FOSSZILIS ENERGIAHORDOZÓK KÖRNYEZETBARÁT ELTÜZELÉSE

A Miskolci

Egyetem

Közleménye

A sorozat.

Bányászat,

67. kötet, (2004) p.

25-48

FOSSZILIS ENERGIAHORDOZÓK KÖRNYEZETBARÁT ELTÜZELÉSE

Dr. K a p r o s Tibor kutatási vezérigazgató-helyettes, egyetemi docens

Tüzeléstechnikai Kutató és Fejlesztő Rt. E-mail: [email protected]

W o p e r á n é dr. Serédi Á g n e s egyetemi docens

ME Hőenergia és Tüzeléstechnikai Tanszék E-mail: [email protected]

Dr. Szűcs István intézetigazgató egyetemi docens

ME Hőenergia és Tüzeléstechnikai Tanszék E-mail: [email protected]

Összefoglaló: A fosszilis energiahordozók környezetbarát eltüzelésére két fő irány jelölhető meg. A lehetőségek egyik csoportjába tartoznak azok az energetikai és műszaki megoldások, amelyek a fosszilis energiahordozók egy részét megújuló energiahordozókkal váltják ki, vagy eltüzelésüket különböző tüzeléstechnikai módszerek ill. adalékanyagok segítségével teszik környezetkímélőbbé. A másik csoportot képezik azok az energiamegtakarító fejlesztések, amelyek az energiafelhasználás hatékony csökkentése útján akadályozzák meg a légtér szennyezését. A bemutatott anyag mindkét megoldásra közöl néhány szemléltető példát.

25

Kapros

T. - Woperáné Serédi A. - Szűcs I.

1. B E V E Z E T É S A világ energiaigénye folyamatosan növekvő tendenciát mutat, a növekedés mértéke azonban a világ különböző régióiban eltérően alakul. Az OECD országok aránya csökkenő lesz, ellentétben a fejlődő országok részesedésének növekedésével. Az energiaellátáson belül a fosszilis energiahordozók aránya továbbra is meghatározó marad, kb. 90% körül várható az elkövetkező 10-15 évben. Magyarországon, a halmozatlan energiaforrásokon belül a fosszilis energiahordozók kb. 82%-os részesedést mutatnak. Ezen belül is a földgáz és a folyékony szénhidrogének szerepe jelentős (-85 %). Más a helyzet a villamosenergia-termelés vonatkozásában, világviszonylatban és Magyarországon egyaránt a fosszilis energiát alkalmazó erőművek döntően szenet és földgázt használnak. Ez az arány a világra vonatkoztatva 90 %, Magyarországon 80 %. A fosszilis energiahordozók eltüzelése jelentős szerepet játszik a levegőszennyezésben. Az elégetés során, a füstgázzal távozó légszennyező anyagok mennyiségét az országokon belüli törvények és nemzetközi egyezmények szabályozzák. Miután a világban a kőolaj-felhasználás évi 1,9 %-os, a földgáz igények 2,7 %-os és a szénfelhasználás 1,7 %-os növekedési ütemét jelzik az energetikai elemzések, a légkör C0 2 , NOx, S0 2 , CO, C n H m , PAH stb. és szilárd szennyezőinek csökkentése fontos feladat az energiaigények hatékony kielégítése mellett. Az energiafelhasználás által okozott globális klímaváltozást befolyásoló környezetszennyezés napjainkban erőteljesen növekszik, ezért is jelentősek azok a műszaki kutatások és fejlesztések, amelyek a légszennyező anyagok képződési folyamatát befolyásolják. A fosszilis energiahordozók egy részének megújuló energiahordozóval (pl. biogáz, biomassza) történő helyettesítése is jelentősen csökkenti a légkör C0 2 és S0 2 tartalmát. Környezetvédelmi és energiagazdálkodási szempontból a megújuló energiahordozók fontos szerepet játszanak a világ energiaellátásában a folyamatosan növekvő energiaigények, a fosszilis energiahordozó készletek csökkenése, valamint az atomenergiával kapcsolatos félelmek és megoldatlan problémák miatt. Annak ellenére, hogy viszonylag hosszú múltra tekint vissza a megújuló energiaforrások használata, ma még világméretekben is meglehetősen kismértékű az összenergia felhasználásból való részesedése. Az EU elvárása szerint az összes energiafelhasználáson belül a megújuló energiaforrások arányát 2010-re a jelenlegi 6%-ról 12%-ra kell növelni. Magyarországon ez az arány 3,6 % és elvárás ennek megduplázása 2010-re. 26

