XIII. Országos Felsőoktatási Környezettudományi Diákkonferencia
BIOMASSZA ENERGETIKA: FA ALAPÚ HULLADÉKOK HASZNOSÍTÁSA PIROLÍZISSEL
Szerző:
Rékasi Szabina
Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Környezettudomány MSc.
Témavezető(k):
Dr. Halász János
Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Alkalmazott és Környezeti Kémia Tanszék
Veszprém 2012. április 6-7.
TARTALOM TARTALOM.............................................................................................................................. 1 ABSTRACT ............................................................................................................................... 3 1. BEVEZETÉS ......................................................................................................................... 4 1.1. Magyarország energetikai helyzetképe .......................................................................... 4 1.2. Energiapolitikai célok..................................................................................................... 5 1.3. Jogi szabályozás ............................................................................................................. 5 1.3.1. Általános hulladékjog 2006/12/EK irányelv........................................................... 5 1.3.2. A hulladékgazdálkodás szabályozása Magyarországon ......................................... 6 1.3.3. A biohulladékok kezelésének szabályai ................................................................. 6 1.3.4. Hulladékégetésre vonatkozó szabályok .................................................................. 6 1.3.5. Energiaforrások szabályozásai................................................................................ 6 2. MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK .................................................................................. 7 2.1. Az energiahordozók típusai ............................................................................................ 7 2.2. A megújuló energiák hasznosítása lakossági szinten ..................................................... 8 2.3. Jelentőségük és a legfontosabb megújuló energiaforrások............................................. 8 3. A BIOMASSZA ÉS ENERGETIKAI HASZNOSÍTÁSA .................................................... 9 3.1. A biomassza típusai ........................................................................................................ 9 3.2. Energetikai jellemzői...................................................................................................... 9 3.3. Szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása........................................................... 10 3.3.1. Biomassza tüzelés ................................................................................................. 11 3.4. Folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása ..................................................... 13 3.5. Biogáz........................................................................................................................... 13 4. FA ALAPÚ HULLADÉKOK HASZNOSÍTÁSA: BRIKETT, PELLET ........................... 15 4.1. Brikett (biobrikett)........................................................................................................ 15 4.1.1. A brikett jellemzői ................................................................................................ 16 4.1.2. A brikettálás menete ............................................................................................. 17 4.2. Pellet ............................................................................................................................. 17 4.2.1. A pellet jellemzői.................................................................................................. 18 4.2.1.1. Pellet a tüzeléstechnológiában ...................................................................... 18 4.2.2. A pellet tüzelés előnyei......................................................................................... 18 5. HŐBONTÁS - PIROLÍZIS .................................................................................................. 19 5.1. A pirolízis előnyei, hátrányai........................................................................................ 19 5.2. A pirolízis során alkalmazott reaktorok, technológiák ................................................. 20 5.3. Elgázosítási eljárások ................................................................................................... 22 5.3.1. Siemens technológia ............................................................................................. 22 5.3.2. Lurgi-eljárás (=WIKONEX)................................................................................. 23 5.3.3. Noell-féle konverziós eljárás ................................................................................ 24 5.3.4. Thermoselect-eljárás ............................................................................................. 25 6. KATALIZÁTOROK ............................................................................................................ 26 6.1. A biomassza pirolízis katalizátorai............................................................................... 27 6.2.1. Dolomit katalizátor ............................................................................................... 27 6.2.2. Alkálifém és egyéb fém katalizátorok .................................................................. 27 6.2.3. Nikkel katalizátorok.............................................................................................. 28 6.2.5.1. Fluid cracking catalyst (FCC) ....................................................................... 29 7. KÍSÉRLETI RÉSZ............................................................................................................... 30 7.1. Kísérleti berendezés...................................................................................................... 30 7.1.1. Betáplálás.............................................................................................................. 31 7.1.2. Üzemi és mérendő paraméterek............................................................................ 31 1
7.2. A kísérlet munkaszakaszai............................................................................................ 32 8. A KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK, ÉRTÉKELÉSÜK ........................................................... 35 9. FELHASZNÁLT IRODALOM ........................................................................................... 44 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS.................................................................................................. 46
2
ABSTRACT Az emberiség energia szüksége az elmúlt évek során oly mértékűvé növekedett, hogy egyre nagyobb jelentőségűvé vált a megújuló energiaforrások, a biomassza újrahasznosítása, valamint energetikai hasznosítása. Ennek fontos eszköze a szennyezőanyag kibocsátás csökkentése, a meglévő szennyeződések megfelelő kezelése, ártalmatlanítása, úgy, hogy a lehető legnagyobb mértékben törekedni kell az elérhető legjobb technológia – Best Available Technique, azaz BAT - alkalmazására. A természeti adottságainknak ismeretében a megújuló energiaforrások közül a legnagyobb szerepet a biomassza jelenti. Az erre alapozó technológiák elősegítik a környezet megóvását. A környezet védelmének egyik lehetséges módja a keletkező hulladékok újrahasznosítása, olyan módszerekkel, melyek ésszerűen gazdálkodnak a természeti erőforrásainkkal, valamint törekednek az elérhető legjobb technológia kialakítására, alkalmazására, ezáltal a legkevésbé szennyezik a környezetet. Dolgozatomban a biomassza pirolitikus lebontásának lehetséges technológiáit, azok szükségességeit mutatom be, úgy, hogy figyelembe veszem az energetikai hasznosításukat. A kísérlet során vizsgáltam a technológiát befolyásoló lehetőségeket és ennek a kivitelezéséhez szükséges paraméterek változásait, eredményeit. Célom a felhasznált fahulladék kezelésére alkalmazható technológia bemutatása, a különféle fahulladék, mint modellanyag, hőmérsékletfüggéseinek bemutatása, valamint a keletkező termékek lehető legnagyobb mértékű újrahasznosítása, és ez által a hulladék minimalizálása, figyelembe véve az energetikai és anyagi szempontokat. Munkám során 5 fűrészpor mintát (kemény tölgyfa, közönséges nyírfa, nyárfa, fenyőfa, akácfa) vizsgáltam pirolitikus folyamatokban katalizátor nélkül, három különböző hőmérsékleten, illetve egy adott ipari katalizátorral – FCC katalizátor – szintén három hőmérsékleten. Azt tapasztaltam, hogy a különböző hőmérsékleten a különböző modellanyagoknak más és más az illóanyag-tartalma, továbbá, hogy a katalizátor jelenléte kedvezően segíti elő a pirolízist, azaz nő „könnyű” termékek mennyisége. A dolgozat megírásakor mindvégig szem előtt tartottam a biomassza elgázosítása során használt technológiák energiafelhasználását, energiatakarékosságát, a kísérleti folyamat során észlelt hőmérsékleti változásokat és ezek összefüggéseit. Mindvégig törekedtem a megfelelő (BAT) technológia alkalmazására.
3
1. BEVEZETÉS Az emberiség energiaszükséglete az elmúlt évek során növekedett és környezeti alkotóelemek, a természetes energiaforrások használata ezzel együtt folyamatosan nőtt, így egyre nagyobb jelentőségűvé vált, válik a megújuló energiaforrások, a biomassza újrahasznosítása, valamint energetikai hasznosítása. Ennek fontos eszköze a szennyezőanyag kibocsátás csökkentése, a meglévő szennyeződések megfelelő kezelése, ártalmatlanítás, úgy hogy, a lehető legnagyobb mértékben törekedni kell az elérhető legjobb technológia – Best Available Technique, azaz BAT - alkalmazására. A világ energiafogyasztása 2000-ben megközelítőleg 380 exajoule (exa = 1018) volt, amelyből a magyar fogyasztás nagyjából 1100 petajoule (peta = 1015) volt. A takarékosság mellett az energiagazdálkodás fő törekvése a megújuló energiaforrások kutatása, használata. Ide tartoznak a napenergiát célzó vizsgálatok, a víz- és szélenergia hasznosítása és a biomasszából való energianyerés optimalizálása, például a mezőgazdasági hulladékok elégetése, biogáz termelése, biodízel-gyártás, stb. A világméretben a fosszilis energiahordozók részaránya még mindig 80 % felett van [1]. A CO2 emisszió csökkentése érdekében a fosszilis energiahordozók részarányának csökkentése lenne kívánatos [2]. A környezetvédelmi technológia a környezeti ártalmak elhárítására alkalmas műszaki megoldásokkal foglalkozik, melyek három csoportba sorolhatók [2]: -
forrás megszüntetése: olyan technológiák bevezetése, melyek nem okoznak környezeti károkat és biztosítják a szükséges javak előállítását;
-
káros emisszió szabályozás: a kibocsátott anyag lokális kezelésével, ártalmatlanításával, környezetbe jutását megakadályozó módszerek alkalmazásával érhető el;
-
imisszió szabályozás: a szennyezők utólagos, helyi ártalmatlanítása. Ez csak kisegítő illetve kényszermegoldást jelenthet [2].
1.1. Magyarország energetikai helyzetképe • energiafüggőségünk meghaladja a 62 %-ot, • saját fosszilis energiakészletünk korlátozott, • földgázfelhasználásunk túlsúlyos, 82 %-át importból szerezzük be, • erőműparkunk elöregedő stádiumban van, • megújuló-energia hasznosításunk mindössze 7,3 %, • épületeink energiafelhasználása pazarló, 4
• nincs energetikai szempontok szerint átgondolt közlekedés-fejlesztési jövőképünk [1]. 1.2. Energiapolitikai célok
Energia importfüggőség csökkentése: energiatakarékossággal, energiahatékonysággal, megújulók részarányának növelésével, beszerzési útvonalak és források diverzifikálásával,
az állam szabályozó szerepének növelése,
új alkuk az energiaszolgáltatókkal,
támogatások extraprofittá konvertálásának megakadályozása,
a kapcsolódó ipar tudatos fejlesztése,
az energiaszegénység csökkentése,
fogyasztóvédelem szerepének megerősítése [3].
