CC BY
99
mgr Adam GIERASIMCZUK
Komenda Wojewodzka PSP w Bialymstoku Wydzial Kontrolno - Rozpoznawczy
NIEBEZPIECZENSTWO SAMOZAPLONU TOWARZYSZ^CE SKLADOWANIU BIOMASY PRZEZNACZONEJ DO CELOW
ENERGETYCZNYCH
Streszczenie
Paliwa stosowane w energetyce cz?sto wymagaj^ skladowania. Wielokrotnie towarzyszy temu ryzyko wyst^pienia pozaru. Jego przyczyn^ moze bye samozaplon. Szczegolne zagrozenie dotyczy luznej biomasy.
Summary
Fuels applied in energetics often require storing. Repeatedly a risk of the fire appearance is accompanying it. His cause can be a self-ignition. The particular hazard concerns in thin biomass.
Wszystkie stosowane w energetyce paliwa s^. substancjami mniej lub bardziej palnymi. Magazynowane w silosach, haldach lub zasobnikach mog^. ulegac samozapaleniu. Zjawisko to mozliwe jest rowniez podczas przemialu. Na samozaplon jako calosc sklada si? wiele procesow fizycznych, chemicznych i biologicznych. Ich wyst?powanie i przebieg s^. bardzo zroznicowane, w zaleznosci od rodzaju paliwa. Spalanie biomasy jest jednym z najcz?sciej stosowanych sposobow pozyskiwania energii ze zrodel odnawialnych. Cech^. tego paliwa jest duza podatnosc na samozaplon podczas skladowania.
W?giel stosuje si? w energetyce najcz?sciej i w najwi?kszych ilosciach. Dotyczy go wi?c rowniez problem samozapalenia podczas magazynowania w haldzie. Nast?puje wowczas wietrzenie paliwa. Przy dobrym dost?pie tlenu mozliwe jest wyst^pienie stanu zarzenia, ktory moze przejsc w pozar. Oprocz latwosci dost?pu tlenu, ryzyko samozaplonu zwi?ksza duzy udzial frakcji rozdrobnionego w?gla oraz wysoka zawartosc cz?sci lotnych,
wilgoci, pirytu i egzynitu. Drobne frakcje i lotne cz?sci paliwa w?glowego s^. najbardziej podatne na utlenianie. Wilgoc powoduje chemiczn^ aktywacj? w?gla, tym samym zwi?ksza zdolnosc pochlaniania tlenu i utleniania si?. Wysoka zawartosc wody opóznia samozaplon. Ponadto, w reakcji z tlenem i wod^, nast?puje utlenianie pirytu i egzynitu. Jest to reakcja przebiegaj^ca z dodatnim efektem cieplnym. Duze znaczenie moze miec równiez wielkosc skladowiska. Najwi?ksze zagrozenie dotyczy duzych hald [1].
Analiza procesu samozapalenia pozwala na wyróznienie dwóch glównych okresów. Pierwszy z nich, inkubacyjny zachodzi przy nieznacznie podwyzszonej temperaturze. Przy samonagrzewaniu, jest to drugi okres, nast?puje wzrost temperatury do 60-80oC. Dalszy wzrost temperatury powoduje parowanie substancji nad hald^, emisj? CO i w?glowodorów aromatycznych. Do podstawowych objawów samozaplonu zalicza si? silny wzrost temperatury nad hald^ i unoszenie si? mlecznego dymu. Dobry dost?p powietrza powoduje rozwój pozaru [1].
Ryzyko wyst^pienia samozaplonu w skladowiskach w?gla ogranicza si? poprzez okresowe opróznianie skladowiska, zmniejszanie k^ta nachylenia haldy, uzywanie sztucznych kurtyn, pokrycie haldy warstw^. materialu utrudniaj^cego dost?p powietrza, zag?szczanie zloza, a takze monitoring procesu samonagrzewania si? w zlozu. Wi?kszosc sposród wymienionych procesów ma za zadanie ograniczyc dost?p tlenu do wn?trza haldy. Zmniejszenie k^ta nachylenia zbocza stosuje si? w celu zmniejszenia jej penetracji przez wiatr. Sztuczne kurtyny, jak waly ziemne, pasy zadrzewien, stosuje si? w celu osloni?cia haldy przed wiatrem. Zag?szczanie ma na celu zmniejszenie porowatosci w?gla. Monitoring polega na kontroli temperatury, udzialu gazowych pólproduktów reagowania, takich jak CO, CO2, CH4, H2 [1].
Jak wspomniano powyzej, cech^. biomasy jest duza podatnosc na samozaplon podczas skladowania. W porównaniu z w?glem, wlasciwosci biomasy s^. zupelnie inne. Inne s^. równiez procesy zachodz^ce w zlozu. Glówn^. przyczyn^. wzrostu temperatury s^. tutaj procesy mikrobiologiczne.
Skladowiska biomasy maj^. rózn^. konstrukcj?, która uzalezniona jest od formy i rodzaju biomasy. Luzna biomasa zawiera znaczne ilosci wody. Jest malo wrazliwa na zawilgocenie, st^d tez skoszona trzcina lub roslinnosc trawiasta, klody, papierówka, luzne trociny i zr?bki, skladowane s^. na wydzielonych fragmentach placów w?glowych lub nowo projektowanych skladowiskach. Skladuje si? je bez zadaszenia. Wiaty, zadaszenia, czy tez zamkni?te silosy konieczne s^. natomiast przy skladowaniu brykietów i peletów. Kontakt z wilgoci^. powoduje pogorszenie wlasciwosci energetycznych paliwa, kruszenie i rozpadanie
si? ich [2]. Suche paliwa formowane se w znacznie mniejszym stopniu narazone na samozaplon.