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

Hazánkban rosszabb a helyzet a megújuló energiaforrásból termelt villamos energia területén. Az EU elvárásai szerint a megújuló energiaforrás arányát a villamos energia előállításban a 1995. évi 13,9 %-ról 2010-re 22%-ra kell növelni. Magyarországon a villamos energia 0,5 %-át állítják elő megújuló energiaforrásból és az előrejelzések szerint legjobb esetben sem érheti el az 5%-ot 2010-re. A jelenlegi felhasználásunk 71,9 %-a tűzifa, 2,8%-a biogáz. Mindezek az adatok is alátámasztják, hogy a megújuló energiahordozók részarányának növelése úgy az ipari, mint az erőműi energiahasznosítási folyamatoknál fontos feladat. Kiemelendő azoknak az energiamegtakarító kutatás-fejlesztési feladatoknak a jelentősége, amelyek a fosszilis energiahordozó felhasználás csökkentésének irányában hatnak, így a felhasználásra, ill. elégetésre nem kerülő energiahordozó légterünket sem szennyezi, „a megtakarított energia a leggazdaságosabb, a legkörnyezetkímélőbb" A következőkben röviden bemutatunk néhányat azokból a kutatási eredményekből, amelyek a fenti energetikai és környezetvédelmi célkitűzésekhez illeszkedve a Miskolci Egyetem Hőenergia és Szilikáttechnológiai Intézetének Hőenergia és Tüzeléstechnikai Tanszékén, valamint a Tüzeléstechnikai Kutató és Fejlesztő Rt.-nél folytak.

2. F Ö L D G Á Z - B I O G Á Z K E V E R É K É N E K E L É G E T É S E A biogázok energetikai hasznosításának egyik lehetősége, hogy azokat földgázzal keverve gőzfejlesztésre vagy technológiai hőigény biztosítására használják. A hasznosításhoz ismerni kell a gázkeverék tüzeléstechnikai paraméterinek változását, légszennyező tulajdonságait, valamint az optimális keverési arányt. A ME Hőenergia és Tüzeléstechnikai Tanszékén folyó OTKA támogatású kutatás (T 046471) részeként a Kassai Műszaki Egyetem Energetikai Tanszékével szoros együttműködésben végeztük azokat a vizsgálatokat, amelyek földgáz-biogáz kevertgázként történő hasznosításának lehetőségére irányultak olyan tüzelési eljárásokkal, amelyek csökkentik a NOx képződést [1,2,3]. A NOx csökkentése céljából alkalmazott tüzelési módszerek lényege az égési hőmérsékletnek, a lángban kialakult hőmérsékleti csúcsoknak, az égéstermékek nagyhőmérsékletű térben való tartózkodási idejének és az oxigén parciális nyomásának változtatása az égési zónában. E célok elérését szolgáló gyakorlati intézkedések egyike a fokozatos tüzelés és a füstgáz recirkuláltatása.

27

Kapros T. - Woperáné

Serédi A. - Szűcs I.

A különböző gázkeverékek fokozatos elégetése céljából olyan kísérleti égőt alkalmaztunk (átalakított TÜKI IS égő), amelynek segítségével lehetőségünk nyílt kevertgáz kétfokozatú elégetésére egyfokozatú levegő bevezetése mellett, ugyanazon tüzelőberendezésen belül (1. ábra).

biogáz

biogáz

i

I>

1. ábra: Kétfokozatú gázbevezetéssel

üzemelő kísérleti égő

A léghűtéses kísérleti kemence hossza mentén kialakított mérőhelyeken keresztül mértük a hőmérséklet és a füstgáz összetételének változását. Az égő hálózati földgázzal üzemelt, a biogázt palackból vezettük a szekunder égési kamrába. Kutatómunkánk egyik célja volt, megvizsgálni, hogy különböző földgázbiogáz keverékeknél milyen mértékben csökkenti tovább az NO x képződést a fokozatos tüzelés mellett alkalmazott füstgázrecirkuláció. Kísérleteinket azonos és változó hőteljesítmény mellett is elvégeztük. A mérési eredmények egy részét a normál földgáztüzelés NO x kibocsátásának értékéhez viszonyítottuk a két tüzelési eljárás együttes hatásának értékelése, másik részét a már fokozatos tüzeléssel elérhető NO x kibocsátáshoz viszonyítottuk a recirkulációs hatás tanulmányozása céljából. Mérési eredményeink néhány jellemző összefoglaló ábráját a következőkben mutatjuk be. 28

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

A kísérleteknél alkalmazott 35,7 MJ/m 3 fűtőértékű földgáz és 20,6 MJ/m3 fűtőértékű biogáz főbb gázkomponenseit a 2. ábra foglalja össze. Kiemelendő a biogáz nagy inert (C0 2 +N 2 ~ 40%) tartalma.

100

97,57

90

• földgáz

80 > >

70 60

£3 biogáz

57,5

50 40

22,5

30

20

20 10 0

1,12 ifip«.

0,38

C02

CH4

N2

tüzelőanyagok alkotói

2. ábra: Fűtőgázok összetétele

Méréseink egyik összefoglaló ábráján keresztül szemléltetjük, hogy ugyanazon hőteljesítmény biztosítása különböző földgáz-biogáz arányoknál a NOx -képződés jelentős csökkenését eredményezte fokozatos tüzelésnél, ha a szekunder égési kamrába vezetett biogáz arányát növeltük a keverékben. Oka elsősorban a nagy inert tartalom miatti kisebb maximális lánghőmérséklet (3. ábra). Az ábrán feltüntettük a primer égési zóna levegő tényezőjének változását is, amely függvénye a gázmegosztási aránynak, mivel az égési levegő teljes mennyisége a primer égési kamrába került bevezetésre. A 4. ábra állandó hőteljesítménnyel történő tüzelésnél szemlélteti a földgáz normál tüzeléssel történő elégetésekor kibocsátott NO x képződésére vonatkoztatott recirkulációs eredményeket. 29

