Udział tlenku i dwutlenku węgla oraz energia cieplna przy spalaniu odpadów zrębowych

Narastająca od lat degradacja środowiska przyrodniczego i wzmożone oddziaływanie niekorzystnych czynników biotycznych i abiotycznych, zagrażają istnieniu lasów. Zagrożenie to jest konsekwencją skali i tempa zmian w warunkach środowiska wywołanych działalnością człowieka i sił przyrody - przekraczających zakres zdolności adaptacyjnych lasów, jak i pewnego zubożenia biocenozy leśnej w wyniku długotrwałego prowadzenia uproszczonej i schematycznej gospodarki leśnej. W takich warunkach ochronę lasów musimy ukierunkować na minimalizację oddziaływania obecnych i przyszłych zagrożeń - zarówno zewnętrznych, to jest głównie cywilizacyjnych i klimatycznych, niezależnych od leśników, jak i wewnętrznych wynikających z zasad stosowanych dotychczas w gospodarce leśnej.

Ze względu na wielostronne funkcje lasów w zagospodarowaniu przestrzennym w rozumieniu lokalnym, krajowym i globalnym, działalność gospodarcza w lasach powinna być prowadzona według kryteriów i wskaźników zrównoważonego rozwoju lasów i leśnictwa zmierzających do:

• zachowania biologicznej różnorodności lasów;
• utrzymania produkcyjnej zasobności lasów;
• utrzymania zdrowia i żywotności ekosystemów leśnych;
• ochrony zasobów glebowych i wodnych w lasach;
• zachowania i wzmagania udziału lasów w globalnym bilansie węgla;
• utrzymania i wzmacniania długofalowych i wielostronnych korzyści społeczno- ekonomicznych płynących z lasów.

Zasady zrównoważonego rozwoju lasów i leśnictwa wymagają jednak wieloletniego procesu poznawczego i dostosowawczego.

W ogólnie przyjętym rozumieniu w wyniku pozyskiwania drewna każdym ze sposobów, zawsze pozostają w lesie gałęzie, które stanowią duże zagrożenie dla lasu, czy to jako siedlisko szkodników, zagrożenie pożarowe, lub utrudnienie przy wykonywaniu następnych zabiegów niezbędnych w procesie produkcyjnym, zarówno przy orce jak i sadzeniach ręcznych czy mechanicznych. Aby tych pozostałości się pozbyć można z igliwia produkować paszę dla zwierząt lub związki chemiczne (Laurow 1996, Różański 1980).

W Polsce najpopularniejszym czy wręcz jedynym dotychczas sposobem było usuwanie pozostałości zrębowych poprzez spalanie. Wydaje się, że należy zaprzestać palenia tego materiału z wielu przyczyn, a mianowicie:

• palenie ognia na powierzchniach leśnych stanowi zagrożenie pożarowe;
• niszczy mikroflorę i mikrofaunę glebową;
• powoduje straty składników mineralnych.

Rośliny zielone warunkują życie na Ziemi dzięki zdolności budowania ze składników nieorganicznych substancji organicznych z nagromadzoną w nich energią, z których korzysta cały świat żywy. W procesie fotosyntezy - przy pomocy energii słonecznej i w obecności chlorofilu - rozkładają one wodę (H₂O) na wodór i tlen oraz pobierają dwutlenek węgla (CO₂). Następnie - w drodze długiego łańcucha reakcji chemicznych - dwutlenek węgla łączy się z wodorem i tworzy związki organiczne, głównie węglowodany i tłuszcze (C, H, O). Pobierany jednocześnie roztwór wodny soli mineralnych dostarcza roślinie azotu (N), siarki (S), fosforu (P) i innych pierwiastków niezbędnych do wytwarzania białek (C, H, O, N, S, P), najważniejszych składników żywej materii organizmów roślinnych i zwierzęcych. Wytwarzane przez rośliny i zużywane do budowy ich ciała związki organiczne stanowią podstawę wyżywienia zwierząt i ludzi. Wydzielanie tlenu w procesie fotosyntezy do atmosfery lub do wody zapewnia stałą ilość tego gazu w środowisku, niezbędna do oddychania roślin, zwierząt i ludzi. Bez istnienia zielonych roślin życie zwierząt i ludzi byłoby niemożliwe. Istnieje zatem w przyrodzie ustawiczne krążenie pierwiastków między światem organizmów żywych a materią nieożywioną, stanowiące podstawę ciągłego odradzania się życia. W procesie tym uczestniczą trzy grupy organizmów: producenci materii organicznej, tj. rośliny zielone, konsumenci, tj. zwierzęta oraz reducenci materii organicznej  tj. rośliny niezielone

W drobnych gałęziach i igliwiu znajduje się olbrzymia większość składników pokarmowych. Zostawiając je na miejscu poprawiamy skład chemiczny i strukturalny gleby. Aby szybciej nastąpił ich rozkład, a składniki lepiej się przyswoiły należy je rozdrobnić i równomiernie rozrzucić na powierzchni.

