Παράρτημα τέφρας σελ. 1 Η σύσταση της τέφρας Ο όρος τέφρα χρησιμοποιείται για την περιγραφή των ανόργανων συστατικών ενός καυσίμου. Σε καύσιμα βιομάζας, η περιεχόμενη τέφρας μπορεί να προέρχεται είτε από την ίδια τη βιομάζα, π.χ. υλικά που το φυτό απορρόφησε από το νερό ή από το έδαφος κατά την ανάπτυξή του, είτε από την εφοδιαστική αλυσίδα. Σε κάθε περίπτωση, μετά τη λήψη ενός δείγματος υπολογίζεται το περιεχόμενο του σε τέφρα μετά τη καύση του σε εργαστηριακό φούρνο υπό ελεγχόμενες συνθήκες, βάσει του σχετικού προτύπου ΕΝ 14775. Είναι σημαντικό να επισημανθεί πως η θερμοκρασία τεφροποίησης για καύσιμα βιομάζας ανέρχεται στους 550 o C, ενώ η αντίστοιχη για δείγματα λιγνίτη είναι 780 o C, Η διαφορά αυτή δικαιολογείται από το γεγονός πως η τέφρα βιομάζας περιέχει διάφορα πτητικά συστατικά, τα οποία πιθανώς να μη περιέχονται στην εργαστηριακή τέφρα, αν η καύση της πραγματοποιηθεί σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Για το λόγο αυτό, οι υψηλές θερμοκρασίες για την τεφροποίηση συνεπάγονται ένα μη αντιπροσωπευτικό δείγμα τέφρας, τόσο από άποψη ποσότητας όσο και ποιότητας. Είναι επίσης προφανές, πως η σύνθεση της τέφρας που συλλέγεται από πραγματικές εφαρμογές (π.χ. ιπτάμενη τέφρα) διαφέρει από αυτή της τέφρας που παράγεται στο εργαστήριο. Γενικά, το ποσοστό τέφρας της ποώδους βιομάζας είναι υψηλότερο από αυτό της ξυλώδους βιομάζας. Όσον αφορά τη ξυλώδη βιομάζα συναντάμε τιμές ποσοστού τέφρας μικρότερές του 1 %, ενώ σε διάφορα είδη ποώδους βιομάζας παρατηρήθηκαν τιμές από 2 % έως 8-10 % ή ακόμα και 25 % για το φλοιό του ρυζιού. Σε κλάσματα αποβλήτων το ποσοστό τέφρας φτάνει συχνά σε τιμές από 25-30 %, ενώ σε ελάχιστες περιπτώσεις είναι μικρότερο του 10 %. Ωστόσο, σε κλάσματα αποβλήτων η τέφρα μπορεί να αποτελείται από γυαλί, κεραμικά, ή άλλες ουσίες που είχαν είτε οικιακή είτε βιομηχανική χρήση, και εσφαλμένα καταχωρήθηκαν στο καύσιμο κλάσμα του δείγματος. Πέρα από τις επιπτώσεις της εφοδιαστικής αλυσίδας, το περιεχόμενο τέφρας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το είδος του φυτού και από τις συνθήκες ανάπτυξής του. Η απορρόφηση νερού για παράδειγμα σχετίζεται άμεσα με την απορρόφηση Si και άλλων ανόργανων στοιχείων στο φυτό. Έτσι, στα C 3 φυτά που έχουν γενικά μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης νερού συγκριτικά με τα C 4 φυτά, το ποσοστό τέφρας είναι υψηλότερο.(ανατρέξτε στην παράγραφο 01-00-02α). Παρόλα αυτά κάποια C 3 φυτά, όπως η αγριαγκινάρα, παρουσιάζουν ποσοστό τέφρας της τάξης του 8 % επί ξηρής βάσης ή και μεγαλύτερο. Η χρήση λιπασμάτων επηρεάζει και αυτή με τη σειρά της το περιεχόμενο τέφρας στη ποώδη βιομάζα, και πιο συγκεκριμένα τις συγκεντρώσεις φωσφόρου, καλίου και χλωρίου. Οι συνθήκες και η σύνθεση του εδάφους διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη ακατέργαστη βιομάζα. Κάποιοι ερευνητές παρατήρησαν πως το switchgrass που αναπτύσσεται σε αμμώδη εδάφη εμφανίζει μικρότερα ποσοστά τέφρας και καλίου από το ίδιο φυτό όταν αναπτύσσεται σε αργιλώδη εδάφη. Ως εκ τούτου, το ποσοστό των διαλυτών ανόργανων στοιχείων του εδάφους αποτελεί σημαντικό παράγοντα.
