ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΑΠΟ ΚΑΥΣΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΕΙΔΩΝ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΙΚΟΠΟΣΟΤΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥΣ

Transcript

1 ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΑΠΟ ΚΑΥΣΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΕΙΔΩΝ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΙΚΟΠΟΣΟΤΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Α. Ζωσιμά, Μ. Όξενκιουν- Πετροπούλου Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα Η αυξημένη χρήση καύσης βιομάζας για οικιακή χρήση προκαλεί σημαντικές επιδράσεις στην ποιότητα του αέρα. Τα αιωρούμενα σωματίδια είναι γνωστά ως υπεύθυνα για σοβαρές ασθένειες για τον άνθρωπο όπως καρδιοαναπνευστικά προβλήματα, καρκίνο ακόμα και θάνατο. Είναι γνωστό ότι οι εκπομπές από την καύση βιομάζας επηρεάζονται από έναν αριθμό παραγόντων όπως είναι ο τρόπος καύσης, η σύσταση του καυσίμου, ο χειρισμός από τον χρήστη και η λειτουργία εστιών θέρμανσης. Η παρούσα μελέτη έχει ως σκοπό να διερευνήσει την ποιοτικοποσοτική σύσταση των αιωρούμενων σωματιδίων από την καύση διαφόρων ειδών βιομάζας και συγκεκριμένα αυτών των πέλλετ (pellets). Αξιολογήθηκαν οι εκπομπές των αιωρούμενων σωματιδίων από την καύση πέντε ειδών πέλλετ: μίγμα από πεύκο-οξιά-δρυ, ελιά, μίγμα από ελάτη-πεύκο-δρυ, πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου, 100% ελάτη. Η καύση πραγματοποιήθηκε σε έναν σωληνωτό φούρνο στον οποίο συνδέθηκε ένας δειγματολήπτης για τη συλλογή των PM 10 σωματιδίων. Στην περίπτωση των pellets μίγμα πεύκο-οξιά-δρυ, μίγμα ελάτη-πεύκο-δρυ και 100% ελάτη διαπιστώθηκε ότι υπερβαίνουν τα ανώτατα επιτρεπτά όρια εκπομπών των σωματιδίων σύμφωνα με το πρότυπο του ΕΛΟΤ ΕΝ Αντίθετα το pellet ελιάς και το pellet από πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου είναι αρκετά κάτω από τα όρια των επιτρεπτών εκπομπών. Πραγματοποιήθηκε στοιχειακή ανάλυση (υγρασία, τέφρα, S, C, H, N και θερμογόνος δύναμη) και διαπιστώθηκε ότι τα pellet από ελιά έχουν τη μεγαλύτερη υγρασία σε σχέση με τα υπόλοιπα. Μετά από κατάλληλη επεξεργασία των δειγμάτων εξετάστηκαν οι συγκεντρώσεις των μετάλλων (Fe, Mg, Zn, Al, Ba, K, Ca, Na, Cu, Cd) με τη χρήση της φασματομετρίας ατομικής απορρόφησης (AAS) και της φασματομετρίας οπτικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP-OES), όπως επίσης και των ιόντων (Cl -, NO 3 -, PO 4 3- SO 4 2- και Br - ) με τη χρήση της ιοντικής χρωματογραφίας (IC), η ποσοστιαία σύσταση των οποίων δεν διέφερε σημαντικά μεταξύ των πέντε ειδών πέλλετ. Τέλος, εξετάστηκε ο ολικός οργανικός άνθρακας με τη χρήση συσκευής (TOC). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ημιστοιχειακή και μορφολογική ανάλυση με τη χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM-EDX) με σύστημα μικροανάλυσης. Προκύπτει ότι η καλή ποιότητα καυσίμου (πέλλετ) οδηγεί σε μικρότερες εκπομπές PM 10 σωματιδίων από ό,τι άλλες μορφές καυσίμου. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η βιομάζα αποτελεί μία ήπια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας βάση της οποίας είναι το οργανικό υλικό που προέρχεται από φυτά, όπως το ξύλο, οι καλλιέργειες αλλά και από τα ζωικά απόβλητα. Κατέχει την τέταρτη θέση ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας καθώς μπορεί να ανανεώνεται σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα και καλύπτει περίπου το 14% των ενεργειακών απαιτήσεων παγκοσμίως. Η βιομάζα ως αξιοποιήσιμη μορφή ενέργειας μπορεί να μειώσει την ανάγκη του ανθρώπου σε συμβατικά καύσιμα. Ωστόσο, το ενεργειακό 1

2 περιεχόμενό της σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα είναι χαμηλό, γεγονός που ανεβάζουν το κόστος της (συλλογή, μεταφορά και αποθήκευση) και την καθιστά κατάλληλη για επί τόπου χρήση [1]. Η καύση της βιομάζας είναι μια εδραιωμένη τεχνική θερμικής μετατροπής για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Δυστυχώς, όμως, παρουσιάζει μεγαλύτερες εκπομπές σε σχέση με το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο στους εξής βασικούς ρύπους: CO, ΝΟ χ και αιωρούμενα σωματίδια (PM). Ο μεγάλος αριθμός παραγωγής αιωρούμενων σωματιδίων, έχουν αντίκτυπο στην ποιότητα του αέρα και, κατά συνέπεια, δυσμενείς επιπτώσεις στην υγεία του ανθρώπου [2]. Σε μελέτες που έχουν γίνει, προέκυψε ότι σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη από 10 μm συνδέονται με κινδύνους για την υγεία, όπως είναι η καρδιακή νόσος, η πνευμονία και η χρόνια πνευμονική αποφρακτική ασθένεια. Ειδικότερα, τα σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη από 2. μm είναι δυνητικά περισσότερο επιβλαβή από ό, τι τα μεγαλύτερα σωματίδια, επειδή μπορούν να φτάσουν βαθύτερα εντός της αναπνευστικής οδού των πνευμόνων. Το ξύλο έχει χρησιμοποιηθεί από καιρό ως καύσιμο για την οικιακή θέρμανση και τώρα χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο με τη μορφή πελλετών (pellets). Είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, και σε ανταγωνιστικές τιμές σε σχέση με το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο [3]. Τα συσσωματώματα ξύλου (pellets) είναι κατασκευασμένα από συμπιεσμένο πριονίδι ή ροκανίδια ξύλου, που προέρχονται κυρίως από τα πριονιστήρια και τη βιομηχανία ξύλου. Η περιεκτικότητά τους σε νερό είναι τυπικά μόνο 8%, η οποία είναι μικρότερη από το ήμισυ των παραδοσιακών