TARTALOMJEGYZÉK BIOMASSZA TÁVFÛTÕ RENDSZEREK TERVEZÕJE

BIOMASSZA TÁVFÛTÕ RENDSZEREK TERVEZÕJE

TARTALOMJEGYZÉK Modul

Technika Unit

01 Berendezéstechnika I (Biomassza fűtőművek) 02 Berendezéstechnika II (Biomassza fűtőerőművek) 03 Berendezéstechnika III (Hőelosztás)

1 nap (8 oktatási egység) 1 nap (8 oktatási egység) 1 nap (8 oktatási egység)

IMPRESSZUM Ez az oktatási anyag az EU INTERREG IIIB CADSES CER2 - Central European Regions Cluster for Energy from Renewables Network – projektjének keretében készült el. Ez az oktatási anyag a CER² „Biomassza távfûtõ rendszerek tervezõje” bevezető tanfolyam alapját képezi. Güssing, 2005. július 30. KIADÓ © Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH Europastraße 1, A - 7540 Güssing (2005) SZERZŐK DI Dr. Johann Geyer DI (FH) Gerald Peischl FORDÍTÓ Katalin Bödi Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH Europastraße 1, A - 7540 Güssing


Modul:

02 Technika

Egység

01 Berendezéstechnika I (Biomassza fűtőművek)

Időtartam:

1 nap (8 tanítási egység)

Rövid leírás:

Berendezéskoncepció és eljárás: •

Hőelőállítás

•

Berendezésméretek

•

Helyigény

Égetési technika: •

Égetés

•

Károsanyagok

Tüzelőanyagtárolás: •

Tárolási behordó és kihordó rendszerek

Tüzeléstechnika: •

A tüzeléstechnika fajtái

© 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.1


Tartalomjegyzék 1

Berendezéskoncepció és eljárás .............................................................................1

1.1

Szilárd biotüzelőanyagok hasznosításának megfelelő felhasználási területei .........1

1.2

Berendezéskoncepciók ............................................................................................3

1.2.1

Elégetési koncepciók ...............................................................................................3

1.2.2

Elgázosítási koncepciók...........................................................................................4

1.2.3

Általánosságban a biomassza berendezés méretezéséről......................................4

1.2.4

Berendezéskidolgozás, a méretezési adatok meghatározása.................................4

2

Égetési technika.......................................................................................................9

2.1

Folyamatok a biomassza elégetésénél ....................................................................9

3

Tüzelőanyagtárolás................................................................................................13

3.1

Tárolóbe- és kihordó rendszerek ...........................................................................14

4

Tüzeléstechnika .....................................................................................................15

4.1

Aknás tüzelőberendezések ....................................................................................16

4.2

Előkemencés tüzelés .............................................................................................16

4.3

Alátolótüzelés.........................................................................................................17

4.4

Rostélyos tüzelőberendezés fajellegű biomasszához............................................18

4.5

Stacioner fluidizációs tüzelés .................................................................................19

4.6

Körforgó fluidizációs tüzelés ..................................................................................20

4.7

Befúvatásos tüzelőberendezés ..............................................................................21

4.8

Hőcserélő / kazán ..................................................................................................21

5

Felhasznált irodalom ..............................................................................................24


Modul 2.1


1

Berendezéskoncepció és eljárás

A legfontosabb keretfeltételek, melyek a szilárd biotüzelőanyagok energetikai hasznosításának lehetőségeit és határait megszabják: •