1.3. Jogi szabályozás Az Európa Tanács 2007 tavaszi ülésszakaszán fogadták el az Európai Közösség legújabb célkitűzéseit, mely szerint az 1999-es mennyiséghez képest 2020-ra 30 %-kal kellene csökkenteni az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásait. Ezen kívül a teljes energia mennyiségének 20 %-át kívánja megújuló energiaforrásokból fedezni és a folyékony üzemanyagok esetén a bioüzemanyagok arányát 10 %-ra növelni [4]. Az EU felügyeleti mechanizmusa segítségével rendszeresen ellenőrzi a kibocsátott és elnyelt gázmennyiségeket. A kibocsátások fokozatos csökkentése érdekében az EU emellett létrehozott egy olyan rendszert, amely a piac szabályain alapul, és lehetővé teszi az üvegházhatású gázok kibocsátási egységeinek kereskedelmét. Az Unió továbbá a fluortartalmú üvegházhatású gázokra vonatkozóan külön szabályokat vezetett be [4]. 1.3.1. Általános hulladékjog 2006/12/EK irányelv Az új keretirányelv célja a korábbi keretirányelvek rendelkezéseinek optimalizálása, megtartva annak alapvető felépítését és főbb rendelkezéseit. 75/439/EGK irányelv: a hulladékolajok ártalmatlanításáról szól, és a hulladékolajok gyűjtését és ártalmatlanítását szabályozza.
5
1.3.2. A hulladékgazdálkodás szabályozása Magyarországon 1995. évi LIII. törvény: ez a szabályozás védte Magyarországot az illegális hulladék behozatallal szemben. 2000. évi XLIII. törvény elfogadásával és hatályba lépésével fontos szabályozási időszak kezdődött. Alapvető szempontrendszere szerint minden tevékenységet úgy kell megtervezni és végezni, hogy az a lehető legkisebb mértékben érintse a környezetet, illetve a környezeti-igénybevétel csökkenjen, a környezetveszélyeztetés, valamint a környezetszennyezés minimális legyen, a hulladék hasznosítása, ártalmatlanítás a lehető legnagyobb mértékben környezetkímélő legyen. Ezek a szabályozások folyamatosan bővülnek [5]. 1.3.3. A biohulladékok kezelésének szabályai Biohulladék olyan általában növényi és állati eredetű hulladék, amely biológiailag lebontható. A biohulladék kezelése többféleképpen történhet: például komposztálással és telepi komposztálással. A telepi kezelés a környezetvédelmi hatóság engedélyével végezhető hulladékkezelési tevékenység. A kezelés eredménye lehet komposzt, illetve biogáz. A keletkező biogázt zárt rendszerben kell hasznosítani [5]. 1.3.4. Hulladékégetésre vonatkozó szabályok A 2001. évi szabályozás újdonsága és egyben legvitatottabb eleme a hulladékok nyílttéri égetésének általános tilalma. A legfőbb szabály szerint az égetést erre a célra kialakított és előzetesen engedélyezett hulladékégető berendezésben lehet végezni [5]. 1.3.5. Energiaforrások szabályozásai 1. fosszilis (nem megújuló) energiahordozók: kőolaj, földgáz, barnaszén 2001/77/EK irányelv 2. cikk a.) pontja a villamos energiapiacon megújuló energiaforrásokból előállított villamos energia támogatásáról szól. 2. megújuló energiaforrások A megújuló energiahordozó-használás jelenleg az EU-ban 6 %-os. Az Európai Unió Fehér Könyve szerint 2010-re 6 %-ról 12 %-ra kell növelni a megújuló energiaforrások arányát az összenergiához képest. 2001/77/EK irányelv a megújuló erőforrások által termelt villamos energia elterjedésének elősegítéséről szól. 2003/30/EK irányelv a biológiai eredetű üzemanyagok arányának 2010-re történő 5,75 %ra növekedését írja elő [5]. 6
2. MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK Megújuló energiaformáknak azokat az energiaformákat nevezzük, melyek ugyanonnan, ugyanolyan mennyiségben és minőségben ismételten kinyerhetők, vagy újratermelődésük biztosított; akár naponta többször ismétlődően rendelkezésre áll, vagy jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül újratermelődik. Megújulásuk záloga a Napnak a Földre érkező energiája, mely elengedhetetlen termelődésük és felhasználásuk egyensúlyához. Ilyen energiaformák a nap-, szél-, víz- és geotermikus energia, valamint a biomasszából nyerhető energia. Van, aki a megújuló energiaformák közt említi a hulladékhő hasznosítását is, hiszen amíg az alapul szolgáló hőkibocsátó biológiai vagy technológiai folyamat működik, addig a folyamat során keletkezett hulladékhő is újratermelődik. Ez utóbbi típus azonban úgy is felfogható, mint energiával való takarékoskodás – az emberi tevékenység energiaveszteségének csökkentése. Közös jellemzőjük ezeknek az energiaforrásoknak, hogy fosszilis energiahordozók kiváltására alkalmasak, ily módon megállíthatják a légköri CO2 szintjének további növekedését, a kibocsátott anyagokat tekintve általában is környezetkímélőbbek, eredetüket tekintve pedig erőforrás-kímélőek, nem csökkentik a Földön található energia készletek szintjét [6]. 2.1. Az energiahordozók típusai Az energiaforrások ennek értelmében lehetnek: megújuló, nem megújuló, kimeríthető, és kimerülő erőforrások: a) Ki nem meríthető energiaforrások
Mennyisége nem korlátozott: szélenergia, napenergia, árapály energia.
Mennyisége korlátozott: termőföld és a termesztett biomassza energia, geotermikus energia.
b) Kimeríthető energiaforrások
Nem megújuló: fosszilis energiaforrások, kőolaj, földgáz, szén és származékaik.
Megújuló: természetes erdők. Az energiatermelés jelentős része ma még a kimeríthető és nem megújuló energia-
forrásokra támaszkodik a villamosenergia-termelésben és a fűtési hő előállításában. Ezért rendkívül fontos, hogy olyan biztos energiaforrások használatát aknázzuk ki, amelyek nem kimeríthetők és megújulók; energiát a naptól, a széltől, a víztől és a növényektől nyeri [7]. 7
Hazai viszonylatban az összes megújuló energiafelhasználás 72,5 %-át a tűzifa teszi ki. A geotermikus 10,3 %-ot, a vízenergia 1,9 %-ot, a növényi és egyéb szilárd hulladékok 10,9 %-ot, a hasznosított napenergia 0,15 %. 2.2. A megújuló energiák hasznosítása lakossági szinten A megújuló energiaforrások során az előállított energiát épületléptékben fűtésre, hűtésre, használati melegvíz-termelésre, illetve elektromos árammal működő berendezések üzemeltetésére lehet hasznosítani. Nézzük sorra a megújuló energiaforrások hasznosításának lehetőségét a családi házak, illetve lakások esetén: I.
Napenergia hasznosítás
II. Geotermikus energia hasznosítása III. Vízenergia hasznosítás IV. Szélenergia hasznosítás V. Biomassza hasznosítás VI. Biogáz termelés és hasznosítás [7]. 2.3. Jelentőségük és a legfontosabb megújuló energiaforrások A megújuló energiaforrások jelentősége, hogy használatuk összhangban van a fenntartható fejlődés alapelveivel, tehát alkalmazásuk nem rombolja a környezetet, ugyanakkor nem is fogják vissza az emberiség fejlődési lehetőségeit. Szemben a nem megújuló energiaforrások (kőszén, kőolaj, földgáz stb.) használatával, nem okoznak olyan halmozódó káros hatásokat, mint az üvegházhatás, a levegőszennyezés, vagy a vízszennyezés. A legfontosabb megújuló energiaforrások: napenergia (naperőmű), napelem, napkollektor, vízenergia (vízerőmű), árapály-energia, hullám energia, szélenergia, geotermikus energia, szilárd biomassza, bioetanol, biodízel, biogáz.