W obr?bie duzej haldy skladowanej biomasy mozna wyróznic 3 warstwy (Ryc. 2). Glównym czynnikiem róznicujecym jest ich temperatura. Temperatura zewn?trznej warstwy zwiezana jest z silnym oddzialywaniem czynników atmosferycznych. Charakterystyczne se tutaj duze wahania temperatury, w najwi?kszym stopniu jest ona zalezna od temperatury powietrza i naslonecznienia. Ze wzgl?du na brak czynników utrudniajecych parowanie, proces przebiega samorzutnie. Gl?bsza warstwa jest cienka. Jej ceche charakterystyczne jest duza g?stosc obj?tosciowa, biomasa jest w tym miejscu wyróznia si? zbite konsystencje. Warstwa ta stanowi izolacj? pomi?dzy atmosfere a wn?trzem haldy. Najgl?biej zalegajece czestki biomasy tworze trzecie warstw?, która wyróznia si? najwyzsze temperature i najwi?ksze obj?toscie [3].
Ryc. 2. Warstwowosc haldy skladowanej biomasy.
(zródlo: opracowanie wlasne)
Wlasciwosci skladowanej w haldzie biomasy uzaleznione s^. od wielu czynnikow. Stosy o duzej obj?tosci narazone s^. na dlugotrwale wplywy atmosferyczne, takie jak zmiany temperatury, zmiany wilgotnosci powietrza. Jak wspomniano wyzej, najsilniejsze oddzialywanie czynnikow atmosferycznych dotyczy zewn?trznej, powierzchniowej warstwy. Jej cech^. s^. duze zmiany wilgotnosci i temperatury. Zachodzi tutaj rowniez duza wymiana cz^steczek z atmosfer^.. Na hald? oddzialuj^. zarowno sily wewn?trzne, jak i zewn?trzne. G?stosc materialu w tej cz?sci jest dose mala. Na pewnej gl?bokosci obserwuje wzrost g?stosci obj?tosciowej biomasy. Stan ten spowodowany jest naciskiem wyzej zalegaj^cej mokrej biomasy. Towarzysz^. temu tez naciski spychacza lub innych maszyn stosowanych do transportu i przeladunku paliwa. Mozliwe s^. rowniez naciski od spodu [3].
Ryc. 3. Transport i przeladunek biomasy [2].
Wlasciwosci biomasy uzaleznione s^. rowniez od zachodz^cych w gl?bi haldy procesow mikrobiologicznych. Intensywna dzialalnosc drobnoustrojow objawia si? brunatnieniem biomasy, rozwojem plesni i innych grzybow, bakterii, a takze wzrostem temperatury wewn^trz haldy. Wszystko to wplywa na pogorszenie jakosci biomasy, zmniejsza jej wartosci energetyczne. Cz^stki biomasy przechodz^. odksztalcenia. Nast?puje skr?canie ich, napr?zanie. Wyst?puj^ tez sily powierzchniowe i obj?tosciowe, sily wewn?trzne pochodz^ce od napr?zen zywych komorek. Wszystko to powoduje wyst^pienie napr?zen powoduj^cych zwi?kszenie cisnienia zawartej w nich cieczy [3].
podíoze
Ryc. 4. Czynniki maj^ce wplyw na wlasciwosci biomasy skladowanej w haldzie.
(zródlo: opracowanie wlasne)
Aktywnosc drobnoustrojów jest scisle zwi^zana z wilgotnosci^. biomasy. Wilgotnosc haldzie jest nierównomierna. Zalezna jest ona od wilgotnosci i temperatury powietrza atmosferycznego, ruchów powietrza, s^siedztwa cieków wodnych, wilgotnosci dostarczanej biomasy. Nierównomierna temperatura warstw sprawia, ze nast?puje przemieszczanie si? wilgoci w postaci pary wodnej, z miejsc cieplejszych do chlodniejszych. Nagromadzenie si? wilgoci w zimniejszych miejscach moze spowodowac gnicie biomasy lub kielkowanie ewentualnych nasion. Nat?zenie procesów biologicznych powoduje wydzielanie duzych ilosci ciepla i pary wodnej, co skutkuje podwyzszeniem wilgotnosci i wzrostem temperatury w poszczególnych warstwach [3]. Ugniatanie, warstwowe ukladanie biomasy moze spowodowac wyst^pienie warunków beztlenowych. Zewn?trzne warstwy s^ wystarczaj^co szczelne, ze uniemozliwiaj^ dotarcie swiatla i tlenu w gl^b haldy.
