Αιωρούμενα σωματίδια από καύση διαφόρων ειδών βιομάζας: κατανομή μεγέθους και ποιοτικοποσοτική σύστασή τους

Abstract

Demands in global energy are rapidly increasing causing demand for the stock of fossil fuels. Currently, atmospheric CO2 and other greenhouse gases due to the burning of fossil fuels introduces environmental concerns and the need to find other clean and renewable sources of energy such as biomass. Biomass is considered to be a "CO2 neutral" fuel, with economic and environmental benefits. However, biomass and specifically wood pellets are responsible for air pollution that includes levels of particulate matter (PM), carbon monoxide (CO), volatile organic compounds (VOC) such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), elemental carbon (ΕC), organic carbon (ΟC), and emissions of heavy metals and toxic elements that are found adsorbed to particulate matter emissions.The aim of this study was to investigate the impact of biomass combustion with respect to conditions and fuel types on particulate matter emissions (PM10). Eight types of biomass, commercially available the last years in Greece for domestic heating, were investigated such as: “mix pine-beech-oak”, “mix spruce-pine-oak”, “100% spruce”, “100% beech”, “olive pellets”, “pellets from the olive core”, “briquettes” and common “wood oak”.A lab-scale device was developed in order to simulate the combustion process using a tube furnace providing it with different oxygen flows and a filter holder system to collect directly their PM10 emissions. The real combustion tests were carried out in two domestic top-feed, pellet-fired stoves and in an open fireplace as well. Determination of particle size distribution of particles with a scanning electron microscope (SEM) was followed. Measurements were made as to the various forms of carbon (TC, EC, OC, CC) as well as PAHs by gas chromatograph - mass spectrometer (GC-MS). Metals adsorbed on PM10 particles, were determined after appropriate treatment as follows: Fe, Mg, Zn, Al, Ba, Cu, Cd by inductively coupled plasma -optical emission spectrometry (ICP-OES), Cr, Mn, Co, Ni, As, Hg, Pb by inductively coupled plasma - mass spectrometry (ICP-MS) and Ca, Na, K by atomic absorption spectrometry (AAS). Some of them such as arsenic, mercury, cadmium, nickel and lead are highly toxic and thus harmful to human health, even at trace concentrations, due to the long term exposure of population.Average PM10 emissions ranged at higher levels at lab scale combustions with flow oxygen at 20 % in the exhaust gas compared with those with 13 % O2 making clear the essential importance of combustion conditions. The concentrations at pellet stoves of 10 and 8,5 kW were very low in relation to the fireplace where there was the highest. The maximum permitted particle emission limit according to the European Standard EN 303.05 is 150 mg/m3 and pellets that do not meet the necessary quality requirements under incomplete combustions exceed these limits. Regarding the total carbon, the highest concentrations resulted in laboratory conditions with 20% O2 in the exhaust gas, followed by the fireplace and the same trend applies to the total metals. As concerns the concentration of total PAHs, they were found to be higher at 13% O2 than at 20% O2. The PAH concentrations measured from pellet stoves of 10 and 8,5 kW were lower than those in lab-scale combustions, concluding that the combustion conditions play a significant role in the emissions of biomass. The PAHs concentration in the fireplace reached the highest emissions contrary to the other appliances. Wood fuel quality, the amount of fuel and the airflow setting are the main parameters that can influence PM10 emissions. Particles from incomplete combustion conditions are more toxic than particles generated under more complete combustion conditions. Substantial differences in the burnout qualities of traditional and modern technology appliances were detected, which also affected the toxicity of the emissions. Pellet stove appliances presented the lowest PM10 emissions contrary to the old technology appliances such as the fireplace where emissions were the highest. High organic emissions were correlated with low combustion efficiency and high emissions of toxic organic substances, e.g., benzo(a)pyrene or benzo[b]fluoranthene, which can be avoided by high combustion temperature and sufficient oxygen availability in the flame, enhanced by good mixing and sufficiently long residence time in the combustion zone. Olive pellet is a new biofuel made from natural wood raw materials without impurities and respond to the demand for cheap and clean, domestic energy and unlike other types of pellets, has limited odor and low levels of particulate matter (PM10).