A felhasználandó biotüzelőanyagok specifikus tulajdonságai

•

Jellemző tulajdonságok az energialeadásra vonatkozóan

•

A technika állása a szilárd biotüzelőanyagokból történő energiaelőállításnál

•

Törvényi és adminisztrációs előírások

•

Gazdasági szempontok

TÜZELŐANYAGTULAJDONSÁGOK: A szilárd biogén tüzelőanyagok a fosszilis tüzelőanyagokéhoz képest alacsonyabb energiatartalommal rendelkeznek. A szilárd biomasszák tömegre vonatkoztatott fűtőértéke 2-szer, 3-szor kevesebb, mint a fosszilis tüzelőanyagoké. A térfogatra vonatkoztatott fűtőértéknél (meghatározó a szükséges szállítási és raktározási kapacitásoknál) ez az arány akár közel 10-szeres is lehet. Ez a gazdaságilag és ökonómiailag megfelelő felhasználási területeket nagyon behatárolja. A szilárd biomassza a klasszikus szilárd tüzelőanyaghoz, a szénhez képest magasabb illóanyag- és oxigéntartalommal, valamint alacsonyabb széntartalommal rendelkezik. AZ ENEGIALEADÁS JELLEMZŐI: Az energiaigény-oldal (hő- ill. áramelőállítás, az energialeadás karakterisztikája) meghatározó az energiaellátó rendszer méretezésénél. A jelenlegi és a jövőbeni hőigény reális becslése a berendezéstechnika megtervezésének alapfeltétele. A TECHNIKA ÁLLÁSA AZ ENERGIA RENDELKEZÉSREÁLLÍTÁSÁHOZ: A fa eltüzelésének technikája messzemenően érett és kipróbált. Más biomasszák energetikai hasznosításának eljárásai azonban összehasonlítva fiatal technikák, melyek részben piacérett állapotban hozzáférhetők, de csak szórványosan rendelkeznek sokéves üzemi tapasztalattal.

1.1

Szilárd biotüzelőanyagok hasznosításának megfelelő felhasználási területei

A szilárd biogén tüzelőanyagok csekély energiatartalmából az következik, hogy az energetikai hasznosításukat előnyösebb kis és közepes teljesítményű decentralizált berendezésekben, lehetőség szerint a biomasszakeletkezés helyének közelében megvalósítani. Természetes, szilárd biomasszák egyedüli felhasználása általában maximum kb. 30 MW termikus teljesítményű berendezésekben megfelelő műszakilag, ökológiailag és gazdaságilag. Nagyobb teljesítményeknél a szállítás (a közlekedés mennyiségének növekedése stb.) és a tárolás gyakran problémákat okoz. Alsó teljesítményi tartományban a jellemző felhasználási mód a családi vagy többlakásos házak háztartásainak hőszolgáltató berendezései. 100 kW és kb. 30 MW termikus teljesítménytartományban az energetikai biomasszahasznosításra következő felhasználási területek jöhetnek szóba: •

Kisfogyasztók, mint középületek, kézműves és ipari kisüzemek stb. hőellátására szolgáló berendezések


Modul 2.1

1


•

Távhőhálózatokat ellátó hőszolgáltató berendezések

•

Kis és közepes ipari üzemek technológiai és fűtőhőellátási berendezései

Ezek a felhasználási területek általában az év során egyenletes hőigénnyel rendelkeznek, amely a berendezés jó kihasználtságát jelenti. Ez különösen akkor érvényes, ha a biomasszaberendezés a hőigénynek az alapterhelését fedi le. Az egyenletesebb hőigény a következő okokból adódik: •

Ha több fogyasztót is ellátnak, akkor egy egyidejűségű faktor lép fel, amely a csúcsterhelésre vonatkoztatva egyértelműen 1 alatt lehet.

•

Középületek és ipari üzemek gyakran a fűtési szezonon kívül is igényelnek hőt (használati melegvíz, tecxhnológiai hő stb.)

Az említett berendezéstípusok (a házfűtésen kívül) lehetnek tisztán hőtermelő berendezések is és erő – hő kapcsolt berendezések (KWK-berendezések) is. A biomassza kizárólagos elégetésének kis és közepes teljesítményű berendezésekben sokat ígérő alternatívája a biomassza együttes elégetése nagyteljesítményű széntüzelésű berendezésekben (pl. szénerőművek). Ilyen irányban az utóbbi években elvégezték az első vizsgálatokat pilot- és nagyberendezésekben. Az energetikai biomasszahasznosítás felhasználási területeinek előbbi fejtegetésekből adódó összeállítását tartalmazza az 1-1 ábra. Az egyes felhasználások ábrán megadott teljesítményhatárai a jellemző megvalósítások tapasztalati értékei. Végenergia fajtája Átvevö

Hö

Hö + áram (KWK)

Elektromos hálózat üzemeltetöje

Áram Áramfejlesztö berendezés

Ipari üzemek

Ipari energiaberendezések

Kisfogyasztók

Végenergiaberendezések kisfogyasztók számára

Háztartások

Energiaberendezések távhö számára Lakásfütés, cserépkályha, ...