Παράρτημα τέφρας σελ. 2 Τέλος, το ποσοστό και η σύσταση της τέφρας ενός φυτού ποικίλλουν ανάλογα με το μέρος του φυτού. Τα φύλλα για παράδειγμα, συνήθως περιέχουν υψηλότερα ποσοστό τέφρας από τα στελέχη. Μετά τη προετοιμασία ενός εργαστηριακού δείγματος τέφρας, μπορούμε με βάση τα ευρωπαϊκά πρότυπα να υπολογίσουμε τη συγκέντρωση των στοιχείων, τα οποία χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα ιχνοστοιχεία και τα βασικά στοιχεία. Ιχνοστοιχεία: η συγκέντρωση τους υπολογίζεται βάσει του EN 15297. Η συγκεκριμένη κατηγορία περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία: As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, V and Zn. Χαρακτηρίζονται ως ιχνοστοιχεία καθώς στις περισσότερες περιπτώσεις οι συγκεντρώσεις τους στο καύσιμο είναι πολύ χαμηλές. Ο υπολογισμός των συγκεντρώσεων τους γίνεται κυρίως για περιβαλλοντικούς σκοπούς π.χ. για να ελέγξουμε αν η τέφρα περιέχει κάποιο τοξικό στοιχείο, όπως υδράργυρο, χρώμιο ή κάδμιο και υπάρχει ο κίνδυνος να επιστρέψουν στο περιβάλλον. Άλλα στοιχεία, όπως ο ψευδάργυρος, πιθανώς συμμετέχουν στο σχηματισμό σωματιδίων ή στη δημιουργία ακαθαρσιών. Τα ιχνοστοιχεία κυρίως εκφράζονται σε mg/kg καυσίμου επί ξηρής βάσης. Βασικά στοιχεία: υπολογίζονται βάσει του EN 15290. Στη κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται τα στοιχεία που βρίσκονται σε μεγαλύτερη αφθονία στη τέφρα του καύσιμου: Al, Ca, Fe, Mg, P, K, Si, Na and Ti. Η παρουσία των στοιχείων αυτών δεν έχει καμιά σημαντική επίδραση στο περιβάλλον, ωστόσο επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τη τήξη της τέφρας. Οι υψηλές συγκεντρώσεις κάποιων στοιχείων αποτελούν ένδειξη της επιμόλυνσης του καυσίμου με χώμα ή άμμο. Τα κυριότερα από τα παραπάνω στοιχεία αποτελούν σημαντικά θρεπτικά συστατικά των φυτών: Si, Ca, K ( το πιο σημαντικό μακροθρεπτικό συστατικό μετά το άζωτο), Na και P. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να εκφραστούν τα βασικά στοιχεία: (mg/kg) καυσίμου επί ξηρής βάσης ή σαν κατά βάρος ποσοστό της τέφρας του καυσίμου. Ένα στοιχείο που διατηρήθηκε από τη χρήση των εμπειρικών δεικτών που αναπτύχθηκαν για τον άνθρακα, είναι η έκφραση των συγκεντρώσεων των βασικών στοιχείων σαν τα αντίστοιχα οξείδια τους. Η μετατροπή της κατά βάρος συγκέντρωσης ενός βασικού στοιχείου στο οξείδιο του είναι κάτι απλό, καθώς προκύπτει από το λόγο του μοριακού βάρους του οξειδίου προς το ατομικό βάρος του στοιχείου, όπως περιγράφεται στο EN 15290. Οι κατά βάρος συγκεντρώσεις των βασικών στοιχείων διαφέρουν κατά πολύ ανάμεσα στα διάφορα είδη βιομάζας. Συνήθως, η ποώδης βιομάζα έχει υψηλότερες συγκεντρώσεις πυριτίου και χαμηλότερες συγκεντρώσεις ασβεστίου σε σχέση με την ξυλώδη βιομάζα. Επιπροσθέτως, οι συγκεντρώσεις των αλκαλίων (K και Na) στη ποώδη βιομάζα είναι σχετικά υψηλές. Ο συνδυασμός υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο και αλκάλια είναι ιδιαιτέρως προβληματικός, όπως θα περιγραφεί με περισσότερες λεπτομέρειες στη συνέχεια του παραρτήματος. Βιβλιογραφικές πηγές παρέχουν πληθώρα στοιχείων, τα οποία ωστόσο μπορεί να διαφέρουν αρκετά μεταξύ τους για ένα συγκεκριμένο είδος βιομάζας, καθώς οι συνθήκες ανάπτυξης και η εφοδιαστική αλυσίδα έχουν ισχυρή επίδραση στις τιμές αυτών.