Do rozdrabniania resztek pozrębowych mogą służyć różne urządzenie do rozdrabniania o pionowej lub poziomej osi obrotu. Stacjonarne lub przejezdne. Może to być rozdrabniacz „Harpium", nad którym prowadzone są prace badawcze pracowników Katedry Mechanizacji Prac Leśnych Akademii Rolniczej w Poznaniu.

CEL I ZAKRES BADAŃ

Celem badań niniejszej pracy było określenie ilości odprowadzonych do atmosfery tlenków węgla, wodorotlenków i energii cieplnej w wyniku spalania pozostałości pozrębowych w przeliczeniu na jeden hektar, jak również w skali całego kraju. Przeprowadzono również obliczenia teoretycznego zapotrzebowania powietrza potrzebnego do spalenia tych pozostałości oraz ilości tlenu potrzebne do ich spalenia na powierzchni jednego hektara i w skali całego kraju.

Badania te miały za zadanie obliczyć mierzalną wielkość strat w wyniku spalania i określić przydatność maszyny do rozdrabniania resztek zrębowych - na przykładzie  maszyny do rozdrabniania  pozostałości pozrębowych „Harpium".

Infromacje wprowadzające

1. Skład chemiczny drewna

Drewno zbudowane jest z substancji organicznych (ok. 99%) i składników mineralnych (ok. 1%).

W skład substancji organicznych wchodzą następujące pierwiastki:

• węgiel - występujący w drewnie w około  50%;
• tlen - występujący w drewnie w około 43%;
• wodór - występujący w drewnie w około 6,1%;
• azot - występujący w drewnie w około 0,04 - 0,26%.

Analiza elementarna wykazuje, że suche drewno poszczególnych gatunków drzew zawiera zbliżoną ilość wymienionych pierwiastków (Tabela 1).

Z danych tabeli wynika, że poszczególne gatunki wykazują nieznaczne różnice w zakresie elementarnej budowy drewna. Skład elementarny drewna pnia i drewna gałęzi wykazuje również nieznaczne różnice (Prosiński 1963).

Obok substancji organicznych występują w drewnie substancje mineralne, które wraz z wodą przechodzą z korzeni do liści, gdzie biorą udział w tworzeniu substancji podstawowych. Ilość występujących w drewnie substancji mineralnych waha się w granicach od 0,3% do 1,2% i zależy od intensywności krążenia soków w drewnie, a tym samym od pory ścinki, od rodzaju i jakości gleby, od warunków wzrostu oraz od części drzewa, z której drewno pochodzi.

Tabela 1

Elementarny skład bezwzględnie suchego drewna (wg S. Prosińskiego 1963)

Duża ilość substancji mineralnych występuje w tych częściach drzewa, które zawierają żywe komórki np. w liściach oraz w tych częściach, w których odbywa się intensywne krążenie wody. Stąd biel zawiera więcej substancji mineralnych niż twardziel (Tabela 2), a drewno pochodzące z drzew młodych więcej niż drewno pochodzące z drzew dojrzałych lub starych. Najwięcej związków mineralnych znajduje się w korze i w liściach; w drewnie występują one w mniejszej ilości.

Drewno gałęziowe i wierzchołkowe zawiera - jako drewno młodsze - większą ilość związków mineralnych niż drewno pochodzące z niżej położonych części pnia. Udział związków mineralnych maleje w miarę wzrostu wieku drzewa.

Tabela 2

Procentowy udział składników mineralnych w drewnie bielu i twardzieli

(wg B. Daubera i W. Webera).

*wg B. Daubera (1883). Forstl. Blatter 1883; 20,177.

**wg W. Webera (1881). Allg. Forst-u Jagdztg. 1881; 57,1.

Analiza zestawionych w tabeli liczb wskazuje, że ze składników mineralnych w największej ilości występują: K₂O; CaO; P₂O₅; MgO; itd.

Pozyskując 1m³ drewna sosnowego z lasu, zabieramy ilości składników mineralnych, o których informuje tabela 3 (Gornowicz 1993).

            Tabela 3

Ubytek składników mineralnych (wg Gornowicza 1993)

Wszystkie substancje odżywcze zawarte są przede wszystkim w zielonej masie i cienkich gałązkach i ich pobieranie z ekosystemów - zgodnie z obecnym stanem naszej wiedzy o prawidłowej gospodarce leśnej - powinno być ograniczone lub wręcz zabronione.

2. Wielkość pozyskania drewna w Polsce

Las jest niezbędny dla zachowania naszej przestrzeni życiowej, a także dla zaspokojenia naszych elementarnych potrzeb materialnych.