8
3. A BIOMASSZA ÉS ENERGETIKAI HASZNOSÍTÁSA A biomassza kifejezés alatt tágabb értelemben a Földön lévő összes élő tömeget értjük. A mai elterjedt jelentése: energetikailag hasznosítható növények, termés, melléktermékek, növényi és állati hulladékok [8]. A biomassza a fejlődő országok legfontosabb energiaforrása, a világ energia-felhasználásának 14 %-át jelenti. Gyakorlatilag az összes biomassza-termékeket lehet alakítani a kereskedelemben forgalmazott tüzelőanyagokká, amelyek alkalmasak a fosszilis üzemanyagok helyettesítésére. Ezeket fel lehet használni a szállításra, fűtésre, villamosenergia-termelésre, vagy bármiféle más fosszilis tüzelőanyagként [9]. 3.1. A biomassza típusai Elsődleges biomassza: természetes vegetáció, szántóföldi növények, erdő, rét, legelő, kertészeti növények, vízben élő növények. Felhasználása: nagy energiahozamú energiaültetvények (energetikai ültetvény fás- vagy lágyszárú, energiaerdő); a növénytermesztés melléktermékeinek (szalma, szár, torzsa stb.) energetikai hasznosítása; erdészeti, erdőgazdálkodási melléktermékek (gally, kéreg, hulladékfa, stb.) hasznosítása. Másodlagos biomassza: állatvilág, gazdasági haszonállatok, az állattenyésztés fő termékei, melléktermékei, hulladékai. Felhasználása: főként állati trágya, melyből biogáz állítható elő, mert az elsődleges biomasszából kb. 18·106 t/év mennyiséget használ fel az állattenyésztés, amelyből kb. 7·106 t/év anyagmennyiséget állít elő. Harmadlagos biomassza: biológiai eredetű anyagokat felhasználó iparok termékei, melléktermékei, hulladékai, emberi települések szerves eredetű hulladékai. Felhasználása: energetikai célra, az egyéb szerves melléktermékek hasznosítása még vizsgálandó kérdés [10]. 3.2. Energetikai jellemzői A biomassza keletkezési formájában rendkívül sokféle, és a keletkezés helyén csak kivételes esetekben használható fel energetikai célokra. A felhasználás különféle előkészítő műveleteket igényel úgy, mint betakarítás, szárítás, szállítás, aprítás, nemesítés, manipulálás, tárolás stb. biomassza energetikai hasznosítása közvetlen égetéssel vagy konverziót követően történhet. A közvetlen elégetés során a biomasszában található C, H, és egyéb éghető anyagokat oxidálva égéstermékek jönnek létre, ill. energia szabadul föl (exoterm reakcióhő), azaz a kémiai energiát oxidációval hőenergiaként nyerjük ki. 9
Fontos, hogy a fűtőértékkel meghatározott energiatartalom nagyobb legyen, mint az anyag felhevítéséhez és víztartalmának (20-70 % között) elpárologtatásához szükséges energia összesen. A biomassza fűtőértéke reálisan 15 MJ/kg-ként számolható, ha nedvességtartalma 10 % körüli (légszáraz). A biomassza sajátos tulajdonsága a magas illóanyagtartalom (a fűtőérték 60-70 %-a) és az alacsony hamutartalom (1-7 %). Elégetésük speciális kazánt igényel, a keletkező hamu káliumtrágyaként talajerő-utánpótlásra hasznosítható. A biomassza előkészítése tüzelésre általában: szálas anyagokból bálázással, fás szárúaknál pelletálással vagy brikettálással. Az előkészítés energiaigénye általában az alapanyag fűtőértékének töredékét teszi ki (1-5 %). A teljesítményszabályozás egyetlen reális módja, hogy a tüzelőtérbe vitt anyag mennyiségét változtatjuk. Konverziót követően a biomasszából mechanikai, termikus stb. kezeléssel vagy kémiai átalakítással előbb gázt, olajat, alkoholt, szenet állítanak elő, és ezeket hasznosítják energiahordozóként (hajtóanyag vagy tüzelőanyag). A biomassza széles körű, energetikai célú felhasználását több körülmény is indokolja. Az ország külső energiafüggőségének (legalább 70 %) csökkentése, az élelmiszertermelésből kötelező jelleggel kivonásra kerülő földterületek (25-30 éves távlatban akár 3-4 millió ha) hasznosítása, a vidéki népesség munkalehetőségének, a helyben maradás feltételeinek biztosítása, és nem utolsó sorban a globális környezetvédelemmel és az éghajlatváltozással összefüggő szempontok [2]. 3.3. Szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása A mező- és az erdőgazdaság igen nagy mennyiségű mellékterméket produkál, amiket számos célra fel lehet használni, például a talajerő visszapótlására, ipari felhasználásra vagy energiatermelésre. Energiatermelésre a gabonaszalma és a fahulladék a legalkalmasabb. A fa ipari feldolgozása, megmunkálása során szintén nagy mennyiségű melléktermék, hulladék keletkezik, amelyet szintén jól lehet energetikai célokra hasznosítani. A keletkező faforgácsot, fűrészport, fakérget szárítása után brikettálják, amely aztán könnyen hasznosítható energiaforrás. Energiahasznosításra az alábbi növények jöhetnek számításba:
különböző fafajok (nyár-, fűz-, akácfa),
magas cukortartalmú cukornövények (cukorcirok, cukorrépa),
magas olajtartalmú növények (napraforgó, repce, szója).
10
A bio tüzelőanyagok elégetése ritkán történik eredeti formájukban. Fajtától függően elkezelést igényelnek, például: darabolás (aprítás, őrlés), tömörítés (bálázás, pogácsázás, pelletálás). A brikettálást és a pelletálást általában szárítás követi, hiszen a bio tüzelőanyagok víztartalma magasabb a technológia által megköveteltnél (20 % alatt kell lennie). A mezőgazdasági és erdészeti melléktermékek könnyű szállításához, hasznosításához szükség van tömörítésre. A tömörítvényeknek két fő fajtáját különböztetjük meg: -
pellet: 10-25 mm átmérőjű tömörítvény;
-
biobrikett: 50 mm vagy annál nagyobb átmérőjű, kör, négyszög, sokszög vagy egyéb profilú tömörítvények. Általában kötőanyag felhasználása nélkül készítik, ám a szilárdság növelése érdekében pl. a szalma briketthez fűrészpor, fenyőfakéreg adagolása célszerű. Brikettálni csak a 10-15 % nedvességtartalmú alapanyagokat lehet, tehát, ha a tömörí-
tendő anyag nagyobb nedvességtartalmú, szárítást igényel. Előnyei: a) Fűtőértéke a hazai barnaszenekének felel meg (15,5 – 17,2 MJ/kg), de azoknál tisztább. b) A szén 15-25 %-os hamutartalmával szemben csak 1,5-8 % hamut tartalmaz, melyet talajerő visszapótláshoz lehet használni. c) Kéntartalma maximálisan 0,1-0,17 %, amely a szén kéntartalmának 15-30-ad része. Hátránya: a) nedvesség hatására szétesik, de nedvességtől gondosan elzárt helyen korlátlan ideig tárolható [11]. 3.3.1. Biomassza tüzelés A biomassza eredetű tüzelőanyag alapvető jellemzője a kis sűrűség (nagy fajlagos térfogat), és az, hogy egy évben általában csak egyszer terem. Ebből következik, hogy például egy búzaszalma-bázisra építendő erőmű részére, ha azt egész évben üzemeltetni akarjuk, aratás után nagy területről kellene összegyűjteni és tárolni az egész éves működéshez szükséges tüzelőanyagot, ráadásul úgy, hogy ne ázzon be, mert nedvesen elindulhat a rothadás (a szárazon tartás pedig nagy tűzveszélyt jelent) [2]. A mezőgazdasági melléktermékekre, csakúgy, mint a tűzifára, jellemző a viszonylag alacsony szén- (45-50 %) és a magas oxigén-tartalom (40-45 %) mellett a nagy illóanyag arány (75-85 %) is. Ezek az adatok lényeges mértékben eltérnek a hagyományos fosszilis tüzelőanyagokra vonatkozó értékektől, ezért közvetlen elégetésük külön erre a célra tervezett kazánokat és tüzeléstechnikát igényel [2]. 11
1. ábra: Nagyteljesítményű (hőerőművi) faapríték tüzelés [2]
A tűzifát hasznosító hőerőművek általában a faapríték tüzelést alkalmaznak (1. ábra) [2]. A beérkező hasábfát aprítógéppel 1-2 cm nagyságú darabokra aprítják, amit csigás adagolóberendezéssel visznek be a fluidizációs üzemmódban működő tűztérbe. Füstgázkezelésre elegendő egy nagy hatásfokú porleválasztó egység beépítése, hiszen a fa csak elhanyagolható mennyiségű kenet és más szennyezőt tartalmaz, ráadásul az égés hőmérséklete sem haladja meg a 850-900 oC-ot, így az NOx képződés is határérték alatt marad. Magyarországon (2007re) 3 korábbi szénerőmű állt át részben-vagy egészben fatüzelésre, nevezetesen a Borsodi (Kazincbarcika), a Pécsi és az Ajkai Hőerőmű [2]. A tüzelés veszteségei:
Füstgázzal távozó hőenergia
A tökéletlen égés miatti veszteség
A visszamaradt anyagok miatti veszteség [12].
Füstgáz Az eltüzelés során keletkező gáz halmazállapotú égésterméket nevezzük füstgáznak. Beszélünk elméleti és valóságos száraz, ill. nedves füstgázmennyiségről, attól függően, hogy a légfelesleg-tényezőt figyelembe vesszük-e: Vfn=Vfon + (m-1)·Vo, ahol Vfn a valóságos, Vfon az elméleti nedves füstgázmennyiség, m a légfelesleg tényező, Vo pedig az elméleti levegőszükséglet [12]. 12
A biomassza égése során égési szakaszok különíthetők el:
t < 100 oC , szárad (nedvességtartalom különválik),
100 oC< t < 200oC , molekulák hasadása – gázképződés,
225 oC< t, megkezdődik a folyamatos égés,
260 oC< t, exoterm /spontán hőtermelő/ folyamat,
1000 oC körül az összes gáz már elég, a visszamaradó karbon égése [12].
3.4. Folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása Biodízel előállításához magas olajtartalmú növényeket használnak fel. A növényi olajok közeli rokonságban vannak egymással és a ricinus kivételével elvileg valamennyi alkalmas motorhajtó anyagok alapanyagának. Európában főként repcét és napraforgót az USA-ban főként szóját, Délkelet-Ázsiában pedig olajpálmát használnak fel ilyen célra [6]. Magyarországon a magas olajtartalmú növények közül az őszi káposztarepcének vannak alkalmas ökológiai adottságú területek, főleg Nyugat-Magyarországon. E növény termesztéséhez hazánkban minden feltétel adott, és a kinyerhető repceolaj nemcsak üzemanyagként, hanem kenő-, hidraulikaolajként, valamint tüzelőolajként is hasznosítható. A növényi eredetű biomasszából előállított folyékony energiahordozók alkoholok, zsírok és olajok lehetnek, melyeket az alábbi módokon lehet hasznosítani:
motorhajtóanyagként,
hidraulika- és fékfolyadékként,
kenőolajként,
tüzelési célokra,
vegyipari és élelmiszeripari alapanyagként [13].
