Mezőgazdasági Gépvizsgálati Értesítő
1. A vizsgált berendezés ismertetése 1.1. Műszaki leírás A KTK 100 vegyes tüzelésű kazán szerkezeti felépítését az 1. ábra szemlélteti. Főbb konstrukciós egységek: I. Tartószerkezet II. Kazántest III. Burkolat
1 2 3 4 5 6 7 8
Tűztérajtó Tűztér Tűzrács Hőcserélő táskák (2 db) Lángjáratok Fordítókamra Tisztítóajtó Tisztítóajtó
9 10 11 12 13 14 15 16
Hőmérő Füstgázcsonk ( D = 250 mm ) Primer levegő bevezetése Szekunder levegő bevezetése Hamutér Füstgázcsappantyú Előremenő vízcsonk ( NA 50 ) Visszatérő vízcsonk ( NA 50 )
1. ábra A kazán szerkezeti felépítése
A KTK 100 vegyes tüzelésű, melegvíz-kazán vízszintes tűztér elrendezésű hőtermelő berendezés. A nagyméretű tűztér alkalmassá teszi a kazánt különféle biomassza tüzelőanyagok (mező-, nád-, erdőgazdasági fő- és melléktermékek) eltüzelésére is. A tűztér és a lángjárat kettős falú kialakítással, durvalemezből készült, megfelelő merevítésekkel. A tűzteret körülvevő kettős falú kazántestben, valamint a hőcserélő táskákban és tűzrácsban víz kering a jobb hőátadás érdekében. 3
Mezőgazdasági Gépvizsgálati Értesítő
A tűzrács alatt található a hamutér, amely egyben a primer levegő hozzávezetésére is szolgál. A kazánra szerelt huzatszabályozóval állítható be az égést tápláló levegő mennyisége. A szekunder levegő a tűztérajtó felett jut az égéstér felső részébe, mennyiségét a tűztérajtó felett elhelyezett csappantyú szabályozza, melyet szintén a huzatszabályzó mozgat. A tűztérből a füst a lángjáraton kerül a füstkamrába, majd a kéménybe. A kazánt 30 mm vastag kőzetgyapot szigeteléssel és külső acéllemez borítással látták el. 1.2. Műszaki adatok Névleges hőteljesítmény 100 kW Legkisebb megengedett teljesítmény 20 % Legnagyobb megengedett teljesítmény (max. 10 min) 120 % Maximális előremenő vízhőmérséklet 95 Co Max. vízoldali nyomás 1,5 bar Tüzelőberendezés kialakítása kéthuzamú Rostélyfelület 0,9 m2 Tüzelőanyag darabos fa vagy vegyes biomassza Tüzelőanyag mennyisége 30-40 kg/h Névleges fűtőérték 10 500 kJ/kg Hatásfok 73-75 %
2. A vizsgálatok körülményei A vizsgálatokat a gyártó megrendelésére annak telephelyén 2001. év januárjában végeztük el. A vizsgálatoknál a fűtővíz előremenő és visszatérő ágába párba válogatott Pt-100 hőmérőket szereltünk. Ugyancsak Pt-100 hőmérővel mértük a környezeti hőmérsékletet. A füstgázok, a tűztér hőmérsékletét pedig NiCrNi - hőelempárokkal mértük. A kazánon átfolyó vízmennyiséget UFM 610 P ultrahangos átfolyásmérő segítségével határoztuk meg. A füstgázok elemzése Testo-350 típusú füstgázelemzővel történt. A tüzelőanyag 1 m hosszúságú erdészeti hasábfa volt. A tüzelőanyag adagolása kézzel történt. Súlyát előzetesen a helyszínen felállított tizedes mérleggel mértük. A mért adatokat percenkénti mintavételezéssel, folyamatosan rögzítettük. A tüzelőanyag tulajdonságait a ADDITÍV BT határozta meg. A mérések során alkalmazott műszerek: Hőmérsékletek: ADVANTECH mérőkártyák- automatikus adatgyűjtő Érzékelők: 200 Co-ig Pt 100 ellenállás-hőmérő, pontosság +/- 0,5 Co 200 Co felett NiCrNi hőelempárok, pontosság +/- 1 Co Vízmennyiség: UMF-610 ultrahangos áramlásmérő, pontosság +/-5 % Súlymérés: Tizedes mérleg 100 kg-ig pontosság 0,1 kg Füstgázelemzés: Testo 350 füstgázelemző
4
Mezőgazdasági Gépvizsgálati Értesítő
Mérési adataink alapján meghatároztuk a tüzelőberendezésbe a tüzelőanyaggal bevitt hőmennyiséget, a kazánról a fűtővíz által elvitt hőmennyiséget, valamint megállapítottuk a veszteségtényezőket. A bevitt és hasznosított hő arányából kiszámítottuk a berendezés direkt hatásfokát, a veszteségtényezőkből pedig az indirekt hatásfokot. A füstgázelemzési adatokból és az eltüzelt tüzelőanyag mennyiségéből kiszámítottuk a határértékekkel meghatározott kibocsátási értékeket.
