MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR TÜZELÉSTANI ÉS HŐENERGIA INTÉZETI TANSZÉK

MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR TÜZELÉSTANI ÉS HŐENERGIA INTÉZETI TANSZÉK

MISKOLC ELSŐ FAAPARÍTÉK ALAPÚ, TÁVFŰTÉSI HŐKÖZPONTJA TÜZELŐANYAGAINAK VIZSGÁLATA Szakdolgozat Készítette:

Révész Márk, BSC anyagmérnök hallgató

Konzulensek: Prof. Dr. Szűcs István, egyetemi tanár Kókai Péter, okl. gépészmérnök, doktorandusz

2014.

2

Tartalomjegyzék

1

BEVEZETÉS ...................................................................................................................... 3

2

Az átalakuló távhőszolgáltatásban rejlő lehetőségek .......................................................... 4

3

2.1

A miskolci távfűtés legfontosabb jellemzői................................................................. 5

2.2

Az apríték alapú távfűtési projekt előzményei, indokai............................................... 6

2.3

A projekt céljai és tervezett adatai ............................................................................... 6

2.4

A Kenderföldi aprítéktüzelésű kazántelep elhelyezkedése .......................................... 6

Az aprítéktüzelésű kazán legfontosabb jellemzői ............................................................... 8 3.1

4

A tüzelőberendezésben használt tüzelőanyagok és azok hatásai a kazán üzemére ... 12

A raklapból készített Faapríték és szalmabrikett tüzelőanyag jellemzőinek vizsgálatai .. 16 4.1

A tüzelőanyagok termoanalitikai vizsgálata derivatográffal ..................................... 16

4.1.1

A raklap minta termoanalitikai vizsgálata derivatográffal ................................. 19

4.2

A szalmabrikett termoanalitikai jellemzői ................................................................. 21

4.3

C, H, N és S tartalom meghatározása elem-analizátorral ......................................... 23

4.3.1

Az eljárás elve .................................................................................................... 23

4.3.2

C,H,N,S tartalom mérési eredményei ................................................................. 26

4.4

A raklap apríték és a szalmabrikett fűtőértékének meghatározása ........................... 28

4.4.1

A bomba kaloriméterek jellemzői ...................................................................... 29

4.4.2

Az égésmeleg mérésének eredményei ................................................................ 33

4.4.3

Fűtőérték számítása ............................................................................................ 33

4.5

A tüzelőanyagok hamuja szintereződési és lágyulási jellemzőink meghatározása ... 34

4.5.1

Eszközök, berendezések ..................................................................................... 35

4.5.2

Az eljárás rövid ismertetése ................................................................................ 37

4.5.3

A vizsgált minták lágyulási tulajdonságai .......................................................... 38

5

ÖSSZEFOGLALÁS .......................................................................................................... 44

6

IRODALOMJEGYZÉK .................................................................................................... 45

3

1

BEVEZETÉS A fosszilis energiahordozók folyamatos árnövekedési tendenciájára Magyarországnak

nincs ráhatása. Az egyre gyorsabb ütemben emelkedő árak miatt, és ezzel együtt a kiszolgáltatottság hatásainak csökkentése érdekében szükségessé vált a tisztán földgáz alapú hőtermelés megújuló energiahordozókkal történő részbeni helyettesítése. Az egyik lehetséges irány a biomassza, mint energiahordozó bevonása a távhőtermelésbe. Biomassza tüzelésű távfűtőművek Európa szerte sikeresen működnek, és egyre több városban terveznek hasonló fejlesztéseket A MIHŐ Miskolci Hőszolgáltató Kft. a Budapesti Főtáv Zrt. után Magyarország második legnagyobb távfűtési rendszerét üzemeltető közszolgáltató, amely Miskolc város mintegy 32 000 lakossági és közel 1 200 közületi felhasználója részére végez hőtermelési és hőszolgáltatási tevékenységet [1]. Miskolcon a Közgyűlés 2009-ben hozott döntést arról, hogy a távhőszolgáltatásba egyre nagyobb arányban kell megújuló energiaforrásokat bevonni. A projekt 2012 februárjára valósult meg, egy 3 MW kimenő hőteljesítményű, Binder típusú faaprítékos tüzelőberendezés beüzemelésével a Kenderföldi kazánházban. A bolygatott rostélyos tüzelőberendezéssel és multiciklonos füstgáz tisztítóval ellátott kazán 110/90

o

C hőmérsékletű melegvízzel

szolgáltatja a lakótelep fűtési hőenergiáját. Szakolgozatomban a kazán tüzelőanyagainak (raklap legfontosabb

apríték, szalmabrikett)

tüzeléstechnikai jellemzőit – égésmeleg, C-H-N-S összetétel, hő hatására

végbemenő tömegváltozási és hőeffektusok, valamint a szilárd égési maradékok termikus tulajdonságait - laboratóriumi mérésekkel határoztam meg. Az eredmények azt mutatják, hogy a tüzeléstechnikai adatok és a berendezések jellemzőinek komplex értékelése alapján a raklap előnyösebb, míg a hamu kicsi lágyulási és olvadási hőmérséklete miatt a szalmabrikett a kevésbé alkalmas tüzelőanyag a vízszintes elrendezésű füstcsöves kazán fűtésére.

4

2

AZ ÁTALAKULÓ TÁVHŐSZOLGÁLTATÁSBAN REJLŐ LEHETŐSÉGEK

A távhő, ellentétben a hazai közvélekedésben kialakult lakótelepfűtés, panelfűtés rémével, egy országos energiapolitikai eszköz, és ezen keresztül kiváló lehetőség a klímavédelem és a fenntartható fejlődés szolgálatában. Jelenleg Magyarországon 95 településen található meg valamilyen formában a távfűtés. Ez körülbelül 655 000 távfűtött lakást jelent, a teljes lakásállomány 15,2%-a „melegedik” ilyen módon. A számok az elmúlt években csökkenő tendenciát mutatnak, ugyanis az utóbbi jelzőszám 1990-ben még 16,6% volt. A csökkenés valószínűsíthető oka a szolgáltatás árában keresendő, hiszen a távfűtési számlák egyre magasabbak. A jelenség magyarázata az lehet, hogy az összességben távfűtésre felhasznált tüzelőanyag 82,6%-a földgáz, ezen belül a lakossági használatban ez az arány 61,8% [1, 2]. Ezen energiaforrás dominanciája határozza meg az ellátást, így a távfűtési árakat is. Egy sikeres távhőszolgáltatás alapja viszont az olcsó hő, melynek előállítására minden bizonnyal a megújuló energiák optimális felhasználása ad lehetőséget. Ennek ellenére a megújuló energiaforrások felhasználási aránya a kommunális hulladékkal együtt is mindössze 5% Magyarországon. Egy versenyképes rendszer kialakításához elengedhetetlen a zöld energiák fokozottabb bevonási hányada, és ezen felül a rendszer műszaki állapotának korszerűsítése, a hőveszteség lehető legkisebb szintűre csökkentése. Ez maximálisan egyezik az Európai Unió erre vonatkozó előírásaival, és Magyarország Nemzeti Cselekvési Tervében vállaltakkal [3, 4]. Az egyik lehetséges irány a biomassza, mint energiahordozó bevonása a távhőtermelésbe. Biomassza tüzelésű távfűtőművek Európa szerte sikeresen működnek, és egyre több városban terveznek hasonló fejlesztéseket. Jó példa erre az ausztriai Güssing város, mely már 1996-ban lépéseket tett a széndioxid-kibocsátás csökkentése érdekében [5, 6]. A güssingi távfűtőmű a biomasszát kizárólag a helyi és a regionális erdőgazdálkodóktól szerzi be, ezáltal a regionális értékteremtés mellett a környező erdők ápolása és karbantartása is biztosított. A biomassza füstgáztisztítással egybekötött, ellenőrzött eltüzelése a Güssingi Biomassza Távfűtőműben a számos meglévő egyedi fűtőberendezéssel szemben a káros anyagok töredékét bocsátja ki. Egy fűtőközpontból történik a csatlakozott egységek, úgymint családi házak, üzemek, iskolák stb. hővel történő ellátása. A biomassza elégetése által a központ fűtőkazánjában vizet

