ORIGINAL PAPER
The possibility of reducing emissions from households by using coal briquettes
1
AGH University of Science and Technology, Poland
2
Ekocarbon Sp. z o.o., Poland
Submission date: 2020-07-15
Final revision date: 2020-08-13
Acceptance date: 2020-08-17
Publication date: 2020-09-30
Corresponding author
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2020;23(3):55-70
KEYWORDS
TOPICS
ABSTRACT
The expected demand for hard coal intended for the households will progressively be decreasing. This is directly related to the introduced anti-smog resolutions, as well as the growing level of environmental awareness. However, it should be noted, that the use of the modern home heating boilers will result in an increase in the demand for medium coal sizes. The shortfall of this type of coal is already observed on the market. Therefore, its import is necessary. One of the solutions to increase the supply of the medium coal sizes is the production of coal briquettes. Moreover, their use will consequently lead to reduced emissions.
The paper presents a comparison of emissions from the combustion of coal briquettes and hard coal in home heating boilers. The briquettes were characterized by significantly lower emissions than hard coal (by 52% on average). The particulate matter emissions were lower by 70%. This may significantly contribute to improving air quality in Poland and in addition, limit the occurrence of smog. The possibility of further emission reduction by using low-emission fuels as briquette components was presented. The average relative emission reduction compared to hard coal for the analyzed fuels was estimated as follows: 62% for coal char, 57% for coke, 51% for charcoal/bio-
carbon, 49% for anthracite, 45% for torrefied biomass, and 33% for peat.
Furthermore, the issue of the mercury content in the analyzed fuels was discussed. The lowest mercury content was found in biomass fuels, in particular biomass after thermal treatment (torrefied biomass, biocarbon, and charcoal). Fuels produced from hard coal in the pyrolysis process (coal char and coke) were characterized by very low mercury content as well.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Możliwość ograniczenia emisji w sektorze użytkowników domowych poprzez zastosowanie brykietów węglowych
sektor komunalno-bytowy, emisja, paliwa stałe, brykiety węglowe
Prognozuje się, że zapotrzebowanie na węgiel kamienny w polskim sektorze użytkowników domowych będzie sukcesywnie malało. Jest to bezpośrednio związane z wprowadzanymi uchwałami antysmogowymi i rosnącą świadomością ekologiczną społeczeństwa. Niemniej jednak wymiana kotłów grzewczych na nowoczesne spowoduje wzrost zapotrzebowania na średnie sortymenty węgla kamiennego. Już dziś obserwuje się niedobór tego sortymentu na rynku, co stwarza konieczność importu. Jednym z rozwiązań pozwalających na zwiększenie podaży tego typu paliwa jest wytwarzanie brykietów węglowych. Ponadto ich zastosowanie pozwala na ograniczenie emisji przez gospodarstwa domowe.
W artykule przedstawiono porównanie emisji zanieczyszczeń generowanej przez spalanie brykietów węglowych i węgla kamiennego w domowych kotłach grzewczych. Brykiety te w porównaniu do węgla kamiennego charakteryzują się znacznie niższą emisją zanieczyszczeń (średnio o 52%), w tym niższą emisją pyłów o 70%. Może to w sposób znaczący przyczynić się poprawy jakości powietrza w Polsce i ograniczania występowania smogu. Zaprezentowano dodatkową możliwość ograniczenia emisji zanieczyszczeń w wyniku stosowania w brykietach dodatku niskoemisyjnych paliw. Oszacowany średni relatywny stopień obniżenia emisji względem węgla kamiennego dla analizowanych paliw wynosił odpowiednio: karbonizat węglowy 62%; koks opałowy 57%; węgiel drzewny/biowęgiel 51%; antracyt 49%; toryfikat 45%; torf 33%.
Dodatkowo omówiono kwestię zawartości rtęci w analizowanych paliwach. Najniższą zawartość rtęci odnotowano w paliwach z biomasy, w szczególności w przypadku biomasy po obróbce termicznej (toryfikat, biowęgiel i węgiel drzewny). Niską zawartością rtęci charakteryzowały się również paliwa wytwarzane z węgla kamiennego w procesie pirolizy (węgiel i koks).