καυσόξυλων. Το σχήμα τους είναι κυλινδρικό με διάμετρο 6-8 mm [4]. Παρά την ευρεία εφαρμογή της βιομάζας ξύλου, υπάρχουν ανησυχίες σχετικά με τις πιθανές αρνητικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία ορισμένων συγκεντρώσεων ρύπων στον αέρα από την καύση του. Είναι γνωστό ότι η καύση βιομάζας και οι εκπομπές που προέρχονται από αυτή, επηρεάζονται από την τεχνολογία καύσης, τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται και από το τρόπο χρήσης τους. Είναι γνωστό ότι η φύση των καυσίμων και οι συνθήκες καύσης έχουν σημαντική επίδραση στη διαμόρφωση των σωματιδίων και των εκπομπών τους. Τα τελευταία χρόνια, έχει πραγματοποιηθεί σημαντικός αριθμός μελετών με στόχο να κατανοηθεί ο μηχανισμός παραγωγής αιωρούμενων σωματιδίων κατά την καύση. Σύμφωνα με τις περισσότερες μελέτες έχει αποδειχθεί πως ο τύπος των καυσίμων επηρεάζει τις εκπομπές PM περισσότερο από ότι οι συνθήκες λειτουργίας του καυστήρα []. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ Για τη μελέτη των αιωρούμενων σωματιδίων αξιολογήθηκαν οι εκπομπές τους από την καύση πέντε ειδών πέλλετ προερχόμενα από το εμπόριο: μίγμα από πεύκο-οξιά-δρυ, ελιά, μίγμα από ελάτη-πεύκο-δρυ, πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου, 100% ελάτη. Οι 2

3 καύσεις αυτές έλαβαν χώρα σε έναν σωληνωτό φούρνο του οποίου οι συνθήκες ορίστηκαν με βάση την θερμοσταθμική ανάλυση (TG). Τα αέρια που εξέρχονταν από τον φούρνο ψύχονταν με τη βοήθεια ενός ψυκτήρα και οδηγούνταν σε ένα δειγματολήπτη δύο σταδίων (6186 FRM Thermo Electron) που περιείχε ένα φίλτρο χαλαζία και κατακρατούσε όλα τα σωματίδια διαμέτρου <10μm. Προκειμένου να διασφαλισθεί ότι τα φίλτρα του δειγματολήπτη θα απορροφήσουν τα αέρια που εκπέμπονται από την εξάτμιση, μία μηχανική αντλία κενού παροχής,4 m 3 /h συνδέθηκε με τον δειγματολήπτη της οποίας προηγήθηκε μία παγίδα για συγκράτηση της υγρασίας. Σχήμα 1. Διάταξη καύσης pellets και δειγματοληψίας των εκπεμπόμενων αιωρούμενων σωματιδίων. Ο δειγματολήπτης αυτός διαχωρίζει τα σωματίδια σε κλάσματα χονδρόκοκκων (2.-10 μm, PM ) και λεπτόκοκκων (< 2. μm, PM 2. ) σωματιδίων. Στην παρούσα εργασία ο δειγματολήπτης χρησιμοποιήθηκε για τη συλλογή: ΡΜ 10 (<10 μm ) σωματιδίων σε φίλτρα χαλαζία (Whatman QMA PM10 quartz fiber filters διαμέτρου 4,7 cm). Μετά την δειγματοληψία κάθε φίλτρο τοποθετείται σε πλαστικές θήκες που κλείνουν αεροστεγώς και στις οποίες αναγράφεται το είδος pellet και η ημερομηνία δειγματοληψίας. Όλα τα φίλτρα ζυγίζονται πριν και μετά τη δειγματοληψία, σημειώνεται η διαφορά βάρους τους και φυλάσσονται σε ψύξη στους -20 ο C. Για τη ζύγισή τους χρησιμοποιείται ζυγός πέντε δεκαδικών ψηφίων (METTLER TOLEDO, μοντέλο