Zapotrzebowanie naszego kraju na drewno będzie rosło ze względu na zaspokojenie potrzeb naszego społeczeństwa i na spłatę pożyczki zagranicznej. Być może, że dla zaspokojenia pilnych potrzeb społeczeństwa polskiego konieczne będzie zwiększenie wyrębów lub stopnia wykorzystania arbomasy leśnej. Znacznego zwiększenia rozmiaru pozyskiwania, mimo wyraźnych sugestii ekspertów Banku Światowego, nasi leśnicy nie mogą brać poważnie pod uwagę, gdyż grozi to naruszeniem środowiskotwórczej roli lasu (Laurow 1993).

            Tabela 4

Pozyskanie drewna netto ( tys. m³ ) -
Państwowe Gospodarstwo Leśne Lasy Państwowe na 1998 r.

Obecnie na użytek społeczeństwa wykorzystuje się w zasadzie tylko pień, tj. ok. 60% masy drzewa (tabela 5). Udział ten jest znacznie mniejszy w drewnie gatunków liściastych niż iglastych.

Tabela 5

Udział poszczególnych elementów  składowych drzewa

w zależności od niektórych siedlisk drzewostanów borowych

Do człowieka dociera jednak znacznie mniej drewna niż może to wynikać z danych cytowanej tabeli. Drzewa przeznaczone do wyrębów w dość małym stopniu są wykorzystywane przez człowieka, ok. 40% wytworzonej masy drzewnej pozostaje w lesie i jest często z dużym nakładem sił i środków niszczona w celu umożliwienia przeprowadzenia innych operacji leśnych. Do masy tej należą:

- grubizna o kształtach, wymiarach i jakości nie akceptowanych przez rynki drzewne;

- karpina;

- drobnica, szczególnie gatunków liściastych;

- igliwie i liście.

3.Systemy pozyskania surowca drzewnego i ich wpływ na pozostałości na zrębie

Przez pojęcie systemu pozyskiwania drewna rozumiemy układ części składowych procesu technologicznego w czasie i przestrzeni prowadzący do uzyskania drewna okrągłego o jakości akceptowanej przez rynek drzewny.

W każdym z systemów pozyskiwania drewna pozostają znaczne ilości pozostałości pozrębowych, które stanowią istotny problem przy dalszym zagospodarowaniu powierzchni.

W zależności od systemu pozyskania, w różnych miejscach pozostają większe lub mniejsze ilości pozostałości pozrębowych

4. Technologie pozbywania się pozostałości na zrębie.

Uprzątanie powierzchni leśnej w przypadku wyrębu lasu polega na usunięciu lub rozdrobnieniu wierzchołków, gałęzi i innych odpadów drzewnych pozostających na powierzchni po wyróbce sortymentów (Więsik 1991). Ma to na celu usunięcie przeszkód, jakie mogłyby stanowić te „pozostałości" przy odnawianiu lasu, a później w pielęgnacji upraw. Wykonanie tego zabiegu warunkuje lepsze i efektywniejsze wykorzystanie maszyn stosowanych w hodowli lasu. Dzięki temu zmniejsza się częstość wgłębiania pługa i sadzarki, zwiększa wydajność pracy i udatność upraw.

4.1 Samowyrób i samosprzątanie

Obecnie w Polsce sprzątanie na zrębie prowadzi się dwiema metodami. Jeden ze sposobów polega na wykorzystaniu przez leśników ludzkiego ubóstwa, do zrobienia porządku na zrębie. Sposób ten określa się pojęciem „samowyrób". Niestety w rejonach o nieco wyższym poziomie życia są znaczne trudności ze zdobyciem pracowników do wykonania tego typu prac.

Należy podejrzewać, że problem ten będzie obejmował coraz większe obszary. To zmusza leśników do przygotowania gleby pod zalesienia poprzez zlecanie tych prac za odpowiednią opłatą, co można nazwać „samosprzątaniem", w przeciwieństwie do przyjętego już określenia: „samowyrób".

W obiegowej opinii, obie wymienione metody są metodami bardzo ekologicznymi (!), gdyż bazują tylko i wyłącznie na sile ludzkich rąk. Nie ma w nich bowiem, ani kilowata energii mechanicznej i w opinii ludzi, którzy nie mają pojęcia o wydatku energetycznym związanym z pracą ręczną wydaje się, że są one ekologiczne. A tego jaki jest wkład energii ludzkiej potrzebny na okrzesanie czubów, zebranie i spalenie gałęzi w stosy, nikt nie bierze pod uwagę. Jak można twierdzić,  że „taki sposób uprzątania powierzchni pozrębowej jest ekologiczny", jeżeli spala się przy okazji tak ogromne ilości biomasy !