Παράρτημα τέφρας σελ. 3 Ακόμα μια μέτρηση που μπορεί να πραγματοποιηθεί στη τέφρα του καυσίμου είναι ο υπολογισμός της θερμοκρασίας τήξης της τέφρας. Εκτενέστερη αναφορά στο συγκεκριμένο ζήτημα γίνεται στη συνέχεια. Άλλοι μέθοδοι για τη περιγραφή της τέφρας Πέρα από τις μεθόδους που περιγράφονται στα πρότυπα, ένας συνήθης εργαστηριακός χαρακτηρισμός της τέφρας του καυσίμου, είναι ο προσδιορισμός της ορυκτολογικής της σύνθεσης μέσω φασματοσκοπίας περίθλασης ακτίνων Χ (XRD). Με τη μέθοδο αυτή διερευνάται η παρουσία και η σχετική συγκέντρωση διαφορετικών ορυκτολογικών φάσεων. Για παράδειγμα, μπορεί να προσδιοριστεί αν το κάλιο είναι ενωμένο με το χλώριο στη μορφή συλβίτη ή με θείο σε μορφή αρκανίτη. Δεν υπάρχουν συγκεκριμένες οδηγίες για το πώς μπορούν να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα μιας ανάλυσης XRD για βιομάζα, αλλά σε περίπτωση που οι συγκεκριμένες πληροφορίες είναι διαθέσιμες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν από πεπειραμένο και εξειδικευμένο προσωπικό για το σχεδιασμό του καλύτερου δυνατού συστήματος, μιας και διάφορα ορυκτά σχετίζονται με διαβρωτικά φαινόμενα και τη δημιουργία επικαθίσεων. Τα Ευρωπαϊκά Πρότυπα για τα στερεά βιοκαύσιμα περιλαμβάνουν και το EN 15105 «Στερεά Βιοκαύσιμα- Προσδιορισμός περιεκτικότητας υδατοδιαλυτού χλωρίου, νάτριο και κάλιο». Το χλώριο, το νάτριο και το κάλιο συνήθως εμφανίζονται σε μορφή υδατοδιαλυτών αλάτων, τα οποία κατά τη διάρκεια της καύσης απελευθερώνονται σε αέρια μορφή. Συνεπώς, μια ανάλυση με βάση το πρότυπο αυτό παρέχει μια ένδειξη του περιεχόμενου αυτών των στοιχείων, σε συνάρτηση με πιθανά προβλήματα επικαθίσεων και επισκωριώσεων. Επίσης, τα χημικά αυτά στοιχεία απομακρύνονται ευκολότερα μέσω έκπλυσης του καυσίμου. Παρόλο που σε μερικά βιοκαύσιμα, το υδατοδιαλυτό περιεχόμενο αυτών των στοιχείων ταυτίζεται με το συνολικό περιεχόμενο, κάτι τέτοιο δεν ισχύει πάντα. Για το συνολικό περιεχόμενο, εφαρμόζονται τα πρότυπα EN 15290 και EN 15289. Επικαθίσεις και Επισκωριώσεις Σε συστήματα καύσης, η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη οξείδωση του καυσίμου διοχετεύεται σε ένα εργαζόμενο μέσο, όπως ο ατμός ή το θερμό νερό, που καλύπτουν τις απαιτήσεις σε ρεύμα, θέρμανση ή ψύξη. Τα θερμά καυσαέρια δεν έρχονται σε άμεση επαφή με το εργαζόμενο μέσο - η μεταφορά της ενέργειας πραγματοποιείται μέσω εξοπλισμού εναλλαγής θερμότητας, όπως σωλήνες. Ιδανικά, και οι δύο άκρες του σωλήνα θα πρέπει να είναι καθαρές, ώστε να επιτευχθεί ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς θερμότητας κάτω από αυτές τις συνθήκες. Στην πράξη ωστόσο, σχηματίζονται επικαθίσεις, ιδιαίτερα στη πλευρά του καυσαερίου. Το συγκεκριμένο πρόβλημα είναι πιο σύνηθες σε συστήματα καύσης στερεών καυσίμων, λόγω των υψηλών ποσοστών τέφρας σε σύγκριση με τα υγρά ή τα αέρια καύσιμα. Οι επικαθίσεις προσθέτουν μια θερμική αντίσταση ανάμεσα στα καυσαέρια και στο εργαζόμενο μέσο, με αποτέλεσμα να μειώνεται η μεταφορά θερμότητας ανάμεσά τους. Για το λόγο αυτό, τα καυσαέρια εξέρχονται του συστήματος καύσης σε θερμοκρασίες
Παράρτημα τέφρας σελ. 4 υψηλότερες από τις θερμοκρασίες σχεδιασμού και οι απώλειες θερμότητας στο περιβάλλον αυξάνονται. Οι επικαθίσεις επίσης τείνουν να συσσωρεύονται με τη πάροδο του χρόνου, με αποτέλεσμα να μπλοκάρουν ολοκληρωτικά τους αγωγούς διέλευσης των καυσαερίων σε περίπτωση που αυτοί είναι αρκετά στενοί. Σε κάποιες περιπτώσεις, μετά τη συσσώρευση σημαντικών επικαθίσεων, υπάρχει ο κίνδυνος να αποκολληθούν κομμάτια και να καταστρέψουν το εσωτερικό του λέβητα. Γενικότερα, οι επικαθίσεις έχουν την τάση να μειώνουν την απόδοση του συστήματος καύσης και να αυξάνουν τα λειτουργικά κόστη και τα κόστη συντήρησης. Το πρόβλημα των επικαθίσεων συνήθως διαχωρίζεται σε δύο ευρύτερες κατηγορίες με τους