Οι απαιτήσεις σε παγκόσμια ενέργεια αυξάνονται ραγδαία προκαλώντας μεγάλα προβλήματα στα αποθέματα των ορυκτών καυσίμων. Σήμερα, το ατμοσφαιρικό CO2 και άλλα αέρια του θερμοκηπίου που οφείλονται στην καύση των ορυκτών καυσίμων, προκαλούν περιβαλλοντικές ανησυχίες και την ανάγκη να βρεθούν άλλες καθαρές και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως είναι η βιομάζα. Η βιομάζα θεωρείται ως “CO2 ουδέτερο” καύσιμο, με κοινωνικο-οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη. Παρ’όλα αυτά έχει αποδειχθεί ό,τι η βιομάζα και συγκεκριμένα τα pellets είναι υπεύθυνα για μια σειρά ατμοσφαιρικών ρύπων που έχουν σοβαρές επιπτώσεις στην ποιότητα του αέρα, όπως είναι: το υψηλό επίπεδο των αιωρούμενων σωματιδίων (PM), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC) όπως οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAH), ο στοιχειακός άνθρακας (ΕC) και ο οργανικός άνθρακας (ΟC), αλλά και οι εκπομπές βαρέων μετάλλων και τοξικών στοιχείων που είναι προσροφημένα στα αιωρούμενα σωματίδια.Στην έρευνα αυτή, εξετάστηκαν διάφοροι παράγοντες που οδηγούν σε εκπομπές PM10 από την καύση διαφόρων ειδών βιομάζας που χρησιμοποιούνται σε συσκευές θέρμανσης. Οκτώ τύποι βιομάζας εμπορικά διαθέσιμοι στην Ελλάδα που χρησιμοποιούνται τα τελευταία χρόνια για την οικιακή θέρμανση χρησιμοποιήθηκαν προς εξέταση, όπως: μίγμα “πεύκο- οξιά-δρυ”, “μίγμα “ελάτη-πεύκο-δρυ”, “ελιά”, “πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου”, “100% οξιά”, “100% ελάτη”, “μπρικέτα” και “ξύλο δρυός”Ένα σύστημα εργαστηριακής κλίμακας αναπτύχθηκε για την προσομοίωση της διαδικασίας καύσης χρησιμοποιώντας έναν σωληνωτό φούρνο με διαφορετικές ροές οξυγόνου και κατάλληλο δειγματολήπτη για τα PM10 σωματίδια. Στη συνέχεια ακολούθησαν καύσεις σε σόμπες pellet καθώς επίσης και σε τζάκι. Επακολούθησε προσδιορισμός της κατανομής μεγέθους των σωματιδίων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Μετρήσεις έγιναν ως προς τις διάφορες μορφές άνθρακα (TC, EC, OC, CC) καθώς επίσης και των PAHs σε αέριο χρωματογράφο - φασματόμετρο μαζών (GC-MS). Μέταλλα που προσροφήθηκαν στα PM10 σωματίδια, προσδιορίστηκαν μετά από κατάλληλη επεξεργασία ως εξής: Fe, Mg, Zn, Al, Ba, Cu, Cd με φασματομετρία οπτικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP-OES), Cr, Mn, Co, Ni, As, Hg, Pb με φασματομετρία μάζας με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP-MS) και Ca, Na, K με φασματομετρία ατομικής απορρόφησης (AAS). Κάποια εξ’αυτών όπως είναι το αρσενικό, ο υδράργυρος, το κάδμιο, το νικέλιο και ο μόλυβδος είναι ιδιαίτερα τοξικά και άρα επιβλαβή για την ανθρώπινη υγεία, ακόμα και σε συγκεντρώσεις ιχνών, λόγω της μακροπρόθεσμης έκθεσης του πληθυσμού. Τέλος σε ιοντικό χρωματογράφο (IC) προσδιορίστηκαν τα ανιόντα των σωματιδίων. Ακολούθησε μια στατιστική επεξεργασία των δεδομένων βάση των οποίων προέκυψε η κοινή προέλευση των εκπεμπόμενων ρύπων και η μεταξύ τους συσχέτιση.