Mikrobiologiczna koncepcja samozaplonu biomasy
W?giel, tlen, wodór i azot s^. glównymi pierwiastkami wchodz^cymi w sklad biomasy. Wchodz^. w sklad zwi^zków organicznych, takich jak celuloza, hemiceluloza, lignina, skrobia w?glowodany proste, substancje bialkowe, substancje lipidowe. Biomasa zawiera równiez skladniki mineralne, które po spaleniu daj^ popiól. Zarówno zwi^zki organiczne, jak i nieorganiczne s^. niezb?dne dla rozwoju jakichkolwiek organizmów zywych. Ze wzgl?du na dost?pnosc pozywienia, halda biomasy stanowi bardzo dobre srodowisko dla rozwoju drobnoustrojów. Rozklad materialu roslinnego z ich udzialem powoduje wydzielanie ciepla [3]:
biomasa + mikroorganizmy + O2 (powietrze) H2O + CO2 + energia (ciepto).
Od strony biochemicznej, wytwarzanie ciepla przez organizmy zywe polega na hydrolizie ATP. Jest to proces egzoergiczny. Otrzymywanie ATP nastçpuje w wyniku rozkladu zwi^zków organicznych [4]. Mikrobiologiczne procesy rozkladu wyzwalaj^. duze ilosci energii. Organizmom zywym potrzebna jest jedynie jej czçsc, która zostaje skumulowana w postaci wysokoenergetycznych wi^zañ ATP. Substancja ta wykorzystywana jest nastçpnie w endoergicznych procesach syntezy i wzrostu. Szacuje siç, ze mikroorganizmy oddychaj^ce tlenowo, podobnie jak pozyskuj^ce energiç w procesach fermentacyjnych, uwalniaj^. od 1/4 do 1/3 otrzymywanej energii. Wiçksze ilosci, 90 - 70% pierwotnej energii, uwalniaj^. bakterie chemolitotroficzne. Energia rozpraszana jest w postaci ciepla. Na ogól s^. to dosc male ilosci energii. Nie wplywaj^. one w istotnym stopniu na wzrost temperatury srodowiska. Jezeli jednak intensywny rozwój drobnoustrojów zachodzi w srodowisku izolowanym, mozliwy jest lokalny, czasem nawet znaczny wzrost temperatury (Ryc. 5) [5].
Pierwsze etapy rozwoju zagrzewania siç zgromadzonego w pryzmie materialu aktywnego biologiczne, jak na przyklad biomasa roslinna, czy odchody zwierz^t (Ryc. 5), polegaj^. na rozwoju drobnoustrojów mezofilnych. W miarç podnoszenia siç temperatury, warunki cieplne staj^. siç nieodpowiednie dla ich rozwoju i ich miejsce zajmuj^. organizmy termofilne. Wzrost temperatury nie moze byc wiçkszy od maksymalnej temperatury wlasnego wzrostu. Temperatur^ podwyzszaj^. dodatkowo przemiany chemiczne srodowiska, m.in. procesy egzotermiczne. Bujny wzrost mikroorganizmów powoduje powstawanie zwi^zków organicznych o nienasyconych wi^zaniach w lancuchu i pierscieniach wçglowych. S3. to produkty mikrobiologicznego rozkladu zgromadzonych w haldzie zwi^zków organicznych. Latwo ulegaj^. one utlenieniu. Procesy takie mog^. zachodzic spontanicznie, bez udzialu drobnoustrojów. Reakcje te s^. przyczyn^. wzrostu temperatury powyzej maksymalnej temperatury wzrostu drobnoustrojów. Wzrost moze byc duzy, ze powoduje samozapalenie siç pryzmy. Samozaplon jest wiçc wynikiem dlugotrwalego procesu, którego pierwsze i najwazniejsze etapy s^. wywolane przez rozwój mikroorganizmów, w szczególnosci bakterii. Jednym z podstawowych czynników warunkuj ^cych intensywny ich rozwój jest dostateczna wilgotnosc biomasy. Ryzyko wyst^pienia samozaplonu zwiçksza izolacja termiczna wnçtrza haldy, która jest charakterystyczna dla duzych, zbitych pryzm [5].
„ 70 -
60 -
03
3 50 -
I 40-
£2.
Ë 30 -
dl
~ 20 -10 -0 -0
Ryc. 5. Przyblizony przebieg zmian temperatury w pryzmie konskiego obornika.
(zródlo: [5])
W warunkach beztlenowych, liczne bakterie oraz niektóre grzyby s^. zdolne do utleniania substancji odzywczych w procesie zwanym fermentacj^. Substrat oddechowy zostaje rozbity i przeksztalcony, a nastçpnie jeden z produktów ulega utlenieniu, drugi redukcji. Przeksztalceniu cz^steczki substratu towarzyszy wytworzenie produktów bardziej utlenionych i bardziej zredukowanych:
C6H12O6 ^ 2CH3CH2OH + 2CO2.
Podobnie jak w przypadku oddychania tlenowego, nastçpuje wytworzenie ATP. Jak wspomniano wyzej, procesy fermentacyjne dostarczaj^ bardziej utlenionych i bardziej zredukowanych w porównaniu z pierwotnym substratem zwi^zków organicznych. Najczçsciej s^ to kwasy organiczne, gazy, CO2, H2. Obserwuje siç w zwi^zku z tym silne modyfikacje srodowiska. Polegaj^ one na zuzywaniu duzych ilosci substratu i powstawaniu wielkich ilosci koncowych produktów, glównie zwi^zków organicznych. Mog^ posluzyc one jako zródlo wçgla i energii dla innych drobnoustrojów [5].