REFERENCES (63)
1.
Arias et al. 2008 – Arias, B., Pevida, C., Fermoso, J., Plaza, M.G., Rubiera, F. and Pis, J.J. 2008. Influence of torrefaction on the grindability and reactivity of woody biomass. Fuel Processing Technology 89(2), pp. 169–175; DOI: 10.1016/j.fuproc.2007.09.002.
2.
Baic et al. 2019 – Baic, I., Blaschke, W. and Gaj, B. 2019. Preparation of hard coal in Poland – current state and the latest trends (Przeróbka węgla kamiennego w Polsce – stan obecny i trendy przyszłościowe). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk 108, pp. 83–98; DOI: 10.24425/znigsme.2019.128669 (in Polish).
3.
Basu, P. 2018. Biomass gasification, pyrolysis and torrefacation – practical design and theory. Third Edition. Elsevier 548 pp.; DOI: 10.1016/C2011-0-07564-6.
4.
BAT-LCP 2017 – Commission Implementing Decision (EU) 2017/1442 of 31 July 2017 establishing best available techniques (BAT) conclusions, under Directive 2010/75/EU of the European Parliament and of the Council, for large combustion plants.
5.
Bęben A. 2007. Introduction to the exploitation of the only renewable mineral, i.e. peat deposits (Wprowadzenie do eksploatacji jedynej odnawialnej kopaliny pospolitej czyli złóż torfu). Surowce i Maszyny Budowlane 4, pp. 102–105 (in Polish).
6.
Bhattacharya et al. 2002 – Bhattacharya, S.C., Albina, D.O. and Abdul Salam, P. 2002. Emission factors of wood and charcoal-fired cookstoves. Biomass and Bioenergy 23, pp. 453–469; DOI: 10.1016/S0961-9534(02)00072-7.
7.
Bridgeman et al. 2008 – Bridgeman, T.G., Jones, J.M., Shield, I. and Williams, P.T. 2008. Torrefaction of reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties. Fuel 87(6), pp. 844–856; DOI: 10.1016/j.fuel.2007.05.041.
8.
Chyc, M. 2012. The role of fuel additives in the fuel combustion process. Research Reports Mining and Environment 11(1), pp. 5–16 (in Polish).
9.
Cunico, M. 2015. Pyrolysis of peat: an experimental investigation. University of Padua, Department of Industrial Engineering, master thesis.
10.
Dzik et al. 2012 – Dzik, T., Marciniak-Kowalska, J. and Madejska, L. 2012. Pressure agglomeration of hard and brown coals. Chemik 66(5), pp. 445–452.
11.
Dziok et al. 2015 – Dziok, T., Strugała, A., Rozwadowski, A. and Macherzyński, M. 2015. Studies of the correlation between mercury content and the content of various forms of sulfur in Polish hard coals. Fuel 159, pp. 206–213; DOI: 10.1016/j.fuel.2015.06.080.
12.
Dziok et al. 2018a – Dziok, T., Tałach, Z. and Wierońska, F. 2018. Air pollution by toxic compounds as a result of coal combustion – smog and its effects on human health (Zanieczyszczenie powietrza pierwiastkami toksycznymi w wyniku spalania węgla – smog i ich oddziaływanie na zdrowie człowieka). Gaz, Woda i Technika Sanitarna 4, pp. 127–131; DOI: 10.15199/17.2018.4.2 (in Polish).
13.
Dziok et al. 2018b – Dziok ,T., Kołodziejska, El., Kołodziejska, E. and Woszczyna A. 2018. Studies on mercury release in the coal and biomass combustion process in households (Badania uwalniania rtęci w procesie spalania węgla i biomasy w gospodarstwach domowych). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk 104, pp. 141–152; DOI: 10.24425/124360 (in Polish).
14.