3.5. Biogáz A biogáz szerves anyagok anaerob lebomlásánál keletkező metántartalmú gáz. Alapanyagként bármilyen szerves hulladék – mezőgazdasági, feldolgozóipari vagy települési (kommunális). Az alapanyagok sokféleségéhez igazodva többféle eljárás ismert, közös azonban az az elv, hogy egy fermentorban szabályozott hőmérsékleten, anaerob viszonyok közt metántermelő baktériumok segítségével gázt termelnek, azt tisztítják, tárolják, majd elégetik. A gáz kémiai energiáját itt is hő vagy elektromos áram előállítására, illetve a kettő kombinációjára használják. A folyamat értékes, kierjedt szerves trágyát termel, de a megfelelő alapanyagokkal és körülményekkel gyógyszeralapanyagok előállítására is képes [2]. Felhasznált alapanyagként a primer, szekunder és tercier biomassza egyaránt szóba 13
jöhet, gyakorlatilag azonban főként szekunder és tercier (szerves) hulladékok energiacélú hasznosításra alkalmazzák. A biogáz-eljárás előnye a sokoldalúság: a gáztermelésen kívül alkalmas veszélyes hulladékok ártalmatlanítására, emellett a kierjedt anyag is értékes (biotrágya, esetleg gyógyszeralapanyagok). Hátránya az eljárásnak, hogy beruházás-igényes, üzemeltetése pedig szigorú technológiai fegyelmet igényel. Az eljárás ott javasolt, ahol nagy mennyiségben, folytonosan keletkezik szerves melléktermék. Így alkalmas állattartó telepek hígtrágyájának ártalmatlanítására, feldolgozóüzemek (vágóhíd, konzervgyár) hulladékának, szennyvizének kezelésére, illetve kommunális szennyvizek tisztításának gazdaságosabbá tételére. Biogáz nyerhető még gyűjtőcsövekkel szemétlerakó telepekből is (depóniagáz), bár az itt lerakott anyagot nem lehet trágyaként hasznosítani [6]. A biogázt pedig ugyanazon gépekben, berendezésekben használhatjuk fel, mint ahol a földgázt is alkalmazzuk. A különböző biomassza formákban a szénhidrátok kémiai kötéseiben „tárolt” napenergia „felszabadítása” jelenti annak energetikai hasznosítását. A növényi és az állati szénhidrátok, fehérjék, zsírok energetikai hasznosítása történik akkor is, amikor az állatok vagy az ember megeszi azokat. Tehát nagyon fontos az ember szempontjából, hogy a biomassza energetikai hasznosításai közül (élelmezés, takarmányozás, üzemanyag; food, feed, fuel; FFF) ezeket a lehetőségeket a saját érdekében milyen arányban teszi meg [13].
14
4. FA ALAPÚ HULLADÉKOK HASZNOSÍTÁSA: BRIKETT, PELLET A mezőgazdasági melléktermékek fajlagos térfogatának csökkentése jelentősen növelheti az energetikai hasznosítás lehetőségét. Ennek gyakorlati megoldása az aprítást követő sajtolás, mellyel egységes szemcseméretű biopellet vagy biobrikett állítható elő. A sajtolással nyert terméket: brikett-nek nevezzük, ha jellemző méret 50 mm-nél nagyobb, kör- vagy négyszög-alapú hasáb, esetleg tojás, míg tűzi-pellet a neve a kisebb (10 - 25 mm) méretű, többnyire henger vagy kukac-alakú granulátumnak [2]. 4.1. Brikett (biobrikett) Az energetikai tömörítvények fontos változata a brikett. A brikettálás a növények maradékainak, ipari hulladékainak energetikai felhasználásra való előkészítése. A brikett alapanyaga: kis sűrűségű, nagy nedvességtartalmú, rossz hatásfokkal égethetők, ezért közvetlenül nem használhatóak fel. Ilyen hulladékok: faforgács, faapríték [13].
2. ábra: Biobrikett (kereskedelmi készítmény) [14]
A bio (fa) brikett (2. ábra): egy nagyon korszerű, környezetbarát tüzelőanyag, amely használatkor a környezetvédelem érdekei, a hulladék újrahasznosítás elvei, a természetes anyagok iránt érzett vonzódás és a kényelmi szempontok egyidejűleg érvényesíthetők. A tűzifa, a szén, a koksz és a szénbrikett helyettesítésére ajánlott környezetbarát energiahordozó. A biobrikett a fafeldolgozásnál visszamaradt „hulladék” felhasználása forgácsból, fűrészporból és fahulladékból adalékok hozzáadása nélküli fűtőanyag. 15
Tulajdonképpen természetbarát, tehát „bio” fűtőanyag, melynek gyártása semmi különleges módszert nem igényel: a kellő mennyiségű fűrészport és gyalulékot a megfelelő gépi berendezések magas nyomáson összepréselik és kész is a jó minőségű, könnyen kezelhető, raktározható tüzelő. A hulladékokhoz semmilyen vegyi anyagot, ragasztót vagy más adalékot nem kell adni, ezért is mond(hat)juk bátran környezetkímélőnek. A. 6x6 cm nagyságúra szabdalt brikett kályhák, kemencék, fakazánok, katlanok és kandallók fűtésére egyaránt kiválóan alkalmas. Az égéskor csak kevés melléktermék keletkezik. Huszonnégy órai fűtés után mindössze egy kis tányérnyi szemét marad az égéstérben. A fa brikett emellett a vízmentes csomagolás jóvoltából a hosszú távú tárolás is biztosítható [15]. 4.1.1. A brikett jellemzői
Természetes alapanyagokból (faforgács, faapríték, fűrészpor) készül.
Kötőanyagot (ragasztót) egyáltalán nem tartalmaz, ezért kémiai összetétele a természetes fáéval azonos.
Nedvességtartalma kicsi, 1-2 % körüli, ezért sokkal könnyebben, jobb hatásfokkal ég, mint a tűzifa.
Fűtőértéke viszonylag nagy, kb. 18-19 MJ/kg, tehát megegyezik a barnaszénével,
Hamutartalma kicsi (1-2 %), hamuja környezetbarát, a szénsalakkal szemben természetes növényi tápanyag, ezért kiskertekben műtrágya helyettesítésére kiszórható.
A fában gyakorlatilag nincs kén, ezért füstje a környezetre káros kén-dioxidot nem tartalmaz. Ahhoz, hogy a környezetbarát tüzelőanyag, a biofabrikett előbb felsorolt előnyei maradéktalanul érvényesülhessenek, megfelelő, jó állapotú tüzelőberendezésben kell elégetni. Mindenekelőtt azt kell tudnunk, hogy a biofabrikett használatakor a fatüzelés ismert szabályait kell betartani, de figyelembe kell venni néhány, csak a biobrikettre jellemző tulajdonságot is.
A tűzifával szemben 2-3-szor nagyobb sűrűségű, és mintegy 50 %-kal nagyobb fűtőértékű, ezért ugyanolyan meleg eléréséhez a tüzelőberendezésben sokkal kisebb mennyiséget kell elégetni.
égés közben a biobrikett mérete változhat, ezért a tűzteret nem szabad teljes mértékben kitölteni (ajánlott az 50-60 %-os töltés). 1 kilogram tűzifa fűtőértéke 14-17 MJ, a barnaszéné 12-17 MJ, a fa briketté pedig 17,5-
19 MJ. Ez tehát azt jelenti, hogy a fabrikettel egyharmaddal olcsóbban fűthetünk (ugyanazon fajlagos ár esetén), mint a villanyárammal vagy a gázzal; komoly megtakarításról van szó, ami egy szezonban tízezreket jelenthet [15]. 16
Külföldön nagy a keletje. Magyarországon jóval több elfogyna, mint amennyit képesek vagyunk gyártani, de van, ahol nem nagyon veszik, pl. Szlovákiában [15]. Hazánkban mindössze nyolc helyen – túlnyomórészt faipari üzemekben – működik biobrikett gyártó egység. Az így előállított termék mennyisége mindössze 6-7 ezer tonnát tesz ki évente. Figyelembe véve az előállítás magas fajlagos költségét, minimum 5000 tonnás éves előállítási kapacitás mellett gazdaságos foglalkozni vele [16]. 4.1.2. A brikettálás menete Első lépésben az alapanyagot megfelelő méretűre kell aprítani, porítani: átlagos szemcseméret: 1,5 mm, max. 5 mm-es méret. Ha a nedvességtartalom 14 %-nál nagyobb akkor az anyagot szárítani kell. Ezt követi a tömörítés, amit dugattyús vagy nyomócsigás présgéppel, nagy nyomáson végeznek el általában 2 lépésben (előtömörítés és préselés). A brikett sűrűsége: 0,8-1,5 kg/dm3 [13]. 4.2. Pellet A pellet olyan, nagy nyomáson préselt szálas, rostos anyag, amelyet vagy saját anyaga, vagy belekevert kötőanyag tart össze. A néhány milliméteres átmérőtől a több centiméteres átmérőjű anyagrudakat alkot (3. ábra), az alapanyag és a használt pelletálási technológia függvényében. A legáltalánosabban ismert pellet-fajta a nyúltáp. A leggyakrabban használt anyagok, a pellet előállítás során a faforgács és a fűrészpor. [17]
3. ábra: Tűzi pellet (kereskedelmi készítmény) [18]
17
4.2.1. A pellet jellemzői
a fűrészpornál könnyebben ég el,
a fánál jóval homogénebb szemcseméretű és emiatt automatizált házi tüzelő-rendszerekben a tűzifánál jobban hasznosítható,
mérete a 6 mm-es átmérőjű és 2-5 cm-es hosszúságú,
környezetbarátabb a fafűtésnél,
nedvességtartalma 10 %-nyi (a fa esetén 40 %) [3],
1 m3 fa pellet súlya kb. 650 kg [13].
4.2.1.1. Pellet a tüzeléstechnológiában
fapellettel üzemelő kazán égőfejét elhagyó láng hőmérséklete 800-1000 °C,
füstgáz hőmérséklete 70-100 °C,
a rendszer 90 %-os hatásfokú,
visszamaradó salakanyag: 0,5-1 kg (minőségtől függ) [17].
4.2.2. A pellet tüzelés előnyei -
Teljesen automatizálható: a pellet kazán a hagyományos fatüzeléses kazánokhoz viszonyítva szinte a gáztüzelés komfortját nyújtja, magas hatásfokon, automatizált működéssel, költségtakarékosan.
-
Alacsony karbantartási igényű: a pellettárolótól függően a tároló feltöltése 2-4 hetente esedékes, ami azonban tárolóhelység kialakításával évi egyszeri feltöltésre csökkenthető.
-
A pellet alacsony hamutartalmának köszönhetően a tisztítás - teljesítménytől függően 2-4 hetente egyszer szükséges.
-
Gazdaságos és környezetbarát: a pellet kazán magas hatásfokának köszönhetően a fűtési kiadások csökkenthetők, az égés folyamatos magas hőmérsékletének eredményeképp károsanyag-kibocsátása rendkívül kedvező, még a fatüzelésű kazánokhoz mérten is alacsonyabb [13].