Procesy biologiczne towarzysz^ce skladowaniu luznej biomasy s^. podobne do zachodz^cych na skladowiskach odpadów. W obu srodowiskach wystçpuj^ warunki sprzyjaj^ce rozkladowi biologicznemu, na który skladaj^ spontanicznie zachodz^ce przemiany fizyczne, chemiczne i biologiczne. Ich produktem jest gaz. Tlenek wçgla (IV) i metan s^ glównymi jego skladnikami (Tab. 1). Gaz nie jest toksyczny, jest natomiast palny [6]. Zazwyczaj zawiera znaczne ilosci pary wodnej. Jego temperatura jest zwykle nieco wiçksza w porównaniu z powietrzem atmosferycznym [7].
—1-1-1-1-1-71"
10 20 30 40 50
czas [dni]
Tabela 1.
Skladniki i ich udzial w gazie tworzqcym siç na skladowiskach odpadow [6].
Lp. skladniki gazu udzial skladnikow w jednorodnej mieszaninie [%]
1 metan CH4 55-75
2 tlenek wçgla (IV) CO2 25-45
3 azot N2 0-0,3
4 wodor H2 1-5
5 siarkowodor H2S 0-3
6 tlen O2 0,1-0,5
W porownaniu z powietrzem, tworz^cy siç gaz wyroznia siç wiçksz^. gçstosci^.. Z tego wzglçdu, gromadzi siç on w poblizu powierzchni ziemi i w roznych zaglçbieniach terenu. Z punktu widzenia bezpieczenstwa pozarowego, najbardziej niebezpiecznym skladniki em jest metan, ktory moze stanowic do 75% ogolnego skladu. Stçzenie w granicach 5-15% w mieszaninie z powietrzem powoduje powstanie atmosfery wybuchowej. Nawet dosc male wybuchy mog^. doprowadzic do powstania trudnych do ugaszenia pozarow [6].
Palnosc gazu uzalezniona jest w glownej mierze od proporcji tlenku wçgla (IV) i metanu. Od tego z kolei zalezy gçstosc gazu oraz szybkosc emisji i rozpraszania. Na podstawie tych wielkosci okresla siç zdolnosci gromadzenia siç mieszaniny palnej. Swobodne uchodzenie metanu do otwartej atmosfery sprawia, ze ryzyko wybuchu jest niewielkie. Pojawia siç ono wowczas, gdy gaz nie moze ulatniac siç do atmosfery. Istnieje rowniez mozliwosc przedostania siç gazu do wnçtrza budynkow. Moze byc to przyczyn^. utrzymywania siç tam przez dluzszy czas wybuchowych stçzen. Podstawowymi drogami wnikania gazu s^. pçkniçcia, szczeliny w podlodze lub scianach, a takze otwory na rury i przewody [6].
Generowany w glçbi haldy gaz czçsto wydostaje siç na jej powierzchniç, gdzie ulega rozproszeniu w atmosferze. Jego wydobywanie siç nie jest jednolite. W zwartej haldzie uwalnianie gazu nastçpuje poprzez roznego rodzaju szczeliny, ktore stanowi^ stawiaj^ce najmniejszy opor trasy migracji. Proces wydobywania siç gazu jest ci^gly. Czçsto prowadzi do wytworzenia atmosfery wybuchowej [6].
Metan jest produktem beztlenowego katabolizmu substratów organicznych. Rozpoczyna si? on od wielocukrów (celuloza, skrobia), bialek oraz lipidów (Ryc. 6) [8]. Wsród nich moge wyst?powac nawet substancje trudno ulegajece biodegradacji [9]. Poczetkowo se one rozkladane do kwasu octowego, tlenku w?gla (IV) i wodoru czesteczkowego [8]. Rozklad nast?puje pod wplywem enzymów hydrolitycznych, które wydzielane se przez drobnoustroje saprofityczne. Nast?pnie, pod wplywem bakterii acetogennych dochodzi do przetworzenia produktów hydrolizy do postaci kwasów organicznych, alkoholi i ketonów [9]. Produkty pierwotnej i wtórnej degradacji wykorzystuje drobnoustroje produkujece metan [8].
BIOMASA svzgltjdne
bezltenowce
Wfglowodariy
T-fuszcze
S. biafkowe
bezwzgl^dne I wzgledne
bezltenowce
Cukry proste [
—> I Kwasy tfuszc20we
Amlnokwasy
Kwasy organiczne
Alkohole
H2l C02> NHj
bakterie acetogenne ioctanowe)
C02 + 4H, ■ CKjCOOH ■
• CHj + 2H20 ■> CH, + CO,
CHgCOOH Ha, CO;
metar>ogery
CNj C02
HYDROLIZA
KWASOGENEZA
OCTANOG ENEZA
METANOGENEZA
Ryc. 6. Schemat przebiegu fermentacji metanowej.
(zródlo: opracowanie wlasne)
Wlasciwa metanogeneza jest koncowym etapem beztlenowej mineralizacji substancji organicznej. Dotyczy bezposrednio przemiany kwasów, glównie CH3COOH, do metanu (CH4) i H2O [9]:
CO2 + 4H2 — CH4 + 2H2O 4HCOOH — CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CH3OH — 3CH4 + CO2 + 2H2O CH3COOH - CH4 + CO2.
Procesy skladajece si? na fermentacj? metanowe biomasy powoduje równiez wydzielanie energii w postaci ciepla [3]:
biomasa + mikroorganizmy + H2O CH4 + CO2 + H2S + NH3 + energia (cieplo).