10 kW Biomassza kizárólagos használata

Berendezés nagysága (termikus) 100 kW

1 MW

10 MW

100 MW

Biomassza és csúcsterhelésre fosszilis tüzelöanyag

1000 MW Biomassza bekeverése az égetésnél M01_HU_05

1-1 ábra: A biomassza energetikai hasznosításának alkalmazásai [1]


Modul 2.1

2


1.2

Berendezéskoncepciók

Szilárd biotüzelőanyagokból történő hő- és/vagy áramelőállítás koncepcióit alapvetően a biomassza elégetésének és elgázosításának rendszerébe lehet felosztani. Az egyes átalakítási lépések és folyamatok rendszerét ábrázolja sematikusan az 1-2 ábra. A biomassza energetikai hasznosításának technológiái Forró víz, göz Göz

Elégetés

Füstgáz

Hö

Gözerömü (gözturbina, gözmotor) Stirlingmotor

Tüzelöanyag Éghetö gáz

Elgázosítás

Éghetö gáz

Éghetö gáz

Gázturbina / gáz és göz-berendezés

Hö és áram

Gázmotor (blokkfütöerömü) Tüzelöanyagcella M01_HU_02

1-2 ábra: Biomasszából történő hő- és áramelőállítás átalakítási lépései

1.2.1

Elégetési koncepciók

Az égetéskor a tüzelőanyag oxidációja történik, melynél a termikus energia füstgázhő formájában termelődik. Ezt a hőt a tüzeléshez kapcsolódó kazánban vízmelegítésre vagy gőzelőállításra lehet felhasználni. A gőzt vagy pl. egy ipari üzem gőzellátására, vagy áramtermelésre lehet felhasználni. A hőerőfolyamatnál a füstgázhőt túlhevített gőz előállítására használják, melyet egy gőzturbinában vagy egy gőzmotorban áramelőállításra használnak. Azután a gőzt egy fűtőkondenzátorban a hőelvezetés érdekében kondenzálják. Gőzerőeljárás általában műszaki-gazdasági okokból gyakran csak kb. 0,5 MW elektromos teljesítmény felett jön szóba. Ez kb. 2 – 4 MW hőteljesítménynek felel meg. Stirlingmotor-eljárásnál a hagyományos motorkoncepcióval ellentétben a hőhozzávezetés extern módon történik – az adott esetben a biomassza elégetéséből származó füstgázhő hasznosítása által. Ezzel egy munkagázt (pl. hélium vagy levegő) felhevítenek, amelyet szakaszosan összenyomnak és kitágítanak, melynél az expanziós munkát egy generátoron keresztül áramtermelésre használják.


Modul 2.1

3


1.2.2

Elgázosítási koncepciók

Az elgázosításnál levegőszegény körülmények között a tüzelőanyagot éghető gázokká alakítják. A keletkező éghető gázokat vagy egy égetőbe (izzítás) vagy egy munkagépbe vezetik. Munkagépként leginkább gáz-Otto-motor és gázturbina jöhet szóba. Emellett még más folyamatokban való felhasználása is lehetséges (jelenleg kifejlesztés alatt van). Itt leginkább a tüzelőanyagcella-technikát kell megemlíteni. Egy gázmotorban történő hasznosítás esetén a termékgázt levegővel keverve vezetik a motorba. A motor mechanikai energiáját egy hozzácsatlakoztatott generátor segítségével elektromos energiává alakítják. Az égésmotorfolyamatnál keletkező hő hasznosításának érdekében ezt egy hőcserélő segítségével kinyerik. Ha a termékgázt egy gázturbinában használják fel, akkor sűrített levegő hozzáadása mellett ezt egy égéskamrában elégetik és egy utánakapcsolt turbinában a füstgázt expandálják, azaz mechanikai munkává alakítják. A hatásfok növelése érdekében a gázturbina után egy gőzturbinafolyamatot is lehet kapcsolni (gáz és gőz-berendezés). Tüzelőanyagcellákban (BZ) a tüzelőanyag kémiailag kötött energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítják. Így magasabb hatásfokokat lehet elérni, mint a hagyományos technikáknál, azonban a BZ-technika (BZ-típustól függően) még jelenleg a fejlesztés különböző stádiumában van.