Kapros

T. - Woperáné

0

0,16


0,29

0,366

0,402

gáz szek./gáz összes

3. ábra: A biogázarány növelésének hatása a NOx képződésre fokozatos tüzelésnél (=20 kW; Tmax=1050 °C; n=l,l)

6 2 JC

o

H-

0

5

10

15

20

(rec. füstgáz/összes füstgáz)*100,% 4. ábra: A föstgázrecirkuláció hatása állandó hőteljesítmény mellett normál földgáztüzeléshez viszonyítva

30

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

Biogáz-földgáz vegyestüzeléssel folytatott kísérleteink alapján megállapítható, hogy a fokozatos gázelégetés előbbiekben ismertetett módszere - 5 0 %-os NO x csökkenést tett lehetővé - 4 0 %-os szekunderági biogáz bevezetéssel. Különböző gázmegosztási aránynál a füstgáz visszavezetése az égési folyamatba a fokozatos tüzeléssel elérhető NOx - csökkenés nagyságát közel azonos mértékben növeli. Amint a bemutatott állandó hőteljesítménnyel végzett kísérletsorozat eredményei is mutatják, 5%-os recirkuláció 30 %-kal, 10 %-os recirkuláció 45 %-kal és 15 %-os recirkuláció 55 %-kal csökkenti a fokozatos tüzelés NO x kibocsátását. A csökkenés üteme ~10 %-os recirkulációs értékig jelentős, e fölött kisebb értékű.

3. B A R N A S Z É N É S B I O M A S S Z A E G Y Ü T T E S E L É G E T É S E Magyarország éghajlati és talaj viszonyai előnyösek a növényi eredetű, ún. "fitomasszák" képződéséhez, energetikai célú hasznosításához. Közismert, hogy megfelelő klimatikus feltételek esetén a Nap sugárzási energiájának hatására a növények a fotoszintézis folyamatai során a levegő szén-dioxidjából és a felszívott vízből viszonylag nagy kémiai energiatartalmú szerves vegyületeket képeznek és építenek be a szervezetükbe. Ennek eredményeképpen különösen a fás szárú növények számítanak a napenergia egyik legrugalmasabb, leggazdaságosabb hasznosítási és tárolási lehetőségének. A napenergia egyéb hasznosítási módjainál, mint például a fotovoltaikus, vagy a melegvizes eljárásoknál nem is annyira a hatásfok, mint inkább a tárolhatóság okozza a legnagyobb technikai gondot, mivel ezekben az esetekben a felfogott, és átalakított energiát a lehető legrövidebb időn belül fel kell használni. A növényekben felhalmozott energia ezzel szemben akár évekig is tárolható, miközben a nap melegének szárító hatására az égés körülményeit megnehezítő nevesség jelentős része minden egyéb energiaráfordítás nélkül eltávozik. Az így kiszárított fát bármikor gazdaságosan el lehet tüzelni. Az energetikai szempontokon túl egyre nagyobb jelentőséget tulajdonítanak a fitomasszák környezetvédelmi szerepének. A Föld méhéből származó fosszilis energiahordozók eltüzelésekor keletkező égéstermékek egy része (SOx, C0 2 ) plusz légszennyezést okoz. A C0 2 klimatikus, „üvegház" hatását ugyan sokan kétségbe vonják, de a legújabb kutatások az óceánok vizének lassú elsavasodását, pH-jának folyamatos csökkenését mutatják, amelyet a tudósok a légkörből felvett C 0 2 és S0 2 hatásával magyaráznak. Hazánkban az erőművek 31

Kapros


környezetvédelmi működési engedélye a légszennyezők ( S O 2 , N 0 „ ) emissziójától, a fizetendő környezetterhelési díj pedig a kibocsátott CO2 mennyiségétől függ. A fitomasszák viszont alig tartalmaznak ként, az elégetésükkor keletkező CO2 pedig a fotoszintézis következtében nem növeli a levegő üvegház hatású gázainak mennyiségét. A klímaváltozás kérdéskörének végső tisztázása nélkül is célszerű, az egyébként folyamatosan megújuló biomasszák energiatartalmának a hasznosítása. Erre kifejezetten jó lehetőség nyílik - az eddig, főleg bamaszenes fűtésű villamos erőművek kazánjaiban történő szén-biomassza együttes eltüzelésével, amely hazánkban is egyre gyorsabb ütemben teijedt az elmúlt két év során. Az égetés során azonban az üzemeltetők olyan nehézségekkel kerültek szembe, amelyek az elégetendő biomassza tulajdonságainak és a tüzelési technológia alapos felülvizsgálatát tette szükségessé. Villamos erőmű kazánjaiban elégetett barnaszén, puhafa, keményfa és a hazánkban kinemesített energiafű kémiai összetételét és legfontosabb tüzeléstechnikai jellemzőit az 1. táblázatban foglaltuk össze, amelyből megállapítható, hogy a biomasszák kifejezetten előnyös tulajdonságokkal bírnak, különösen a barnaszénnél lényegesen kisebb hamutartalmuk következtében.