Z procesami beztlenowego rozkladu zwiezane se cz?sto procesy zyciowe bakterii rodzaju Clostridium. Zaliczane se one do najcz?sciej wyst?pujecych i najbardziej
rozpowszechnionych w przyrodzie drobnoustrojów beztlenowych. Wystçpuj^. w glebie, kurzu, w osadach dennych zbiorników wodnych, przewodzie pokarmowym czlowieka i wielu zwierz^t. Naturalnym srodowiskiem bytowania wiçkszosci bakterii rodzaju Clostridium jest gleba [10]. Stanowi^ jedna z najwazniejszych grup beztlenowych mikroorganizmów autochtonicznych [11]. Ich liczebnosc moze siçgac 105 komórek w 1 g gleby. Wykazuj^. duz^ tolerancjç na odczyn srodowiska, mozna natrafic na nie w glebach zakwaszonych o pH 4,5, a takze w glebach alkalicznych. Optymalnym jest jednak srodowisko o odczynie neutralnym. Dobrze rozwijaj^. siç w glebach slabo przewietrzanych i podmoklych. Wystçpuj^. takze w glebach przewiewnych, zajmuj^c mikronisze o ograniczonym dostçpie tlenu. Znane s^. gatunki scisle beztlenowe, jak równiez toleruj^ce tlen. Optymalna temperatura wzrostu dla wiçkszosci gatunków zawiera siç w zakresie 30 - 40oC. Jest to zakres charakterystyczny dla drobnoustrojów mezofilnych. Wsród bakterii rodzaju Clostridium wystçpuj^. równiez termofile, o optymalnej temperaturze wzrostu w granicach б0 - 75oC [10]. Mimo duzej na ogól tolerancji na warunki srodowiskowe, s^. dosc wrazliwe na zmiany wilgotnosci gleby [11]. W razie wyst^pienia szczególnie niekorzystnych warunków mog^. wytwarzac przetrwalniki. Powstaj^ce endospory s^. najczçsciej owalne lub kuliste. Ich srednica bywa przewaznie wiçksza od srednicy komórki. Komórki wegetatywne maj^ ksztalt walcowaty, dlugosci w granicach 0,5-5 mm i szerokosci 0,3-2 mm. Spotyka siç tez formy wydluzone i nitkowate. Komórki mog^. wystçpowac pojedynczo, w parach lub wiçkszych koloniach (krótkie lancuszki). Ksztalt komórek bywa zmienny, uzalezniony w duzej mierze od czynników srodowiskowych. Mozliwe jest poruszanie siç komórek. W srodowisku naturalnym bior^ czynny udzial w mineralizacji i przetwarzaniu martwej materii organicznej, wykorzystuj^c sacharydy takie jak skrobia, celuloza i pentozy. Bakterie te znajduj^ odpowiednie warunki dla wzrostu w przechowywanym w warunkach beztlenowych materiale roslinnym, jak na przyklad kiszonki lub skladowana w duzej haldzie biomasa [10].
Cech^. bakterii rodzaju Clostridium jest intensywny metabolizm fermentacyjny. Substratami dla tych bakterii moze byc wiele zwi^zków organicznych wystçpuj^cych w srodowiskach naturalnych. Mog^. to byc monosacharydy (np. glukoza), disacharydy i polisacharydy (skrobia, glikogen, hemiceluloza, celuloza, pektyny). Z powodu duzej masy cz^steczkowej, polisacharydy musz^. byc zdegradowane do monosacharydów. Mozliwe jest to dziçki zewn^trzkomórkowym enzymom hydrolitycznym. Enzymy takie wydzielaj^. bakterie rodzaju Clostridium. Zródlem wçgla i energii dla niektórych z nich mog^. byc równiez aminokwasy bialka, kwas mrówkowy, puryny, pirymidyny i kwasy nukleinowe. W zaleznosci od uzdolnien fermentacyjnych, czyli kolejnosci wykorzystywania okreslonych
substratów, wsród bakterii rodzaju Clostridium wyróznia siç sacharolityczne i proteolityczne. Pierwsze z nich fermentuje glównie monosacharydy i polisacharydy. Proteolityczne w pierwszej kolejnosci wykorzystuje natomiast bialka lub aminokwasy [1G]. Ogólnie, bakterie Clostridium sp. uwaza siç za celulolityczne [11]. Glównymi produktami procesów fermentacyjnych przeprowadzanych przez wiçkszosc bakterii rodzaju Clostridium se kwasy organiczne (octowy, maslowy, mlekowy, mrówkowy), alkohole (etanol, butanol) oraz produkty gazowe (CO2, H2, NH3). Proporcje ilosciowe produktów fermentacji zaleze od gatunku bakterii, wykorzystywanego substratu, a takze warunków hodowli. Pierwsze etapy fermentacji polegaje na wytwarzaniu kwasów, glownie maslowego i octowego. Wraz z obnizaniem siç pH srodowiska, nastçpuje hamowanie syntezy kwasów i gromadzenie siç substancji o odczynie neutralnym, jak na przyklad aceton i butanol [1G]. Bakterie rodzaju Clostridium naleze do podstawowych drobnoustrojów biorecych udzial w hydrolizie i kwasogenezie (Ryc. б). Clostridium aceticum zaliczany jest do podstawowych mikroorganizmów uczestniczecych w octanogenezie [12].