1.2.3

Általánosságban a biomassza berendezés méretezéséről

Az energetikai biomasszahasznosítás berendezései – a gáz- vagy olajtüzelésű berendezésekhez képest – magasabb beruházási és (olcsó melléktermékek elégetése esetén) alacsonyabb tüzelőanyagköltséggel rendelkeznek. Ezért általában a gazdaságos berendezésüzemelés érdekében magas éves kihasználtsággal kell a berendezésnek rendelkeznie, azaz előnyös ha magas a teljes terhelésű órák száma. Ezen okból kifolyólag kedvezőbb, ha a biomassza berendezést nem a teljes hőigény lefedésére méretezik, hanem csak az alaphőterhelést előállítják elő vele. A hőigénycsúcsok előállítására ekkor egy fosszilis tüzelőanyagokat elégető kazán (csúcsterhelésű kazán) áll rendelkezésre. Ez a csúcsterhelési kazán tartalékkazánként is rendelkezésre áll a biomassza tüzelőberendezés kiesése esetén. Gazdasági okokból nem érdemes kis teljesítményeknél (pl. családi vagy többlakásos házak) a hőelőállítást felosztani ilyen módon több kazánberendezésre, hanem csak kb. 100 kW hőteljesítmény felett.

1.2.4

Berendezéskidolgozás, a méretezési adatok meghatározása

A műszaki berendezéskoncepció rögzítéséhez először a hőelőállító berendezések számát, fajtáját és teljesítménynagyságát kell meghatározni. Ennél a következő aspektusokat kell figyelembe venni:


Modul 2.1

4


•

Egy biomasszakazánt használjanak a teljes hőmennyiség megtermelésére, vagy érdemes két ill. több kazánra felosztani (biomasszakazán az alapterhelés lefedésére, fosszilis tüzelésű kazán a csúcsterhelés és a tartalékteljesítmény lefedésére)?

•

Milyen tüzelőanyag (általában földgáz vagy fűtőolaj) jön szóba a csúcsterhelés és tartalékkazán tüzelése esetén?

•

A meglévő kazánokat fel lehet-e használni a hőcsúcsok lefedésére és mint tartalékkazán?

•

Az energiaátvevők milyen elvárásokat támasztanak a berendezés rendelkezésreállásával szemben?

A műszaki koncepció rögzítésének alapja a hőigényfelmérés eredménye. Ennél egy területileg kiterjedt hőhálózat esetén ennek hőveszteségét is figyelembe kell venni. Ez mind a csúcsterhelésre, mind az éves hőmennyiségre vonatkoztatva kb. 8 – 12 % magas felkapcsolódási sűrűségű, kis és közepes hálózatoknál és kb. 15 – 25 % alacsony felkapcsolódási sűrűségű, nagyobb hálózatoknál. Egy projektterv számára általában elegendő egy tapasztalat alapján megfelelőnek ítélt koncepció rögzítése. A végleges méretezésnél az optimalizálási folyamat keretében a kazánok számának, az alap- és csúcsterhelés felosztásának stb. témájában több lehetőséget is össze kell hasonlítani. Kisberendezéseknél kb. 200 kW-ig általában célszerű egy biomasszakazánt használni a teljes hőigény lefedésére. Kis távfűtőrendszerek esetén főleg fűtési hőt igénylő fogyasztókkal a következő nagyságú biomasszatüzelésű alapterheléskazánt és földgáz vagy fűtőolajtüzelésű csúcsterheléskazánt kell tervezni: •

a csúcsterhelés 40%-a az alapterheléskazán névleges hőteljesítménye és

•

a csúcsterhelés 70%-a a csúcsterheléskazán névleges hőteljesítménye. A rendelkezésreállás növelésének érdekében ajánlatos főleg nagyobb távfűtőműrendszerek esetén két csúcsterheléskazánt beépíteni (pl. két csúcsterheléskazánra való felosztás 50 % és 25 % csúcsterheléssel). Így egy kazán kiesése esetén is a csúcsterhelés 75 %-át elő lehet állítani.

•

amennyiben a hőszállításban a jövőben többletigény valószínű, akkor az alapterheléskazánt lehet valamivel nagyobbra is méretezni (pl. a csúcsterhelés 75 %-a), mivel egyébként a többletigényt főleg a csúcsterheléskazánnal kell lefedni.