Anyag neve

Kémiai összetétel, m/m%

Ém

Fé kJ/kg

H20

C

H

Hamu

Illó

kJ/kg

25

24

3

23

24

14 200

13 000

Puhafa

8,99

47,6

4,1

0,85

49,25

16 270

15 560

Keményfa

29,15

49,1

3,6

1,78

50,87

19 280

18 400

Energiafű

6,08

4,44

67,86

17 356

Barnaszén

1. táblázat: Barnaszén, faapriték és energiafű tüzeléstechnikai jellemzői A keményfához közeli égésmelegű energiafű elégetése során azonban komoly tüzeléstechnikai nehézségek tapasztalhatók, mert hamuja a tűztér hőmérsékletén a legtöbb esetben nem csak meglágyul, hanem meg is olvad. A nem tökéletesen elégett energiafű összesűlő hamuja viszonylag sok karbont zár magába, jelentősen megnövelve a tüzelési veszteséget. További kellemetlenséget okoz a meglágyult hamunak, a lényegesen kisebb hőmérsékletű hőcserélő felületek, kazáncsövek palástjára való feltapadása, amely mintegy szigetelő réteget képezve rontja a lángból, ill. a füstgázból kiinduló hőátadási folyamatokat.

32

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

Ezen hátrányos hatások okának a felderítése céljából megvizsgáltuk a szóbajöhető tüzelőanyagok hamujának lágyulási és olvadási hőmérsékletét, amelynek diagramjait az 5.-7. ábrákon láthatjuk, a legjellemzőbb adatokat pedig a 2. táblázatban foglaltuk össze. Ezekből egyértelműen kitűnik a barnaszén salakjának előnyösen magas, a faapríték közepes, és az energiafü hamujának kifejezetten hátrányosan alacsony lágyulási és olvadási hőmérséklete.

5. ábra: Barnaszén salakjának termikus jellemzői a hőmérséklet függvényében

33

Kapros


/

1150

1170

1190

1210

1230

Hőmérséklet, oC

6. ábra: Fahamu termikus jellemzői a hőmérséklet

34

függvényében

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

Hőmérséklet, t [ °C]

7 ábra: Energiájú hamujának termikus jellemzői a hőmérséklet függvényében

A faapríték és az energiafű hamujának a viszonylag kicsi lágyulási hőmérsékletének okát a hamu kémiai összetételének vizsgálatával sikerült felfednünk.

Olvadáspont,

T,,°C

Lágyulás kezdete, TL,°C

Barnaszén

1400

1460

1605

Faapríték

1185

1195

1206

Energiafű

660

820

870

Tüzelőanyag

Zsugorodás kezdete,

fajtája

To, °C

2. táblázat: Barnaszén, faapríték és energiafű hamujának termikus jellemzői 35

Kapros


Komponens

Faapríték

Energiafű

Na 2 0

2,03

6.53

K2O

4,57

13.37

Si0 2

57,72

60.72

P2O5

8,82

5.19

Fe 2 0 3

3,75

3.65

A1 2 0 3

5,48

2.34

MgO

3,46

3.13

CaO

14,17

5.07

3. táblázat: Faapríték és az energiafű hamujának ásványi összetétele A 3. táblázat adatai egyértelműen bizonyítják, hogy az energiafű hamujának a barnaszénétől lényegesen kisebb lágyulási hőmérsékletét a hamu fő alkotó ásványára, a Si0 2 -re igen erős folyósító hatást kifejtő nagy K 2 0, Na 2 0, P 2 0 5 és Fe2C>3 jelenléte okozza. Az eddig feltárt jellemzők alapján az energiafű nem alkalmas közvetlenül az erőművi kazánokban barnaszénnel történő vegyes eltüzelésre. A barnaszén és faapríték együttes elégetésével kapcsolatban az AES Borsodi Hőerőmű Kft. kazánjaiban közel két évvel ezelőtt kezdtek üzemszerű kísérleteket. A vegyes tüzelésnek a S0 2 emisszióra kifejtett kedvező hatását a 8. ábrán látható diagramon szemléltetjük. A 20-30 %-nyi hőegyenértékben a barnaszénhez kevert faaprítékkal történt tüzeléskor végzett emissziós mérések adatai egyértelműen azt jelzik, hogy a füstgázban a kén-dioxid koncentrációja közel 20 %-kal csökkent. Az erőműi tapasztalatok azt mutatják, hogy 30 %-os hőegyenértékig a barnaszénhez bekevert faapríték a kazán tüzelési rendszerének kismértékű átalakításával üzembiztosan megoldható. Nagyobb arányú faapríték felhasználásához a megfelelő lángstabilitás biztosítása érdekében új kazánégők kifejlesztése szükséges. A bamaszén-faapríték vegyes tüzelésnek további igen kedvező eredménye, hogy az erőmű C 0 2 kibocsátása 130 000 t/év értékkel csökkent, mivel a fa égésekor keletkező szén-dioxidot a növények a fotoszintézis folyamataival újra elégethető szerves vegyületek formájában megkötik, aminek következtében ez a 36

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

gáz nem terheli a környezetet. Összességében megállapíthatjuk, hogy a barnaszénfaapríték vegyes tüzelés mind energetikai, mind környezetvédelmi szempontból kívánatos. Ezen túl kifejezetten előnyös, hogy az eltüzelt biomassza hőegyenértékének arányában drága primer energiahordozók takaríthatók meg, ezzel is meghosszabbítva azok felhasználási időszakát.