XS20). Για την κατεργασία και ανάλυση των φίλτρων χρησιμοποιήθηκαν τα εξής όργανα και συσκευές:λουτρό υπερήχων (Ultrasonik) της εταιρείας NEY, συσκευή διήθησης της εταιρείας Millipore, σύστημα παραγωγής υπερκαθαρού νερού με αγωγιμότητα 18,2 MΩ cm -1 μοντέλο Easypure II της εταιρείας Barnstead, φασματόμετρο οπτικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα-inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy - ICP-OES 3

4 (Optima 7000 DV της εταιρείας Perkin Elmer), φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης - Atomic Absorption Spectroscopy-AAS (AA240FS της εταιρείας Varian), ιοντικός χρωματογράφος -ion chromatograph (της Dionex-BioLC) και συσκευή ολικού οργανικού άνθρακα - Total Organic Carbon Analyzer (TOC-V CSH της Shimadzu). ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ακολούθησε μία σειρά αναλύσεων των φίλτρων όπου προηγουμένως τα φίλτρα κόπηκαν σε τέσσερα τεταρτημόρια πάνω σε μαρμάρινη πλάκα με χρήση λαβίδων και μεταλλικών κοπτικών εργαλείων. Το ¼ του φίλτρου χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να εξεταστούν τα υδατοδιαλυτά ιόντα με τη μέθοδο της ιοντικής χρωματογραφίας (IC). Το φίλτρο υπέστει εκχύλιση (Leaching) με απιονισμένο νερό προκειμένου να αναλυθεί. Το δεύτερο τεταρτημόριο του φίλτρου χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των μετάλλων (Fe, Mg, Zn, Al, Ba, K, Ca, Na,Cu, Cd) που προέκυψαν από την καύση των pellets με τη χρήση των οργάνων της φασματοσκοπίας οπτικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP-OES) όπου προσδιορίστηκαν τα εξής μέταλλα: Fe, Mg, Zn, Al, Ba Cu, Cd και της φασματομετρίας ατομικής απορρόφησης (AAS) όπου και προσδιορίστηκαν τα μέταλλα: K, Ca, Na. Για την εφαρμογή των μεθόδων αυτών απαιτείται και εδώ όπως και στην ιοντική χρωματογραφία, κατάλληλη εκχύλιση των φίλτρων σε κατάλληλους διαλύτες. Οι διαλύτες που χρησιμοποιήθηκαν στην εκχύλιση είναι τα αραιά οξέα HCl/HNO 3. Το τρίτο τεταρτημόριο του φίλτρου χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των ανθρακούχων συστατικών, τα οποία καταλαμβάνουν και το μεγαλύτερο μέρος των ατμοσφαιρικών σωματιδίων που κατακάθισαν στο φίλτρο. Στη συγκεκριμένη έρευνα εξετάστηκαν οι δύο μορφές ανθρακούχου ύλης που συνιστούν τον ολικό άνθρακα (Total Carbon TC). Αυτές οι μορφές είναι: ο ανόργανος και ο οργανικός άνθρακας. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πραγματοποιήθηκε στοιχειακή ανάλυση σε 7 είδη pellets διαφορετικής προέλευσης ώστε να προκύψει η σύστασή τους σε υγρασία, τέφρα, S, C, H, N και θερμογόνο δύναμη. Στον πίνακα 1 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αυτά. Πίνακας 1. Στοιχειακή ανάλυση [S, C, H, N, τέφρα, υγρασία (επί ξηρού %) και θερμογόνος δύναμη (επί ξηρού cal/gr)]. α/α Μερική Υγρασία Τέφρα επί S επί C επί H επί N επί Ανώτερη Θερμ. Δυναμη (%) ξηρού ξηρού ξηρού ξηρού ξηρού επί ξηρού (%) (%) (%) (%) (%) (cal/gr) 1) 100% Οξιά 7,13 2,04 n.d. 1,42 6,28 0, ,2 2) Μίγμα 7,62 4,01 n.d. 0,87,93 0, ,44 (Πεύκο-Οξιά- Δρυ) 3) Ελιά 9,27,34 n.d. 1,21 6,1 1,3 481,79 4) 0% Οξιά- 0% Πεύκο 7,4 1,97 n.d. 1,77 6,30 0, ,67 4