Dziok, T. 2019. Thermal removal of mercury from hard coal and biomass (Termiczne usuwanie rtęci z węgla kamiennego i biomasy). Przemysł Chemiczny 98(11), pp. 1757–1759; DOI: 10.15199/62.2019.11.12 (in Polish).
15.
Dziok et al. 2019 – Dziok, T., Grzywacz, P. and Bochenek, P. 2019. Assessment of mercury emissions into the atmosphere from the combustion of hard coal in a home heating boiler. Environmental Science and Pollution Research 26, pp. 22254–22263; DOI: 10.1007/s11356-019-05432-3.
16.
Dziok et al. 2020 – Dziok, T., Strugała, A., Baic, I. and Olszewska, D. 2020. Valorization method for hard coal as fuel for nonindustrial combustion installations with special regard to reduction of mercury content. Energy & Fuels 34(3), pp. 2980–2988; DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b04267.
17.
EEA 2006. Emission Inventory Guidebook – December 2006 update; Non-industrial combustion plants. European Environment Agency (EEA), 96 pp. [Online] https://www.eea.europa.eu/publ... [Accessed: 2020-03-17].
18.
EC 2017. Biomass issues in the EU ETS. MRR Guidance document No. 3, Updated Version of 27 November 2017. European Commission (EC), 25 pp.
19.
Friedli et al. 2001 – Friedli, H.R., Radke, L.F. and Lu, J.Y. 2001. Mercury in smoke from biomass fires. Geophysical Research Letters 28(17), pp. 3223–3226; DOI: 10.1029/2000GL012704.
20.
Gaze et al. 2019 – Gaze, B., Noszczyk, T., Romański, L. and Ufnarski, J. 2019. Peat pellet as an alternative fuel to other solid energy carriers (Pelet z torfu jako alternatywne paliwo dla stałych nośników energii). Przemysl Chemiczny 98(7), pp. 1069–1074; DOI: 10.15199/62.2019.7.6 (in Polish).
21.
Gładki J. 2017. Biochar as a chance for sustainable development, Second edition – revised and enlarged (Biowęgiel szansą dla zrównoważonego rozwoju, wydanie drugie – poprawione i uzupełnione). Sędziszów: Oficyna Poligraficzna Apla Sp.J., 85 pp. (in Polish).
22.
GUS 2019. Consumption of fuels and energy carriers in 2018 (Zużycie paliw i nośników energii w 2018 r.). Warszawa: Statistic Poland, Enterprises Department (GUS), 21 pp. (in Polish).
23.
Helmann, J. and Pietrasik, E. 2005. Ecological briquetted fuels. Selected aspects of the product engineering (Ekologiczne paliwa formowane – wybrane aspekty inżynierii produktu). Gliwice: Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG, 135 pp. (in Polish).
24.
Hilse et al. 2011 – Hilse, D., Kapała, J. and Zeltinsh, N. 2011. Quasi-catalytic reduction of pollutants in exhaust gases from boilers equipped with fixed grid (Quasi-katalityczna redukcja zanieczyszczeń w spalinach odlotowych z kotłów z rusztem stałym). Nauka Przyr. Technol. 5(4), p. 1–10 (in Polish).
25.
Hycnar et al. 2015 – Hycnar, J., Borowski, G. and Bugajczyk, M. 2015. Trial production of briquettes from dust coke as an alternative solid fuel (Próby wytwarzania brykietów z pyłu koksowego jako alternatywnego paliwa stałego). Rynek Energii 3(118), pp. 87–92 (in Polish).
26.
IChPW 2017 – Air pollution emission factors for residental heating devices – Report (Wskaźniki emisji zanieczyszczeń powietrza emitowanych z indywidualnych źródeł ciepła – Raport). Zabrze: Institute for Chemical Processing of Coal (IChPW), 28 pp. [Online] http://www.ichpw.pl/blog/2017/... [Accessed: 2020-03-23] (in Polish).
27.
IEA 2019. World Energy Outlook 2019. Paris: International Energy Agency (IEA) [Online] https://www.iea.org/reports/wo... [Accessed: 2020-03-04].