Az alapterheléskazán a csúcsterhelés 40 %-ára történő méretezésével már az éves hőigény 80 %-át (nagyobb részt fűtési hő esetén) biomasszával lehet lefedni. A csúcsterhelés 50 %ára történő méretezésnél már kb. 90 %-át. Figyelembe kell venni, hogy a biomasszakazán üzemelése csak egy bizonyos minimális terhelésig éri meg. Különösen csak melegvízelőállításra történő kizárólagos hőszállítás esetén (nyáron) érdemes a biomasszakazánt kikapcsolni, és az ahhoz szükséges hőt a csúcsterheléskazánnal előállítani (könnyebben szabályozható).


Modul 2.1

5


Amennyiben a műszaki berendezéskoncepció elkészült, akkor a következő lépésben a biomasszakazán tüzeléstechnikájának és a szükséges füstgáztisztítási rendszereknek (a megengedhető károsanyagkibocsátás törvényi előírásának megfelelően) az előzetes meghatározása következhet. Ezen meghatározások alapján ki lehet számolni a fő méretezési adatokat és az üzemi paramétereket (a biomaszából és a fosszilis tüzelőanyagokból előállított éves hőmennyiség, tüzelőanyagigény, hamumennyiség stb.). Ezen számítások mintapéldányát (tisztán hőelőállítás esetén) mutatja az 1-3 ábra. Az ott lévő kazánkihasználtsági fok az éves hőelőállítás aránya az éves tüzelőanyagmennyiséghez képest. Ez a részterhelésnél adódó nagyobb veszteség ill. állásbeüzemelési és leállási veszteségek miatt általában alacsonyabb, mint a kazánhatásfok (a névleges hőteljesítmény aránya a tüzelési hőteljesítményhez). Azoknál a biomasszakazánoknál, amelyeket alapterhelésen üzemeltetnek, a kazánkihasználtsági fok csak csekély mértékben alacsonyabb, mint a hatásfok, amely általában kb. 85 %. A csúcsterheléskazánoknál azonban a kihasználtsági fok gyakran jelentősen alacsonyabb, esetenként csak 70 - 75 %-os értéket ér el. Ezután a további géptechnikai komponensek előkidolgozása következik. Ezek a komponensek egyszerű esetben csak néhány mellékegységet (pl. tápvízszivattyú, tágulási tartály, nyomástartóberendezés stb.) jelentenek. A hő-erő kapcsolt berendezéseknél még meg kell említeni a víz-gőzkörfolyamat főbb részeit és különösen a gőzturbinát a generátorral.


Modul 2.1

6


Távfűtőműrendszerek: Képletek a legfontosabb műszaki méretezési adatok meghatározásáshoz Egység

Rövidítés

Képlet

A max. hőterhelések összege

kW

WL0

Éves hőigény

MWh/a

WE0

Egyidejűségi tényező

-

G

Hálózati veszteségek

-

NV

Hőtermelés csúcsterhelése

kW

WL

WL = WL0*G / (1-NV)

Éves hőszállítás

MWh/a

WE

WE = WE0 / (1-NV)

Alapterhelés-teljesítményrész *)

-

GL

Névleges hőteljesítmény

kW

BL

Alapterhelés-hőrész *)

-

GE

Éves hőtermelés

MWh/a

BE

BE = GE*WE

Teljes terhelési használati idő

h/a

VB1

VB1 = BE*1000/BL

Kazánhatásfok

–

Eta1

Biomassza fűtőértéke

MWh/t

HuB

Tüzelési hőteljesítmény

kW

BF

BF = BL/ Eta1

Biomasszaigény naponta **)

t/d

mT1

mT1 = BF*24/HuB

Biomasszaigény évente

t/a

m1

m1 = BF*VB1

Biomassza hamutartalma

%

AB

Hamukeletkezés naponta **)

t/d

aT1

aT1 = mT1*AB/100

Hamukeletkezés évente

t/a

a1

a1 = m1*AB/100

Érték

Alapterheléskazán, biomassza

BL = GL*WL

Csúcsterhelési kazán, földgáz vagy extrakönnyű fűtőolaj Névleges hőteljesítmény

kW

SL

SL > WL – BL

Éves hőtermelés

MWh/a

SE

SE = WE – BE

Teljes terhelési használati idő

h/a

VB2

VB2 = SE*1000/ SL

Kazánhatásfok

–

Eta2

Csúcsterh. kazán t. any. fűtőértéke

MWh/t

HuS

Tüzelési hőteljesítmény

kW

SF

SF = SL/ Eta2

Éves tüzelőanyagigény

t/a

m2

m2 = SF*VB2 /1000/HuS

*) ezeket az értékeket az éves igényalakulás alapján kell meghatározni ill. kiszámolni **) 24 órás teljes terhelésnél

