Καύση του ξύλου - Απόδοση - Εκπομπές

20 Νοεμβρίου 2015

Ι. Μπαρμπούτης, Αν. Καθηγητής, Σχολή Δασολογίας & Φυσ. Περιβάλλοντος, Α.Π.Θ.
Β. Καμπερίδου, MSc, Σχολή Δασολογίας & Φυσ. Περιβάλλοντος, Α.Π.Θ.

Η ξύλινη βιομάζα αποτελεί την εκτενέστερη πηγή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, με μηδενικό ισοζύγιο εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και μπορεί να αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τη χρήση ορυκτών καυσίμων, των οποίων η χρήση είναι άκρως επιβλαβής για το περιβάλλον. Η ορθολογική αξιοποίηση της ξύλινης βιομάζας στην παραγωγή ενέργειας προϋποθέτει την επακριβή γνώση των φυσικών, χημικών, ενεργειακών και άλλων ιδιοτήτων των διαφόρων ειδών και μορφών βιομάζας. Η θερμική απόδοση της διαφέρει κατά πολύ μεταξύ των διαφόρων δασοπονικών ειδών, αλλά και μεταξύ τμημάτων του ίδιου είδους και εξαρτάται από πολλούς παράγοντες.

ΘΕΡΜΑΝΤΙΚΗ ΑΞΙΑ

Το μέγιστο ποσό θερμότητας που παράγεται από μάζα 1kg ξηρού ξύλου που καίγεται πλήρως (θερμαντική αξία) κυμαίνεται μεταξύ 3900–5100 kcal/kg. Ξύλα πλατυφύλλων έχουν μικρότερη θερμαντική αξία από ξύλα κωνοφόρων, με μέσες τιμές 4350 kcal/kg και 4700 kcal/kg, αντίστοιχα. Τα ξύλα μεγαλύτερης πυκνότητας διαθέτουν μεγαλύτερη θερμαντική αξία. Κωνοφόρα είδη με ρητίνη δίνουν ξύλο με μεγαλύτερη θερμαντική αξία, διότι η ρητίνη έχει υψηλή θερμαντική αξία (περίπου 8500 kcal/kg). Μεγάλης σημασίας είναι, επίσης, η χημική σύσταση του ξύλου. Η λιγνίνη χαρακτηρίζεται από μεγάλη θερμαντική αξία, 6100 kcal/kg κατά μέσο όρο, ενώ η κυτταρίνη κυμαίνεται μεταξύ 4150 - 4350 kcal/kg. Έρευνες έχουν δείξει πως η μέση θερμαντική αξία των πλατυφύλλων είναι μεγαλύτερη στο ξύλο, από ότι στον φλοιό, ενώ αντίστροφα συμβαίνει στα κωνοφόρα.

Εικ. 1- Ο κύκλος του Άνθρακα

 

 

Πιν. 1- Θερμική αξία και ποσοστό ανόργανων στοιχείων (τέφρα) (%) διάφορων δασοπονικών ειδών

ΤΕΦΡΑ

Το μέσο ποσοστό τέφρας του ξύλου και φλοιού των κωνοφόρων είναι σημαντικά μικρότερο από ότι στα πλατύφυλλα, ενώ γενικά σε όλα τα είδη το ποσοστό τέφρας είναι υψηλότερο στην κορυφή και ακόμη υψηλότερο στα κλαδιά, σε σύγκριση με το πρέμνο του δέντρου. Τέλος, ο φλοιός αποδεικνύεται γενικά πως περιέχει μεγαλύτερα ποσοστά τέφρας από το ίδιο το ξύλο.

ΣΤΑΔΙΑ ΚΑΥΣΗΣ

Όταν το ξύλο καίγεται πραγματοποιούνται τα εξής φαινόμενα, η εξάτμιση του νερού, η αποσύνθεση του ξύλου, η οποία συνεπάγεται απελευθέρωση άνθρακα, αερίων και πτητικών υγρών, δίνοντας σαν βασικά προϊόντα νερό και διοξείδιο του άνθρακα
και τέλος, η καύση του άνθρακα που απελευθερώνει απευθείας διοξείδιο ή μονοξείδιο του άνθρακα. Πρακτικά, από την καύση του ξύλου παράγονται νερό σε μορφή ατμού (H2O), διοξείδιο του άνθρακα (CO2), νιτρικά οξείδια (NOx), οξείδια του θείου (SO2) και τέφρα.