5

melegítenek fel, amelyet aztán jól szigetelt vezetékeken a felhasználókhoz juttatnak. A szükséges hőt hőcserélő segítségével veszi át a házi központi fűtés. A lehűlt víz a visszatérő vezetékeken keresztül áramlik visszakerül a fűtőműbe. A biomassza fűtőműből elektronikus úton szabályozzák és ellenőrzik a hőtermelést, az elosztást, az átadást és a fogyasztást. A fejlett technika biztosítja az optimális fűtési üzemet, minimalizálja a munkaerőigényt és segíti a költségcsökkentést. A fogyasztók számára sok előnyt biztosító Güssingi Biomassza Távfűtőmű a hazai távszolgáltatók számára is meghatározó példát jelent [5, 7, 8, 9]. Az írországi Tralee városában is hasonló beruházás valósult meg 2011-ben. A város lakossága 23000 fő. A hetedik legnagyobb város Írországban. Az első ütemben 100 közintézmény fűtését oldották meg, a továbbiakban 2000 lakást, közel 7000 embert szeretnének ellátni újabb faapríték tüzelésű kazánok építésével [10]. Az Egyesült Királyság területén is egyre nagyobb szerepet kap a távfűtés, eddig nem volt jellemző náluk a biomasszából nyert hő hasznosítása [11].

2.1

A miskolci távfűtés legfontosabb jellemzői

A MIHŐ Miskolci Hőszolgáltató Kft. Magyarország második legnagyobb távfűtési rendszerét üzemeltető közszolgáltató, amely Miskolc város mintegy 32 000 lakossági és közel 1 00 közületi felhasználója részére végez hőtermelési és hőszolgáltatási tevékenységet [1, 12]. Miskolc városának távhőszolgáltatását 12 távhő rendszer látja el. Ebből 11 a saját fűtőmű, amelyeknél az összes beépített hőteljesítmény 429,752 MWth, a csúcsigény 205,8 MWth. A távhőigények ellátáshoz a fűtőművek beépített teljesítményén felül a MIHŐ Kft. megvásárolja a nem saját tulajdonú Hold utcai fűtőerőműben és a Bulgárföldi, Diósgyőri, valamint Tatár úti fűtőművekben létesített, összesen 7 db gázmotor által megtermelt hőt is. A fűtőművek legfontosabb műszaki jellemzői az alábbiak.  A Tatár úti Fűtőműnél a hőfoklépcső 150/80, 130/80, a Diósgyőri kazánháznál 130/70, míg a kisebb kazánházaknál 90/70.  A Tatár úti Fűtőműnél a rendszer nyomása 25 bar, a Diósgyőri kazánháznál 16 bar, míg a kisebb kazánházaknál 10 bar.  A teljes fűtött légtér 5 674 700 m3.  A primer vezeték hossza 98 402 m, a szekunder vezeték hossza 50 715 m.

6

2.2

Az apríték alapú távfűtési projekt előzményei, indokai

Miskolcon a Közgyűlés 2009-ben hozott döntést arról, hogy a távhőszolgáltatásba egyre nagyobb arányban kell megújuló energiaforrásokat bevonni. 2010 évben a KEOP-4.2.0/B pályázat elnyerése, és a finanszírozási hitel megszerzése lehetővé tette, hogy zöldmezős beruházás keretein belül megépüljön egy 3 MW teljesítményű faapríték tüzelésű kazán. Ennek működtetéséhez közel 900 méter hosszú, földbe fektetett távvezeték pár kiépítése, egy kb. 10 tonna/óra teljesítményű mobil fa-aprítóberendezés beszerzése és egy több mint 1 000 m2-es fedett tüzelőanyag tároló kialakítása is szükségessé vált.

2.3

A projekt céljai és tervezett adatai

A biomassza alapú távfűtési program céljai és legfontosabb jellemzői a következők.  A

távhőszolgáltatás

versenyképességének

növelése,

további

fejlesztések

megalapozása, példa mutatása további projektekhez, ideértve a beruházói üzemeltető szervezet konstrukcióját is.  A hőtermelés több energiahordozó bázisra helyezése, kisebb kiszolgáltatottság a nagy energiaszállítóknak.  Hozzájárulás az üvegház hatású gázok (ÜHG) kibocsátásának csökkenéséhez a projekt élettartama alatt mintegy 50 077 t CO2 mértékben.  Fentiekhez kapcsolódóan egy jövőbeni alternatíva felmutatása a földgázalapú kapcsolt energiatermelés árviszonyok, vagy energiapolitikai okokból történő visszaszorulása esetére [13,14].

2.4

A Kenderföldi aprítéktüzelésű kazántelep elhelyezkedése Miskolc-Diősgyőr városrészében létesült, 2011 szeptemberére felépített aprítéktüzelésű

kazántelep elhelyezkedését, és az általa fűtött lakónegyedet az 1. ábra térképén tekinthetjük meg. A zöld környezetben felépített telepet a 2. ábra fényképe mutatja. Nemzetközi viszonylatban is gyakran előfordul hogy zöld környezetben létesülnek ilyen fűtőművek. [15]

7

1.ábra az apríték tüzelésű kazán által fűtött terület

2. ábra. Miskolcon, a Kenderföld zöld környezetében, 2012. januárjától üzemelő aprítéktüzelésű kazántelep fényképe

8

3

AZ APRÍTÉKTÜZELÉSŰ KAZÁN LEGFONTOSABB JELLEMZŐI A 3 MW teljesítményű, bolygatott rostélyos (tolórostélyos) tüzelőberendezéssel ellátott

Binder RRK 2500-3000/6 típusú kazán szolgáltatja a fűtési előremenő meleg vizet. A kazán szerkezeti vázlatát a 3. ábrán mutatom be. Ezen kazánok napjainkban egyre inkább elterjedtek, sok gyártó kínál hasonló felépítésű, de különböző teljesitményű kazánokat. [16]

Primer égési levegő ventilátor

Kazán második huzama

Füstgáz ventilátor

Kazán első huzama

Pernye lerakódások

Szekunder levegő ventilátor

Szekunder tűztér

Szekunder levegő bevezetés

Primer tűztér Ferde rostély Csigás hamukihordó

Csigás adagoló Primer levegő bevezetés

3. ábra. A Binder RRK 2500-3000/6 típusú kazán tűzterének és hőcserélő felületei elrendezésének vázlata [17] A kazán fő elemei és azok jellemzői az alábbiak.  A kazánetető három soros keresztszállító gép (éklétra), amely a tárolóból az aprítékt anyagot a kazán adagoló nyílásához szállítja.  A kazán tüzelőanyag előtároló és betoló csigás rendszer.  A rostélyszerkezet, amely enyhén ferde. Általában a rostélysorok közül minden másodikat mozgatják, ezzel oldják meg a tüzelőanyag bolygatását és előretolását.