5 ) 0% Οξιά- 0% Πεύκο 6) 80% Οξιά- 20% Πεύκο 7) 80% Οξιά- 20% Πεύκο 8,03 0,68 n.d. 1,8 6,2 0,0 013,48 6,84 2,84 0,08 0,20 6,12 0, ,22 6,96 1,03 n.d. 0,94 6,10 0,8 4784,61 Η μέτρηση της υγρασίας πραγματοποιήθηκε με βάση το πρότυπο ΕΝ , η τέφρα με βάση το πρότυπο ΕΝ 1477, το θείο με βάση το πρότυπο ΕΝ 1289, ο άνθρακας, το υδρογόνο και το άζωτο με βάση το πρότυπο ΕΝ 1104 και η ανώτερη θερμογόνος δύναμη με βάση το πρότυπο ΕΝ Από την στοιχειακή ανάλυση που πραγματοποιήθηκε σε συνολικά 7 είδη δειγμάτων pellets (2 είδη ίδιας σύστασης αλλά διαφορετικής εταιρείας) διαπιστώθηκε ότι αυτό της ελιάς έχει τη μεγαλύτερη υγρασία (9,27%) ενώ η υγρασία στα υπόλοιπα pellets κυμάνθηκε από 6,84 8,03%. Το στοιχείο του θείου (S) ήταν κάτω από τα όρια ανίχνευσης σε όλα τα δείγματα, εκτός από ένα δείγμα 20% πεύκο -80% οξιά του οποίου το ποσοστό ήταν ελάχιστο (0,08%). Στον άνθρακα (C) και το οξυγόνο (H) δεν παρουσιάστηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των δειγμάτων. Το άζωτο (N) ήταν σχεδόν το ίδιο για όλα τα δείγματα εκτός από αυτό της ελιάς που είχε αυξημένο ποσοστό σε σχέση με τα υπόλοιπα (1,3%). Η θερμογόνος δύναμη κινήθηκε στα ίδια επίπεδα για όλα τα δείγματα pellet σε αντίθεση με την τέφρα που είχε διαφορές από είδος σε είδος με το μικρότερο ποσοστό της επί ξηρού σε αυτό του δείγματος 0% οξιά-0% πεύκο (0,68%) και με το μεγαλύτερο σε αυτό της ελιάς (,34%). Στη συνέχεια από τις καύσεις που πραγματοποιήθηκαν (n=6), υπολογίσαμε τη διαφορά βάρους των φίλτρων πριν και μετά τη δειγματοληψία και υπολογίστηκε η συνολική μάζα των ατμοσφαιρικών σωματιδίων που κατακρατήθηκαν (επιβάρυνση). Στον πίνακα 2 που ακολουθεί παρουσιάζεται ο μέσος όρος των μετρήσεων σε 6 φίλτρα από τα πέντε είδη πέλλετ. Οι εκπομπές των αιωρούμενων σωματιδίων από το pellet μίγμα πεύκο-οξιά-δρυ υπερβαίνουν τα ανώτατα επιτρεπτά όρια εκπομπών των σωματιδίων σύμφωνα με το πρότυπο του ΕΛΟΤ ΕΝ (18 mg/m 3 έναντι 10 mg/m 3 ). Το pellet από ελιά αντίθετα δεν τα υπερβαίνει φτάνοντας τα 86 mg/m 3. Το pellet μίγμα ελάτη-πεύκο-δρυ καθώς και το pellet από 100% ελάτη υπερβαίνουν τα ανώτατα επιτρεπτά όρια εκπομπών των σωματιδίων φτάνοντας τα 181 mg/m 3 και τα 188 mg/m 3 αντίστοιχα. Αντίθετα το pellet από πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου είναι αρκετά κάτω από τα όρια