4.2 Rozdrabnianie

Wychodząc na przeciw Zarządzeniu Nr 11 i 11A Dyrektora Generalnego Lasów Państwowych (1995 i 1999) „W sprawie doskonalenia gospodarki leśnej na podstawach ekologicznych" zaczyna się myśleć o zastosowaniu w praktyce maszyn służących do rozdrabniania pozostałości po ścince drzew (odpadów pozrębowych).

Przykładem takiej maszyny może być skonstruowane przez pracowników Katedry Mechanizacji Prac Leśnych Akademii Rolniczej w Poznaniu i wyprodukowane w Przedsiębiorstwie „POLKON" w Trzciance Urządzenie do rozdrabniania pozostałości na zrębie o nazwie „Harpium".

W wyniku badań prowadzonych w Katedrze Mechanizacji Prac Leśnych stwierdzono (Gornowicz 1993), że w drobnicy gałęziowej i igliwiu znajduje się większość składników mineralnych zawartych w drzewie.

Wg. tych badań w igliwiu i w drobnicy gałęziowej znajduje się bardzo dużo (85 - 94%) składników mineralnych z całej masy sosny w wieku rębnym. Przeciętnie na 1 ha drzewostanu w wieku rębnym w zależności od siedliska masa drewna sosnowego w stanie suchym wynosi średnio 155 000 kg (Kubiak 1988). Udział procentowy masy, którą stanowią pozostałości zrębowe wynosi dla gałęzi 10,3% i 1,7%  dla igliwia. Natomiast ilości o jakie zostaje zubożony 1 ha lasu (np. przez spalenie) to ubytek nawozów mineralnych w wielkości (Pilarek 1998):

• azot (N)             -    70 kg/ha
• potas (K)           -    25 kg/ha
• fosfor (P)           -    10 kg/ha.

Możemy szacować, że dzięki rozdrobnieniu odpadów na zrębie przeciętnie takie ilości podstawowych składników mineralnych pozostają w środowisku leśnym.

Rozdrabnianie gałęzi, połączone z równoczesnym ich wymieszaniem z glebą polepsza jej strukturę, zapewnia lepszą chłonność wody i większy dostęp tlenu, zwiększa dyfuzyjność wiążącą wilgoć, uniemożliwia parowanie wody na skutek słońca i wiatru, polepsza kapilarność gleby (Pilzek 1997).

Rozdrobnione cząstki stanowią warstwę ochronną przed przesuszeniem gleby przez słońce i wiatr oraz ograniczają możliwość rozwoju szkodników.

METODYKA

1.Spalanie drewna.

O sposobie, w jaki przebiega proces spalania drewna, decyduje jego skład chemiczny charakteryzujący się małą w porównaniu z węglem i koksem zawartością węgla (50%) przy dużej zawartości tlenu (43%) i wody. W trakcie spalania drewno wytwarza 85% substancji gazowych (węgiel 46%) wskutek czego 70% energii cieplnej pochodzi ze spalenia odgazowanych części lotnych. Paliwa o tak odmiennych cechach, jak węgiel i drewno, nie mogą być jednakowo traktowane podczas spalania. Stąd wynika konieczność odmiennego traktowania węgla i drewna.

Ze względu na dużą zawartość części lotnych proces spalania suchego drewna przebiega w 2 fazach. Pierwszą fazę stanowi odgazowanie drewna, które rozpoczyna się przy temperaturze 150º C. Po przekroczeniu temperatury 270º C odłączenie substancji lotnych przebiega samorzutnie, jako reakcja egzotermiczna, towarzyszy jej wydzielanie 0,8 - 1,2 MJ na 1 kg drewna. Odłączanie części lotnych kończy się po osiągnięciu temperatury 800º C. Jakościowy i ilościowy skład gazów zmienia się zależnie od temperatury, w jakiej odbywa się odgazowanie. W przypadku dostatecznego dopływu powietrza wydzielane gazy spalają się, równolegle z tym przebiega proces zwęglania odgazowanego drewna.

Dzięki dużej zawartości substancji lotnych drewno potrzebuje na całkowite spalenie mniejszych ilości powietrza niż inne paliwa; ilość ta jest np. dwa razy mniejsza od ilości powietrza potrzebnego do spalenia koksu.

W procesie spalania dużą rolę odgrywa dynamika palenia, tzn. szybkość z jaką przebiega proces spalania i wydzielania energii cieplnej. Czas potrzebny na spalenie zależy od gatunku drewna oraz od innych czynników związanych zarówno z drewnem, jak z warunkami spalania. Drewno żywiczne pali się prędzej od drewna liściastego, daje długi płomień i w krótkim czasie wytwarza dużą ilość energii. Prócz tego dużą rolę odgrywa wilgotność i stopień rozdrobnienia drewna. Proces wydzielania gazów rozpoczyna się przy temperaturze 150º C. Ciepło właściwe drewna wynosi - zależnie od jego wilgotności - 0,4 - 0,7 kcal/kg C. Nagrzanie mokrego drewna do temperatury wydzielania gazów wymaga doprowadzenia większej ilości ciepła niż w wypadku drewna suchego. Drewno wilgotne pali się powoli, proces odgazowania przebiega z dużym oporem, zewnętrzna warstwa pokrywa się zwęgloną powłoką. Duża wilgotność utrudnia w wysokim stopniu przebieg spalania.