9

 A zónákra osztott primer levegő befúvó rendszer a ventilátorokkal minden esetben frekvenciaszabályozással működik. Az egyes zónákba a tüzelőanyag minősége és a hőigény függvényében fújnak hidegebb vagy melegebb, több vagy kevesebb levegőt.  A tűztéri tűzálló falazat, ebben képezik ki a szekunder levegő befúvó nyílásokat is.  A szekunder levegő befúvó rendszer, saját ventilátorral, amely szintén szabályozható fordulatszámú.  A lehulló hamukitoló rendszer csigás kivitelben.  A hamukiszállító gép és a konténer.  A hőhasznosító kazán és szerelvényei. Ez egy vízszintes elrendezésű füstcsöves kazántest, a szükséges méretű hőátadó felülettel, kettő huzammal. A jó szabályozhatóság érdekében a huzamok között automatikusan működő rövidzárási lehetőség van kiépítve. A kazánban a víz kényszerkeringtetése szükséges, amelyet a kazánszivattyú végzi.  Füstgáz recirkulációs rendszer, amely a tisztított füstgázból szabályozott mennyiséget juttat vissza a primer és szekunder levegőhöz a tűztérmérséklet, a füstgáz O2, NOx tartalmának kézbentartása céljából [17;18].

4. ábra. A fűtőmű 1.038 m2 területű fedett anyagtárolójában felhalmozott apríték és a 3 m3es homlokkanalas rakodógép fényképe

10

Szekunderlevegő ventilátor

Multiciklonos porleválasztó

Visszatérő víz

Hamukihordó csiga

5. ábra. A kazán hamukihordó oldali fényképe a pernyeleválasztó multiciklonnal

11

6.ábra Az apríték égésének fényképe a primer tűztér végénél

A 2. és 3. huzam közötti füstgázfordítókamra ajtaja

Füstgázventillátor

Visszagyulladást gátló berendezés

Primerlevegő ventillátor

Csigás tüzelőanyag adagoló

7.ábra A kazán primer levegő bevezetés felöli oldalának fényképe a füstgázventilátorral és a visszagyulladást gátló berendezéssel

12

3.1

A tüzelőberendezésben használt tüzelőanyagok és azok hatásai a kazán üzemére

A tüzelőberendezésben többféle tüzelőanyagot égettek el. Ezek között volt szalmabrikett, raklap apríték, nyírerdős faapríték és a városgazdától kapott gallyazási hulladék. Flachauban, Ausztriában szintén különböző faaprítékokat tüzelnek el [19]. A különböző biomasszák elégetésekor a kazán

tűzterében és a füstcsövek belső

felületén tapadványok képződtek, amelyek üzemzavart okoztak. A tapadványokról és azok elhelyezkedéséről saját magam győződhettem meg a 2013 évi nyári szakmai gyakorlatom során, amikor a 3 MW-os aprítéktüzelésű kazán szerkezetét, működését, üzemzavarait tanulmányoztam. A tűztéri tapadványok és az eltömődött füstcsövek fényképeit a 8-12 ábrán mutatom be.

8. ábra. A tüzelőberendezés második huzama előtt a boltozatra lerakódott cseppkőszerű tapadvány fényképe

13

9. ábra. A második huzamból vett tapadvány minta fényképe. A salakdarabok megolvadtak, jól láthatóak különböző tüzelőanyagok szilárd égési maradékainak rétegei, melyek színbeli elváltozást mutatnak. A magas hőmérsékleten a salak néhol meg is olvadt, melyeket a salakban lévő buborékok mutatnak [20].

10. ábra. A különböző tüzelőanyagok miatt elszineződött tapadvány fényképe

14

11. ábra. A tűztérben kialakult tapadvány vastagságát érzékeltető fénykép

12. ábra. A kazán első huzamának füstcsöveiben lerakódott szilárd részecskék fényképe

15

A tűztérben kialakuló tapadványok, megolvadt pernye részek meggyorsítják a tűzálló bélés tönkremenetelét. A kazán füstcsöveiben lerakódó és azok jelentős részét elzáró - szilárd részecskék a kazán kimenő hasznos hőteljesítményét, a távozó füstgázok hőmérsékletének növekedése miatt a berendezés hőtechnikai hatásfokának csökkenését okozzák. 2013. nyarán volt szerencsém eljutni nyári szakmai gyakorlatomon Szolnokra, ahol egy 3,3 MW kimenő hőteljesítményű faapríték tűzelésű kazánt állítottak üzembe. Itt a füstcsövekben nem perdítő lemezek segítségével történik a szilárd részecskék eltávolítása, hanem egy kompresszor segítségével levegőt fújnak be és ezzel történik a füstcsövek tisztítása. Véleményem szerint ez jobb megoldás mint, a Miskolcon alkalmazott technika.

13. ábra A szolnoki 3,3 MW kimenő hőteljesítményű aprítéktüzelésű kazán füstcsöveit tisztító sűrített levegő bevezetés fényképe a mágneszselepekkel

16

14. ábra A tisztító levegőt előállító kompresszor fényképe

4

A

RAKLAPBÓL

KÉSZÍTETT

FAAPRÍTÉK

ÉS

SZALMABRIKETT

TÜZELŐANYAG JELLEMZŐINEK VIZSGÁLATAI

A viszonylag alacsony áruk következtében a kazán tüzelőanyagai közül különösen fontos a szalmabrikettből és a raklapból készített apríték tüzeléstechnikai jellemzőinek, valamint a szilárd égési maradékok lágyulási, olvadási

tulajdonságainak ismerete. A

vizsgálatok menetét és eredményeit a következőkben ismertetem.

4.1

A tüzelőanyagok termoanalitikai vizsgálata derivatográffal

A derivatográfos vizsgálat lehetővé teszi a mintában a hőmérséklet növelése hatására zajló tömegváltozási vagy hőeffektusi folyamatok (dehidratáció, kristályszerkezeti átalakulás, stb.) nyomon követését. A vizsgálat az egyik legösszetettebb termikus elemzési módszerek

17

közé tartozik, amely a több komponensű rendszerek esetén a vegyületek között hő hatására végbemenő kémiai reakciók, illetve fizikai átalakulások vizsgálatára szolgálnak [21, 22]. A termikus folyamatok, akár kémiai reakcióról, akár állapot-, vagy halmaz állapotváltozásról legyen is szó, mindig a rendszer belső hőtartalmának kisebb-nagyobb arányú megváltozásával járnak. Az átalakulást vagy hőelnyelési (endoterm), vagy hőfelszabadulási (exoterm) folyamatok kísérik. Ezeket a hő hatásokat a differenciál-termikus elemzés módszereivel meglehetősen nagy érzékenységgel és pontossággal lehet kimutatni. A legtöbb esetben az átalakulásokat tömegváltozás kíséri, ezen jelenségek különböző tényezőit a termogravimetria módszereivel lehet nagy pontossággal meghatározni [21, 22]. Jelen

vizsgálatokhoz

a

számítógép-vezérelt

felfűtéssel

rendelkező

DERIVATOGRAPH-C típusú készüléket használtuk, amelynek működési elve a következő.