Οι συγκεντρώσεις των PM10 σωματιδίων κυμάνθηκαν σε υψηλότερα επίπεδα στις εργαστηριακές συνθήκες με 20% O2 στην έξοδο των απαερίων σε σύγκριση με αυτές με 13% O2 καθιστώντας σαφή την ουσιαστική σημασία των συνθηκών καύσης. Οι συγκεντρώσεις στις σόμπες pellet των 10 και 8,5 kW ήταν πολύ χαμηλές σε σχέση με το τζάκι όπου σημειώθηκαν και οι υψηλότερες. Τα ανώτατα επιτρεπτά όρια εκπομπών των σωματιδίων σύμφωνα με το πρότυπο του ΕΛΟΤ ΕΝ 303.05 είναι τα 150 mg/m3 και pellets που δεν πληρούν τις αναγκαίες προϋποθέσεις ποιότητας υπό συνθήκες ατελούς καύσης υπερβαίνουν τα όρια αυτά. Αναφορικά με τον ολικό άνθρακα, οι υψηλότερες συγκεντρώσεις σημειώθηκαν στις εργαστηριακές συνθήκες με 20% O2 στην έξοδο των απαερίων και ακολουθεί το τζάκι και η ίδια τάση ισχύει και για τα ολικά μέταλλα. Όσον αφορά τη συγκέντρωση του συνόλου των PAHs, βρέθηκε να είναι υψηλότερη στο 13% O2 από το 20% O2. Οι συγκεντρώσεις των PAHs από τις καύσεις στις σόμπες pellet των 10 και 8,5 kW ήταν χαμηλότερες από ό,τι αυτές στο εργαστήριο, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι οι συνθήκες της καύσης παίζουν σημαντικό ρόλο στις εκπομπές της βιομάζας. Η συγκέντρωση των PAHs στο τζάκι φτάνει τα υψηλότερα επίπεδα εκπομπών σε αντίθεση με τις άλλες συσκευές. Η ποιότητα των καυσίμων, η ποσότητα του καυσίμου και η ρύθμιση του αέρα είναι οι κύριες παράμετροι που μπορούν να επηρεάσουν τις εκπομπές PM10. Σωματίδια που προέρχονται από συνθήκες ατελούς καύσης είναι πιο τοξικά από τα σωματίδια που δημιουργούνται κάτω υπό συνθήκες πλήρους καύσης. Ουσιαστικές διαφορές στην ποιότητα καύσης μεταξύ των παραδοσιακών και σύγχρονων συσκευών τεχνολογίας εντοπίστηκαν, οι οποίες επηρέασαν και την τοξικότητα των εκπομπών. Οι σόμπες pellet παρουσίασαν τις χαμηλότερες εκπομπές PM10 σε αντίθεση με τις παλιές συσκευές τεχνολογίας, όπως το τζάκι, όπου οι εκπομπές ήταν υψηλότερες. Υψηλές εκπομπές σε οργανικές ουσίες συσχετίστηκαν με χαμηλή απόδοση καύσης και υψηλές εκπομπές τοξικών οργανικών ουσιών, π.χ. βενζο(a)πυρένιο ή βενζο(b)φθορανθένιο οι οποίες μπορούν να αποφευχθούν με υψηλή θερμοκρασία καύσης, επαρκή διαθεσιμότητα οξυγόνου στη φλόγα, ενισχυμένη από καλή ανάμιξη και επαρκώς μεγάλο χρόνο παραμονής στη ζώνη καύσης. Η βιομάζα ελιάς είναι ένα νέο βιοκαύσιμο από φυσικές πρώτες ύλες ξυλείας χωρίς προσμίξεις που απαντά στη ζήτηση για φθηνή και καθαρή, εγχώρια ενέργεια και σε αντίθεση με τα άλλα είδη pellets, έχει περιορισμένες οσμές και χαμηλά ποσοστά αιωρούμενων σωματιδίων (PM10).