 

Εικ. 2- Καύση του Ξύλου

 

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ

Ο άνθρακας (C) και το υδρογόνο (Η) έχουν την τάση να αυξάνουν την θερμική αξία, ενώ υψηλά ποσοστά οξυγόνου στο ξύλο την μειώνουν. Το ποσοστό εκχυλισμάτων (ρητίνη, κηροί, λίπη, έλαια, φαινολικές ενώσεις κ.α.) φαίνεται να επηρεάζει θετικά
την θερμαντική αξία του ξύλου. Η υγρασία ελαττώνει τη θερμαντική αξία και χαρακτηριστικά, η θερμαντική αξία ξηρού στον αέρα ξύλου είναι 15% μικρότερη από την αξία απόλυτα ξηρού ξύλου. Η πυκνότητα σε συσχετισμό με τη δομή των κυττάρων του ξύλου, επηρεάζει και τη διάρκεια της καύσεως. Η θερμαντική αξία επηρεάζεται επίσης από τη σκληρότητα του ξύλου, τη σύνθεση της τέφρας, τη συμπεριφορά τήξης της τέφρας, την ύπαρξη ακαθαρσιών, σκόνης και σπορίων μυκήτων.

Η αξιοποίηση της θερμαντικής αξίας του ξύλου επηρεάζεται, επιπρόσθετα, από τον τρόπο καύσεώς του. Στα παραδοσιακά τζάκια μόνο μικρό μέρος (5-20%) της θερμαντικής αξίας αξιοποιείται, όπως επίσης και σε θερμάστρες (10-70%), ενώ σε σύγχρονες εγκαταστάσεις καύσεως αξιοποιείται έως και το 80% της θερμαντικής αξίας του ξύλου.

ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΞΥΛΩΔΟΥΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ

Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός CEN έχει δημιουργήσει δύο τεχνικές επιτροπές που ασχολούνται με τα στερεά καύσιμα, στα οποία συγκαταλέγεται και το ξύλο: τη CEN/TC 335 «Στερεά καύσιμα», και τη CEN/TC 343 «Στερεά ανακτημένα καύσιμα», οι οποίες έχουν εκδώσει αρκετά πρότυπα που αφορούν την ξύλινη βιομάζα, όπως το EN 14774 που αφορά στον προσδιορισμό της περιεχόμενης υγρασίας του καυσίμου, το EN 14775:2009 που αναφέρεται στον προσδιορισμό του ποσοστού τέφρας και το EN 14918 που αφορά στον προσδιορισμό της θερμαντικής αξίας του καυσίμου.

Εικ.3- Εκπομπές από την καύση του ξύλου: (ΜΑ) Μαύρος Άνθρακας (αιθάλη), (ΠΟΑ)
Πρωτογενή Οργανικά Αερολύματα και (ΔΟΑ) Δευτερογενή Οργανικά Αερολύματα

 

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η ποιότητα της ξυλώδους καύσιμης ύλης, εξαρτάται από την περιεχόμενη υγρασία, η οποία είναι ανάλογη της σχετικής υγρασίας του χώρου και από την θερμική του αξία, η οποία εξαρτάται από το δασοπονικό είδος, την ηλικία του, τη χημική σύσταση του ξύλου (εκχυλίσματα, λιγνίνη, ολοκυτταρίνη, τέφρα κ.α.). Τέλος, καθοριστικής σημασίας παράγοντας που επηρεάζει τη θερμική αξία ενός είδους αποδεικνύεται η πυκνότητα και η δομή του ξύλου και πιο συγκεκριμένα, το μέγεθος και η διάταξη των κυττάρων του ξύλου.