αγγλικούς όρους slagging και fouling στα ελληνικά αποδίδονται συχνά ως «επικαθίσεις» και «επισκωριώσεις», χωρίς όμως πάντα να υπάρχει πλήρης αντιστοίχιση με τους αγγλικούς όρους. Ο όρος slagging αναφέρεται σε επικαθίσεις που σχηματίζονται στα μέρη του λέβητα που εκτίθενται κατά κύριο λόγο σε ακτινοβολούμενη θερμότητα, όπως τα τοιχώματα του λέβητα. Οι επικαθίσεις σκουριάς σχηματίζονται συνήθως από σωματίδια τηγμένης ή ημιτηγμένης τέφρας που προσκολλώνται στα ζεστά τοιχώματα του φούρνου. Δε σχηματίζονται αμέσως μετά την έναυση του λέβητα, αλλά συσσωρεύονται σταδιακά μετά το σχηματισμό ενός αρχικού στρώματος στα τοιχώματα Ο όρος fouling χαρακτηρίζει τις επικαθίσεις που σχηματίζονται σε επιφάνειες που λαμβάνει χώρα συναγωγή θερμότητας, όπως οι εναλλάκτες θερμότητας. Στη περίπτωση αυτή, σχηματίζονται επικαθίσεις από ανόργανα αέρια που συμπυκνώνονται στις σχετικά ψυχρότερες επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας. Παρόλο που οι μηχανισμοί σχηματισμού των δυο μορφών επικαθίσεων δεν είναι οι ίδιοι, αμφότεροι σχετίζονται άμεσα με τη τάση των συστατικών της τέφρας του καυσίμου να τηχθούν ή να εξατμιστούν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η θερμοκρασία τήξης τέφρας επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεση της τέφρας. Κατά κανόνα, στοιχεία όπως το ασβέστιο και το μαγνήσιο αυξάνουν τη θερμοκρασία τήξης τέφρας, ενώ το πυρίτιο, το κάλιο και το νάτριο την ελαττώνουν. Συνεπώς, η τέφρα της ποώδους βιομάζας αναμένεται να έχει χαμηλή θερμοκρασία τήξης, ενώ η ξυλώδης βιομάζα παρουσιάζει γενικά υψηλές θερμοκρασίες τήξης τέφρας. Στη πράξη, δεν είναι μόνο το περιεχόμενο σε αλκάλια που επηρεάζει την τάση σχηματισμού επισκωριώσεων της ποώδους βιομάζας, αλλά και η περιεκτικότητά του σε χλώριο. Τα χλωριούχα αλκάλια διευκολύνουν τη μετάβαση των αλκαλίων στην αέρια φάση, είναι πολύ πτητικά και απελευθερώνονται σε αέρια φάση στο θάλαμο καύσης; Στη ζώνη συναγωγής, συμπυκνώνονται στις ψυχρές επιφάνειες, όπως απεικονίζεται και στην Εικόνα 1.
Παράρτημα τέφρας σελ. 5 Εικόνα 1: Μηχανισμός επισκωριώσεων από KCl σε λέβητα καύσης αχύρου σταθερής κλίνης (Πηγή: DONG Energy) Τα σωματίδια συμπυκνωμένης τέφρας είναι τηγμένα και σχηματίζουν κολλώδεις εναποθέσεις, που παρουσιάζουν τη τάση να ενισχύουν τις επικαθίσεις ακόμα και των χονδρόκοκκων σωματιδίων ιπτάμενης τέφρας, που υπό κανονικές συνθήκες αναπηδούν στις επιφάνειες. Η παρουσία χλωριούχων αλκαλίων μειώνει επίσης τη θερμοκρασίας τήξης τέφρας σε τιμές της τάξης των 700-800 o C ή και χαμηλότερες. Εκτίμηση επικαθίσεων τέφρας Ι Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι για τον υπολογισμό της τάσης της βιομάζας να σχηματίζει επικαθίσεις. Η πρώτη μέθοδος είναι ο απευθείας υπολογισμός της θερμοκρασίας τήξης τέφρας. Ένα δείγμα τέφρας βιομάζας συμπιέζεται σε ένα δοκίμιο με συγκεκριμένες διαστάσεις και εισέρχεται σε έναν ρυθμιζόμενο φούρνο, όπου παρακολουθείται συνεχώς η αποσύνθεσή του καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Μέχρι σήμερα δεν υπάρχει κάποιο ευρωπαϊκό πρότυπο, μόνο μια τεχνική περιγραφή, CEN/TS 15370-1 «Στερεά βιοκαύσιμα- Μέθοδος για τον υπολογισμό της συμπεριφοράς τήξης τέφρας-μέρος 1: Μέθοδος χαρακτηριστικών θερμοκρασιών». Ένα ακόμη συχνά χρησιμοποιούμενο πρότυπο είναι το ASTM D 1857. Παρόλο που οι ακριβείς θερμοκρασίες καταγραφής και ως εκ τούτου οι ορισμοί διαφέρουν ανάλογα με το πρότυπο, οι ακόλουθες παράμετροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το συγκεκριμένο οδηγό: Αρχική θερμοκρασία συρρίκνωσης (SST): η θερμοκρασία κατά την οποία το δοκίμιο αρχίζει να συρρικνώνεται, πιθανώς λόγω της έκλυσης πτητικών ανόργανων ουσιών ή λόγω συσσωμάτωσης. Η θερμοκρασία αυτή δεν αποτελεί μέρος του συνηθισμένου προτύπου της ASTM και για το λόγο αυτό δεν καταγραφόταν παλαιότερα.