Dobre rozdrobnienie ułatwia i przyspiesza przebieg spalania. Grube szczapy palą się powoli, gdyż przewodnictwo cieplne drewna w kierunku poprzecznym jest małe (w przybliżeniu 2 razy mniejsze niż w kierunku podłużnym), wobec czego wstępne ogrzanie drewna na całej powierzchni przekroju poprzecznego wymaga długiego czasu.

Drewno o małym ciężarze właściwym jest bardziej porowate od drewna ciężkiego. Duża porowatość ułatwia wydzielanie się gazów, dzięki czemu drewno miękkie i porowate spala się szybciej niż drewno twarde. Proces wydzielania gazów i proces spalania przebiega w drewnie rozpierzchło-naczyniowym szybciej niż w drewnie pierścieniowo-naczyniowym. Brak naczyń w drewnie iglastym utrudnia wydostawanie się gazów, które częściowo rozrywają ściany cewek. Przejawem tego jest charakterystyczne trzaskanie płonącego drewna iglastego (Krzysik 1957).

Druga faza wymagająca dopływu mniejszej ilości powietrza obejmuje spalanie węgla. W wypadku mokrego drewna proces spalania obejmuje 3 fazy:

- podsuszanie;

- odgazowanie drewna;

- spalenie węgla drzewnego.

Reakcje chemiczne spalania

Skład pozostałości na zrębie jako paliwo stałe określa się za pomocą udziałów masowych poszczególnych pierwiastków, oznaczonych za pomocą liter odpowiadających ich symbolom chemicznym.

1 kg paliwa zawiera: C - kg węgla, H - kg wodoru, S - kg siarki, N - kg azotu, O - kg tlenu,  P - kg popiołu, W - kg wilgoci.

Palnymi składnikami paliw są: węgiel, wodór i siarka.

Od zawartości węgla i wodoru w paliwie zależy ilość ciepła spalania. Tlen i azot są składnikami niepalnymi, które ze składnikami palnymi tworzą w drewnie związki organiczne. Wilgoć i popiół stanowią w spalanych częściach balast. Siarka jest składnikiem niepożądanym, gdyż jej związki wywołują zażużlowanie popiołów i stanowią bardzo trudny do usunięcia składnik spalin (dymów), powodujący na wielką skalę zanieczyszczenie środowiska. W przypadku spalania drewna nie ma tego zagrożenia, gdyż w drewnie siarka występuje w śladowych ilościach.     

Rozpatrując reakcje spalania (utleniania) palnych składników drewna możemy rozpatrywać dwa rodzaje reakcji:

Spalanie zupełne węgla

C + O₂ → CO₂  → 33,9 MJ/kg C

Ze wzoru tego wynika, że w reakcji zupełnego spalania atom węgla łączy się z cząsteczką tlenu, tworząc cząsteczkę dwutlenku węgla. Reakcji towarzyszy oddawanie otoczeniu 33,9 MJ ciepła na każdy kilogram spalonego chemicznie czystego węgla.

Stąd możemy wyliczyć ilość ciepła oddaną do atmosfery podczas spalania pozostałości na zrębie. Zgodnie z prawem zachowania masy wzór poniżej podaje stosunki wagowe składników biorących udział w reakcji.

12 kg C + 32 kg O₂ → 44 kg CO₂

Natomiast wzór :

0 obj. C + 1 obj. O₂ → 1 obj. CO₂

podaje stosunki objętościowe (zgodnie z prawem Avogadro) sprowadzone do warunków normalnych. Pominięto objętość węgla (przyrównując ją do zera) jako bardzo małą wobec objętości gazowej tlenu i ditlenku węgla.

Spalanie niezupełne węgla

Spalanie niezupełne węgla zachodzi przy niedostatecznym dopływie powietrza do paleniska. Taki przypadek zachodzi prawie zawsze przy paleniu ognisk na zrębie. Niezupełne spalanie zachodzi również przy niedokładnym wymieszaniu paliwa lub jego części lotnych z powietrzem, a zwłaszcza przy zbyt niskiej temperaturze w ognisku.

2 C + O₂ → 2 CO + 10,3 MJ / kg C

2 x 12 kg C + 32 kg O₂ → 2 x 28 kg CO

2 obj. C + 1 obj. O₂ → 2 obj. CO

Zakłada się, że w przypadku spalania w ognisku 12,5% masy drewna nie spala się zupełnie. W wyniku braku tlenu następuje niezupełne spalanie węgla.