28.
Kim Oanh et al. 1999 – Kim Oanh, N.T., Bætz Reutergårdh L. and Dung, N.Tr. 1999. Emission of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Particulate Matter from Domestic Combustion of Selected Fuels. Environmental Science & Technology 33(16), pp. 2703–2709; DOI: 10.1021/es980853f.
29.
Klojzy-Karczmarczyk, B. and Mazurek, J. 2013. Studies of mercury content in coal intended for individual customers (Badania zawartości rtęci w węglach przeznaczonych dla odbiorców indywidualnych). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 16(4), pp. 151–161 (in Polish).
30.
KOBiZE 2019. Poland’s informative inventory report 2019. Submission under the UN ECE Convention on long-range transboundary air pollution and the directive (EU) 2016/2284. Warszawa: National Centre for Emissions Management (KOBIZE), 277 pp.
31.
Konieczyński et al. 2012 – Konieczyński, J., Zajusz-Zubek, E. and Jabłońska, M. 2012. The release of trace elements in the process of coal coking. The Scientific World Journal, 294927; DOI: 10.1100/2012/294927.
32.
Kowalczyk-Juśko et al. 2016 – Kowalczyk-Juśko, A., Onuch, J., Kościk, B., Skowron, P., Chołody, M., Kosidło, A. and Rawski, J. 2016. Environmental and practical aspects of the use of peat for agriculture and energy aims. Journal of Ecological Engineering 17(4), pp. 138–142; DOI: 10.12911/22998993/65083.
33.
Kubica, K. 2007. Guidebook: Efficient and environmentally friendly heating sources – reducing emissions (Poradnik: Efektywne i przyjazne środowisku źródła ciepła – ograniczenie niskiej emisji). Katowice: Polish Ecological Club (in Polish).
34.
Kubica, K. 2014. Low emission techniques for solid fuel combustion in small plants (Niskoemisyjne techniki spalania paliw stałych w instalacjach małej mocy). Conference: Małopolska in a healthy atmosphere – Efficient combustion of solid fuels (Małopolska w zdrowej atmosferze – Efektywne spalanie paliw stałych) [Online] http://www.powietrze.malopolsk... [Accessed: 2020-09-15] (in Polish).
35.
Lewandowski, G. and Milchert, E. 2011. Modern technology of dry distillation of wood. Chemik 65(12), pp. 1301–1306.
36.
Licznerski, E. 1970. Briquetting of coals (Brykietowanie węgli). Katowice: Wydawnictwo Śląsk, 222 pp. (in Polish).
37.
Liu et al. 2003 – Liu, R., Wang, Q., Lu, X., Fang, F. and Wang, Y. 2003. Distribution and speciation of mercury in the peat bog of Xiaoxing’an Mountain, northeastern China. Environ Pollut 124(1), pp. 39–46; DOI: 10.1016/s0269-7491(02)00432-3.
38.
Matuszek et al. 2016a – Matuszek, K., Hrycko, P., Stelmach, S. and Sobolewski, A. 2016b. Carbonaceous smokeless fuel and modern small-scale boilers limiting the residential emission. Part 1. General aspects (Węglowe paliwo niskoemisyjne i nowoczesne konstrukcje kotłów małej mocy ograniczające „niską emisję”. Cz. I. Prezentacja problemu). Przemysl Chemiczny 95(2), pp. 223–227; DOI: 10.15199/62.2016.2.8 (in Polish).
39.
Matuszek et al. 2016b – Matuszek, K., Hrycko, P., Stelmach, S. and Sobolewski, A. 2016b. Carbonaceous smokeless fuel and modern small-scale boilers limiting the residential emission. Part 2. Experimental tests of a new carbonaceous smokeless fuel (Węglowe paliwo niskoemisyjne i nowoczesne konstrukcje kotłów małej mocy ograniczające „niską emisję”. Cz. II. Doświadczalna ocena nowego paliwa o obniżonej emisyjności). Przemysl Chemiczny 95(2), pp. 228–230; DOI: 10.15199/62.2016.2.9 (in Polish).