15. ábra. A mérésésekhez használt derivatográfok fényképe.

A vizsgálandó mintát pontosan szabályozott felfűtési sebességű elektromos kemencébe helyezzük. A kemence térhőmérsékletét PtRh-Pt hőelemmel érzékeljük a felfűtés sebességének szabályozása és a vizsgálat hőmérsékletének elektronikus úton történő rögzítése

18

céljából. A vizsgálandó anyagmintát egy a környezet légmozgásaitól gondosan elzárt nagyérzékenységű mérleg egyik karjára korund rúddal támaszkodó korund tégelybe mérjük be. Fontos, hogy a mintatámasztó rúd és a mintatartó tégely anyaga legalább 1500 °C hőmérsékletig stabil legyen, vagyis semmilyen tömegváltozás, vagy hőeffektus ne menjen benne végbe, mert azok a két lényeges jellemző érzékelésében ellenőrizhetetlen nagyságú mérési hibát okoznának. A műszer megbízható működése és élettartama szempontjából lényeges követelmény, hogy az anyag szilárdsága nagyobb legyen, mint a hőmérséklet változása közben kialakuló mechanikai feszültség. Ezeknek a feltételeknek a korund felel meg leginkább. A mintában végbemenő hőmérséklet-változásokat a mintatartó tégely aljába elhelyezett PtRh-Pt hőelem érzékeli. A hőeffektusokból eredő hőmérséklet-változások pontos felvétele céljából a kemencetérbe a vizsgálandó anyag mellett egy hőeffektusokat nem mutató, korund etalon anyagot is behelyezünk. A vizsgálat alatt a berendezés a minta és az etalon anyag hőmérséklet-különbségét differenciál termoelemmel érzékeli, melyet a termofeszültség különbségének erősítése után a műszer elektronikusan rögzít. Ennek a szoftveres kiértékeléséből kapjuk a differenciál-termikus analízis (DTA) görbét [21]. A mérleg segítségével a tömegnek a hőmérséklettől való függését, az un. TG-görbét kapjuk meg. A mérleg másik „karja” egy homogén mágneses erőtérbe benyúló, nagy menetszámú tekercs, amelyben a minta tömegének időbeli változását követő, lineárisan arányos feszültség indukálódik. A mérlegkar kitérésének sebességéből a DTG-görbe határozható meg. A jelek detektálása elektronikus úton, a mérési adatok gyűjtése digitalizálva, az adatok tárolása és kiértékelése pedig a műszerhez célirányosan kidolgozott „MOM Winder” nevű szoftverrel számítógépen történik [22]. A fentiek alapján a derivatográf a vizsgálati eredményeket három görbével ábrázolja:  Termogravimetria (TG): ez a görbe a hőmérséklet emelkedésének hatására a mintában bekövetkező tömegváltozást mutatja. Ez a tömegváltozás egyszerű függvénye.  Differenciál termogravimetria (DTG): a termogravimetrikus görbék kiértékelésnek nehézségei vezettek oda, hogy a TG-görbéjének szükségessé, ill. lehetségessé vált a derivált görbéjének az un. differenciál termogravimetrikus görbének a megalkotása. Ahol a TGgörbének inflexiós pontja van, ott a DTG-görbén csúcs jelentkezik, ezáltal pontos képet alkothatunk a mintában lezajló termikus folyamatokról.

19

 Differenciál-termikus analízis (DTA): ez a vizsgálati módszer azt a hőmennyiséget határozza meg, amely a vizsgálandó anyag felmelegítése illetve hevítése esetén a hőtartalomváltozással járó fizikai- és kémiai változások miatt felszabadul, illetve elnyelődik a vizsgálati rendszerben. A kapott görbe a minimuma felé endoterm, míg a maximuma felé haladva exoterm folyamatokra utal.

4.1.1 A raklap minta termoanalitikai vizsgálata derivatográffal

A raklap termogravimetriás vizsgálatának eredményeként kapott derivatogramot a 16. ábrán mutatom be.

16. ábra. A raklap minta derivatogramja, a minta tömegváltozásai és hőeffektusai a hőmérséklet függvényében A raklap minta derivatogramjának kiértékelésével nyert adatokat a 1. táblázatban foglaltam össze.

20

1. táblázat. A raklap derivatogramjának jellemző pontjaihoz tartozó értékek Jellemző Hőmérséklet Tömegváltozás pont T, °C TG, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9

32 106 170 200 350 406 1000 1027 1275

-0,02 -5,11 -8,87 -9,17 -50,27 -66 -99,45 -99,56 -99,61

Hőmérséklet Tömegváltozás különbség sebessége DTA, °C DTG -0,046 -0,034 0,984 -1,578 4,851 -0,179 6,438 -0,239 14,893 -11,026 17,658 -2,18 7,793 -1,294 5,202 -0,037 12,199 -0,062

A raklap derivatogramjából (16. ábra) megállapítható legfontosabb jellemzők: - a legintenzívebb nedvesség eltávozás hőmérséklete

Tw, max = 105 °C;

- a száradás befejeződésének hőmérséklete

Tw, 0

- az illók kiválásának kezdőhőmérséklete

Till, kezd = 200 °C;

- az illók begyulladásának kezdőhőmérséklete

Till,gyull, = 240 °C;

- az illók leggyorsabb kiválásának hőmérséklete

Till,max = 350 °C;

- az illók kiválásának véghőmérséklete

Till,vég = 406 °C;

- az intenzív égés hőmérséklet tartománya

Tint,ég = 240-1000 °C;

- az égés teljes befejeződésének hőmérséklete

Tégés,bef = 1027 °C;

- nedvességtartalom

W = 8,9 %;

- illótartalom

V = 41 %,

- hamutartalom

Ash= 0,40 %.

= 170 °C;

21

4.2

A szalmabrikett termoanalitikai jellemzői

A szalma termogravimetriás vizsgálatának eredményeként kapott derivatogramot a 17. ábrán mutatom be.

17. ábra. A szalma minta derivatogramja, a minta tömegváltozásai és hőeffektusai a hőmérséklet függvényében A szalma minta derivatogramjának kiértékelésével nyert adatokat a 2. táblázatban foglaltam össze. 2. táblázat. A szalma derivatogramjának jellemző pontjaihoz tartozó értékek Jellemző Hőmérséklet Tömegváltozás pont T, °C TG, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

33 108 170 200 296 332 385 1000 1031 1275

-0,04 -5,91 -10,22 -10,75 -30,53 -45,8 -58,2 -90,5 -91,05 -92,05

Hőmérséklet Tömegváltozás különbség sebessége DTA, °C DTG -0,243 -0,03 0,137 -1,871 4,282 -0,356 6,56 -0,406 15,528 -10,419 16,318 -10,395 18,487 -2,448 7,022 -0,795 3,13 -0,064 0,917 -0,042

22

A szalmabrikett derivatogramjából (17. ábra) megállapítható legfontosabb jellemzők: - a legintenzívebb nedvesség eltávozás hőmérséklete

Tw, max = 105 °C;

- a száradás befejeződésének hőmérséklete

Tw, 0

- az illók kiválásának kezdőhőmérséklete

Till, kezd = 200 °C;

- az illók begyulladásának kezdőhőmérséklete

Till,gyull, = 240 °C;

- az illók leggyorsabb kiválásának hőmérséklete

Till,max = 296-332 °C;

- az illók kiválásának véghőmérséklete

Till,vég = 385 °C;

- az intenzív égés hőmérséklet tartománya

Tint,ég = 240-1000 °C;

- az égés teljes befejeződésének hőmérséklete

Tégés,bef = 1020 °C;

- nedvességtartalom

W = 10,2 %;

- illótartalom

V = 48,0 %;

- hamutartalom

Ash= 7,95 %.

