Αιωρούμενα σωματίδια από καύση διαφόρων ειδών βιομάζας. Κατανομή μεγέθους και ποιοτικοποσοτική σύστασή τους. - Ζωσιμά, Αγγελική (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2016)
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).