40.
Maxwell et al. 2020 – Maxwell, D., Gudka, B.A., Jones, J.M. and Williams, A. 2020. Emissions from the combustion of torrefied and raw biomass fuels in a domestic heating stove. Fuel Processing Technology 199, 106266; DOI: 10.1016/j.fuproc.2019.106266.
41.
ME 2019. Conclusions from prognostic analyses to “The Energy Policy for Poland until 2040” – Appendix 2 (Polityka energetyczna Polski do 2040 r., Załącznik nr 2: Wnioski z analiz prognostycznych dla sektora paliwowo-energetycznego). Warszawa: Ministry of Energy (ME), 30 pp. (in Polish).
42.
Mirowski, T. and Orzechowska, M. 2015. The use of biomass fuels in individual heating in areas threatened by low emission (Wykorzystanie paliw biomasowych w ogrzewnictwie indywidualnym na obszarach zagrożonych niską emisją). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 18(4), pp. 75–88 (in Polish).
43.
Mitchell et al. 2016 – Mitchel, E.J.S., Lea-Langton, A.R., Jones, J.M., Williams, A., Layden, P. and Johnson, R. 2016. The impact of fuel properties on the emissions from the combustion of biomass and other solid fuels in a fixed bed domestic stove. Fuel Processing Technology 142, pp. 115–123; DOI: 10.1016/j.fuproc.2015.09.031.
44.
Mitchell, E.J.S. 2017. Emissions from residential solid fuel combustion and implications for air quality and climate change. The University of Leeds, Doctoral Training Centre in Low Carbon Technologies, doctoral thesis.
45.
Niesler et al. 2017 – Niesler, M., Stecko, J., Gierad, D., Stelmach, S. and Nowak, M. 2017. The assessment of the possibility of the “blue coal” utilization in the iron ore sintering process (Ocena możliwości wykorzystania „błękitnego węgla” jako zamiennika części koksiku w procesie spiekania rud żelaza). Prace Instytutu Metalurgii Żelaza – Journal of Metallic Material 69(2), pp. 31–43 (in Polish).
46.
Nowa 2017. Safety Data Sheets – Coke (Karta charakterystyki – koks węglowy). Koksownia Częstochowa Nowa Sp. z o.o. (in Polish).
47.
PGI 2019. Balance of mineral resources in Poland as of 31 December 2018 (Bilans zasobów złóż kopalin w Polsce wg stanu na 31 XII 2018 r.). Warszawa: PIG, 491 pp. (in Polish).
49.
Rogus et al. 2019 – Rogus, R., Mazanek, Ł., Maczuga, R. and Cebo, W. 2019. Analysis of the demand for heating coal in households in the context of changes in the municipal and residential market (Analiza zapotrzebowania na węgiel opałowy w gospodarstwach domowych w kontekście tendencji zmian w rynku komunalno-bytowym). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk 108, pp. 63–70; DOI: 10.24425/znigsme.2019.128673 (in Polish).
50.
Rokni et al. 2018 – Rokni, E., Ren, X., Panahi, A. and Levendis, Y.A. 2018. Emissions of SO2, NOx,CO2, and HCl from Co-firing of coals with raw and torrefied biomass fuels. Fuel 211, pp. 363–374; DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel....
51.
Seljeskog et al. 2017 – Seljeskog, M., Goile, F. and Skreiberg, Ø. 2017. Recommended revisions of Norwegian emission factors for wood stoves. Energy Procedia 105, pp. 1022–1028; DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.447.
52.
Stala-Szlugaj, K. 2017. Analysis of the municipal and housing hard coal consumers sector (Analiza sektora drobnych odbiorców węgla kamiennego). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 20(3), pp. 117–134 (in Polish).
53.
Stala-Szlugaj, K. 2018. The demand for hard coal for households in Poland and the anti-smog bill. Arch. Min. Sci. 63(3), pp. 701–711, DOI: 10.24425/123692.