= 170 °C;

A derivatogramok összehasonlítása alapján a következőket állapíthatjuk meg:  nedvesség eltávozása mind a két tüzelőanyagnál 107 °C közelében a legintenzívebb;  a raklap nedvessége (WRL=8,9 %) 11 %-kal kisebb, mint a a szalmabriketté (WSz= 10,2 %);  az illók eltávozása szalmánál 300 °C, raklapnál 350°C közelében a legintenzívebb, ez az egyik magyarázata a szalma gyorsabb begyulladásának és rövidebb idejű elégésének („szalmaláng!”);  a raklap illó tartalma (VRL=41,1 %) közel 7 %-kal kisebb, mint a szalmabriketté (WSz= 48 %), a raklap apríték nagyobb fix karbon tartalma okozza a hosszabb idejű égést;  a szalmabrikett elégése után közel húszor több szilárd égési maradék (A Sz= 7,95 %) keletkezik a raklapéhoz (ARL=0,4 %), képest.[23]

23

4.3

C, H, N és S tartalom meghatározása elem-analizátorral

4.3.1 Az eljárás elve

A minta nagy hőmérsékleten, oxidáló közegben történő gyors és tökéletes elégetése (ún. flash combustion) minden szerves és szervetlen komponenst égéstermékké alakít. A képződő gáz halmazállapotú égéstermékek hélium vivőgáz segítségével oxidáló és redukáló zónákon való átáramoltatás után kromatográfiás oszlopra jutnak, ahol komponenseikre (CO2, H2O, N2, SO2) szétválnak. A szétválasztott gázkomponenseket hővezetőképesség-detektor érzékeli [24]. A tüzelőanyagok elemi összetételének meghatározása alatt a szerves vegyületek elemi összetevőinek (azaz karbon-, hidrogén-, kén-, nitrogén- és oxigéntartalmának) mennyiségi analízisét értjük. Az elemi összetételre több okból kifolyólag is szükségünk lehet: fűtőérték meghatározáshoz, égéselméleti számításokhoz, stb. Az égési tulajdonságok szempontjából a tüzelőanyag C-, H- és O-tartalma a legfontosabb, a kén- és nitrogéntartalom a környezetszennyezés és a korrózió szempontjából lényeges paraméter. A tüzelőanyagok elemi összetételének meghatározására számos módszert fejlesztettek ki a különböző korok technikai színvonalának megfelelően. Szinte valamennyi eljárás alapelve, hogy a vizsgálandó tüzelőanyagot tökéletesen elégetik, és a keletkező füstgázból következtetnek annak összetételére. Jelen vizsgálat során a karbon, hidrogén és kéntartalom műszeres meghatározására vonatkozó MSZ, ISO, DIN, vagy CEN szabványok alapján Carlo Erba EA 1108 típusú elemanalizátorral végeztem a méréseket. Az elemanalizátor elvi felépítési vázlatát a 18. ábrán mutatom be.

24

18. ábra Carlo Erba EA 1108 típusú C, H, N, S, O elemanalizátor elvi felépítése

Egy valós mintán végzett mérés eredményeképp kapott tipikus kromatogram a 19. ábrán látható.

25

19. ábra Az elemanalizátor szolgáltatta tipikus feszültség-idő függvény, mely alapján a minta N, C és H tartalma számszerűen meghatározható

Minta tároló és adagoló

20.ábra A CHNS elemanalizátor képe, a minta tároló és adagolóval.

26

4.3.2 C,H,N,S tartalom mérési eredményei A minták elemi összetételének mérési adatait az 3. és a 4. táblázatban foglaltam össze, a kiértékelés eredményeit pedig a 21. és a 22. ábrán mutatom be

3. táblázat. Raklap apríték mért N, C, H tartalma Raklap N C H minta m/m % m/m % m/m % 1 0,33 45,83 6,15 2 0,17 45,59 6,05 3 0,15 45,68 5,91 4 0,08 45,90 6,02 5 0,22 45,72 6,25 Átlag 0,19 45,74 6,08

N, C, H tartalom, m/m%

45

Szalmabrikett N, C, H tartalom (m/m%)

40 35 30

N m/m %

25

C m/m %

20

H m/m %

15

10 5

0,14

0,26

0,24

0,14

0,15

0 szalma 1

szalma 2

szalma 3

szalma 4

szalma 5

21. ábra. Szalmabrikett N, C, H összetétel, m/m %

27

4. táblázat. Szalmabrikett N, C, H tartalma

N, C, H tartalom, m/m%

Szalmabrikett N C H minta száma m/m % m/m % m/m % 1 0,26 39,77 5,46 2 0,14 40,32 5,80 3 0,24 39,93 5,61 4 0,14 39,99 5,53 5 0,15 40,18 5,41 Átlag 0,18 40,04 5,56

Raklap N, C, H tartalom (m/m%) 50 45 40 35 N m/m % 30 C m/m % 25 H m/m % 20 15 10 5 0,33 0,22 0,15 0,08 0,17 0 raklap1 raklap2 raklap3 raklap4 raklap5

22. ábra. Raklap N,C, H összetétel (m/m%) Az elemi összetétel adatai alapján megállapíthatjuk, hogy a raklap apríték C és H tartalma 10 %-kal nagyobb, mint a szalmabriketté. Mind a két tüzelőanyag közel azonos nitrogén tartalommal rendelkezik.

28

A raklap apríték és a szalmabrikett fűtőértékének meghatározása

4.4

Égéshő és fűtőérték meghatározása A mérést az MSZ-24000-5: „Szenek laboratóriumi vizsgálata. Az égéshő meghatározása és a fűtőérték kiszámítása” c. szabvány szerint kell elvégezni. A vizsgálat megkezdése előtt az ide vonatkozó fogalmakat tisztázni kell. Alapfogalmak  Az égéshő (Ha) az a hőmennyiség, ami a tüzelőanyag tömegegységének tökéletes elégetésekor felszabadul; az égés utáni maradékok: fel nem használt oxigén, széndioxid, nitrogén, kén-dioxid gázhalmazállapotban, a (hidrogén égéséből és a nedvességből származó) víz folyékony, a hamu pedig szilárd halmazállapotban lesz jelen.  A fűtőérték (Hu) az a hőmennyiség, ami a tüzelőanyag tömegegységének tökéletes elégetésekor felszabadul, az égési maradékok közül a víz gőz halmazállapotban lesz jelen.