M E

O) E

o •ro a> o c

*o

— Széntüzelés

Mérési idő [óra:perc] 3300

10:00

1

11:00

1

12:00

— Fatüzelés — Lineáris (Széntüzelés) Lineáris (Fatüzelés)

13:00

8. ábra: A S02 koncentrációja az erőművi kazán füstgázaiban barnaszén tüzeléskor, és a szénhez 30 %-nyi hőegyenértékben kevert faaprítékos vegyes tüzelés esetén

37

Kapros


5. K Ö R N Y E Z E T K Í M É L Ő G Á Z Ü Z E M Ű T Ü Z E L Ő B E R E N D E Z É S E K Amíg az olajtüzelés a 60-as 70-es években még széles körben, számos tüzelési technológiánál nyert alkalmazást, Magyarország földgázprogramjának terjedésével a felhasználás egyre szűkebb területre korlátozódott. Napjainkban - a közlekedési célú felhasználáson kívül tüzelőanyagként gyakorlatilag erőműi (ipari) kazánoknál, olajipari berendezéseknél és háztartási készülékeknél alkalmaznak olajtüzelést. A földgáztüzelés ugyanakkor továbbra is tartja vezető pozícióját. Számtalan tüzeléstechnikai problémát sikerült megoldani hazai, vagy külföldi berendezések, technológiák alkalmazásával. A kidolgozott módszerek, a forgalmazott készülékek típusa és száma tehát rendkívül nagy. A szigorodó környezetvédelmi előírások az emelkedő energiaárak és nem utolsósorban a gáznemű melléktermékek, hulladékok termikus hasznosítására vonatkozó igények erősödése azonban továbbra is ösztönzi az új megoldások kidolgozását. A TÜKI Rt. számos alkalmazási területen végez K+F tevékenységet gáztüzelő berendezések energiafogyasztásának csökkentése, környezetkímélő tüzeléstechnikai megoldások kidolgozása céljából. A továbbiakban néhány ezzel kapcsolatos új megoldást ismertetünk.

5.1. Regeneratív rendszerű hőcserélő fejlesztése ipari kemencékhez Adott technológiai cél eléréséhez szükséges energiafogyasztás csökkentésére legeredményesebb tüzeléstechnikai módszer az égéslevegő fizikai hőjének növelése (levegő előmelegítés) a távozó füstgáz entalpiájának felhasználásával. Az elteijedten alkalmazott különböző típusú rekuperátorok, rekuperatív égők mellett egyre inkább terjednek a jobb hatásfokú regeneratív hőhasznosító berendezések. A forgalmazott berendezések döntő többségénél a regenerátor és az égő egy közös egységet képez. Ennél a megoldásnál a füstgáz elvezetése az égő(kö)n keresztül történik. A tüzelőberendezések felváltva üzemelnek ki- és bekapcsolt állapotban. Utóbbi esetben a gáz és levegő vezetékek záródnak és a füstgáz elvezetés útja válik szabaddá. A működés elvéből következően páros számú tüzelőegységet kell alkalmazni. A beépített kapacitás a működő teljesítmény kétszerese. 38

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

A regeneratív hővisszanyerési elv alkalmazása megengedi az elkülönített telepítést is. Ez nagyfokú rugalmasságot enged meg, mind az égők számát illetően, mind a belső áramlási mező kialakítására vonatkozóan. A tüzelőberendezések üzeme folyamatos, nincs szükség kétszeres égőszám és szerelvénysor beépítésére. Az elkülönített beépítésű regeneratív hőcserélő rendszer elvi vázlatát a 9. sz. ábra mutatja be. A vázlaton 8 db kétállású szerelvény van feltüntetve- a gyakorlatban váltócsappantyúk - a folyamatos vonalak szerint értelmezett áteresztő vagy záró állásban. A ciklusidő letelte utáni váltásnak megfelelő állapotot a körökön belüli szaggatott vonalak érzékeltetik. A hideg és meleg oldalon beépített 4-4 db csappantyú 2-2 db háromállású váltószerelvénnyel is helyettesíthető.

Forró lavegA az égöhoz

9. ábra: Regeneratív tüzelés elvi vázlat

A 90-es évek második felében került kifejlesztésre a TÜKI Rt-ben az 1 MW teljesítményű MONOREG elnevezésű prototípus regeneratív hőcserélő berendezés. Beépítési vázlata a 10. sz. ábrán látható. 39

Kapros

T. - Woperáné


A tüzelőrendszer a ciklusonkénti váltást szerelvények záró-nyitó helyzetének periódusonkénti változtatása helyett a két regenerátorkamrát magában foglaló függőleges tengelyű henger alternáló forgatásával valósítja meg. A tömítést a henger mozgatásával szinkronizáltan vezérelt hidraulikus működtetésű szorítóhenger végzi. Az üzemi tapasztalatok és a kisebb teljesítménynél elvárt méret csökkenési igény figyelembevételével került kifejlesztésre a forgó regeneratív hőcserélő (ROREG) berendezés [6].