54.
Stala-Szlugaj, K. 2019. Analysis on a regional basis of trends in hard coal prices for Polish households. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 22(3), pp. 57–70; DOI: 10.33223/epj/112086.
55.
Stelmach et al. 2018 – Stelmach, S., Matuszek, K., Hrycko, P., Blaut, A., Drumlak, P., Bródka, M. and Kingawka, P. 2018. Comparison of the environmental impact of hard coal and “blue coal” combustion in the small scale boiler using traditional analysis and LCA analysis (Porównanie wpływu na środowisko spalania węgla kamiennego i tzw. błękitnego węgla w kotle c.o. z wykorzystaniem analizy tradycyjnej oraz analizy LCA). Rynek Instalacyjny 5 (in Polish).
56.
Szeszko, T. 2017. Domestic coke – ecological and economical fuel (Koks opałowy – paliwo ekologiczne i ekonomiczne). 7th Technical Conference in the series of Modern Heating and Power Plants – VII Konferencja techniczna z cyklu Nowoczesne ciepłownie i elektrociepłowni, Zabrze, July 25–26th 2017 (in Polish).
57.
Środa et al. 2015 – Środa, K., Kijo-Kleczkowska, A., Schab, M., Pietrasik, M., Ptak, T. and Pytlos, J. 2015. Specificity of the properties of sewage sludge with reference to coal fuels and biomass (Specyfika właściwości osadów ściekowych w odniesieniu do paliw węglowych i biomasy). Archives of Waste Management and Environmental Protection 17(2), pp. 69–82 (in Polish).
58.
Tian et al. 2018 – Tian, J., Ni, H., Han, Y., Shen, Z., Wang, Q., Long, X., Zhang, Y. and Cao, J. 2018. Primary PM2.5 and trace gas emissions from residential coal combustion: assessing semi-coke briquette for emission reduction in the Beijing-Tianjin-Hebei region, China. Atmospheric Environment 191, pp. 378–386; DOI: 10.1016/j.atmosenv.2018.07.031.
59.
Tumulur et al. 2015 – Tumuluru, J.S., Sokhansanj, S., Hess, J.R., Wright, C.T. and Boardman, R.D. 2015. A review on biomass torrefaction process and product properties for energy applications. Industrial Biotechnology 7(5), pp. 384–401; DOI: 10.1089/ind .2011.0014.
60.
UN Environment 2016. Guidance on best available techniques and best environmental practices. Coal-fired power plants and coal-fired industrial boilers. [Online] http://www.mercuryconvention.o... [Accessed: 2020-04-07].
61.
WHO 2010. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Volume 95. Household Use of Solid Fuels and High-temperature Frying. Lyon: World Health Organization, International Agency For Research On Cancer, pp. 430.
62.
Wichliński et al. 2014 – Wichliński, M., Kobyłecki, R. and Bis, Z. 2014. The possibility of mercury removal from exhaust gas in air pollution control devices (Możliwości usuwania rtęci ze spalin w urządzeniach do oczyszczania gazów). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 17(4), pp. 317–328 (in Polish).
63.
Wichliński, M. and Kobyłecki, R. 2019. Analysis of mercury content in biomass and its thermal processing products. 14th International Conference on Mercury as a Global Pollutant (ICMGP 2019). Kraków, 8–13 September 2019.
Share
RELATED ARTICLE
| eISSN: | 2720-569X |
| ISSN: | 1429-6675 |
We process personal data collected when visiting the website. The function of obtaining information about users and their behavior is carried out by voluntarily entered information in forms and saving cookies in end devices. Data, including cookies, are used to provide services, improve the user experience and to analyze the traffic in accordance with the Privacy policy. Data are also collected and processed by Google Analytics tool (more).
You can change cookies settings in your browser. Restricted use of cookies in the browser configuration may affect some functionalities of the website.
You can change cookies settings in your browser. Restricted use of cookies in the browser configuration may affect some functionalities of the website.