Az égéshő és a fűtőérték között az alapvető különbség az, hogy egyik esetben folyékony halmazállapotú víz keletkezik, míg a másik esetben pedig a tüzelőanyag elégetése után a víz gőz halmazállapotban van jelen (és távozik a füstgázzal). A gyakorlatban egy tüzelőanyagot a fűtőértékével jellemzünk, mivel annak elégetése után a távozó füstgázzal együtt vízgőz is kilép a kéményen keresztül. A keletkező füstgáz hőmérséklete eléri a 200 °C-ot, így érthető a vízgőz jelenléte a rendszerben. Laboratóriumi körülmények között az égéshő meghatározására van lehetőség, majd a fűtőérték számítható a víz párolgáshőjének figyelembe vételével (amely 25 °C-on 2,449278 kJ/g).

29

4.4.1 A bomba kaloriméterek jellemzői

Az

égéshő

meghatározására

laboratóriumi

körülmények

között

kalorimétert

használunk. A mérés elve a következő: ismert tömegű mintát nagynyomású (2,5 – 3,5 MPa) oxigénnel töltött vastag falú edénybe helyezünk, majd elégetjük. Ekkor a felszabaduló hőt felveszi a bomba, és átadja az őt körülvevő ismert tömegű víznek, aminek a hőmérsékletemelkedése arányos az égéskor felszabadult energiával. A mért értékek segítségével meghatározható az égéshő [25]. A méréseket a „PARR-6200” típusú, automatikus kaloriméterrel végeztem el. A kaloriméter négy fő részből áll: 1. Bomba, vagy nyomástartó edény, ahol az éghető anyag elégetése végbemegy 2. Kaloriméter edény, ami a bomba, az azt körülvevő ismert mennyiségű víz valamint a keverő berendezés befogadására szolgál 3. Szigetelt köpeny, ami megóvja a kaloriméter edényt a vizsgálat során a környezettel való hőcserétől 4. Hőmérő vagy hőmérsékletérzékelő a kaloriméter edényben.

23. ábra „PARR-6200” típusú automatikus kaloriméter fényképe

30

24. ábra. Bomba kaloriméter elvi felépítése: 1. Hőmérő, 2. Desztillált víz az edényben, 3. Keverőlapát, 4. Hőállóacél nyomástartó edény „bomba”, 5. Külső köpeny

Maga a bomba (24. ábra) egy erős vastag falú edény, ami nyilvánvalóan nyithatónak kell lennie, legfőképpen azért, hogy a vizsgálandó mintát be lehessen helyezni, majd az égésterméket pedig el tudjuk távolítani az eszköz belsejéből. Ezen felül a vizsgálat előtt gondoskodnunk kell a bomba tisztaságáról, gondosan ki kell tisztítani az előző vizsgálatkor keletkezett savakat és egyéb égéstermékeket. Ezt csak úgy tudjuk megoldani, ha az eszköz belseje megfelelően hozzáférhető a számunkra. A mérés előtti nagy nyomású oxigénnel való feltöltése és a vizsgálat végén a keletkezett gázok eltávolítása szelepek segítségével történik, ami a bomba fedelén található. Ugyancsak a bomba fedelén találhatók az elektródák, ami a gyújtóáram bevezetésére szolgálnak. A kaloriméter edény méretét úgy tervezték, hogy a bomba és a keverő egésze a víz szintje alatt lehessen. A keverő arra szolgál, hogy a kaloriméter edényben lévő víz teljesen homogén hőmérsékletű legyen, ezt úgy oldja meg, hogy mechanikus energia formájában nem

31

visz be túl sok hőt. A víz hőmérsékletének a homogenitására azért van szükség, hogy a környezettel való hőcserét minimalizáljuk. Ahogy a bombának, úgy a kaloriméter edénynek is van tárolója, ez a kaloriméter köpeny, ez egyfajta védőburokként szolgál, mérsékli a környezet közötti hőátadást. Tehát a köpeny feladata, hogy a vizsgálat időtartama alatt minimalizálja a huzat, a hősugárzás valamint a helyiség hőmérséklet változását, azonban ezen tényezők még így sem zárhatóak ki teljes mértékben.

1

2

3 4 5

25. ábra. A kaloriméter bomba szerkezetének vázlata 1- Oxigén bevezetés, 2 - Csavaros fedél, 3 - Bombatest, 4 - Gyújtóhuzal, 5- Mintatartó tégely

32 Oxigén bevezetés

26. ábra Kaloriméter bomba fényképe oxigén feltöltés közben

A számítást, szabvány előírásai szerint a következő módon végeztük:

Ha 

V (t m  t 0  c)  b G

[kJ/kg]

ahol: Ha

kaloriméterrel meghatározott égésmeleg, [kJ/kg]

V

kaloriméter vízértéke, [J/C]

t0

főkísérlet első hőmérséklete, [C]

tm

főkísérlet utolsó hőmérséklete, [C]

c

kaloriméter és környezete közötti hőközlés korrekciós tényező, [C]

b

minta gyújtóanyagából származó égéshők összege, [kJ]

G

bemért minta tömege, [g].

Az égetés során felszabaduló hőenergiát a kaloriméteren belül elnyeletjük, és az abszorbeáló közeg hőmérsékletváltozását regisztrálja a készülék. Az égéskor felszabaduló hőmennyiséget a hőmérséklet növekedés, valamint a kalibráció során előzetesen meghatározott vízérték alapján számítja ki. A kapott mérési adatokat a minta begyújtásához felhasznált anyag égésekor felszabadulő hő értékével korrigálni kell [26].

33

4.4.2 Az égésmeleg mérésének eredményei

Az égémeleg mérésének adatait a 5. és a 6. táblázatban foglaltam össze.

5. táblázat. Raklap apríték égéshője mérésének adatai Raklap apríték minta száma 1 2 3 Átlag

Tömeg Korrekció Égésmeleg dT (g) Ha, MJ/kg) (FF) 0,5182 7 0,9073 17,5602 0,505 6 0,8877 17,6350 0,4356 5 0,7645 17,5952 17,5968

6. táblázat. Szalmabrikett égéshője mérésének adatai Szalmabrikett minta száma 1 2 3 Átlag

Tömeg Korrekció (g) (FF) 0,3571 0,5154 0,4301

2 3 6

dT

Égésmeleg Ha (MJ/kg)

0,5664 0,8083 0,6686

15,8907 15,7457 15,5573 15,7312

Az égésmeleg mérés adatiból megállapíthatjuk, hogy a raklap apríték égésmelege (17,6 MJ/kg) 11 %-kal nagyobb, mint a szalmabriketté (15,7 MJ/kg).

4.4.3 Fűtőérték számítása

Az égéshő ismeretében számítható a tüzelőanyag fűtőértéke abban az esetben, ha rendelkezésre áll az elemanalízis során kapott hidrogéntartalom (H), és ez alapján meghatározott nedvességtartalom (Wt). A fűtőérték számítását az alábbi képlet írja le:

34

Hu = Ha,minta − 24,49278 · (9 · H + Wt )

[kJ/kg]

ahol: Hu

a vizsgált minta fűtőértéke, kJ/kg,

Ha,minta

a vizsgálati minta előzőleg meghatározott égéshője, kJ/kg,

H

a minta hidrogéntartalma, % m/m,

Wt

a minta nedvességtartalma, % m/m (nedves minták esetében az összes nedvesség, száraz minta esetében 0).