18
5. HŐBONTÁS - PIROLÍZIS A hőbontás (pirolízis) a szerves anyagú hulladék kémiai lebontása megfelelően kialakított reaktorban, hő hatására, oxigénszegény vagy oxigénmentes közegben – esetleg inert gáz (pl. nitrogén) bevezetés közben [1]. A hőbontás során a szerves hulladékból pirolízis gáz, folyékony termék (olaj, kátrány, szerves savakat tartalmazó bomlási víz) és szilárd végtermék (piroliziskoksz) keletkeznek [2]. Pirolízis a biomassza kereskedelmi üzemanyaggá alakításának leggyakoribb termokémiai folyamata. A pirolízis során, biomasszát levegő hiányában fűtjük, így az lebomlik, folyadékok komplex keveréke, gázok és maradék termék keletkezik [9]. Reakciófeltételek: -
hőmérséklet
-
reakcióidő,
-
szemcsenagyság,
-
keveredés
A hőbontás alaptípusai:
kis- és középhőmérsékletű eljárások (450-600 °C)
nagyhőmérsékletű eljárások (800-1100 °C)
nagyhőmérsékletű salakolvasztások eljárások (>1200 °C) A salakolvasztásos technológia célja a gáznemű végtermék-kihozatal növelése, másrészt
a környezettel szemben teljesen közömbös, kiégett maradékanyag biztosítása (az olvasztott salak-granulátum gyakorlatilag bárhova lerakható). A végtermék felhasználása
energiahordozóként (fűtőgáz, tüzelőolaj, koksz),
vegyipari másodnyersanyagként (pl. a gázterméket szintézisgázzá konvertálva metanol előállításához)
egyéb célokra (talajjavítás szilárd, szénben dús maradékkal; fakonzerválás vizes maradékkal; granulált salakolvadék építőipari adalékanyagként stb.) [11].
5.1. A pirolízis előnyei, hátrányai A hőbontás legnagyobb előnye az, hogy termékei értékesíthető alifás és aromás szénhidrogének, továbbá légszennyező hatása jelentősen kisebb, mint a hulladékégetésé. 19
Hátránya ugyanakkor a fokozott anyag-előkészítési igény, valamint az, hogy főként a kisebb hőmérsékletű eljárásokban a gáztisztítás összetettebb és komplikáltabb, valamint az ennek során keletkező, többnyire erősen szennyezett mosóvizet is komplex módon tisztítani kell. Hátrányos továbbá, hogy az égetéshez képest nagyobb a lehetősége a nehezen bomló, nem tökéletes égéstermékek képződésének. A hőbontási eljárások fejlesztése folyamatban van. A költségek az égetéshez hasonlóak, esetenként az üzemeltetési költségek a végtermékek kedvező értékesítése következtében fedezhetők is. A szabályozott termikus oxidáción alapuló pirolízis technológia lényege, hogy az első kamrában oxigénmentes körülmények között a szilárd hulladékot alkotó szénvegyületek gázfázisúvá alakulnak át. A második kamrában (az ún. utóégetőben) a gáz levegővel turbulens áramlással keveredik, ez által magasabb hőmérsékletet elérve, biztosítjuk a lehetséges veszélyes anyagok teljes ártalmatlanítását. A termikus folyamat különböző paramétereit betápláljuk egy számítógépes folyamatirányítóba, mely képes az ártalmatlanítás korrekcióját adott időközön belül megoldani [19]. 5.2. A pirolízis során alkalmazott reaktorok, technológiák A kémiai technológia valamilyen kiindulási anyagból, amit nyersanyagnak nevezünk, az ember számára szükséges anyag (termék) előállításával foglalkozik. Technológián a nyersanyagok termékké való feldolgozásának elméletét és gyakorlatát értjük. Megkülönböztethetünk mechanikai technológiát, amelyik csak fizikai műveleteket használ és kémiai technológiát, amely a fizikai műveletek mellett kémiai műveleteket is megvalósít. A kémiai technológiának a technikai és tudományos hátterét a vegyészmérnöki tudomány biztosítja [2]. A kémiai reaktorokat különböző szempontok szerint csoportosíthatjuk. A különböző szempontok alapján beszélhetünk folyamatos, félszakaszos, szakaszos reaktorról; cső- és tankreaktorról, reaktorkaszkádról; töltetes és oszlopos reaktorról, stb. A fűtési szempont szerint lehetnek:
közvetett (reaktorfalon keresztül, ill. cirkulációs közeg segítségével) és
közvetlen fűtési megoldásúak.
A közvetlen fűtésű reaktorokban a pirolízis és a hőenergiát szolgáltató parciális égés közös térben megy végbe. A reaktorfalon keresztüli hőközlés egyrészt rossz hatásfokú, másrészt az ilyen reaktorok érzékenyek a tűzálló falazat minőségére, viszont egyszerű üzemeltetésűek és jól szabályozhatók. A cirkulációs közegű hőátadás jó hatásfokú, ellenben bonyolultabb az üzemeltetése. Közvetlen fűtési módszerrel érhetők el a legjobb hőátadási viszonyok, viszont ilyenkor 20
megnő a gáztermékek szén-dioxid-, víz-és nitrogén-oxid-tartalma és körülményesebb a folyamatszabályozás is. A reaktorban feldolgozott anyag és a pirolízisgázok egymáshoz viszonyított áramlási iránya szerint megkülönböztetünk egyen-, ellen- és keresztáramú eljárásokat. Az áramlási irány lényeges a gáztisztítás bonyolultsága szempontjából. A hulladék hőbontására négyféle reaktortípus használatos:
a vertikális vagy aknás reaktorok,
a horizontális fix reaktorok,
a forgódobos reaktorok és
a fluidizációs reaktorok [19].
4. ábra: Az ECO-WASTE SOLUTION pirolízisrendszer elvi technológiája 1. hulladékadagoló; 2. pirolízis kamra; 3. gázelvezető összekötő; 4. utóégető kamra; 5. szabályozó rendszer; 6. ipari vákuum rendszer; 7. füstgáztisztító; 8. energia visszanyerő; 9. kémény [19]
A fenti elvet a gyakorlatban megvalósító ECO-WASTE rendszer felépítését a 4. ábra szemléleti. A jelenlegi adatok alapján 1 t háztartási hulladék pirolízise során 100–120 kWh 21
energia visszanyerésével lehet számolni. Az eljárás végterméke a salak, hamu már nem tartalmaz toxikus kioldható anyagokat, így külföldön ez az anyag minden megkötöttség nélkül lerakható (akár települési hulladékkal együtt). Hazai alkalmazás esetén minősítő vizsgálatok szükségesek, de III. osztályú minősítés esetén, pl. takaróföldként szintén elhelyezhető [19]. 5.3. Elgázosítási eljárások A hőbontási eljárások különleges típusát képviselik az elgázosítási módszerek, melyeknél a szerves anyagok hőbontása min. 850–950 °C hőmérsékleten (max. 1600–1700 °C hőmérséklethatárig), segédanyagok – levegő, oxigén, vízgőz – segítségével megy végbe, a lehető legnagyobb gázkihozatal érdekében. Az elgázosításhoz szükséges energiát a szerves anyagok parciális égetése biztosítja. A gáztermék döntően hidrogént és szén-monoxidot tartalmaz, fűtőértéke jelentősen az alacsonyhőmérsékletű pirolízisgáz fűtőértéke alatt marad (levegővel történő elgázosításkor átlagosan 5 MJ/m3, oxigénnel történő elgázosításkor átlagosan 10 MJ/m3). Az alkalmazott elgázosító reaktorok szilárd ágyas, fluid ágyas és áramlásos rendszerűek. A négy legjellemzőbb technológia: Siemens-eljárás, Lurgi-eljárás, Noell-eljárás, Thermoselect-eljárás [19]. Ezek az eljárások gyakorlatilag többfokozatú termikus hulladékkezelést valósítanak meg, így biztosítani tudják az egyes részfolyamatok jobb szabályozhatóságát és az előzetes és köztes válogatással az inert anyagok mennyiségének csökkentését. A Siemens és a Lurgieljárásoknál a gázfázis tökéletes kiégetése a berendezésben megy végbe, míg a másik kettő olyan gázt állít elő, amely a tulajdonképpeni hulladékkezelő berendezésen kívül is elégethető. A Siemens-eljárással 100 ezer t/év kapacitású létesítmény épül Fürth-ben, a Lurgieljárással 100 ezer t/év kapacitású létesítmény Flensburg-ban, a Noell-eljárással 100 ezer t/év kapacitású létesítmény Northheim-ben, míg a Thermoselect-eljárással 108 ezer t/év kapacitással Ausbach-ban és 225 ezer t/év kapacitással Karlsruhe-ban kerül megvalósításra [19]. 5.3.1. Siemens technológia A Siemens által kifejlesztett Schwel-Brenn-eljárás (5. ábra) a pirolízis és az azt követő nagyhőmérsékletű égetés kombinációja. A 150–200 mm-re aprított szilárd települési és ipari hulladékot közvetett fűtésű forgó dombkemencében 450–500 °C hőmérsékleten pirolizálják, majd az így előállított pirolízisgázokat további kezelés nélkül közvetlenül a nagyhőmérsékletű – kb. 1300 °C-on dolgozó – égetőkamrába vezetik. 22
5. ábra: Siemens technológia [19]
A szilárd pirolízismaradékot rostálják, a fémeket leválasztják. A tapasztalat szerint az 5 mm-nél kisebb részek gyakorlatilag az egész izzítási kokszot tartalmazzák. Ezt megőrlik és szintén a nagyhőmérsékletű égetőkamrába vezetik. Itt égetik el a véggáztisztításból származó szálló port és elhasznált adszorbenst is. A hőhasznosítást követően (gőz-, ill. áramtermelés) a füstgázt a hulladékégetőkhöz hasonló komplex rendszerben tisztítják. A salakolvadékot vízfürdős hűtést követően tárolják ki. Nagy előnye a hagyományos égetéssel szemben, hogy a gáz és a finomra őrölt pirolíziskoksz elégetése az égetőkamrában alacsony (20–30 %) légfelesleggel történik [19]. 5.3.2. Lurgi-eljárás (=WIKONEX) Az előzőtől főként az elülső, termikus feltáró egységben különbözik, ahol cirkuláló fluidágyas kemencét alkalmaznak (6. ábra). A pirolízishez szükséges energiát a gáz és a pirolíziskoksz részleges elégetésével biztosítják, a fluidágy tehát önálló elgázosítóként működik. A keringtetett fluidizáló közeget olyan fűtőágy felett vezetik, amelyben a hőhasznosító kazánban előállított gőzt túlhevítik (hatásfoknövelés). A fűtőágyat az égetési levegővel fluidizálják és így az égetés véggáza nem okoz klórkorróziót. A gáz-és szilárd szén kiégetése, valamint a véggáz tisztítása az előző eljáráshoz hasonló [19]. 23
6. ábra: Lurgi-eljárás [19]
5.3.3. Noell-féle konverziós eljárás A szilárd hulladék termikus feltárása közvetetten fűtött forgódobos reaktorban, aprítás után, 450–550 °C-on történik (7. ábra). A pirolízis kokszot szárazon hűtik, a fémtartalmát leválasztják, majd őrlést követően az áramlásos rendszerű elgázosító reaktorba vezetik.
