Torefakcia biomasy (energetických travín).

Abstract

Dizertačná práca je zameraná jednak na identifikáciu vhodných podmienok pre získanie torefikovaného uhlíka z 9 druhov energetických travín a zároveň na overenie možností zlepšenia pôdnych vlastností (riadené uvoľňovanie živín a obmedzenie migrácie ťažkých kovov) prostredníctvom vytvoreného torefikovaného uhlíka. Biomasa – energetické traviny, boli pre výskum vybrané z dôvodu momentálnej situácie, kedy dochádza v dôsledku poklesu chovných zvierat k nadprodukcii trávy/sena a pre daný materiál je potrebné nájsť vhodné využitie. Keďže v súčasnosti je veľmi populárne sledovanie účinkov biouhlíka na pôdne vlastnosti, ktorý je vytvorený z rôznych druhov biomasy rôznymi spôsobmi, zvolila som pre spracovanie trávnej biomasy proces torefakcie. Energetické traviny boli pre účely sledovania ich vlastností odobrané z výskumnej stanice Oseva Pro, Zubří. Tvorba torefikovaného uhlíka z travín, ako aj predúprava materiálu, prebehla v laboratóriách IGI, VŠB – TU Ostrava. Časť dizertačnej práce bola zameraná na sledovanie parametrov biomasy pred a po vylúhovaní, kde cieľom bolo zistiť efektívnosť úpravy biomasy pred jej samotnou aplikáciou do pôdy. Vzorky boli podrobené elementárnej analýze, RTGfluorescencii, RTG- difrakcii, ktorými sa zistilo ich chemické a mineralogické zloženie. Následne boli porovnávané vlastnosti biomasy pred a po procese torefakcie. Hodnoty namerané u torefikovaného uhlíka z travín boli porovnávané so štandardmi IBI – Biochar, na základe čoho je možné určiť vhodnosť/nevhodnosť aplikácie výsledného torefikovaného produktu do pôdy. Z výsledkov je ale možné konštatovať, že v dôsledku viac ako dvadsaťnásobného prekročenia limitu pre dioxíny a furany v torefikovanom uhlíku z travín, nie je možné, podľa štandardov IBI, aplikovať tento uhlíkatý materiál do pôdy. V práci sú taktiež výsledky TGA analýz slúžiace pre identifikáciu energetických parametrov torefikovanej biomasy. Taktiež bola sledovaná vylúhovateľnosť živín a stopových prvkov a sorpčná schopnosť torefikovaného uhlíka z travín v dvoch matriciach: pôde a kaloch (vo vápnenej a nevápnenej forme). Pre výskumné účely boli štyri druhy kalov dodané z Ústrednej čistiarne odpadových vôd spoločnosti OVAK a.s. (ostravské vodárny a kanalizace) z Ostravy – Přívoza. Použitá pôda bola odobraná z oblasti Rybí pri Novom Jičíne, ktorá je známa veľmi hojným výskytom hornín tešinitovej asociácie. Pre porovnanie vlastností torefikovaného uhlíka z travín slúžili vzorky torefikovaného uhlíka z dreva od firmy Andritz, pyrolýzneho uhlíka z MPA Burgau, aktívneho uhlia od firmy MERCK a tiež pyrolýzny uhlík z dreva vyrobený pyrolýznou jednotkou centra ENET, VŠB-TU Ostrava. Z výsledkov vyplýva, že všetky uhlíkaté materiály dosahujú účinnosť záchytu (sorpcie) vyššiu než 80 % u Cu a Zn. V prípade Zn bola preukázaná vo všetkých prípadoch vyššia účinnosť sorpcie pre nevápnený kal. U Cu sa táto závislosť nevyskytuje. Najvyššiu účinnosť odstránenia rozpustených látok vykazuje aktívne uhlie MERCK, pyrolýzny uhlík z Burgau je nepoužiteľný, pretože do výluhu dodáva chloridy a sírany, čím dochádza k zasoľovaniu pôd. Torefikovaný uhlík získaný torefakciou dreva (Andritz) má lepšiu sorpčnú schopnosť pre rozpustené látky než torefikovaný uhlík získaný pyrolýzou travín (vylúhovanie DOC a chloridov). Z výsledkov získaných použitím jedného kalu a rôznych druhov sorbentov vrátane aktívneho uhlia firmy MERCK nie je možné preukázať, že prídavok týchto sorbentov do kalov významným spôsobom ovplyvňuje distribúciu a riadené uvoľňovanie živín. Môže to byť spôsobené relatívne vysokými koncentráciami u Ncelk, DOC aj Pcelk, ktoré sú z kalu uvoľňované. Pre overenie sorpčných vlastností sledovaných uhlíkatých sorbentov odporúčam, aby boli výsledky tejto práce doplnené o sorpčné krivky pre živiny a DOC, prípadne ťažké kovy.