10. ábra: MONOREG típusú tüzelőrendszer beépítési vázlat

A három részből álló, vízszintes tengelyű henger két szélső eleme rögzített helyzetű. Ezekhez kapcsolódnak a levegő és füstgáz vezetékek. A középső egység a váltási ciklusnak megfelelő ütemben léptetve forog kilincsmü segítségével. A hő 40

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

elnyeléséhez és leadásához szükséges hőkapacitást a forgórészbe épített kerámiagolyó töltet által megnövelt hőfelvevő és hőleadó képességű csőelemek biztosítják. Az így kialakított regenerátorágyaknak az állórészek járataihoz történő ciklusokként változó pozíciójú kapcsolódása teszi lehetővé a hőfelvevő, ill. hőleadó fázisban üzemelő regenerátor egyes szerepcseréjét. A berendezés fényképe a l l . ábrán látható. A léptetési (váltási) idő optimumának meghatározása érdekében matematikai modellt dolgoztunk ki.

11. ábra: ROREG típusú hőcserélő fényképe A forgó regeneratív hőcserélőből kilépő magas hőmérsékletű égéslevegő ennek fogadására alkalmas tüzelő berendezést igényelt. Az erre a célra fejlesztett égő max. 800°C-os levegővel történő üzemeltetésre alkalmas 150 kW bevitt gázteljesítmény mellett. Ez mintegy 210-220 kW összesített hőteljesítménynek felel meg. A kísérleti üzemi mérések adatai szerint 900 °C-os belépő füstgáz hőmérséklet esetén 600-620°C előmelegített levegő hőmérséklet volt elérhető, mintegy 30-40°C-os hőmérséklet ingadozás mellett.

41

Kapros

T. - Woperáné


Hosszabb ciklusidő esetén a maximumérték nő, azonban a cikluson belüli hőmérséklet csökkenés elérte a 80 °C-t is, ami a tüzelés egyenletessége és rendszer igénybevétele szempontjából egyaránt kedvezőtlen jelenség. A konstrukció véglegesítése jelenleg folyik. A megoldás alkalmazásával 30-40% energia takarítható meg - ezzel arányos a levegőszennyezés, a környezeti terhelés csökkenése is.

5.2. Energiamegtakarítás szakaszos tüzelési technológia alkalmazásával A primer energia-megtakarítás szempontjából újszerű megoldást jelent a pulzáló jellegű tüzelésvezetés alkalmazása. A technológia ipari körülmények közötti alkalmazására már a '70-es, '80-as években is végeztek üzemi kísérleteket [7,8,9], Egy ilyen tüzelési mód hatása kettős. Az áramlási képnek ciklikus módosulása zavarólag hat a határréteg kialakulásának folyamatára növelve a konvektív hőátadási tényezőt. A másik hatás a hevítendő darab felületére irányuló hőáramra vezethető vissza. A csökkentett intenzitású hevítési időszakokban a darab belseje felé irányuló hőmérséklet kiegyenlítődés szerepe válik dominánssá. A felület melegedése lelassul, megfelelően hosszú leállás, vagy korlátozás esetén visszahűlés is bekövetkezhet. Ez viszont azt eredményezi, hogy a tüzelés ismételt indításakor a betét hőfelvevő képessége -legalábbis a felületén addig átadott összes hőmennyiséghez képest- megnövekszik. Az összhatás a hevítési idő növekedésében és az energiafogyasztás csökkenésében jelentkezik. Az első kísérletek és számítások azt igazolták, hogy 840 °C-os felmelegítést tételezve fel, a pulzáló tüzelés a kedvezőbb hőátszármaztatási lehetőségeknél fogva ellensúlyozza a kisláng periódusok hőmérséklet, ill. füstgázsebesség csökkenéséből adódó hatást, kismértékben még gyorsíthatja is a felhevítés folyamatát. Ugyanakkor a ciklikus tüzelőanyag bevezetés jelentős fűtőanyag-megtakarítást és ezen keresztül NOx kibocsátás csökkenést eredményez. Ezért további vizsgálatok kerültek elvégzésre, immár véges kiterjedésű darab hevítésére pulzáló tüzelés esetén. A vizsgálatok vízszintes elrendezésű kád típusú, 2800x650x540 mm belső terű kemencén történtek. A tüzelés pulzálását váltakozó „nagyláng-kisláng" üzemmód biztosította közelítőleg 3:1 teljesítményarányú tüzelés ciklikus változtatásával. A betétet egy 90 mm átmérőjű, 100 mm magas acéltuskó jelentette. A melegedés mértékadó paramétere az anyag geometriai középpontjában elhelyezett hőelem által mutatott hőmérséklet érték, ill. a hozzárendelhető időtartam volt. 42