Powstały w wyniku niezupełnego spalania tlenek węgla (CO) może dopalać się na ditlenek węgla w dalszym etapie według następującej reakcji

2 CO + O₂  → 2CO₂  + 10,2 MJ / kg CO

2 x 28 kg CO + 32 O₂ → 2 x 44 kg CO₂

2 obj. CO + 1 obj. O₂ → 2 obj. CO₂

Charakterystyka powierzchni badawczych

Należy zaznaczyć, że do obliczeń szczegółowych zawartości węgla, wodoru, tlenu, a także ilości powstałego przy spalaniu dwutlenku węgla, tlenku węgla, energii cieplnej i innych wyników posłużono się bardzo dokładnymi badaniami dotyczącymi wielkości biomasy w stanie świeżym przeprowadzonymi w Katedrze Mechanizacji Prac Leśnych Akademii Rolniczej w Poznaniu przez dr inż. Mohammeda Seghira Nili.

Tabela 6

Charakterystyka techniczna badanych drzewostanów.

WYNIKI BADAŃ

Znając zawartość procentową poszczególnych pierwiastków w drewnie: węgiel - 50 %, tlen - 43 %, wodór - 6,1% oraz wielkość biomasy w stanie świeżym na powierzchniach badawczych (Tabela 7), możemy przedstawić jaką masę stanowią poszczególne pierwiastki w drewnie pozyskanym z powierzchni badawczych (Tabela 8).

Tabela 7

Wielkość biomasy w stanie świeżym na powierzchniach badawczych  (Nili 1995)

Tabela 8

Zawartość węgla, tlenu, wodoru w świeżej biomasie na powierzchniach badawczych.

Spalanie pozostałości na zrębie

Spalanie zupełne

W wyniku spalania zupełnego powstaje dwutlenek węgla i energia cieplna. Podczas spalania pozostałości na zrębie w ogniskach nie ma odpowiednich warunków (brak dostatecznego dostępu tlenu) sprzyjających spalaniu zupełnemu. Dlatego wyniki podane poniżej są wielkością teoretyczną przy spalaniu zupełnym.

  Średnia z powierzchni:

21 140,43 kg C + 56 233,54 kg O₂  → 77 373,97 kg CO₂ /ha + 716 660,58 MJ

Ilość dwutlenku węgla oraz energii cieplnej powstałej w wyniku spalania zupełnego i wydalonych do atmosfery przedstawia Tabela 9.

Tabela 9

Ilość ditlenku węgla i energii cieplnej powstałych w wyniku spalania zupełnego

Spalanie niezupełne węgla

Ponieważ spalanie pozostałości pozrębowych przeprowadza się w nie najlepszych warunkach tego procesu w ogniskach, a nie w paleniskach - następuje niecałkowite spalanie zupełne węgla. Część (około 12,5%) gałęzi i igliwia spala się przy niepełnym dostępie powietrza (Szargut 1971) w związku z tym obliczenia ilości wytworzonego tlenku węgla i dwutlenku należy przeprowadzić jako spalenie niezupełne węgla. Można przyjąć, że utlenianie węgla odbywa się dwuetapowo.

I etap - spalanie 87,5% masy pozostałości na zrębie jako spalanie zupełne węgla:

Średnia z powierzchni:

     7/8 x 21 140,43 kg C +7/8 x 56 233,54 kg O₂ + 33,9 MJ x 7/8 x 21 140,43→

               → 67 702,22 kg CO₂ + 627 078,00 MJ

II. Etap - spalanie 12.5% masy pozostałości na zrębie jako spalanie niezupełne.

W przypadku braku dostępu powietrza- braku O₂, w wyniku spalania wytwarza się tlenek węgla (CO). Powstają znaczne ilości tego związku, który stanowi istotne zagrożenie dla globu ziemskiego, gdyż ma on wpływ na procesy w atmosferze (Wiśniewski 1997).

Średnia z powierzchni:

      2 x 1/8 x 21 140,43 kg C + 2,33 x 1/8 x 21 140,43 kg O₂ + 10,3 MJ x 1/8 x 21 140,43 →

               → 11 442,26 kg CO + 27 218,30 MJ

Jeżeli tlenek węgla w dalszej swej drodze znajdzie wystarczające ilości tlenu i odpowiednie warunki, może nastąpić dopalenie tlenku na ditlenek węgla.

Średnia z powierzchni:

      11 442,26 kg CO +1,57 x 11 442,26 kg O₂ + 10,2 x 1/2 x 11 442,26 →

               → 29 406,61 kg CO₂ + 58 355,53 MJ    

Przedstawione poniżej tabele zawierają zestawienie obliczonych wyników powstałych podczas procesu spalania

Tabela 10.