This thesis is focused on the identification of suitable conditions for the torrefied carbon obtention from nine kinds of energy grasses. Thesis deals also with the possibilities of soil properties improving (controlled release of nutrients and limitation of heavy metals migration) by produced torrefied carbon (biochar). The biomass – energy grasses were chosen for the research because of the current agricultural situation. Nowadays the amount of breeding animals decreases, thus it leads to the grass/hay overproduction. It is necessary to find a suitable utilization for this material. The biochar topic became very popular in last few years, especially the effects of biochar made from various types of biomass on soil properties improvement. Because of this I have chosen the torrefaction process for grass utilization. Energy grasses for the thesis experimental part were obtained from the research station Oseva Pro, Zubří. Production of torrefied carbon from energy grasses, as well as the material pretreatment and analyses, was carried out in the laboratories of IGI (Institute of Geological Engineering), VSB – TU Ostrava. One part of the dissertation thesis was focused on the leaching behavior of the biomass used for the further experiments, where the aim was to determine the effectiveness of biomass treatment prior to its actual application to the soil. The samples were subjected to elemental analysis, RTG – fluorescence and RTG – diffraction to find the chemical and mineralogical composition. Consequently, the biomass properties before and after the torrefaction process were compared. Torrefied grass parameters were compared with IBI Biochar Standars, to determine the suitability / unsuitability of the resulting torrefied product application into the soil. It can be concluded, that torrefied grasses used in this thesis don’t meet the criteria of IBI Biochar Standards. The limits for dioxins and furans are exceeded more than twenty times. Because of this fact it is not possible to apply torrefied grasses to the soil. In the thesis, there are also mentioned the TGA analysis results for the identification of the material energy parameters. Second part of the thesis is focused on the leaching behavior of nutrients and trace elements and sorption ability of torrefied grass in the two matrices: soil and sewage sludge (in form of limed and lime-free sewage sludge). For the research purposes there were used four types of sewage sludges supplied from the Central Waste Water Treatment Plant OVAK a.s., Ostrava – Přívoz. The soil was collected from the Rybí area in Nový Jičín district. The results of the torrefied grass properties were compared to the samples of torrefied wood from Andritz, pyrolysis carbon from MPA Burgau, activated carbon from MERCK Company and pyrolysis carbon from wood produced by the pilot-scale pyrolysis unit of ENET Center, VSB – TU Ostrava. TThe results showed that all carbonaceous materials achieve more than 80 % collection efficiency (sorption) for Cu and Zn. In the case of Zn there was proved higher sorption efficiency for lime-free sewage sludge with all types of carbonaceous materials. For Cu, this dependence was not detected. The highest removal efficiency of dissolved solids was observed for a charcoal MERCK. The pyrolysis carbon from MPA Burgau is unusable for this purpose, because of the chlorides and sulfates extraction which leads to the soil salinization. Torrefied wood from Andritz showed better sorption ability for soluble matter than torrefied grass (leaching of DOC and chloride). From the results obtained using a single sludge and various kinds of sorbents, including activated carbon MERCK, it is not possible to demonstrate that the addition of these sorbents in the sewage sludge significantly affects the nutrition distribution and controlled release. This may be caused due to relatively high concentrations of the Ntot, Ptot and DOC, which are released from the sewage sludge. For the observed carbon sorbents sorption properties verification, it is recommended to make the sorption curves for nutrients, DOC and heavy metals in further research.