3. A vizsgálatok eredményei 3.1. Tüzelőanyag vizsgálata A tüzelőanyag darabos fahulladék és hasábfa volt, illetve kísérleti jelleggel kisbálás szalma, s eltüzelésére is sor került. A tüzelőanyag-mintát a statisztikai mintavételezésnek megfelelően több helyről vettük, a mintákat összekevertük, majd ebből a keverékből vettük ki az analitikai elemzéshez szükséges mennyiséget. A faalapú tüzelőanyag összetétele a következő volt (1. táblázat): 1. táblázat Tüzelőanyag jellemzők Összetétel és jellemzők Nedvességtartalom Összes széntartalom Összes hidrogéntartalom Éghető kéntartalom Hamutartalom Oxigéntartalom Nitrogéntartalom Összesen Égéshő Fűtőérték
Mértékegység % % % % % % % % kJ/kg kJ/kg
Érték 8,7 43,6 5,7 0,1 2,1 38,4 1,4 100,0 18480,0 16950,0
3.2. Tüzelési vizsgálatok 2. táblázat Kazánteljesítmény-mérés adatai Mért jellemző Füstgázhőmérséklet Belső huzam hőmérséklete Előremenő víz hőmérséklete Visszatérő víz hőmérséklete Kazánteljesítmény
Maximális 486,6 Co o 637,0 C o 89,7C 73,5 Co 131,0 kW
Átlagos 330,4 Co o 520,2 C o 71,2C 59,9 Co 80,7 kW
A mérési diagramokat a 2-3. ábrán közöljük. Amint a mérési adatokból és a diagramból jól látható, a kazánban folyamatos égés volt ugyan, de a névleges hőteljesítmény a viszonylag alacsony hőelvétel miatt csak pillanatokra volt elérhető. 5
Mezőgazdasági Gépvizsgálati Értesítő
Hőfok (°C), teljesítmény (kW)
140,0 120,0 100,0 80,0 60,0
előre C
40,0
vissza C hőtelj.kW
20,0
átlag telj. kW
0,0 0
20
40
60 80 Futó idő (min)
100
120
140
2. ábra KTK-100 szilárd biomassza-tüzelésű kazán hőteljesítmény-mérése 700,0 600,0
Hőmérséklet (°C)
500,0 400,0 300,0
füst C
200,0
1.forditó C
100,0
2.forditó C
0,0 0
20
40
60
80
100
120
140
Futó idő (min)
3. ábra KTK-100 szilárd biomassza-tüzelésű kazán füstgázhőmérsékletének alakulása
Mivel a kazán hőteljesítménye a hőigényt meghaladja, így célszerű lenne hőtároló tartályt beépíteni a rendszerbe. A névleges hőteljesítmény közelében a füstgázhőmérséklet magasra, 500 Co közelébe emelkedett. A kimenő füstgázok ezért jelentős veszteséget okoznak. Csökkentésük érdekében, a konstrukció változatlanul hagyása esetén, a füstgázokat egy használati melegvíz-készítő hőcserélőn célszerű átvezetni így hasznosítva a veszteséghő jelentős részét. 6
Mezőgazdasági Gépvizsgálati Értesítő
3.3. Emissziómérés A füstgázok összetételének mérésekor a következő értékek adódtak: 3. táblázat Füstgázösszetétel-mérési adatok Jellemző Füstgázhőmérséklet O2 tartalom CO2 tartalom Légfelesleg CO tartalom NOx tartalom SO2 tartalom Korom + szilárd
Maximális 486,6 Co 20,7 tf% 14,0 tf% 17,0 8330,0 mg/m3 289,5 mg/m3 143,0 mg/m3 3 0,67g/m
Minimális 22,0 5,9 1,0 1,0 5,0 4,1 0,0 0,06
Átlagos 330,4 13,3 7,3 1,9 2553,8 129,4 31,7 0,4
Az óránként eltüzelt 24,0 kg/h tüzelőanyaggal számolva a légszennyező-kibocsátások az alábbiak szerint alakultak. 4. táblázat Emisszióadatok Légszennyező
Szén-monoxid Kén-dioxid Nitrogén-oxidok Halogének Korom, pernye
Mért Koncentráció 3 mg/m 2553,8 31,7 129,4 400
Kibocsátás kg/h 0,456 0,006 0,023 0,025
Határértékek 10 m kémény 10-20 m kémény kg/h kg/h 5,0 15,0 0,15 0,45 0,15 0,45 0,014 0,042 0,15 0,45
A füstgázösszetételből látható, hogy a kibocsátott szennyezők értéke meg sem közelíti a 10 m magas kéményre megengedett határértékeket. 3.4. Tüzeléstechnikai számítások eredményei A tüzeléstechnikai számítások fontosabb eredményeit a 5. táblázatban láthatjuk. Tüzelőanyag: faforgács + vegyes fahulladék. 5. táblázat Tüzeléstechnikai eredmények Megnevezés Fűtőérték: Óránkénti levegőszükséglet (Lno): Elméleti szárazfüstgáz-mennyiség (Vszno): Elméleti nedvesfüstgáz-mennyiség (Vnon): Füstgáz max. CO2 tartalma (CO2 max) Füstgáz max. SO2 tartalma (SO2 max) Tényleges füstgázmennyiség (Vfg.tény) Óránkénti tüzelőanyag-mennyiség (Tüa)