7. ábra: Noell-féle konverziós eljárás [19]
24
A pirolízisgázokat gyorshűtéssel hűtik, a kondenzálható szénhidrogéneket leválasztják és szintén a reaktorba vezetik. A pirolízis összes maradékanyaga elgázosításra kerül. Az áramlásos gázosítóban oxigén felhasználásával parciális oxidáció megy végbe, salakolvasztási hőmérsékleten, 2–35 bar túlnyomás mellett. A véggázt hűtik, tisztítják. A hűtővízzel előtisztított gáz alacsony hőmérsékletű gőzhasznosítás mellett hűl le és a gáztisztító berendezésben szabadul meg a kéntartalmától, a kinyert elemi kén értékesíthető. A szilárd olvadék vízfürdőben kerül lehűtésre és további hasznosításra. A gáztisztító szennyvize a nyersgáz szennyezéseinek nagy részét tartalmazza, ezért az oldott gázoktól és szilárd részektől elválasztják. A további gázhűtésből származó kondenzátumot a gázmosóban újra felhasználják. A gáztisztításból különböző célra hasznosítható tisztított gázt nyernek [19].
8. ábra: Thermoselect eljárás [19]
5.3.4. Thermoselect-eljárás Technológiai lépései a hulladék tömörítése, pirolízis (gáztalanítás), elgázosítás és nagyhőmérsékletű égetés (8. ábra). Alapvetően szilárd települési és ipari hulladékok kezelésére dolgozták ki. A települési hulladék előkezelés (aprítás) nélkül feldolgozható a berendezésben ahol tömörítik. Ezt követi a levegő kizárása és állandó nyomás mellett, közvetetten fűtött pirolizáló csatornában a kigázosítás vagy pirolízis 500–600 °C hőmérsékleten, majd folyamatosan az elgázosítás tiszta oxigénnel 1200 °C hőmérséklet feletti tartományba. A megolvadt szervetlen alkotórészek homogenizálva, stabil vegyületekben kötődnek meg, amelynek további hasznosítása kedvező (építési és kohászati alapanyag). A gáz tisztítása a szokásos módon, több fokozatban történik [19]. 25
6. KATALIZÁTOROK A katalizátor a kémiában egy olyan anyag, ami úgy gyorsít föl egy kémiai reakciót, hogy ő maga annak során nem használódik el [20]. A katalizátorok a reakciósebességet növelik. A katalizátorok úgy fejtik ki hatásukat, hogy jelenlétükben a reakciók más úton, alacsonyabb aktiválási energiájú részfolyamatokon keresztül játszódnak le (9. ábra). A katalizátornak gyakran kis mennyisége is elegendő nagy mennyiségű anyag átalakulásának meggyorsításához. Ha a reagáló anyagok és a katalizátor közös fázisban vannak, a katalízist homogén katalízisnek, ha különböző fázisban vannak, heterogén katalízisnek nevezzük. A katalízis során a katalizátor nem változik meg maradandóan.
9. ábra: A katalitikus folyamatok energetikai ábrázolása [21]
Sokféle anyag lehet katalizátor: elemek, szervetlen- és szerves vegyületek. Az egyszerűbb kémiai felépítésű katalizátorok (elemek, szervetlen vegyületek) gyakran több különféle reakciót is katalizálnak. Az enzimek biokatalizátorok, rendszerint csak egyféle folyamatot katalizálnak. A katalizátorok hatását fokozó anyagokat promotoroknak vagy aktivátoroknak, a hatásukat gátló anyagokat inhibitoroknak nevezzük [20]. Osztályozás szempontjai: kémiai összetétel, fizikai sajátságok, reakció típusa, ezt a 1. táblázat mutatja be [22].
26
1. táblázat: Heterogén katalizátorok osztályozása kémiai összetételük szerint [22]
Fémek nemesfémek
Nem fémek
nem nemes fémek
oxidok
Pt, Pd, Rh
Ni, Fe, Co
savas ox.
Ru, Ir, Os
Cu, Ag
bázikus ox.
szulfidok Ni, Mo, Co
foszfátok Ca, Ni, AlPO
zeolitok
6.1. A biomassza pirolízis katalizátorai 6.2.1. Dolomit katalizátor A katalizátor olcsó és jelentős mértékben csökkenti a termékgáz kátránytartalmát. Lehet elsődleges katalizátorként szárazon a biomasszához keverve és másodlagos katalizátorként is alkalmazni. A kémiai összetétele a származási helyétől függően változik, de általában 30 %(m/m) CaO-ot, 21 %(m/m) MgO-ot és 45 %(m/m) CO2-ot tartalmaz, illetve nyomokban található benne SiO2, Fe2O3 és Al2O3. A dolomit növeli a folyadékfázis terhére a gázhozamot. A biomassza és oxidálószer megfelelő arányú betáplálásával szinte 100 %-os kátrány-elimináció érhető el. A dolomit katalizátor kopás és a szén kirakódása miatt deaktiválódik, azonban olcsó és könnyen kicserélhető. A legaktívabb a dolomit katalizátor egy másodlagos fluidágyas reaktorban alkalmazva 800 °C felett. CO2 reagens esetén a kátrányok bontása nagyobb mértékű, mint vízgőz esetén. Nagyobb aktivitás figyelhető meg, ha a dolomit jelentős mennyiségű vas-oxidot tartalmaz. A dolomit nem alkalmas a termékgázban jelenlevő metán bontására, így szintézisgáz gyártása esetén önmagában nem alkalmazható [22]. A dolomit először zúzzák, majd átszitálják, így frakció részecske mérete 0,3-0,45 mmes lesz, majd levegőn, 900 °C-on, 4 órán át égetik [23]. 6.2.2. Alkálifém és egyéb fém katalizátorok Az alkáli fém katalizátorokat általában közvetlenül a biomasszához keverik hozzá szárazon vagy nedves impregnálással. Az alkáli fém katalizátorokat alkalmazva a kátránytartalom és termékgáz metán tartalma jelentősen csökken, a gázosítás sebessége pedig lényegesen megnő. A katalizátor regenerálása azonban nehéz és költséges. A gázosítás utáni hamu mennyisége megnövekszik, melynek elhelyezéséről gondoskodni kell. 27
A különböző biomasszák hamuja általában nagy koncentrációban tartalmaz alkáli fémeket, így a biomasszához keverve hatékony katalizátor lehet. Fluidágyas gázosítóban alkalmazva az alkáli katalizátorokat, részecske agglomeráció léphet fel. Másodlagos katalizátorokként is alkalmazhatók ezek az anyagok, azonban csak kb. 80 %-os szénhidrogén konverzió érhető el [22]. 6.2.3. Nikkel katalizátorok Az irodalomban másodlagos katalizátorként leggyakrabban a nikkel katalizátort említik. A kereskedelmi forgalomban elérhető nikkel tartalmú reformáló katalizátorok nagyon jó hatékonyságot mutatnak a kátrány eltávolításában, szintézisgázgyártásra alkalmas gázösszetétel kialakításában és viszonylag olcsók. A nikkel katalizátorok legalkalmasabbak másodlagos katalizátorokként fluidágyas reaktorban (780 °C-on). Előfordul, hogy dolomit vagy alkáli katalizátort alkalmaznak elsődleges katalizátorként, amit a maradék kátrány és a metán reformálás céljából nikkel katalizátoros gőzreformálás követ. Ezzel a megoldással a nikkel katalizátor dezaktivációja is megelőzhető, ami általában a szénkirakódás következménye. A nikkel katalizátor alkalmazása 740 °C felett növeli a kilépő gáz hidrogén és CO tartalmát, míg alacsonyabb hőmérsékleten metántartalmú gáz keletkezik [22]. 6.2.4. Rh/CeO2/SiO2 katalizátor: Japán kutatók 2002-ben fejlesztették ki. Alacsony hőmérsékleten alkalmazható hidrogén és szintézisgáz gyártására alkalmas Rh/CeO2/SiO2 katalizátort, melynek hatékonyságát folyamatos betáplálású fluidágyas reaktorban vizsgálták cellulóz levegővel és vízgőzzel történő elgázosítása esetén, összehasonlítva nikkel és dolomit katalizátorral. Azt találták, hogy 550 °C-on sokkal nagyobb szén konverzió érhető el ezen katalizátor alkalmazásával (94 %, nikkel esetén 79 %, dolomit esetén 39 % ugyanezen hőmérsékleten), illetve a kátránytartalom is sokkal alacsonyabbnak bizonyult. 650 °C-on már közel 100 %-os konverziót értek el. A hőmérséklet emelésével nőtt a termék-gázban a CO és H2 mennyisége, míg a CO2 és metán mennyisége csökkent [22]. Vizsgálva a vízgőz hatását a gázosításra, azt találták, hogy a szén konverzió és a hidrogén és a CO2 képződés jelentős mértékben nőtt a vízgőz hatására (vízgáz reakció következtében) még ilyen alacsony hőmérsékleten is. 7 órás működés során a szén konverzió és a gázösszetétel változatlan maradt, ami azt mutatja, hogy a katalizátor aktivitása nem csökkent [22]. 28
6.2.5. Zeolit katalizátorok Szilárd sav katalizátorok, azaz a zeolitok, a bio-olaj minőségének javítására használják oxigénmentesen a fluid ágyas reaktorokban több alkotó által [24]. A zeolitok olyan kristályos szerkezetű aluminoszilikátok, amelyek szabályos szerkezetű molekuláris méretű üregeket és ezeket összekötő csatornákat, az alumínium negatív töltését kiegyenlítő kationokat és szerkezetileg kötött vizet tartalmaznak [2]. Különösen jelentős fejlődés tapasztalható zeolitok alkalmazásában [1]. Ioncserélőként, adszorbensként illetve a heterogén katalízis területén széles körben elterjedt környezetbarát katalizátor. Ezeknek az anyagoknak számos, a katalízisben értékesnek bizonyuló tulajdonságuk van, - mint pl. nagy adszorpciós kapacitás, megfelelően erős és szabályozható savasság, termális és hidrotermális stabilitás - azonban alkalmazásuknak határt szab korlátozott pórusméret-tartományuk (0,5-1,2 nm), amely csak kisebb molekulák. Adszorpcióját és katalitikus átalakítását teszi lehetővé [25]. 6.2.5.1. Fluid cracking catalyst (FCC) Az FCC katalizátort főként nagy oktánszámú motorbenzinek előállítására alkalmazzák. E folyamat során az elkokszolódott katalizátorszemcsék folyamatosan eltávolíthatók a reaktorból, s szintén fluidizált rétegben leégetéssel regenerálhatók. Ez a technológia a katalizátorszemcsék nagyfokú mechanikai és termikus stabilitását igényli. Előbbi azért szükséges, hogy az adott méretű részecskék az intenzív mozgás és a folyamatos ütközések következtében ne párolódjanak, míg a hőállóság lehetővé teszi, hogy elviseljék a leégetés 750-850 °C hőmérsékletének és a keletkező vízgőznek a szerkezetkárosító hatásait [21].