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

Minden egyes mérési ciklus az acéltuskó maghőmérsékletének 1000 °C-ra történő emelkedéséig tartott. A 12. ábra a teljes felfűtési folyamat hőmérséklet idő kapcsolatát mutatja be példaképpen az 1 .(folyamatos „nagyláng" tüzelés) és az 5. sorszámú mérések esetén. Az 5. számú mérés „energiatakarékos" tüzelés feltételei mellett - a felfutés során a nagyláng tüzeléshez képest 77 %-os energia felhasználással került elvégzésre. A felfűtés ideje kb. 5,5 %-kal nő. Ez áll szemben a 23 %-os energia- és NOx kibocsátás csökkentéssel. A At| és At2 értékek összevetéséből látszik, hogy a felületi hőmérséklet az 5. sorszámú mérésnél jelentősen kisebb, a felfűtés folyamata jelentősen kíméletesebb. A fenti kísérlet 1 200 °C térhőmérséklet, n=l,2 levegőtényező és 48/24 sec tüzelési időarány (nagyláng/kisláng) feltételei mellett került elvégzésre. A felfűtési időarány változtatása eredményezte a kísérletek során a felhasznált energiafogyasztás változását. A tüzelési módszer értékelése az adott hőmérsékletszint eléréséhez szükséges időtartamok összehasonlításával történt.

12. ábra: Betéthömérséklet

időfüggvénye folyamatos és pulzáló tüzelés esetén

43

Kapros T. - Woperáné Serédi A. - Szűcs I.

Az előbbi kísérlet 1 200 °C térhőmérséklet, n=l,2 levegőtényező és 48/24 sec tüzelési időarány (nagyláng/kisláng) feltételei mellett került elvégzésre. A felfűtési időarány változtatása eredményezte a kísérletek során a felhasznált energiafogyasztás változását. A tüzelési módszer értékelése az adott hőmérsékletszint eléréséhez szükséges időtartamok összehasonlításával történt. Az eredmények azt bizonyították, hogy azonos mértékű energiafelhasználás esetén a tüzelési periódusok csökkentése kedvezően hat a folyamatra - a felfűtési idő rövidülése által. Megállapítható volt például, hogy a 24/12 sec-os tüzelési ciklus - az energiafogyasztás ezúttal is mintegy 77 %-a a folyamatos tüzelés szükségletének rövidebb idő alatt biztosítja az acéltuskó felmelegedését mint a folyamatos nagy láng tüzelés. A 13. ábra az erre vonatkozó mérési adatokat foglalja össze.

800 —•— Nagyláng 60s — N a g v l á n g 48s —A— Nagyláng 36s

folyamatos tüzelés nagylángon

Nagvláng 24s

625 600 0750

0.800

0.850

0.900

0.050

1.000

1.050

C (teljesítmény arány)

13. ábra: Az 1 000 °C-ra történő hevítés ideje az energiahányadfüggvényében

44

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

Az energiafogyasztás érzékeltetésére az

£

~

gázfogyasztás 1000 °C-ig történő felfűtés során fogyasztás „ nagy láng " üzemmódú folyamatos tüzelésnél

hányados szolgál. A mérések félüzemi méretű kemencén kis tömegű betét alkalmazásával kerültek elvégzésre. Ipari méretű izzító kemence és betét esetén a hatások összetettebbek a betét nagyobb hőelszívó hatása a falazat hűlése miatt valószínűsíthetően csökkenti a szakaszos tüzelés által elérhető hatásfokjavulást. Az erre vonatkozó igazoló kísérletek jelenleg folynak üzemi feltételek mellett.

5.3. Gáznemű melléktermék energetikai hasznosítása A DUNAFERR Dunai Vasmű területén működő hideghengermű üzemben (DWA Kft.) 60 kemenceállásból és 24 futőharangból álló harangkemence telep teljes rekonstrukciójára került sor 1999-2000. év folyamán. A berendezések kohógáz-kamragáz 4:1 arányú keverékével üzemeltek. A gázkeverék fűtőértéke átlagosan 5,6 MJ/Nm 3 érték, a földgázénak alig egyötöde. A ±15%-ot is elérő fűtőérték ingadozás és a gáz magas portartalma tovább nehezítette a szabályozott tüzelés megvalósítását. A szokatlan tüzelési feltételek és a korszerűtlen tüzelőberendezés az átalakítást megelőzően rendkívül kedvezőtlen környezeti terhelést eredményeztek. Emellett a fajlagos energiafelhasználás is lényegesen meghaladta a nemzetközi átlagot. A korszerűsítést követően a tüzelőanyag minősége nem változott. Az új tüzelőrendszer azonban rugalmasan volt képes alkalmazkodni a kedvezőtlen feltételekhez. A szabályozási rendszer és az égő keveredési viszonyai biztosították a CO mentes tüzelést valamennyi teljesítményfokozat esetében. A szén-monoxid kibocsátás egy kemenceblokk esetén 46,3 kg/ó-ról 1,9 kg/ó-ra csökkent. Egyidejűleg érzékelhetően kisebbé vált a képződött NO x mennyisége is. A környezeti terhelés mérséklődésének másik forrása a fajlagos energiafogyasztás jelentős csökkenése volt. A javulást a hőátadási viszonyok kedvezőbbé tétele mellett a nagy hatékonyságú rekuperátor alkalmazása eredményezte.

45

Kapros

T.

Woperáné

Serédi A. - Szűcs /.

A berendezés fényképe a 14. ábrán látható.

