokoteplotní modifikace křemene – cristobalitu. Teplota spalování kolem 800 °C však znamená takřka úplnou inhibici draselných iontů, které případně včetně vápníku s aluminium-silikátem tvoří nerozpustné živce.

Příklad složení popela ze slámy Významné je množství křemene, které je doplněno sylvitem (KCl) a magnezitem (MgCO3). Minoritní složkou je pak arkanit (K2SO4) a nevýrazný je podíl případného dolomitu (CaCO3 . MgCO3). Podle průběhu křivky je zřetelné, že vedle identifikovatelných krystalických podílů obsahuje vzorek popela i rentgen-amorfní podíly, což signalizuje významné stoupání křivky od hodnoty cca 15 [°2 Theta]. Rentgen-amorfní podíl (tvorba jednoduchých skel) je pro obilní slámy typický – podíl draslíku a křemíku je pro jejich tvorbu optimální, ale často znamená potíže při čištění kotlů. Zde poprvé registrujeme podíl ve vodě rozpustných látek a můžeme konstatovat, že teploty spalování nepřesáhly 600 °C.

Co z toho vyplývá ? Čím efektivnější je spalování, čím vyšší jsou teploty pro maximální využití potenciálu dřevní (slámy) hmoty, tím nižší je účinnost popelů pro účely přihnojení minerálními hnojivy. Ve vodě nerozpustné látky (křemen, živce) inhibují látky podporující růst rostlin. Popely vznikající při spalování za vyšších teplot nejsou jako zdroj minerálních látek účinné.

Závěr Tlak na podíl obnovitelných zdrojů pro výrobu tepla a elektrické energie ze spalování biomasy vytvořil spletitou situaci: Malý a střední výrobci tepla nemohou konkurovat v cenách paliva, které je přepláceno velkými výrobci, jímž dotační titul výroby „zelené“ elektrické energie pokryje zvýšené náklady. Využití popelů (80 000 t) ročně jako minerálního hnojiva je vzhledem k mineralogickému složení problematické. Ceny za ukládání popelů ročně stoupají a to je dalším problémem malých a středních výrobců tepla. Úpravou popelů lze určitý potenciál minerálních látek zachránit, ale jen za cenu následného zpracování – vkladu další energie, práce a aditiv.

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