Παράρτημα τέφρας σελ. 6 Θερμοκρασία αρχικής παραμόρφωσης (IT): η θερμοκρασία στην οποία οι άκρες του δοκιμίου εμφανίζουν τα πρώτα σημάδια στρογγυλοποίησης λόγω τήξης. Θερμοκρασία μαλάκυνσης (ST): η θερμοκρασία κατά την οποία το ύψος του δοκιμίου εξισώνεται με το πλάτος του. Μολονότι η θερμοκρασία αυτή δε περιλαμβάνεται στην Ευρωπαϊκή Τεχνική περιγραφή, στις περισσότερες περιπτώσεις καταγράφεται. Θερμοκρασία ημισφαιρίου (HT): η θερμοκρασία όπου το δοκίμιο έχει τηχθεί επαρκώς ώστε να σχηματίσει ημισφαίριο. Θερμοκρασία ροής (FT): η θερμοκρασία όπου παρατηρείται η πλήρης τήξη του δοκιμίου, το οποίο και απλώνεται σε όλη την επιφάνεια της πλάκας. Ένας γνωστός και ευρέως χρησιμοποιούμενος δείκτης που βασίζεται στις παραπάνω θερμοκρασίες είναι ο δείκτης επικαθίσεων (slagging index), που υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση: 4 IT + HT R s = 5 Όσο υψηλότερος είναι ο δείκτης επικαθίσεων, τόσο μικρότερη είναι η τάση που εμφανίζει το καύσιμο για σχηματισμό επικαθίσεων τύπου slagging. Γενικά, τα καύσιμα με δείκτη επικαθίσεων χαμηλότερο από 1150 o C εμφανίζουν μεγαλύτερες πιθανότητες να δημιουργήσουν επικαθίσεις, ενώ τιμές μεγαλύτερες από 1340 o C φανερώνουν μικρές τάσεις για σχηματισμό slagging. Για καύσιμα βιομάζας, και η τιμή της θερμοκρασίας αρχικής παραμόρφωσης θεωρείται μια έγκυρη ένδειξη της τάσης της τέφρας να δημιουργεί προβλήματα κατά την καύση. Η μέτρηση της θερμοκρασίας τήξης τέφρας συνδέει άμεσα τα εργαστηριακά δεδομένα με τη τάση της τέφρας να λιώνει. Ωστόσο, δε παρέχει καμία πληροφορία για τη σύνθεση της τέφρας και των πιθανών μετασχηματισμών που αυτή θα υποστεί στο θάλαμο καύσης. Εκτίμηση επικαθίσεων τέφρας ΙΙ Ο δεύτερος τρόπος για την αποτίμηση της τάση της τέφρας βιομάζας να σχηματίζει επικαθίσεις είναι η χρήση κατάλληλων δεικτών, που βασίζονται στη περιεκτικότητα της τέφρας σε βασικά στοιχεία (βλέπε Σύνθεση τέφρας παραπάνω). Έχουν αναπτυχθεί διάφοροι δείκτες τέφρας, αρχικά για άνθρακες, που είναι αρκετά ακριβείς στις εκτιμήσεις τους. Ωστόσο, οι τιμές των συγκεκριμένων δεικτών για τέφρες δειγμάτων βιομάζας αμφισβητούνται, λόγω των διαφορών στη σύνθεση και τη μορφολογία της τέφρας. Νέοι δείκτες αναπτύσσονται για τα καύσιμα βιομάζας, παρόλο που η καταλληλότητα τους δεν είναι ακόμη ευρέως αποδεκτή. Ένας από τους δείκτες που έχουν αναπτυχθεί περιλαμβάνει τη μοριακή αναλογία Si/(Ca+Mg) ή μια παραλλαγή αυτής (Si+P+K)/(Ca+Mg) για καύσιμα με υψηλή περιεκτικότητα σε φώσφορο, όπως στη περίπτωση της ποώδους βιομάζας.