14. ábra: Lemezlágyító harangkemence telep a DWA Hideghengermű területén A védőgázas harangkemencék tüzeléstechnikai és technológiai szempontból egyaránt összetett berendezések. Optimális működtetésük megköveteli az elválasztott térrészekben kialakult kedvező hőátadási körülmények biztosítása mellett a védőgázkeringtetés, hőhasznosítás és tüzelés szabályozhatóság igényeinek kielégítését a környezetvédelmi előírások betartása mellett. A bemutatott berendezések esetében kidolgozásra került a földgáztüzelés technológiája is, amit egyes időszakokban az üzem energiaellátásának függvényében alkalmaznak. Jelenleg folynak vizsgálatok a földgáz-kamragázkohógáz energihordozóknak a fenti igényeket kielégítő optimális kombinációjára meghatározási céljából.

Fosszilis

energiahordozók

környezetbarát

eltüzelése

A példa érzékelteti, hogy a tüzeléstechnikai módszerek (szabályozás, égőkeverési viszonyai) döntően befolyásolhatják a teljes technológiai folyamatot. A szoros kölcsönkapcsolatot érzékeltetik az olajfinomító berendezéseknél alkalmazott tüzeléstechnikai megoldások. Itt a technológiai folyamat során különböző összetételű gáznemű (folyékony) melléktermékek, hulladékok keletkeznek. Ezek tüzelési célú hasznosítása a technológia részét képezi. Az elmúlt másfél évben a TÜKI Rt-ben számos tüzelőberendezés, tüzelőanyagellátó rendszer került kifejlesztésre, amely a környezetvédelmi és biztonságtechnikai követelmények kielégítése mellett a hulladékok legnagyobb mértékű hasznosítását teszi lehetővé. A bemutatott megoldások a fosszilis eredetű primer, illetve szekunder energiahordozók tüzeléstechnikai célú hasznosításának egy-egy kevésbé közismert példájára hívják fel a figyelmet érzékeltetve, hogy új, környezetkímélő megoldások kidolgozására a „hagyományos" fosszilis anyagokra épülő rendszereknél is van igény.

Köszönetnyilvánítás A biogáz-földgáz vegyes tüzeléssel kapcsolatos alapkutatásokat az OTKA támogatta (T 046471) és a Kassai Műszaki Egyetem Energetikai Tanszéke is részt vett a vizsgálatokban. A bemutatott alkalmazott kutatás jellegű feladatok kidolgozása az Oktatási Minisztérium, a Mechatronikai és Anyagtudományi Kooperációs Kutatási Központ, Valamint a DUNAFERR Dunai Vasmű anyagi támogatásával történt. Mindezekért a szerzők ezúttal is köszönetet mondanak.

47

Kapros


Irodalomjegyzék [1] Wopera, A., Szűcs, I.:NO,-reduction by Combustion Methods. The First Asia-Pacific Conference on Combustion, Osaka, (1997). 121-125. [2] Wopera, A.: Staged Firing of Natural Gas with Flue Gas Recirculation. First Eurepean Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zürich, (1996). 28-31. [3] Wopera, A., Sevcsik, M. Sándor, P.:The Effect of Staged Gas Combustion on NO x Formation. 21sl World Gas Conference. Nice., 2000. 115-123. [4]Szemmelveisz K., Avéd I., Szűcs I., Farkas K.: Waste wood-brown coal mixed firing of electric power plant boiler 17th microCAD 2003. International Scientific Conference, Section E-G: Energy and Fluid Engineering, University of Miskolc, 6-7 March, 2003. ISBN 963 661 547 0, ISBN 963 661 552 7, p.: 141-146. [5]I. Szűcs, A. Wopera, K. Szemmelveisz, J. Mikó, A. B. Palotás: Effect of Biomass Burning on the Environment Proceedings of European Combustion Meeting ECM 2003, Volume 1, Section: Combustion of Solid Fuels 58, p.: 1-5. France, Orléans, October 25-28, 2003. [6]Kapros T., Szűcs I.: Energiatakarékos, csökkentett NOx kibocsátású tüzelési rendszer kifejlesztése hevítési technológiákhoz. Miskolci Egyetem Közleménye; Mechatronika, Anyagtudomány, Vol.l. No.l.p.: 93-104. Mechatronikai és Anyagtudományi Kooperációs Kutatási Központ I. Szemináriuma, 2003. június 11., Miskolci Egyetemi Kiadó, 2003. HU ISSN 1589-827X [7] Dr. Szarka Tivadar: Mélykemencék teljesítményének és tüzeléstechnikai hatásfokának növelése a melegítés dinamikájának hatásfokával. Miskolc, IX. Ipari Szeminárium, 1971. 311-316. old. [8] Dr. Szarka Tivadar: Az impulzustüzelés eredményei a hengerműi mélykemencék üzemeltetésében. Energiagazdálkodás XVIII. évf. 2. szám 1976. 74-76. old. [9] Dr. Szarka Tivadar: Höátadási folyamatok jobbítása irányítástechnikai módszerekkel. Miskolc-Egyetemváros, microCAD'95 Conference 40-43. old.

48

FOSSZILIS ENERGIAHORDOZÓK KÖRNYEZETBARÁT ELTÜZELÉSE

Recommend Documents