1-3 ábra: Egy kis távfűtőmű vázlatos méretezésének számítási sémája


Modul 2.1

7


Èves igényalakulás

100%

Höszükséglet a legmagasabb érték % - ában

90%

Csúcsterheléskazán: hötermelés 9 %

80%

70%

60%

Biomasszakazán: hötermelés 91 %

50%

40%

30%

20%

10%

0% 1

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Órák

1-4 ábra: Éves igényalakulás és hőtermelés biomassza- és csúcsterheléskazánnal (nyári üzem biomasszakazánnal) Èves igényalakulás

100%

Höszükséglet a legmagasabb érték % - ában

90%

Csúcsterheléskazán: hötermelés 15 %

80%

70%

60%

Biomasszakazán: hötermelés 85 %

50%

40%

30%

20%

10%

0% 1

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Órák

1-5 ábra: Éves igényalakulás és hőtermelés biomassza- és csúcsterheléskazánnal (nyári üzem csúcsterheléskazánnal)


Modul 2.1

8


2

Égetési technika

2.1

Folyamatok a biomassza elégetésénél

A szilárd tüzelőanyagoknál az égetési folyamatokat három főfázisra lehet felosztani: száradás, kigázosítás és maradékkokszelégetés (2-1 ábra). •

Száradás: A felületi hőmérséklet kb. 100°C-os mértéket történő elérésekor elkezdődik helyileg a száradás. Mialatt a biomassza még belül szárad, a felületen elkezdődik a kigázosítás.

•

Kigázosítás: Biomasszák esetében a kigázosítás kb. 200 °C-on kezdődik (összahasonlításul: a szénnél csak kb. 450 °C). A kigázosítási hőmérséklet elérése után távoznak a tüzelőanyagból az illó részek. Minél kisebb a tüzelőanyag szemcsenagysága, annál nagyobb a specifikus, a hőátadásban résztvevő felület és annál több hőt lehet a tüzelőanyagtömegre átadni. Ennek megfelelően a tüzelőanyag gyorsabban felmelegszik és meggyullad. A tüzelőanyag eltávozott illó részei reakcióba lépnek a rendelkezésre álló oxigénnel.

•

Maradékkokszelégetés: Az illó részek felszabadulása után a maradékkoksz marad vissza. Ez a levegő oxigénjével CO2-vé ég. Fázis

Terméklánc

Köztestermék

Végtermék

Fa, Isz Szárítás

Kigázosítás

Égési fázis

(100 - 150°)

Vízgöz

Fa, asz + Primérlevegö (150 - 500°)

Éghetö gáz (CO, H2)

+ Szekunderlevegö (500 - 1200°)

Füstgáz

Faszén + Primérlevegö (600°)

Kiégés

Éghetö gáz (CO)

Hamu

+ Szekunderlevegö (800°)

Füstgáz

asz......abszolút száraz lsz.......levegöszáraz M01_HU_06

2-1 ábra: A biomassza elégetése [2] •

Égetési hőmérséklet


Modul 2.1

9


Biomassza eltüzelésénél a fő tüzelési zónában, tüzelőanyagtól és az eltüzelés módjától függően, 900 - 1.300 °C hőmérsékleteket lehet elérni. A füstgázok az égéskamra végén 600 – 700 °C-ra hűlnek le. Az égési hőmérséklet nem csak a gyulladás, a kiégés és a károsanyagképződés miatt fontos, hanem az egész folyamatra kihat, mint például az anyagigénybevételre. A hőelvezetés nélkül elérhető hőmérséklet az adiabata égési hőmérséklet. Ez a levegőfeleslegszámtól (a hozzáadott levegőmennyiség és a minimális, a tökéletes elégéshez szükséges levegőmennyiség aránya) és a tüzelőanyag fűtőértékétől függ. (2-2 ábra).