των επιτρεπτών εκπομπών φτάνοντας σε μέσο όρο τα 101 mg/m 3. Στη συνέχεια μελετήθηκαν 2 δείγματα του πίνακα 1(Ν ο 2 και Ν ο 3) και επιπλέον 3 δείγματα pellets που μας δόθηκαν από την Ελληνική βιομηχανία παραγωγής στερεών βιοκαυσίμων (Modern Fuels). Πίνακας 2. Συνολική μάζα m των ατμοσφαιρικών σωματιδίων στα φίλτρα μετά την καύση σε mg/m 3 (επιβάρυνση). όπου n=αριθμός μετρήσεων α/α n m (mg/m 3 ) 1) Μίγμα 2 18,39±2,33 (Πεύκο-Οξιά-Δρυ) 2) Ελιά 2 86,00±1,39

6 3) Μίγμα (Ελάτη-Πεύκο-Δρυ) 181,82±1,28 4) 100% Ελάτη 188,82±0,30 ) Πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου 101,06±1, Μάζα (mg/m 3 ) Σχήμα 2. Μάζα των ατμοσφαιρικών σωματιδίων στα φίλτρα μετά την καύση σε mg/m 3 (επιβάρυνση) για διάφορα είδη pellets. Στην ιοντική χρωματογραφία εξετάστηκαν τα εξής ιόντα: Cl -, NO 3 -, PO 4 3-, SO 4 2-, Br -. Στον πίνακα 3 που ακολουθεί παρουσιάζεται ο μέσος όρος των μετρήσεων σε φίλτρα από το κάθε είδος. Πίνακας 3. Μέσος όρος συγκεντρώσεων ιόντων (Cl -, NO - 3, PO 3-4, SO 2-4, Br - ) σε mg/m 3. α/α (mg/m 3 ) n Cl - - NO 3 3- PO 4 2- SO 4 1 Μίγμα (Πεύκο-Οξιά-Δρυ) 0,07±0,01 0,62±0,027 0,06±0,022 0,09±0,01 2 Ελιά 0,03±0,012 0,10±0,031 0,11±0,060 0,02±0,006 (mg/m 3 ) n Cl - - NO 3 Br - 2- SO 4 3 Μίγμα (Ελάτη-Πεύκο- Δρυ) 0,09±0,002 0,48±0,03 0,02±0,001 0,14±0, % Ελάτη 0,007±0,001 0,16±0,00 0,0±0,002 0,1±0,002 Πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου 0,1±0,003 0,14±0,004 0,06±0,003 0,16±0,002 6

7 Συγκέντρωση mg/m 3 0,7 0,6 0, 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ΥΔΑΤΟΔΙΑΛΥΤΑ ΙΟΝΤΑ Cl NO3 PO4 SO4 Br Μίγμα (Πεύκο-Οξιά-Δρυ) Μίγμα (Ελάτη-Πεύκο-Δρυ) 100% Ελάτη Ελιά Πυρηνόξυλο Σχήμα 3. Μέσος όρος συγκεντρώσεων ιόντων (Cl -, NO 3 -, PO 4 3-, SO 4 2-, Br - ) σε mg/m 3. Μεταβολές των συγκεντρώσεων όσον αφορά τα υδατοδιαλυτά ιόντα (Cl -, NO 3 -, PO 4 3-, SO 4 2-, Br - ) δεν παρουσιάστηκαν στα παραπάνω πέντε είδη pellet. Τα ιόντα αντιστοιχούν κατά μέσο όρο στο 0,38% της συνολικής μάζας πάνω στα φίλτρα. Στο φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης και στο φασματόμετρο οπτικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα εξετάστηκαν τα μέταλλα: Ca, Na, K και Fe, Mg, Zn, Al, Ba, Cu, Cd αντίστοιχα. Στους πίνακες 4 και που ακολουθούν παρουσιάζεται ο μέσος όρος των μετρήσεων σε είδη pellet. Πίνακας 4. Μέσος όρος συγκεντρώσεων μετάλλων (Ca, Na, K) με τη χρήση AAS σε mg/m 3. α/α (mg/m 3 ) n Ca Na K 1 Μίγμα 20 0,17±0,023 0,28±0,031 0,016±0,003 (Πεύκο-Οξιά-Δρυ) 2 Ελιά 20 0,161±0,02 0,408±0,013 0,068±0,011 3 Μίγμα 0,200±0,019 0,079±0,004 0,037±0,002 (Ελάτη-Πεύκο- Δρυ) 4 100% Ελάτη 0,24±0,034 0,06±0,002 0,06±0,002 Πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου 0,316±0,020 0,06±0,003 0,076±0,003 7