7.táblázat A raklap és a szalma brikett fűtőértékének adatai Minta

Hidrogén, (m/m%)

Nedvesség, (m/m%)

Égésmeleg, Ha (MJ/kg)

Fűtőérték, Hu (MJ/kg)

Raklap Szalma

6,08 5,56

8,9 10,2

17,6 15,7

16,00 14,22

A H, W, és a Ha ismeretében a számítások alapján a raklap fűtőértéke Hu=16,00 MJ/kg, a szalmabriketté pedig Hu= 14,22 MJ/kg.

4.5

A tüzelőanyagok hamuja szintereződési és lágyulási jellemzőink meghatározása Az olvadási tulajdonságokat az alábbi hőmérsékleti pontokkal jellemezhetjük:  Szintereződési hőmérséklet (IT): az a hőmérséklet ahol a minta magassága a kiinduláshoz képest 5%-ot csökkent  Deformációs pont (DT): az a hőmérséklet ahol a próbatest kezd gömbszerűvé válni, a sarkok, élek elkezdenek lekerekedni  Gömb hőmérséklet (ST): az a hőmérséklet ahol a lágyulás jelei megjelennek pl: a felület megváltozása, élek lekerekedése, a próbatest felfúvósodásának kezdete

35

 Félgömb hőmérséklet (HT): az a hőmérséklet ahol a próbatest alakja hasonlít egy félgömbre, a megolvadt próbatest fele olyan magas, mint az alapvonala.  Folyási (megolvadási) hőmérséklet (FT): az a hőmérséklet ahol a próbatest a kiinduló magasság harmadára megolvadt. 4.5.1 Eszközök, berendezések

Az általunk használt Sylab gyártmányú IF 2000G típusú lágyuláspont mérő a hozzátartozó IRF 1500 típusú kemencével (27. ábra) a próbatesteknek alakváltozását méri, és regisztrálja egy digitális kamera segítségével. A műszerrel lehetőség van CEN/TS 15370-12006, ISO 540 1995, ASTM E 953-8(2004), AFNOR M03048, BRITISH1016-70, AS 1038.15, DIN 51730 szabványok szerinti mérésre.

27. ábra. A hamulágyulás mérő műszer és adatgyűjtő vázlata

36

28. ábra Hamulágyulás mérő műszer fényképe A vizsgálóberendezés fő komponensei az elektromosan fűtött csőkemence, a megfigyeléshez, fénykép vagy videó felvételhez kialakított nyílás és a fényforrás. Mindegyik részt egy optikai padon helyezünk el.

29. ábra. Csőkemence a mintatartóval

37

A csőkemence központosított, belső átmérője 55 mm, lantán-kromit fűtőszálakkal ellátva mely 1550 °C-ig fűthető. A kemencetér homlokoldalán cserélhető kvarcüveg található, ahol mosógáz hozzáadás és elvezetés lehetséges. A kemence önműködő szabályzó- és vezérlő berendezéssel van ellátva. A 30. ábra a digitális kamera és a csőkemencébe elhelyezett minták elrendezését mutatja.

30. ábra. A méret és alakváltozást érzékelő kamera, a kemence és a vizsgált minta elhelyezkedése a műszerben

4.5.2 Az eljárás rövid ismertetése

A mintából készült, 3 mm magasságú és 3 mm átmérőjű hengeres méretű próbatestet szabályozott körülmények között hevítünk. A műszer kamerája az alakváltozást folyamatosan rögzíti és a különböző szabványok szerinti karakterisztikus hőmérsékleteket (DT, ST, HT, és FT) automatikusan meghatározza. Gyakorlati feltételek mellett az ásványi alkotók viselkedése az üzemi tapasztalatok szerint a kémiai és az ásványi összetételen túl a technikai feltételektől is függ [27].

38

4.5.3 A vizsgált minták lágyulási tulajdonságai

A raklap hamuja lágyulási vizsgálatának eredményeit a következő táblázatban és ábrákon mutatom be. 8. táblázat. Raklap hamu szintereződési és lágyulási hőmérsékletei Raklap hamu minta száma 1 2 Átlag

Kiindulási állapot

Szintereződési hőmérséklet IT, °C 1155 1149 1152

Deformációs hőmérséklet DT, °C 1176 1171 1174

Gömb hőmérséklet ST, °C 1186 1181 1184

Félgömb hőmérséklet HT, °C 1199 1193 1196

Gömb hőmérséklet 1186°C

Szintereződési

Félgömb

hőmérséklet

hőmérséklet

1155°C

1199°C

Deformációs

Olvadási

hőmérséklet

hőmérséklet

1176°C

1217°C

31. ábra. Raklap hamu 1 minta lágyulási tulajdonságai

Olvadási hőmérséklet FT, °C 1217 1217 1217

39

Raklap hamu 1 lágyulási görbéje Méretváltozás (%)

120 H (mm)

100

W (mm)

80 60 40 20 400

600

800

1000

1200

Hőmérséklet (°C) 32. ábra. Raklap hamu minta 1. próbatest lágyulási görbéje. H-próbatest magassága, W-próbatest szélessége

Kiindulási állapot

Gömb hőmérséklet 1181°C

Szintereződési

Félgömb

hőmérséklet

hőmérséklet

1149°C

1193°C

Deformációs

Olvadási

hőmérséklet

hőmérséklet

1171°C

1217°C

33. ábra. Raklap hamu 2 minta lágyulási tulajdonságai

1400

40

Raklap hamu 2 lágyulási görbéje Méret változás (%)

120 100 80

60

H (mm)

40

W (mm)

20 400

600

800

1000

1200

1400

Hőmérséklet (°C) 34. ábra. Raklap hamu minta 2.próbatest lágyulási görbéje. H-próbatest magassága, W-próbatest szélessége

9. táblázat. Szalmabrikett hamujának jellemző alakváltozási hőmérsékletei

Szalma hamu minta száma

Szintereződési hőmérséklet IT, °C

Deformációs hőmérséklet DT, °C

Gömb hőmérséklet ST, °C

Félgömb hőmérséklet HT, °C

Olvadási hőmérséklet FT, °C

1

756

821

951

1156

1181

2

766

831

961

1141

1192

Átlag

761

826

856

1149

1187

41

Kiindulási

Gömb

állapot

hőmérséklet 951°C

Szintereződési

Félgömb

hőmérséklet

hőmérséklet

756°C

1156°C

Deformációs

Olvadási

hőmérséklet

hőmérséklet

821°C

1181°C

35. ábra. Szalmabrikett hamu 1minta lágyulási tulajdonságai

Szalma brikett hamu 1 lágyulási görbéje Méretváltozás (%)

130

110 90 H (mm)

70

W (mm)

50 30 400

600

800

1000

Hőmérséklet (°C)

1200

36. ábra. Szalmabrikett hamu 1minta lágyulási görbéje. H-próbatest magassága, W-próbatest szélessége

1400

42

Gömb

Kiindulási

hőmérséklet

állapot

961°C

Szintereződési

Félgömb

hőmérséklet

hőmérséklet

766°C

1141°C

Deformációs

Olvadási

hőmérséklet

hőmérséklet

831°C

1192°C

37. ábra. Szalmabrikett hamu 2 minta lágyulási tulajdonságai

Szalma brikett hamu 2 lágyulási görbéje

150

Méret változás (%)

130

H (mm)

110

W (mm)

90 70 50 30 400

600

800

1000

1200

Hőmérséklet (°C) 38. ábra. Szalmabrikett hamu 2 minta lágyulási görbéje. H-próbatest magassága, W-próbatest szélessége

1400

43

A

szilárd

égési

maradékok

hőmérséklet

növekedés

hatására

bekövetkező

méretváltozásait ábrázoló diagramokból az állapítható meg, hogy a szalmabrikett hamujának (Tszint = 761°C) szintereződése, a részecskék összesűlésének kezdeti hőmérséklete 390 °C-kal kisebb, mint a raklapé (Tszint =1152 °C). Lényegében ez okozza a szalmatüzeléskor jelentkező tapadvány képződést.