Ilość tlenku, dwutlenku węgla i energii cieplnej powstałych podczas spalania niezupełnego.

Proces spalania i otrzymane w jego wyniku: tlenek węgla, dwutlenek węgla oraz energia cieplna w skali całego kraju.

W Polsce 1998 r. pozyskano ogółem grubizny z cięć rębnych 8 767 tys. m³ natomiast powierzchnia cięć na rok 1998 wynosiła 37 200 ha („Rocznik statystyczny" - GUS 1999). Z wielkości tych wyliczamy średnią ilość m³ pozyskanego drewna z hektara, która wynosi 235,7 m³/ha.

Przyjmując średnią wagę 1m³ drewna około 900 kg otrzymujemy wielkość biomasy w stanie świeżym, która wynosi 212 105 kg/ha. Gałęzie i igliwie stanowią około 13% tej biomasy, co daje nam wielkość 27 573,6 kg/ha. Tabela 11 przedstawia szacunkową zawartość C, O, H w świeżej biomasie gałęzi i igliwia.

Tabela 11.

Zawartość C, H, O w świeżej biomasie na powierzchni (średnia dla Polski)

a ) spalanie zupełne węgla

13 786.85 kg C + 36 764,9 kg O₂ → 50 551,78 kg CO₂ + 467 374,2 MJ

        W skali kraju daje to wynik:

          - ilość CO₂    = 1 880 526,3 t

          - ilość ciepła  = 17 386 320 000 MJ

b ) spalanie niezupełne węgla

I etap:

   7/8 x 13 786,8 kg C + 2,66 x 7/8 x 13 786,8  kg O₂ + 33,09 MJ x 7/8 13 786,8 →

               → 44 152,38 kg CO₂ + 408 952 MJ

  W skali kraju :    - ilość CO₂      = 1 642 468,5 t

                              - ilość ciepła = 15 213 014 000 MJ

 II etap:

    2 x 1/8 x 13 786,8 kg C + 2,33 x 1/8 x 13 786,8 kg O₂ + 10,30 MJ x 1/8 x 13 786,8  →

→7 462,33 kg CO + 17 750,57 MJ

     W skali kraju :  - ilość CO     = 277 598,67 t

                               - ilość ciepła = 660 321 200 MJ

  Może nastąpić dopalanie CO:

    7 462,33 kg CO +1,57 x 7 462,33 kg O₂ + 10,2 MJ x 1/2 x 7 462,33→

              → 19 178,19 kg CO₂ + 38 057,88 MJ

     W skali kraju :  - ilość CO₂    = 713 428,66 t

                               - ilość ciepła = 38 057 883 MJ

Tabela 12 ujmuje średnie wielkości CO₂, CO i energii cieplnej powstałych w wyniku spalania pozostałości pozrębowych z każdego hektara zrębu.

Tabela 12.

Wielkości CO₂, CO i ciepła emitowane do atmosfery z każdego hektara

Tabela 13 zawiera wielkość CO₂, CO i ciepła, które są emitowane do atmosfery (w skali całego kraju) podczas spalania niezupełnego węgla - co ma miejsce podczas palenia pozostałości na zrębie.

Tabela 13.

Wielkość CO₂ , CO i ciepła emitowane do atmosfery

(w skali całego kraju - pow. zrębów 37 200 ha )

ANALIZA WYNIKÓW

W wyniku przeprowadzonych badań i obliczeń stwierdzono, że podczas spalania pozostałości pozrębowych z jednego hektara zrębu boru sosnowego do atmosfery odprowadzane jest 7 462 kg tlenku węgla, który może zamienić się na dwutlenek węgla w sprzyjających warunkach, dwutlenku węgla 44 152 kg,  oraz 426 702[ MJ] energii cieplnej.

Gdybyśmy przyjęli, że cała pozyskana w Polsce w 1998 r. masa surowca drzewnego ma zbliżony udział procentowy odpadów pozrębowych do odpadów pozrębowych drewna sosnowego (co przy przeważającej masie drewna sosnowego w Polsce i ich ogromnych masach nie ma istotnego znaczenia) to możemy wyliczyć, że w wyniku spalania pozostałości pozrębowych na wszystkich zrębach w Polsce do atmosfery odprowadzane jest 277 598 t tlenku węgla, dwutlenku węgla 1 642 468 t,  oraz  15 873 335 [ MJ] energii cieplnej.