Bakterie metanowe (metanogeny) se bezwzglçdnymi beztlenowcami, kontakt z powietrzem powoduje obumieranie ich [9]. Jak wspomniano wczesniej, stanowie ostatnie ogniwo beztlenowego lancucha troficznego [В]. Ich wzrost jest powolny. Wykazuje duze róznorodnosc ksztaltów (paleczki róznej dlugosci, ziarniaki, dwoinki, nitki). Metanogeny se przewaznie nieruchliwe. Ich komórki se duze, zaliczane se do najwiçkszych znanych bakterii. Moge zyc w srodowiskach o temperaturze od G do 1GGoC. W zaleznosci od preferencji grup gatunków, optymalne warunki rozwoju obserwuje siç w zakresach od 25 do 45oC lub od 5G do В5°С Typowe metanogeny se drobnoustrojami chemolitotroficzymi, dla których zródlo wçgla stanowi CO2, azotu NH4+,siarki natomiast H2S. Charakteryzuj e siç duze specyficznoscie wykorzystywanego substratu. Jak sama nazwa wskazuje, glównym produktem fermentacji metan (CH4), a takze H2 i CO2. Wzrost temperatury srodowiska spowodowany aktywnoscie mikroorganizmów moze zainicjowac zaplon mieszaniny tych substancji [9]. Najczçsciej spotykane bakterie metanogenne to Methanobacterium (paleczka), Methanococcus (ziarniak), Methanosarcina (pakietowiec), Methanospirillum (ksztalt spiralny) [В].
Przebieg samozaplonu biomasy
Procesy zyciowe drobnoustrojów, choc maj^ ogromne znaczenie, nie s^. jedyn^. przyczyn^. wzrostu temperatury w glçbi haldy biomasy. Uwalnianie energii w postaci ciepla czçsto jest skutkiem róznorodnych przemian fizycznych i chemicznych, które towarzysz^. katabolicznym procesom biologicznym.
Jako przyklad mog3 posluzyc tutaj egzotermiczne procesy utleniania pierwiastków wchodz^cych w sklad biomasy. W srodowisku o podwyzszonej temperaturze, procesy zyciowe niektórych mikroorganizmów mog3 przyczyniac siç do uwalniania pierwiastków podatnych na utlenianie, takich jak wodór lub siarka. Nastçpuj^. cykliczne reakcje wi^zania ich. S3. to procesy egzotermiczne [3]:
2H2 + O2 — 2H2O + cieplo (141,88 MJ/kg) S + O2 — SO2 + cieplo (9,27 MJ/kg).
Utlenianiu moze ulegac tez wçgiel wchodz^cy w sklad zwi^zków organicznych. Proces ten jest mozliwy przy odpowiednich warunkach pocz^tkowych reakcji (m.in. dostatecznie duzej porcji energii aktywacji) [3]:
C + O2 — CO2 + cieplo (32,2 MJ/kg).
Przykladem fizycznego procesu powoduj^cego przyrost temperatury moze byc tarcie. Wystçpuje ono podczas przemieszczania siç cz^stek biomasy (np. z^bków) wzglçdem siebie [3]. Ruch ten moze byc spowodowany wieloma czynnikami oddzialuj^cymi na haldç. Do najistotniejszych nalezy zaliczyc sily grawitacji. Poruszanie siç cz^stek moze byc zwi^zane równiez z ruchami powietrza (Ryc. 4).
Wnçtrze haldy jest bardzo dobrze odizolowane od atmosfery. Wymiana ciepla pomiçdzy biomasy a powietrzem atmosferycznym zachodzi zatem w niewielkim zakresie. Jezeli wnçtrze haldy zostanie potraktowane jako staly uklad, w mysl równania Clapeyrona (równania stanu gazu doskonalego), przy stalej objçtosci, zmianom ulega temperatura i cisnienie:
pV = nRT, gdzie: p - cisnienie
V - obj çtosc, V = constans n - liczba moli substancji, n = constans R - uniwersalna stala gazowa, R = constans T - temperatura.
Wedlug powyzszego równania, jezeli parametry V, n oraz R s3 stale, skutkiem wzrostu cisnienia jest wzrost temperatury.
Jezeli, zgodnie z Drug3 Zasad^ Termodynamiki, wnçtrze haldy zostanie potraktowane jako staly uklad, przy stalej objçtosci, mozliwe s3 jedynie zmiany temperatury i cisnienia. W porównaniu z wçglem, biomasa charakteryzuje siç duz^ zawartosci^ czçsci lotnych. Wynika st^d jej wysoka podatnosc na zmiany cisnienia. Czçsto zdarza siç, ze jego wzrost jest wynikiem silnego nacisku, na który moze skladac siç nacisk mokrych i ciçzkich jednoczesnie górnych warstw haldy, a takze ugniatanie jej spychaczem lub podobnym urz^dzeniem stosowanym do przeladunku paliwa. Komórki roslinne, przestrzenie miçdzykomórkowe, przestrzenie pomiçdzy cz^stkami biomasy zawieraj^ mniejsze lub wiçksze ilosci wody. Wzrost cisnienia wewn^trz haldy powoduje podwyzszenie temperatury wody zawartej w materiale roslinnym. Nastçpuje tez wymiana energii cieplnej pomiçdzy par^ wodn^ a stalymi skladnikami cz^stek biomasy. Ponadto, typowym zjawiskiem jest cyrkulacja pary wodnej i podgrzanych gazów z obszarów cieplejszych do obszarów chlodniejszych. Wnçtrze haldy jest bardzo dobrze odizolowane od otoczenia, dlatego tez do otoczenia odprowadzane s3 jedynie niewielkie ilosci energii. Slaba wymiana ciepla sprawia, ze temperatura moze osi^gac bardzo wysokie wartosci [3].