Παράρτημα τέφρας σελ. 7 Αφού το ασβέστιο και το μαγνήσιο τείνουν να αυξάνουν τη θερμοκρασία τήξης τέφρας, όσο υψηλότερη η τιμή του συγκεκριμένου δείκτη, τόσο χαμηλότερη η θερμοκρασία τήξης τέφρας και η τάση για σχηματισμό επικαθίσεων. Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός διαφόρων δεικτών και χαρακτηριστικών νούμερων όπως ο δείκτης Miles, ο δείκτης αλκαλίων, δείκτες αλάτων, ο δείκτης σχηματισμού υάλων και διάφοροι άλλοι- κανένας από τους οποίους όμως δε δίνει τη συνολική εικόνα ή μια ξεκάθαρη απάντηση για τη συνολική συμπεριφορά του καυσίμου ως προς το σχηματισμό επικαθίσεων. Πρέπει επίσης να γίνει κατανοητό πως οι επικαθίσεις συσσωρεύονται σε τέτοια μέρη του αντιδραστήρα καύσης ή αεριοποίησης όπου οι συνθήκες- ποσοστό οξυγόνου, θερμοκρασία και ταχύτητες αερίων- τυχαίνει να είναι ευνοϊκές. Γι αυτό το λόγο, οποιαδήποτε εκτίμηση των μέσων συνθηκών, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο ως ένδειξη και όχι για ακριβείς προβλέψεις ως προς το που, πότε και σε τι βαθμό θα δημιουργηθούν επικαθίσεις. Η χρήση των διαφόρων δεικτών καθώς και η αποτίμηση αυτών, θα πρέπει να γίνεται από πεπειραμένους τεχνικούς και ερευνητές. Ωστόσο η χρήση των δεικτών ως έχουν, τονίζει τη σημασία διαφόρων στοιχείων όπως το Κ, Si και P στη γενική τάση συμπεριφοράς τήξης της τέφρας. Ο αναγνώστης μπορεί να πρόσεξε πως το χλώριο απουσιάζει από τους συγκεκριμένους δείκτες παρά το γεγονός που αναφέρθηκε προηγουμένως, ότι δηλαδή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο για την συμπεριφορά του καλίου στην εστία. Η επίδραση του χλωρίου θα συζητηθεί σε επόμενη ενότητα που αφορά τη διάβρωση. Αξιοποίηση τέφρας Πέρα από κάποιες μικρές απώλειες ανόργανων συστατικών σε μορφή αερολυμάτων ή σωματιδίων σκόνης, η μεγαλύτερη ποσότητα της τέφρας από εφαρμογές καύσης βιομάζας συλλέγεται είτε ως ιπτάμενη τέφρα, μέσω του εξοπλισμού καθαρισμού τέφρας της διόδου καυσαερίων, είτε ως τέφρα πυθμένα. Παρόλο που οι ποσότητες τέφρας που παράγονται κατά την καύση βιομάζας δεν είναι συγκρίσιμες με τις αντίστοιχες που προκύπτουν κατά την καύση ανθράκων, η εύρεση λύσεων για την αξιοποίηση των συγκεκριμένων υπολειμμάτων της καύσης αποτελεί σημαντικό κομμάτι κάθε συστήματος καύσης, ώστε να αποτελεί ένα σύστημα φιλικό προς το περιβάλλον. Παρά τα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, η αξιοποίηση της τέφρας σε αρκετές περιπτώσεις δε περιλαμβάνεται στο σχεδιασμό μέχρι και την έναρξη λειτουργίας της εγκατάστασης. Δύο είναι οι κυριότερες αιτίες για αυτό: Πρώτον, στις περισσότερες περιπτώσεις υπάρχει η εναλλακτική λύση της διάθεσης των αποβλήτων σε μια χωματερή (αν και δεν είναι πάντα η φθηνότερη εκδοχή). Δεύτερον, η σύνθεση και οι ιδιότητες της τέφρας καύσης είναι μεταβαλλόμενες, καθώς εξαρτώνται από την ποιότητα του καύσιμου υλικού και από τον τύπο της εγκατάστασης.
Παράρτημα τέφρας σελ. 8 Όσον αφορά την τέφρα των ανθράκων, το ζήτημα της αξιοποίησής της σε πολλές περιπτώσεις έχει μια σχετικά εύκολη απάντηση: τη χρήση της ως πρόσθετο για την παραγωγή τσιμέντου ή σκυροδέματος. Από την άλλη πλευρά, η τέφρα πολλών ειδών βιομάζας περιέχει υψηλότερα ποσοστά σε αλκάλια από αυτά που ορίζονται στα πρότυπα για τη χρήση της τέφρας των ανθράκων. Έτσι, η αξιοποίηση της τέφρας καυσίμων βιομάζας για παραγωγή τσιμέντου/σκυροδέματος είναι δυνατή μόνο για περιπτώσεις που η τέφρα προέρχεται από εγκαταστάσεις μικτής καύσης (βλέπε 04-02-02β), ενώ ακόμα και για αυτή την περίπτωση το θερμικό φορτίο της βιομάζας θα πρέπει να είναι αρκετά χαμηλό Πολλές τέφρες βιομάζας εμφανίζουν υψηλή περιεκτικότητα σε κάλιο, που αποτελεί ένα σημαντικό