8 Πίνακας. Μέσος όρος συγκεντρώσεων μετάλλων (Fe, Mg, Zn, Al, Ba, Cu, Cd) με τη χρήση ICP-OES σε μg/m 3. α/α (μg/m 3 ) n Fe Mg Zn Al Ba Cu Cd 1 Μίγμα (Πεύκο-Οξιά- Δρυ) 20 6,40 ±1,6 2 Ελιά 20,1 ±1,69 3 Μίγμα (Ελάτη- 7,68 Πεύκο- Δρυ) ±0, % Ελάτη 6,7 ±0,62 Πυρηνόξυλο πυρηνελαιουρ 4,10 γείου ±0,46 10,89 ±11,6 31,4 ±12,82 67,44 ±4,24 104,99 ±6,16 46,30 ±3,17 6,01 ±37,87 34,49 ±11,48 2,44 ±4,94 31,61 ±2,36 62, ±2,04 3,7 ±4,87 3,87 ±2,9 12,72 ±0,21 6,21 ±0,89 9,13 ±0,8 19,08 ±20,3 13,69 ±2,3 1,81 ±0,30 1,06 ±0,12 1,86 ±0,18 3,97 ±0,39 3,19 ±0,3 3,37 ±0,2 0,90 ±0,14 0,48 ±0,12 0,0 ±0,12 0,4 ΜΕΤΑΛΛΑ 0,4 0,3 0,3 0,2 Συγκέντρωση (mg/m 3 ) 0,2 0,1 0,1 0,0 0 Ca Na K Fe Μίγμα (Πεύκο-Οξιά-Δρυ) Ελιά Μίγμα (Ελάτη-Πεύκο-Δρυ) Πυρηνόξυλο 100% Ελάτη Mg Σχήμα 4. Μέσος όρος συγκεντρώσεων μετάλλων (Ca, Na, K, Fe, Mg, Zn, Al, Ba, Cu, Cd) σε mg/m 3 Οι συγκεντρώσεις των μετάλλων (Ca, Na, K, Fe, Mg, Zn, Al, Ba, Cu, Cd) δεν παρουσίασαν σημαντικές μεταβολές μεταξύ των πέντε ειδών pellet ( μίγμα από πεύκο-οξιά-δρυ, ελιά, μίγμα ελάτη-πεύκο-δρυ, 100% ελάτη και πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου ) και αντιστοιχούν μόνον στο 0,7% των συνολικών εκπομπών. Δεν ανιχνεύτηκαν με τη χρήση Zn Al Ba 8

9 ICP-OES τα εξής στοιχεία: Cr, Ni, Pb και Mn. Τα μέταλλα αντιστοιχούν κατά μέσο όρο στο 0,4% της συνολικής μάζας πάνω στα φίλτρα. Επειδή και στα πέντε είδη πέλλετ ο ανόργανος άνθρακας ήταν μηδενικός, προκύπτει σαν αποτέλεσμα ο ολικός οργανικός άνθρακας. Στον πίνακα 6 που ακολουθεί παρουσιάζεται ο μέσος όρος των μετρήσεων σε 6 φίλτρα από τα πέντε είδη πέλλετ. Πίνακας 6. Μέσος όρος συγκεντρώσεων ολικού οργανικού άνθρακα (TOC) σε mg/m 3. α/α (mg/m 3 ) n TOC 1 Μίγμα 2 (Πεύκο-Οξιά-Δρυ) 121,87±,72 2 Ελιά 2 70,89±6,0 3 Μίγμα (Ελάτη-Πεύκο-Δρυ) 123,06±3, % Ελάτη 120,±3,39 Πυρηνόξυλο πυρηνελαιουργείου 94,37±4,44 ΟΛΙΚΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΟΣ ΑΝΘΡΑΚΑΣ Συγκέντρωση (mg/m 3 ) Μίγμα (Πεύκο-Οξιά-Δρυ) Μίγμα (Ελάτη-Πεύκο-Δρυ) 100% Ελάτη TOC Ελιά Πυρηνόξυλο Σχήμα. Μέσος όρος συγκεντρώσεων ολικού οργανικού άνθρακα (TOC) σε mg/m 3. Oι συγκεντρώσεις αυτών των πέντε ειδών pellet ήσαν διαφορετικές αναφορικά με τον ολικό οργανικό άνθρακα. Τα μίγματα πεύκο-οξιά-δρυ, ελάτη-πεύκο-δρυ και 100% ελάτη εμφάνισαν σχεδόν ίδιο ποσοστό (121,87 mg/m 3, 123,06 mg/m 3 και 120, mg/m 3 αντίστοιχα) σε σχέση με αυτό της ελιάς (70,89 mg/m 3 ) και του πυρηνόξυλου πυρηνελαιουργείου (94,37 mg/m 3 ). Και στα πέντε είδη ο ανόργανος άνθρακας ήταν μηδενικός. Ο ολικός οργανικός άνθρακας αντιστοιχεί κατά μέσο όρο στο 76% περίπου της συνολικής μάζας πάνω στα φίλτρα. 9