Wydzielanie ciepla w calej objçtosci haldy nie jest równomierne. Na pocz^tku powstaj3 tzw. rozproszone ogniska zapalne. Stopniowo, ich zasiçg staje siç coraz wiçkszy. Takie miejsca o podwyzszonej temperaturze mog3 tworzyc siç w calej masie zgromadzonego materialu roslinnego. Powierzchniowe ogniska zapalne dotycz^ zewnçtrznych warstw haldy. Wystçpuj^ na poziomie okolo 1/3 wysokosci ogólnej. S3. charakterystyczne dla jesiennego i wiosennego. Przyczyn^ ich powstawania jest skraplanie pary wodnej, które z kolei spowodowane jest duz^ róznic^ temperatur pomiçdzy biomasy a otaczaj^cym j3 powietrzem. Pojawianie siç ognisk zapalnych moze byc zwi^zane równiez z wystçpowaniem silnych miejscowych zawilgocen skladowanego materialu, na przyklad poprzez nasypywanie
niewielkiej ilosci mokrej biomasy na suche. W miejscu takim nastçpuje silny rozwój drobnoustrojów. Tego typu punkty zapalne nazywane se gniazdowymi. Geneza pionowo-warstwowych ognisk zwiezana jest z nierównomiernym nagrzewaniem lub ochladzaniem scian zboczy haldy. Czçsto towarzyszy temu samosortowanie siç biomasy, na przyklad pod wzglçdem wielkosci. Pyl i lekkie zanieczyszczenia se bogate w drobnoustroje. Drobne frakcje gromadze siç przy scianach haldy, stanowiec zródlo wzrostu temperatury. Przyczyne takiego stanu moze byc równiez wysypywanie na zimne podloze cieplego drewna w okresie zimowym. Tworzece siç wówczas miejscowe podwyzszenia temperatury nazywane se dolnymi [3].
Warunkiem zapalenia siç biomasy jest dostarczenie odpowiednio duzej porcji energii cieplnej. Jest to energia aktywacji niezbçdna dla zainicjowania reakcji, jake jest spalanie. Zaplon poprzedza stopniowe, coraz silniejsze nagrzewanie siç skladowanego materialu. Przyczyne wzrostu temperatury se wyzej opisane przemiany. Towarzysze im zmiany wlasciwosci biomasy. Obserwacje ich i okresowe pomiary temperatury moge posluzyc jako wskazniki niebezpieczenstwa wystepienia pozaru. Na tej podstawie, w procesie samonagrzewania siç biomasy mozna wyróznic nastçpujece etapy:
1. Nagrzewanie biomasy do temperatury 24 - 3G°C, zmiany trudne do zaobserwowania metodami organoleptycznymi.
2. Wzrost temperatury do 34 - 3В°^ tzw. „pocenie siç" drewna, zmiany barwy, wyczuwalny zapach slodowy, szybki rozwój drobnoustrojów.
3. Wzrost temperatury powyzej 5G°C, nastçpuje zmiana barwy biomasy, wyczuwalny zapach stçchly, zapach zgnilych lisci.
4. Szybki wzrost temperatury wewnetrz haldy, jej wartosc przekracza 11G°C, nastçpuje powolny termiczny rozklad skladników.
5. Temperatura przyjmuje wartosci w zakresie 21G - 35G°C, nastçpuje zaplon biomasy. Spalaniu biomasy towarzyszy piroliza substancji organicznych i nieorganicznych, wskutek czego nastçpuje wydzielanie CO, H2, CO2, N2 i acetonu [3].
Sposoby ograniczarna ryzyka wystepienia samozaplonu biomasy
Znanym od dawna, powszechnie stosowanym sposobem ograniczania ryzyka wystepienia samozaplonu skladowanej w haldzie biomasy przeznaczonej na paszç dla zwierzet jest posypywanie jej chlorkiem sodu. Zasolenie srodowiska powoduje pogorszenie warunków rozwoju drobnoustrojów. Wieze siç to ze znacznie slabszym wydzielaniem ciepla,
z czego wynika mniejsze ryzyko wyst^pienia pozaru. Chlorek sodu poprawia rowniez wlasciwosci smakowe paszy. W przypadku skladowania biomasy przeznaczonej do celow energetycznych, rozwi^zanie to nie moze byc zastosowane. Wysoka zawartosc chloru i metali alkalicznych w paliwie przyczynia sie do szybkiej korozji kotlow energetycznych.