29
7. KÍSÉRLETI RÉSZ Készült: Szegedi Tudományegyetem, Környezettudományi Intézet, 6720 Szeged, Rerrich Béla tér 1. Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék-laboratórium, 2011. március – május közötti időben a fenti gyakorlati mérések elvégzése során. A biomassza pirolízis folyamatainak vizsgálatát különböző típusú fahulladédok, mint modellanyagok felhasználásával, katalizátor nélkül és katalizátor jelenlétében hajtottam végre. A kísérleti munka célja a modellreakciók nyomon követése volt, tanulmányozni kívántuk a rendelkezésre álló berendezés alkalmazhatóságát, továbbá meghatározni azokat a jellemzőket, amelyek a különböző típusú fahulladékok esetén jelentkezhetnek.
10. ábra: A kísérleti berendezés összeállítása
7.1. Kísérleti berendezés A Szegedi Tudományegyetem Alkalmazott- és Környezeti Kémiai tanszék laboratóriumában található elektromos fűtésű kísérleti reaktor és a hozzá kapcsolódó kétlépcsőskondenzációs berendezés, valamint üzemi paramétereket mérő műszerek (10. ábra). 30
7.1.1. Betáplálás A mezőgazdasági hulladékot-biomassza modellanyag, ezeket a 11. ábra mutatja: -
kemény tölgyfa (Quercus robur) fűrészpor,
-
közönséges nyírfa (Betula pendula) fűrészpor,
-
nyárfa (Populus tremula) fűrészpor,
-
fenyőfa (Pinus sylvestris) fűrészpor,
-
akácfa (Robinia pseudoacacia) fűrészpor.
11. ábra: A kísérlet során használt minták szárítás után
Alkalmazott katalizátor: Fluid Cracking Catalysator (F-1-13) Katalizátoros mérés esetén a bemérendő szilárd anyagmennyiségek, kiindulási anyagok:
- fűrészpor: 1,0000 g - katalizátor: 0,1000 g
7.1.2. Üzemi és mérendő paraméterek A reaktor hőfoka a mérések során:
400 °C, 450 °C, 500 °C volt.
A teljes hőkezelés időtartama:
60 perc
Inert vivőgáz: nitrogén. Áramlási sebessége:
20 dm3/h. (csapda)
Kondenzációs berendezés hőmérséklete:
0 °C 31
Laboratóriumi levegő hőmérséklete:
24 °C
Külső nyomás:
1010 mbar.
Mérendő paraméterek: Betáplált inert gázmennyiség: rotaméter (liter/h), Átáramoltatott gázmennyiség: kapcsolt gázmérő – Vec Junker Dessau (min. 0,025 m3), Reaktortér hőmérséklete: Jenway 2102 Thermometer- (pontosság: 0,1 °C), Reaktor köpeny temperálása: Digi-Sense Temperature Contorller (pontosság: 0,1°C), Kondenzációs berendezés hőmérséklete: Hg hőmérő (pontosság: 0,1 °C), Hőkezelés időtartama: stopper mérő-óra (pontosság: 0,01 sec), Keletkező termék tömege: analitikai laboratóriumi mérleg (pontosság: 0,0001 g), A hőbontás szakaszainak megvalósulás: fényképes dokumentáció, jegyzet. 7.2. A kísérlet munkaszakaszai Előkészítés: A kísérleti reaktor és a mérőműszerek előkészítése, üzembe állítása, majd a többlépcsős kondenzációs berendezés összeszerelése és a hűtőközeg 0 - 2 °C (olvadó jég), illetve a nitrogén vivőgáz-áramlás 20 liter/h biztosítása. A biomassza modellanyag kémcsőbe helyezése a kémcső külön történő lemérése után, majd az egész lemérése, adatok feljegyzése, és a kísérleti anyagot tartalmazó kémcső reaktorba helyezése, lemérése, majd reaktortérbe (fűtőköpeny) történő helyezése. Ellenőrzés: Csatlakozások, termoelemek, érintkezések ellenőrzése, a reaktor biztonságos üzemeltetéséhez szükséges körülmények vizsgálata, elsősorban a kondenzálódott terméket felfogó csapdák ellenőrzése (12. ábra). Felfűtési szakasz: Üzemi hőmérséklet biztosítása a reaktorköpenyben, méréstől függően T ≤ 400-450-500 °C, majd a termokémiai kezelés megindítása. Pirolitikus hőbontási szakasz: A reaktor üzemi hőmérsékletre történő felfűtése és hőn tartása 60 percen át. A paraméterek figyelése, feljegyzése. A mérések során meghatároztam a kondenzált termékek és a szilárd maradék tömegét (13. és 14. ábra). A pirolízis vizsgálatát öt különböző modellanyagon három különböző hőmérsékleten végeztem el, a mérési eredményeket a következő fejezetben mutatom be. 32
12. ábra: Berendezés összeszerelve a mérés előtt: hűtőközeg és a kétlépcsős kondenzációs berendezés
Paraméterek mérései, értékelési hibák: A kondenzátum csak a folyamat végén értékelhető kvantitatívan, mert a kondenzátum a hűtőberendezésben gyűlik össze.
13. ábra: Gáz- és olajos fázis keveredése a hűtőközeg előtt
33
14. ábra: Pirolízis utáni szilárd fázis terméke: karbonizált biomassza
34
8. A KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK, ÉRTÉKELÉSÜK A kísérlet elején az 5 fűrészpor mintát 1,5 órára szárítószekrénybe tesszük, melynek hőmérséklete 110 °C. A szárítás eredményét a 2. táblázat foglalja össze. 2. táblázat: Szárítási eredmények
1. sorozat müveg (g)
müveg+minta (g)
manyag (g)
20,294
23,049
2,755
19,938
22,245
2,307
1. minta: tölgy mszárítás után (g) 22,84 2. minta: nyír 21,962
manyag szárítás után (g)
sz.a.* tart. (%)
2,546
92,414
2,024
87,733
1,598
93,232
3. minta: nyár 19,947 20,856 31,315
*szárazanyag
21,661
21,545
23,551
4. minta: fenyő 23,301 2,695
2,445
90,724
34,489
5. minta: akác 3,174
2,821
88,878
34,136
1,714
A szárítás után elvégeztük az 5 minta pirolízisét, katalizátor nélkül, három különböző hőmérsékleten, melynek eredményei a 3., 4., 5. táblázat tartalmazza. 3. táblázat: A 400 °C-on végzett pirolízis adatai, katalizátor távollétében
1. minta: tölgy
400 oC
2. minta: nyír
3. minta: nyár
4. minta: fenyő
5. minta: akác
mkémcső (g)
4,0338
3,9763
3,8110
3,8109
4,0638
müveg+minta (g)
4,9005
4,4603
4,2686
4,3454
4,6208
mminta (g)
0,8667
0,4840
0,4576
0,5345
0,5570
mpir.előtt együtt (g)
59,2751
58,8744
58,7026
58,5948
58,9769
mpir.után együtt (g)
58,6693
58,4876
58,2856
58,2290
58,4755
mpir.után kémcső+minta (g)
4,3237
4,1339
3,9469
3,9724
4,1807
mkülönbség /kémcső/ (g)
0,5768
0,3264
0,3217
0,3730
0,4401
mpir.után visszam.minta /kémcső/ (g)
0,2899
0,1576
0,1359
0,1615
0,1169
illóanyag tart. (%)
33,4487
32,5620
29,6984
30,2152
20,9874
35
4. táblázat: A 450 °C-on végzett pirolízis adatai, katalizátor távollétében
1. minta: tölgy
450 oC
2. minta: nyír
3. minta: nyár
4. minta: fenyő
5. minta: akác
mkémcső (g)
4,0040
3,9763
3,9370
4,0638
3,9896
mkémcső+minta (g)
4,8480
4,3115
4,2356
4,6208
4,6913
mminta (g)
0,8440
0,3352
0,2986
0,5570
0,7017
mpir.előtt együtt (g)
41,7999
58,4515
58,6470
58,9769
58,7772
mpir.után együtt (g)
41,2487
58,2548
58,3053
58,4755
58,3085
mpir.után kémcső+minta (g)
4,2474
4,0527
4,0074
4,1807
4,0657
mkülönbség /kémcső/ (g)
0,6006
0,2588
0,2282
0,4401
0,6256
mpir.után visszam.minta /kémcső/ (g)
0,2434
0,0764
0,0704
0,1169
0,0761
illóanyag tart. (%)
28,8389
22,7924
23,5767
20,9874
10,8451
5. táblázat: A 500 °C-on végzett pirolízis adatai, katalizátor távollétében
1. minta: tölgy
500 oC
2. minta: nyír
3. minta: nyár
4. minta: fenyő
5. minta: akác
mkémcső (g)
3,8841
3,9892
3,9322
3,8112
3,9896
mkémcső+minta (g)
4,6259
4,3281
4,3116
4,4124
4,6913
mminta (g)
0,7418
0,3389
0,3794
0,6012
0,7017
mpir.előtt együtt (g)
58,9326
58,7233
58,6141
58,7002
58,0951
mpir.után együtt (g)
58,3553
58,3378
58,3151
58,2252
57,5665
mpir.után kémcső+minta (g)
4,0961
4,0645
4,0112
3,9410
4,1794
mkülönbség /kémcső/ (g)
0,5298
0,2636
0,3004
0,4714
0,5119
mpir.után visszam.minta /kémcső/ (g)
0,2120
0,0753
0,0790
0,1298
0,1898
illóanyag tart. (%)
28,5791
22,2189
20,8224
21,5902
27,0486
A táblázatokból jól látszik, hogy a különböző hőmérsékleten a különböző modellanyagoknak más és más az illóanyag-tartalma. A pirolízis során tapasztalható hőmérsékletváltozás az alábbi ábrákkal szemléltethető. A pirolitikus reakciók követésének egyik eszköze a minták hőmérsékletének regisztrálása a folyamat során. A kapott eredményeket a 15-17. ábrák mutatják.