10 Τέλος τα φίλτρα εξετάστηκαν στο οπτικό μικροσκόπιο για να δούμε την ομοιομορφία των κόκκων αλλά και στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) για να γίνει μία ημιστοιχειακή ανάλυση, να εξεταστεί η ομοιομορφία των κόκκων καθώς επίσης και το μέγεθος των κόκκων. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι υπάρχει μία σχετική ομοιομορφία και τα στοιχεία που αναβρέθησαν ήσαν αυτά τα οποία και μελετήθηκαν. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό στα αιωρούμενα σωματίδια PM 10 που εκπέμπονται από την καύση pellets είναι ο οργανικός άνθρακας ενώ το ποσοστό τους σε μέταλλα και ιόντα είναι πολύ μικρό. Στην περίπτωση του pellet ελιάς, παρόλο που η υγρασία του είναι περίπου 9% παρουσιάζει την μικρότερη εκπομπή αιωρούμενων σωματιδίων PM 10 κατά την καύση του (86 mg/m 3 ) σε σχέση με τα υπόλοιπα είδη pellets. Ωστόσο συμπεραίνεται ότι η καλή ποιότητας καυσίμου (πέλλετ) οδηγεί σε μικρότερες εκπομπές PM 10 σωματιδίων από ό,τι άλλες μορφές καυσίμου. Μετά το πέρας των πειραμάτων αυτών θα ακολουθήσει μία σειρά πειραμάτων σε πραγματικές συνθήκες, σε σόμπες καύσης πέλλετ για την καλύτερη ακρίβεια, αξιοπιστία και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστούμε: 1) την βιομηχανία παραγωγής στερεών βιοκαυσίμων, εφαρμογές επεξεργασίας βιομάζας ΗΛ.ΜΗ.ΕΡΓ. ΕΠΕ Modern Fuels η οποία εδρεύει στην Τρίπολη και συγκεκριμένα τον Δ/ντη κ. Δαμάτη για τη χορήγηση τριών ειδών pellets προς ανάλυση. 2) την Εταιρεία ΠΕΤΡΟΚΑΜΙΝ Ο.Ε. με έδρα το Π. Φάληρο για τη διάθεση θερμάστρας pellet για μελλοντική εφαρμογή σε πραγματικές συνθήκες. 3) το Ινστιτούτο Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων ΕΚΕΤΑ, που εδρεύει στην Πτολεμαΐδα για τις μετρήσεις στοιχειακής ανάλυσης και θερμογόνου δύναμης. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Qiu G., Testing of flue gas emissions of a biomass pellet boiler and abatement of particle emissions, Renew. Energy. 0: 94 (2013). [2] Johansson L.S., Lecknerb B., Gustavssona L., Cooperc D., Tullina C., Potter A., Emission characteristics of modern and old-type residential boilers fired with wood logs and wood pellets, Atmos. Environ. 38: 4183 (2004). [3] Ghafghazi S., Sowlati T., Sokhansanj S., Melin X. Bi.S., Particulate matter emissions from combustion of wood in district heating applications, Renew. and Sustain. Energy Reviews. 1: 3019 (2011). [4] Olsson M., Kjallstrand J., Petersson G., Oxidative pyrolysis of integral softwood pellets, J. Anal. Appl. Pyrolysis. 67:13(2003). [] Schmidl C., Luisser M., Padouvas E., Lasselsberger L., Rzaca M., Cruz C. R.S., Handler M., Peng G., Bauer H., Puxbaum H., Particulate and gaseous emissions from manually and automatically fired small scale combustion systems, Atmos. Environ. 4: 7443(2011). 10