Ograniczenie ryzyka wyst^pienia samozaplonu mozna osi^gn^c poprzez skladowanie luznej biomasy w mniejszych haldach. Ich wysokosc nie powinna byc wieksza od 4 m. Ograniczona powierzchnia placow skladowych czesto wymusza ukladanie znacznie wiekszych stosow. Nalezy wowczas unikac dlugotrwalego skladowania biomasy na otwartym terenie. W ten sposob nie dopuszcza sie do wydzielenia niebezpiecznie duzych ilosci ciepla. Wskazana jest rowniez okresowa kontrola temperatury wewn^trz haldy. Sluz^ do tego celu specjalne urz^dzenia (Ryc. 7). Sposobem przeciwdzialania wyst^pieniu pozaru jest rowniez okresowe przekladanie pryzmy zwalowarko-ladowark^ lub spychaczem [2]. Dostep powietrza, a tym samym tlenu, utrudnia rozwoj drobnoustrojow beztlenowych. Jak wczesniej wspomniano, odgrywaje one kluczowa role w samozaplonie materialu aktywnego biologicznie.
Xx\przewocl laczacy czujnik z termometrem
Ryc. 7. Penetracyjny czujnik temperatury TP-155. Przyklad urz^dzenia stosowanego
do kontroli temperatury [13].
Penetracyjny czujnik temperatury TP-155 (Ryc. 7) jest przykladem urz^dzenia, ktore moze byc wykorzystane do pomiaru temperatury materialow sypkich na haldach lub skladowiskach, takich jak wegiel, trociny, torf, czy biomasa. Wspolpracuje ono z roznego typu termometrami elektronicznymi. Najwazniejsz^. cz^sc urz^dzenia stanowi sonda temperatury (Ryc. 7, symbol L). Jej dlugosc moze siegac nawet 2500 mm. Stosuje sie tez krotsze sondy - 1000, 1500 lub 2000 mm. Typowym elementem przetwarzaj^cym jest opornik platynowy [13].
Mimo stosowania wielu zabiegów ograniczaj^cych ryzyko wyst^pienia samozaplonu, mozliwe jest powstanie pozaru. Aby jego skutki byly jak najmniejsze, konieczna jest odpowiednia konstrukcja skladowiska biomasy. Nalezy zadbac o ograniczenie go scianami spelniaj^cymi wymagania odnosz^ce siç do oddzielenia przeciwpozarowego. Pozary takich skladowisk s3 trudne do ugaszenia [2].
Wnioski koúcowe
1. Ze wzglçdu na wlasciwosci biomasa jest materialem szczególnie podatnym na samozaplon. Kluczowe znaczenie dla jego rozwoju maj3 procesy biologiczne, w szczególnosci beztlenowe procesy kataboliczne.
2. Przebieg samozaplonu biomasy przeznaczonej do celów energetycznych jest zupelnie inny w porównaniu z dotychczas powszechnie stosowanymi paliwami. Dobre napowietrzenie zloza, a tym samym dostarczenie duzych ilosci tlenu, jest skutecznym zabiegiem przeciwdzialaj^cym rozwojowi pozaru. Inaczej jest w przypadku wçgla.
3. Istniej^ sposoby ograniczania ryzyka wyst^pienia samozaplonu. Mozna osi3gn^c to poprzez unikanie usypywania duzych hald. Skutecznym, choc bardzo pracochlonnym rozwi^zaniem jest okresowe przekladanie zgromadzonego materialu. Wskazana jest równiez kontrola temperatury w glçbi zloza.
Literatura:
1. Kordylewski W. (red.): Spalanie i paliwa. Wroclaw, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej, 2008, 478 s.,
2. Zuwala J.: Zagrozenia pozarowe towarzysz^ce wspólspalaniu biomasy. Ochrona przeciwpozarowa nr 3/2008, s. 20-24.
3. Suski S.: Wlasciwosci drewna w haldzie paliwa znajduj^cej siç na wolnym powietrzu. Elektroenergetyka nr 7/2008, s. 53б-539.
4. Stryer L.: Biochemia. Warszawa, PWN, 1997, 1134 s., ISBN 83-01-12044-4.
5. Kunicki-Goldfinger W.: Zycie bakterii. Warszawa, PWN, 1998, б15 s., ISBN 83-01-1278б-4.
6. Zuczek R.: Zagrozenia wybuchowe powodowane przez gaz wysypiskowy cz. 1., Ochrona przeciwpozarowa nr 1/2008, s. 16-18.
7. Zuczek R.: Zagrozenia wybuchowe powodowane przez gaz wysypiskowy cz. 2., Ochrona przeciwpozarowa nr 2/2008, s. 20-22.
8. Schlegel H. G.: Mikrobiologia ogolna, Warszawa, PWN 2000, 735 s.,
9. Kwasna H.: Mikrobiologia dla studentow uczelni rolniczych. Poznan, Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego 2007, 296 s., ISBN 978-83-7160444-7.
10. Libudzisz Z., Kowal K. (red.): Mikrobiologia techniczna T.2., Lodz, Politechnika Lodzka, 2000, 337 s.,
11. Libudzisz Z., Kowal K., Zakowska Z. (red.): Mikrobiologia techniczna T.1., Warszawa, PWN, 2007, 353 s.,
12. Libudzisz Z., Kowal K., Zakowska Z. (red.): Mikrobiologia techniczna T.2., Warszawa, PWN, 2008, 553 s.,
13. Mierniki temperatury w ofercie handlowej Przedsi^biorstwa Aparatury Kontrolno -Pomiarowej „Alfatech" [dost^p 6 lipca 2009]. Dost^pne w World Wide Web: www.alfatech.com. pl.