36
15. ábra: A 400 °C-on történő pirolízisek hőmérséklet-idő diagramjai
37
16. ábra: A 450 °C-on történő pirolízisek hőmérséklet-idő diagramjai
38
17. ábra: Az 500 °C-on történő pirolízisek hőmérséklet-idő diagramjai
39
Ezután a pirolízist katalizátor – FCC katalizátor – alkalmazásával is elvégeztem, ennek eredményei a következő táblázatba találhatók: 6. táblázat: Az 500 °C-on végzett pirolízis adatai, FCC katalizátor jelenlétében
Fluid-cracking catalyst (FCC) tölgy + nyír + nyár + FCC FCC FCC
fenyő + FCC
akác + FCC
mfűrészpor (g)
1,001
1,0001
1,0001
0,8604
1,0005
mkatalizátor (g)
0,1004
0,1006
0,1004
0,1009
0,1005
mkémcső (g)
3,9765
3,8836
3,8100
4,0550
3,9896
mkémcső+minta (g)
4,9730
4,3870
4,2486
4,6984
4,8677
mminta (g)
0,9965
0,5034
0,4386
0,6434
0,8781
mpir.előtt együtt (g)
58,4257
57,8181
57,6696
61,0165
61,2428
mpir.után együtt (g)
57,7516
57,4702
57,3328
60,5620
60,6079
mpir.után kémcső+minta (g)
4,3331
4,0370
3,9088
4,2269
4,2465
mkülönbség /kémcső/ (g)
0,6399
0,3500
0,3398
0,4715
0,6212
mpir.után visszam.minta /kémcső/ (g) illóanyag tart. (%)
0,3566 35,7852
0,1534 30,4728
0,0988 22,5262
0,1719 26,7174
0,2569 29,2563
A katalizátoros és a katalizátor nélküli kísérlet során, azonos fűtési körülmények mellett kapott eredményeket (a regisztrált hőmérsékleteket a reakcióidő függvényében), azonos mintát alkalmazva összehasonlítottam. Ezek az összehasonlítások a 18-22. ábrák tartalmazzák.
18. ábra: 500 °C tölgy pirolitikus reakciója katalizátorral és katalizátor nélkül
40
19. ábra 500 °C nyír pirolitikus reakciója katalizátorral és katalizátor nélkül
20. ábra 500 °C nyár pirolitikus reakciója katalizátorral és katalizátor nélkül
41
21. ábra 500 °C fenyő pirolitikus reakciója katalizátorral és katalizátor nélkül
22. ábra 500 °C akác pirolitikus reakciója katalizátorral és katalizátor nélkül
A katalizátor jelenlétében lejátszódó folyamatokat alacsonyabb reakcióhőmérséklet jellemzi (az akác kivételével), ami valószínűen azzal értelmezhető, hogy katalizátor hatására az elsődlegesen képződő termékek további bomlási folyamatokban vesznek részt, azaz 42
nagyobb mértékű degradáció következik be. Ennek természetesen a gáztermékek látszólagos hozamában és összetételében is meg kellene nyilvánulni, azonban megfelelő kísérleti berendezések hiányában ezt nem tudtam mérni, de a téma jövőbeni folytatásakor ezt meg kell oldani. Összefoglalva elmondható, hogy a különböző fahulladékok laboratóriumi pirolízisét sikerült megvalósítani és bizonyítani, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható katalizátor hatásosan befolyásolja a reakciókat.
43
9. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Halász, J., Hannus, I., Kiricsi, I.: Kémiai technológia. JATEPress Kiadó, Szeged (2006). [2] Halász, J., Hannus, I., Kiricsi, I.: Környezetvédelmi technológia. JATEPress Kiadó, Szeged (2007). [5] Miklós L., Környezetjog, JATEPress Kiadó, Szeged (2008). [6] Szendrei J., A biomassza energetikai hasznosítása (Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum, Mezőgazdasági Kar, Géptani Tanszék, Debrecen), Agrártudományi közlemények, 2005/16. különszám [9] Funda Ateş, Ayşe E. Pütün, Ersan Pütün: Pyrolysis of two different biomass samples in a fixed-bed reactor combined with two different catalysts, Fuel, 85 (2006) 1851-1859. [13] EMLA Alapítvány a Környezeti Oktatás Támogatására, Mezőgazdasági hulladékok és termékek energetikai célú hasznosítása (2007). [16] Réczey G., A biomassza energetikai hasznosításának lehetősége és vidékfejlesztésre gyakorolt hatása az Európai Unió támogatási rendszerének tükrében, Mosonmagyaróvár (2007). [19] Barótfi I.: Környezettechnika kézikönyv, Mezőgazda Kiadó, Budapest (1991). [20] P.W. Atkins: Fizikai kémia I. és III., Tankönyvkiadó, Budapest (1992). [21] Halász J., Hannus I., A vegyipari és környezettechnikai műveletek alapjai, JATEPress Kiadó, Szeged (2005). [22] Szépvölgyi M., Kotsis L., Marosvölgyi B., Biomassza alapú pirolízis gázok katalitikus bontása [23] Pengmei Lv,, Zhenhong Yuan, Chuangzhi Wu, Longlong Ma, Yong Chen, Noritatsu Tsubaki: Bio-syngas production from biomass catalytic gasification, Energy Conversion and Management 48 (2006) 1132-1139. [24] A. Aho, N. Kumar, A.V. Lashkul, K. Eränen, M. Ziolek, P. Decyk, T. Salmi, B. Holmbom, M. Hupa D. Yu. Murzin: Catalytic upgrading of woody biomass derived pyrolysis vapours over iron modified zeolites in a dual-fluidized bed reactor, Fuel 84 (2010) 1992-2000. [25] Szegedi Á., PhD. értekezés, Átmenetifémeket tartalmazó mezopórusos szilikátok fizikaikémiai és katalitikus tulajdonságai (2004). Internetes hivatkozások: [3] Bencsik J.: A Kormány energiapolitikai célkitűzései, http://www.rekk.eu/sos/images/stories/download/closing_workshop/bencsik_janos.pdf [4] Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium Hulladékgazdálkodási és Technológiai Főosztály, A hulladékgazdálkodás általános kérdései, alapelvei, http://www.kvvm.hu/szakmai/hulladekgazd/oktatas/szakmaifuzetek/1.PDF 44
[7] Wikipédia, Pellet, 2011. február http://hu.wikipedia.org/wiki/Pellet [8] Bioenergia-massza Kft. http://www.bioenergia-massza.hu/ [10] Energiacentrum, 2011, március http://www.energiacentrum.com/news/biomassza_energia_mint_megujulo_energia.html [11] Energiapédia http://energiapedia.hu/biomassza-alkalmazasi-teruletei [12] Energiacentrum http://www.energiacentrum.com/news/a_biomassza_tuzeles_modjai_es_jellegzetessegei .html [13] Natúr energia, pellet kazán http://www.naturenergia.hu/pellet/pelletkazan.htm [15] Szabad Újság – Szlovákiai magyar hetilap 2005. július 27- augusztus 10. 13. évfolyam 30-32. szám http://www.hhrf.org/szabadujsag/2005/32/gyalu.htm [17] Energiacentrum 2011, március http://www.energiacentrum.com/news/a_biomassza_tuzeles_modjai_es_jellegzetessegei .html Internetes képek: [14] Brikett lapunk, brikett ábra, 2011, március http://brikett.lapunk.hu/ [18] PolishPellet, ábra a pelletről, 2011, március http://www.polishpellet.com/en/pellets/what_is_the_pellet (10.-22. ábrák saját készítésűek)
45
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönetet szeretnék mondani témavezetőmnek, Dr. Halász János Tanár Úrnak, hogy a szakdolgozatomat és az ehhez szükséges kísérleteket vezetése alatt elvégezhettem, valamint köszönöm a tanulmányaim során végzett pedagógiai munkáját, segítését és a felmerülő kérdésekben nyújtott iránymutatásait. Köszönöm a Tanszéken dolgozó Munkatársak további segítségét, melyet a kísérletek elvégzése során kaptam. Köszönöm, Szüleimnek és Nővéremnek, az egyetemi tanulmányaim alatt nyújtott támogatásaikat.
46