θρεπτικό στοιχείο των φυτών. Το κάλιο απομακρύνεται εύκολα από την τέφρα με το νερό και γίνεται διαθέσιμο για τα φυτά. Και άλλα θρεπτικά συστατικά των φυτών, όπως το ασβέστιο, μπορεί να περιέχονται στις τέφρες. Για το λόγο αυτό η επαναχρησιμοποίηση της τέφρας βιομάζας ως λίπασμα είναι μια αξιόλογη επιλογή. Υπάρχουν ωστόσο κάποια ζητήματα που πρέπει να αξιολογηθούν: Η ιπτάμενη τέφρα που προέρχεται από την καύση της βιομάζας μπορεί να έχει υψηλή περιεκτικότητα σε κάλιο, αλλά η μεγαλύτερη ποσότητα του αζώτου έχει απελευθερωθεί σε αέρια μορφή. Επιπλέον, είναι πιθανή η παρουσία φωσφόρου σε αδιάλυτη μορφή, με αποτέλεσμα η εισχώρηση του στα φυτά να λαμβάνει χώρα μετά από κάποιες δεκαετίες. Στη δασοκομία αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα λόγω του μεγαλύτερου βλαστικού κύκλου, αλλά στις γεωργικές εφαρμογές μπορεί να εξακολουθεί να υπάρχει η ανάγκη για χρήση λιπασμάτων που περιέχουν άζωτο και φώσφορο. Οι ιπτάμενες τέφρες επιπλέον παρουσιάζουν υψηλές συγκεντρώσεις σε όλα τα βαρέα μέταλλα, όπως το κάδμιο, που μπορεί να περιέχονται στα καύσιμα βιομάζας. Η ιπτάμενη τέφρα βιομάζας θα πρέπει να πληροί κάποιες προϋποθέσεις, σε ότι αφορά τις συγκεντρώσεις σε βαρέα μέταλλα, προτού εξεταστεί η χρήση της ως λίπασμα. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία σε περιπτώσεις που η βιομάζα καίγεται μαζί με άλλα ιδιαίτερα επιβαρυμένα καύσιμα. Τέλος, λόγω της πτητικής φύσης των αλκαλίων, οι τέφρες πυθμένα μπορεί να επιδείξουν αρκετά χαμηλές συγκεντρώσεις καλίου και έτσι η χρήση τους ως θρεπτικά συστατικά στο έδαφος να μην έχει ιδιαίτερα αποτελέσματα. Η απάντηση στο πώς πρέπει να προσεγγιστεί το ζήτημα αξιοποίησης της βιομάζας κατά το σχεδιασμό του συστήματος, δίνεται με περισσότερες λεπτομέρειες στην παράγραφο 04-02- 08.
Παράρτημα τέφρας σελ. 9 Εκτίμηση διαβρωτικής συμπεριφοράς Η διάβρωση λαμβάνει χώρα σε σημεία όπου το προστατευτικό στρώμα οξειδίου που σχηματίζεται στα τοιχώματα των σωλήνων προσβάλλεται από ουσίες που περιέχουν θείο η χλώριο. Μέσω της θείωσης και της χλωρίωσης των επιφανειών του σωλήνα δημιουργείται ένα εξωτερικό στρώμα που δεν παρουσιάζει τις προστατευτικές ιδιότητες του αντίστοιχου οξειδωμένου. Η ελαττωματική του δομή το καθιστά ευάλωτο σε αποκολλήσεις λόγω μηχανικής διάβρωσης και έτσι το υλικό καθίσταται επιρρεπές σε περαιτέρω διάβρωση. Για το λόγο αυτό, η διάβρωση αφορά την αλλοίωση των εγγενών ιδιοτήτων του τοιχώματος ή του υλικού του σωλήνα. Σε αντίθεση με τις επικαθίσεις / επισκωριώσεις που μπορούν να ελεγχθούν σε κάποιο βαθμό με διαδικασίες καθαρισμού, όπως ο εκκαπνισμός, ακόμα και κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του λέβητα, η διάβρωση είναι μόνιμη και επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το χρόνο ζωής του εξοπλισμού. Η διάβρωση από χλώριο σχετίζεται άμεσα με την καύση ποώδους βιομάζας και κλασμάτων απορριμμάτων ή στερεών ανακτηθέντων καυσίμων. Λαμβάνει χώρα μέσω ενός ή τριών κύριων μηχανισμών: Διάβρωση αέριας φάσης, η άμεση «επίθεση» αέριου HCl ή Cl 2 στις επιφάνειες του εναλλάκτη. Η δημιουργία τηγμάτων θειούχων αλκαλίων ή χλωριούχων αλκαλίων, που διαλύουν το προστατευτικό στρώμα οξειδίου της επιφάνειας του εναλλάκτη. Ο μηχανισμός της ενεργής οξείδωσης που αφορά τη θείωση χλωριούχων αλκαλίων ή χλωριούχων μετάλλων στο σωλήνα κοντά στο στρώμα απόθεσης. Μέσω αυτού του μηχανισμού απελευθερώνεται Cl, το οποίο στη συνέχεια προσβάλλει τις επιφάνειες του σωλήνα. Η ενεργή οξείδωση είναι ο πιο σημαντικός μηχανισμός σε ότι αφορά τη διάβρωση υψηλής θερμοκρασίας. Όπως φαίνεται, η έκταση του σχετίζεται κυρίως με την δημιουργία επικαθίσεων