WNIOSKI

• Przygotowanie powierzchni zrębowej pod dalsze prace hodowlane może polegać na zgarnianiu, spalaniu lub rozdrabnianiu.
• Ze stosowanych w Polsce procesów przygotowawczych pod dalsze prace hodowlane najczęściej spotykanym jest spalanie.
• Nie powinno się spalać pozostałości na zrębie.
• Żaden proces spalania w środowisku leśnym nie jest obojętny dla kondycji świata roślinnego i zwierzęcego.
• W wyniku spalania niszczące działanie ognia wpływa ujemnie zarówno na cały ekosystem leśny, jak i na poszczególne jego elementy: sąsiednie drzewostany, runo leśne, glebę, mikroflorę i mikrofaunę.
• W miejscach, gdzie palone były pozostałości pozrębowe zamiera życie. Powstaje niebezpieczeństwo nadmiernego rozwoju szkodliwych owadów i grzybów.
• W wyniku spalania pozostałości na zrębie straty pośrednie oddziaływania ognia na las i środowisko naturalne człowieka są bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do wyliczenia.
• Poprzez spalanie traci się znaczne ilości pierwiastków (N, P, K, Mg, Ca, Na), które mogłyby wzbogacić glebę w składniki pokarmowe.
• Sam proces fizyko-chemiczny spalania przyczynia się między innymi do stężenia CO₂, CO i innych gazów szklarniowych w powietrzu powodujących efekt cieplarniany.
• W wyniku spalania pozostałości pozrębowych z każdego hektara dostaje się do atmosfery: CO₂ - 44 152,38 kg; CO - 7 462,33 kg; energii cieplnej - 426 702,57 MJ.
• Spalając pozostałości na zrębach w całej Polsce, do atmosfery dostaje się: CO₂ - 1 642 468,5 t; CO - 277 598,67 t; energii cieplnej - 15 873 335 MJ.

LITERATURA

Gornowicz R.; Der Nahrstoffexport aus Kiefernreinbestanden in Abhangigkeit vom Hilzernteverfaren. Mechanisierung der Waldarbeit. 275-279. Saloniki, 1993.

Karlikowski T.; Profilaktyka przeciwpożarowa w odnowieniu wielkich pożarzysk. IBL Zakład Ochrony Przeciwpożarowej Lasu. Czerwiec 1997.

Krzysik F.; Nauka o drewnie. PWRiL Warszawa 1957.

Kubiak M. i inni; Charakterystyka techniczna rębnych drzewostanów sosnowych pod względem mechanizacji procesu pozyskania drewna. Dokumentacja IBL Warszawa 1988.

Laurow Z.; Kompleksowe użytkowanie arbomasy leśnej. Las Polski nr 13-15. 1993.

Laurow Z.; Pozyskanie drewna. Wydawnictwo SGGW Warszawa 1994.

Laurow Z.; Wykorzystywanie igliwia do produkcji olejków balsamicznych. Sympozjum Puszczykowo. Wrzesień 1996.

Nili M.; Wpływ systemów pozyskania drewna w sosnowych drzewostanach rębnych na ubytek składników pokarmowych w środowisku leśnym. Rozprawa doktorska wykonana w Katedrze Mechanizacji Prac Leśnych Akademii Rolniczej w Poznaniu. 1995.

Pilarek Z.; Ubytki podstawowych bioelementów w środowisku leśnym, w średniowiekowych drzewostanach sosnowych, w zależności od systemu pozyskania drewna. Maszynopis pracy doktorskiej wykonanej w Katedrze Mechanizacji Prac Leśnych Akademii Rolniczej w Poznaniu. 1998 r.

Pilzek J.; Pokaz nowego sprzętu leśnego w Trzciance. Las Polski nr 18;  s.18-19. 1997.

Prosiński S.; Chemia drewna. Poznań 1993.

Radomski J., Jasnowska J.; Botanika - podręcznik do samokształcenia dla studiów zaocznych Akademii Rolniczych. PWN Warszawa 1982.

Różański H.; Produkcja furfurolu ze zrębków zielonych. Las Polski nr 6/1980.

Więsik J.; Maszyny leśne. Wydawnictwo SGGW - AR. Warszawa 1990.

Wiśniewski J.; Wykłady z ochrony środowiska. Poznań 1996.

 Zarządzenie nr 11 Dyrektora Generalnego Lasów Państwowych w Warszawie: W sprawie doskonalenia gospodarki leśnej na podstawach ekologicznych. Warszawa 1995.

Zarządzenie nr 11 A Dyrektora Generalnego Lasów Państwowych w Warszawie: W sprawie doskonalenia gospodarki leśnej na podstawach ekologicznych. Warszawa 1999.

Rocznik Statystyczny Głównego Urzędu Statystycznego. Warszawa 1999.

Autorzy: dr inż. R. Wojtkowiak, mgr inż. Maciej Sip Katedra Techniki Leśnej AR Poznań

Oryginał: Udział tlenku i dwutlenku węgla oraz energia cieplna przy spalaniu odpadów zrębowych. Stan i perspektywy badań z zakresu użytkowania lasu. Materiały III Konferencji Leśnej, Sękocin Las, 30-31 marca 2000