Me. kJ/kg m3/kg 3 m /kg m3/kg tf% tf% m3/kg kg/h
Érték 16950 4,1 4,1 4,8 19,9 0,001 7,447 24,0
7
Mezőgazdasági Gépvizsgálati Értesítő
3.5. Hatásfokszámítások A kazán hatásfokát direkt és indirekt hatásfokméréssel határoztuk meg: Direkt hatásfok: Az egy óra alatt eltüzelt tüzelőanyag mennyisége: B = 24 kg/h A tüzelőanyaggal bevitt hőmennyiség: Q = B x Ha = 24 x 16950 = 406 800 kJ A leadott hőmennyiség az átlagteljesítménnyel számolva: QH = Pátl x 3600 = 80,7*3600 = 290 520 kJ Hatásfok: η = 100 x QH/Q = 100* 290 520/406 800 = 71,4 % Indirekt hatásfok: Füstgáz-hőveszteség: vfg = 21,968 Tőkéletlen égésből származó hőveszteség: vco = 0,772 Salakéghető okozta hőveszteség: vsé = 0,072 Felületi hőveszteség: vf = 2,880 Összes veszteség: vő = 28,572 Hasznos hőteljesítmény: Qh = 386,400 kW Hatásfok = η = 71,43 % 3.6. Üzemelési jellemzők A mérések alatt műszaki meghibásodás a kazánnál nem fordult elő. Az egyben berakott hasábfákat a leégés érdekében mintegy 30 percenként meg kellett bolygatni. A bolygatáskor a tűztérajtón a láng kicsapott. A tűztérajtó fogantyúja felmelegedett, hőszigetelés használata célszerű. 3.7. Munkavédelmi jellemzés A berendezés munkavédelmi vizsgálatra nem kötelezett, a gépkönyvbe munkavédelmi kiegészítést javasolunk betenni, mely tartalmazza a kazán telepítési feltételeit. Mivel a kazán atmoszferikus fűtési rendszerben üzemel, így kazánbiztosi felügyeletet nem igényel. A gyártási engedély száma: MBF-TMB ENGEDÉLYEZÉSI FELÜGYELET 214-03/360002001
8
Mezőgazdasági Gépvizsgálati Értesítő
4. Szakvélemény A KTK 100 kazán robusztus kivitelű, kezelése egyszerű. A tüzelőberendezés a gépkönyvben megadott paramétereknek megfelel. Eltüzelhető benne minden 1 m-nél rövidebb éghető mezőgazdasági hulladék, de elsősorban fahasábok tüzelésére alkalmas. Vizsgálataink alapján megállapítottuk, hogy a berendezés mintegy 72 %-os hatásfokkal dolgozik. A hatásfokot a kilépő füstgázok magas hőmérséklete rontja, amit pótlólagos használati melegvíz-előállító hőcserélő beépítésével javítani lehet. A kazán fűtőkörébe hőtárolót nem építettek be, mintegy 10 m3-es hőtároló beépítésével a hőellátás egyenletessége és a hatásfok kedvező változása érhető el. A kazán egyes érinthető felületei (ajtó, fogantyú stb.) üzem közben felmelegednek javasoljuk ezek hűtését vagy hőszigetelését (pl. kettősfalú vizes ajtók) alkalmazása. A füstgázemissziós értékek a 10 m magasságú kéményre megengedett határértékek alatt maradnak, ezért a gyártó által a kezelési utasításban előírt 15 m kéménymagasságot javasoljuk 10 m-re módosítani.
5. Üzemeltetési ajánlások, javaslatok – A magas füstgázhőmérséklet csak a kazán nagyobb terhelésénél jelentkezik, ezért –
javasoljuk a fűtési rendszerbe puffertároló beépítését, amivel elérhető, hogy a kazán a névlegesnél valamivel kisebb teljesítményen üzemeljen. Javasoljuk a kazán megrendelésekor az opcióként rendelhető használati meleg víz hőcserélőjének megrendelését is.
Záradék A vizsgálati eredményeket az FVM Műszaki Intézet és az FVMMI GM Gépminősítő Közhasznú Társaság közös tudományos-műszaki tanácsa jóváhagyta. Lektor és sorozatszerkesztő: Dr. Hajdú József Műszaki szerkesztő: Pálinkás Gábor Igazgatók: Dr. Fenyvesi László, FVM Műszaki Intézet Dr. Szente Márk, FVMMI GM Gépminősítő Közhasznú Társaság Gödöllő, 2001. november hó
9