χλωριούχων αλκάλιων στα τοιχώματα των σωλήνων. Όπως σχολιάστηκε παραπάνω, τα αλκάλια καυσίμων ποώδους βιομάζας υψηλής περιεκτικότητας σε χλώριο, συνήθως απελευθερώνονται σε αέρια μορφή ως χλωριούχα αλκάλια. Είναι ξεκάθαρο πως διάβρωση και επισκωριώσεις σχετίζονται άμεσα σε ότι έχει να κάνει με την ποώδη βιομάζα και η έκταση των επισκωριώσεων αποτελεί μια καλή ένδειξη των διαβρωτικών ιδιοτήτων του καυσίμου. Για τη μείωση της πιθανότητας εμφάνισης διάβρωσης μπορούν να ληφθούν διάφορα μέτρα που περιλαμβάνουν: 1) Τη μείωση της συγκέντρωσης του χλωρίου του καυσίμου. Για καύσιμα ποώδους βιομάζας η μείωση επιτυγχάνεται μέσω έκπλυσης στο χωράφι (βλέπε 03-02-03). Στα απορρίμματα, το περιεχόμενο σε χλώριο καθορίζεται από το πόσο καλά έγινε η κλασματοποίηση και ο διαχωρισμός στο σύστημα συλλογής απορριμμάτων. Και με τις δύο μεθόδους, ελαττώνεται το συνολικό χλώριο που εισέρχεται στο θάλαμο καύσης
Παράρτημα τέφρας σελ. 10 2) Τον κατάλληλο σχεδιασμό του θαλάμου καύσης. Αν η θερμοκρασία του αερίου είναι αρκετά χαμηλή, όταν τα χλωριούχα αλκάλια έρχονται σε επαφή με τις επιφάνειες του σωλήνα, οι επικαθίσεις παραμένουν σε στερεά μορφή και μειώνονται οι διαβρωτικές τους τάσεις. Μια θερμοκρασία της τάξης των 650 o C κρίνεται επαρκής. Ο συγκεκριμένος σχεδιασμός είναι συνηθισμένος σε αποτεφρωτές αποβλήτων. Το τίμημα της συγκεκριμένης διάταξης είναι η μείωση του βαθμού ηλεκτρικής απόδοσης, όπως συζητήθηκε στην παράγραφο 04-00-08ζ. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικές επιμεταλλώσεις ή κράματα χάλυβα, που θα αυξήσουν όμως το πάγιο κόστος του λέβητα. 3)Χρήση πρόσθετων ή συμπληρωματικών καυσίμων που επηρεάζουν τις συνθήκες καύσης μέσω το σχηματισμό ενώσεων με όχι τόσο έντονη διαβρωτική ικανότητα. Η γενική ιδέα είναι πως τα αλκάλια της τέφρας βιομάζας θα αντιδράσουν με άλλα στοιχεία και θα δεσμευτούν σε δομές χωρίς την παρουσία χλωρίου. Έτσι, το χλώριο εμφανίζεται στην αέρια φάση ως ΗCl, με μειωμένη διαβρωτική ικανότητα. Τα πρόσθετα αυτά κατατάσσονται σε μία από τις παρακάτω κατηγορίες: AlSi πρόσθετα, όπως ο καολίνης και ο δολομίτης Πρόσθετα που περιέχουν φώσφορο, όπως το όξινο φωσφορικό ασβέστιο Πρόσθετα που περιέχουν χλώριο, όπως το θειικό αμμώνιο Η μοριακή αναλογία (Al+P+2S)/(K+Na) για το καύσιμο και τα πρόσθετα μαρτυρά αν υπάρχει επαρκής ποσότητα προσθέτων για τη δέσμευση των αλκαλίων. Στην πράξη απαιτούνται κλάσματα μεγαλύτερα του 1. Δυστυχώς, τα περισσότερα εμπορικά πρόσθετα κοστίζουν ακριβά και η θερμογόνος ικανότητα τους είναι είτε μηδενική είτε αμελητέα. Σε πολλές περιπτώσεις αναμένεται μια αύξηση της τάξης του 20% στην τιμή του καυσίμου. Έτσι, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται η «προβληματική» βιομάζα σε εφαρμογές μικτής καύσης μαζί με καύσιμα που περιέχουν φυσικά ένα από τα τρία πρόσθετα ή υψηλές συγκεντρώσεις των επίμαχων στοιχείων. Η αποτίμηση της διαβρωτικής ικανότητας της βιομάζας γίνεται μέσω εμπειρικών δεικτών. Για παράδειγμα, η μοριακή αναλογία του θείου προς το χλώριο υπολογίζεται από το λόγο 2S/Cl. Η μοριακή αναλογία κάθε στοιχείου υπολογίζεται διαιρώντας το κλάσμα βάρους του στοιχείου στο καύσιμο προς το μοριακό του βάρος. Τα καύσιμα για τα οποία ο συγκεκριμένος λόγος είναι υψηλός, έχουν την τάση να σχηματίζουν ένα προστατευτικό στρώμα θείου στους σωλήνες. Άμα ο λόγος είναι μεγαλύτερος από 4, αναμένεται μικρή μόνο διάβρωση- για τιμές μεγαλύτερες του 8 η παρουσία του χλωρίου στις επικαθίσεις είναι αμελητέα. Το γεγονός αυτό αιτιολογεί την τάση που υπάρχει για μικτή καύση ποώδους βιομάζας με καύσιμα με υψηλή συγκέντρωση σε θείο, όπως κάποιοι τύποι άνθρακα ή η τύρφη.