44

5

ÖSSZEFOGLALÁS Az energiahordozók egyre gyorsabb ütemben emelkedő ára miatt, és

a

kiszolgáltatottság hatásainak csökkentése érdekében szükségessé vált a tisztán földgáz alapú hőtermelés megújuló energiahordozókkal történő részbeni helyettesítése. Az egyik lehetséges irány a biomassza, mint energiahordozó bevonása a távhőtermelésbe. Biomassza tüzelésű távfűtőművek Európa szerte sikeresen működnek, és egyre több városban terveznek hasonló fejlesztéseket. Miskolcon a projekt 2012 februárjára valósult meg, egy 3 MW kimenő hőteljesítményű, Binder típusú faaprítékos tüzelőberendezés beüzemelésével a Kenderföldi kazánházban. A biomassza tüzelés számos előnye mellett egyik hátránya az, hogy a tüzelőanyagok szilárd égési maradékai általában kisebb hőmérsékleten lágyulnak, mint a fosszilis energiahordozóké. Szakdolgozatomban

a

kazánban

általában

eltüzelt

faaprítéknál

ólcsóbb

tüzelőanyagainak (raklap apríték, szalmabrikett) legfontosabb tüzeléstechnikai jellemzőit – égésmelegét, C-H-N összetételét, valamint a szilárd égési maradékok termikus tulajdonságait laboratóriumi mérésekkel határoztam meg. Elem-analizátor segítségével megállapítottam, hogy a szalmabrikett éghető tartalma (C=40 m/m%, H=5,5 m/m%) relatíve 10 %-kal kisebb, mint a faaprítéké (C=45 m/m%, H=6 m/m%). A szalmabrikett égésmelege és fűtőértéke (Ha=15,7 MJ/kg, Hu=14,22 MJ/kg) is 10 %-kal kisebb, mint a raklap aprítéké (Ha=17,6 MJ/kg, Hu=16,00 MJ/kg).

A vizsgálatokra

azért volt szükség mert a szalma és a faapríték együttes tüzelése során tapadványok képződtek a kazán tűzterében és füstjárataiban, valamint a hőcserélő felületein. Az elvégzett vizsgálatok bebizonyították hogy a szalma hamujának szintereződési hőmérséklete 760°C raklapé ezzel szemben jóval magasabb 1152 °C.

körüli, a

A szalma hamujának deformációs

o

hőmérséklete (825 °C) 300-350 C-kal kisebb, mint a raklap aprítéké (1173 °C). Alapvetően ez okozza a tapadványok kialakulását, amelyek leszűkítik a füstgázok áramlási szelvényét, növelik a füstgázok áramlási ellenállását, csökkentik a kazán hatásfokát. A tüzeléstechnikai adatok, a szilárd égési maradékok lágyulási tulajdonságai és a tüzelőberendezés jellemzőinek komplex értékelése alapján a raklap az előnyösebb, míg a hamu kicsi lágyulási és olvadási hőmérséklete miatt a szalmabrikett kevésbé alkalmas tüzelőanyag a vízszintes elrendezésű, füstcsöves kazán fűtésére.

45

6

IRODALOMJEGYZÉK

[1] Prof. Dr. Garbai László: A távhőszolgáltatás Magyarországon, (2009) Távhőszolgáltatás 40 éve a Bükk kapujában, MIHŐ Kft. kiadványa, p.:17-27. [2] Csendes Károly: 40 éve a lakosság szolgálatban, 2009. 04. 30 Szocio Produkt Kft Nyomda [3] Dr. SZERDAHELYI György: Magyarország energiahatékonysági cselekvési terve, EGÉPÉSZ online szaklap, Magyar Mérnöki Kamara Épületgépészeti Tagozatának Lapja, 2010. június 23 [4] ] Dr. Sembery Péter, Dr. Tóth László: Hagyományos és megújuló energiák, Szaktudás Kiadó Ház Budapest, p. 530 [5] GÜSSING Távfűtőmű Kft. - http://www.energieregion.eu/2010/04/einladung-zur-fahrtnach-gussing.html [6] http://fwee.org/energyforkeeps-pdfs/eforkeeps_ch3_biomass.pdf [7] Dr. Barótfi István: Energiafelhasználói kézikönyv, Környezettechnikai Szolgáltató Kft., Budapest, 1993. p. 627-904 [8] http://www.rsbiomass.com/urbas_district.html [9] http://heating.danfoss.com/Content/f890c132-47ef-45bb-97b136fdbea36e80_MNU17491452_SIT54.html [10]http://www.seai.ie/Publications/Renewables_Publications_/Bioenergy/The_Mitchels_Boh Boher_Regeneration_Project.pdf [11]http://www.biomassenergycentre.org.uk/portal/page?_pageid=77,97356&_dad=portal&_s schem=PORTAL [12] MIHŐ MISKOLCI HŐSZOLGÁLTATÓ Kft. – vállalati dokumentumok [13] Méhn Imre:Megújuló energia a távhő jövője, A biomassza hasznosításának gyakorlati tapasztalatai, lehetőségei, , MATÁSZSZ szakmai konferencia, 2012. [14] http://www.biomasscenter.org/what-we-do/our-expertise/district-heating [15] http://www.coach-bioenergy.eu/en.html [16] http://www.eurotherm.dk/BIOMASS_HEATING_1.htm

46

[17] BINDER Gmbh (2011): Allgemeine Betriebsanleitung, Technisches Handbuch für Heizkessel, Austria [18]http://www.livingenergy.co.nz/product/5/binder-wood-fired-boilers/27/underfedcombustion-units.aspx [19] http://snapshotsfromberlin.com/2014/02/13/district-heating-system-in-flachau-austria/ [20] Szarvas-1energiafű http://magyarorszag.hu/hírek/gazdaság/energiafu20030924.htm [21] Dr. Szemmelveisz Tamásné: Fás- és lágyszárú biomasszák tüzelhetőségi feltételeinek vizsgálata, Doktori (PhD) értekezés, Miskolci Egyetem, 2006 [22] http://www.mom.hu [23] MSZ KGST 751-77: Szilárd tüzelőanyagok nedvességtartalmának meghatározása [24] MSZ 24000/11-1988: Szenek laboratóriumi vizsgálata. A széntartalmak és a hidrogéntartalom meghatározása [25] MSZ 12000/5-68 Feketeszenek laboratóriumi vizsgálata. Égéshő meghatározása és fűtőérték kiszámítása [26] Szilárd tüzelőanyagok égésmelegének meghatározása és fűtőértékének számítása illetve a tüzelőanyagban

található

C,

H,

N,

és

S

mennyiségének

meghatározása

http://www.combustion.uni-miskolc.hu/oktatas/jegyzetek/energiahordozok-labor1.pdf [27] MSZ ISO 1171: Szilárd ásványi tüzelőanyagok vizsgálata. A hamu meghatározása