2-2 ábra: Adiabata égési hőmérséklet a fanedvesség és a levegőfeleslegszám függvényében [3] •

Égési folyamatok károsanyag-keletkezése

Szénhidrogének égetésénél főleg vízgőz és széndioxid keletkezik. A biomasszát a fosszilis energiahordozókhoz képest messzemenően CO2-semlegesnek tekintjük, mivel a termikus hasznosításuk során csak annyi CO2 szabadul fel, amennyit a növekedésük során az atmoszférából felvettek. Ezen kívül az égésnél többek között a következő emissziók történnek: •

szénmonoxid (CO)

•

szénhidrogének (CxHy a gázfázisban)

•

klórvegyületek (HCl, dioxinok, furánok)

•

kénoxidok (SO2, SO3)

•

nitrogénoxidok (NO, NO2 és N2O)


Modul 2.1

10


•

részecskék (hamu, el nem égett tüzelőanyag, korom)

A tökéletlen égés termékei: A tökéletlen égés termékei például a szénmonoxid (CO) és a szénhidrogének (CxHy). Korom is keletkezhet köztestermékként a szénhidrogének égésénél. Ez a lángban történő oxidációs folyamat során sárgán világít. Egy tökéletlen gázkiégés akkor történik, ha: •

az égéstérben a hőmérséklet túl alacsony,

•

a füstgázok tartózkodási ideje ez égésben túl rövid,

•

a szükséges égési levegőmennyiség nem áll rendelkezésre, vagy rosszul van elkeverve a füstgázokkal.

A tökéletlen égés termékeit egy megfelelő égésirányítással szinte teljes egészében le lehet bontani CO2-re H2O-ra. Klórvegyületek: a klórvegyületeknek főleg a száranyag elégetésénél van nagy jelentősége. Fajellegű biomasszák klórtartalma ellenben csak nagyon csekély, mely gyakran a kimutathatósági határ alatt van. Kénoxidok: Kéntartalmú tüzelőanyagok elégetésekor a kén főleg gázállapotú kéndioxid formájában válik ki, amennyiben nem gondoskodnak az égés után visszamaradt szilárd részekbe történő megkötésről. A biomasszák alacsony kéntartalma miatt ennek a tüzelőanyagnak a hasznosítása során az SO2-emisszió csekély jelentőségű. Nitrogénoxidok: Az itt vizsgált nitrogénoxidok – általánosan NOx – a tüzelőberendezésekben 95 %-ban NO-ból és 5 %-ban NO2-ből állnak. Csak az atmoszférában (magasabb oxigén parciális nyomásnál és alacsonyabb hőmérsékleten, mint az égéstérben) történik meg a majdnem tökéletes átalakulás NO2-vé. A nitrogénoxidok képződése az égésnél alapvetően három különböző reakciós úton történhet: •

NOx-képződés a tüzelőanyagnitrogénből

•

Termikus NOx-képződés

•

Hirtelen NOx-képződés

A műszakilag általános égési hőmérsékleteknél (1.000 - 1.300 °C) nitrogénoxidok szinte kizárólag a tüzelőanyag-NOx-képződés útján jönnek létre. A termikus NOx-nek csak magasabb hőmérsékleteknél van jelentősége. A hirtelen NOx-nak alárendelt szerepe van. Összefoglalóan el lehet mondani, hogy a képződött NOx-mennyiséget a következő faktorokkal lehet befolyásolni: •

Teljes sztöchiometria: ezáltal lehet az atomos oxigén koncentrációját befolyásolni. Csökkenő levegőfelesleggel rendszerint csökken a NOx-emisszió.

•

Sztöchiometria a primérzónában: az illó részek alsó sztöchiometriai feltételek melletti gyors felszabadítása által lehet az NOx-et csökkenteni. Ez a nitrogéncsökkentés érdekében tett elsődleges intézkedések során kihasználható.


Modul 2.1

11


•

Hőmérséklet a reakciós zónában: a reagáló partnerek a lángban történő egyenletes és gyors összekeverésével messzemenően elkerülhetők a csúcshőmérsékletek és vele együtt a termikus NOx-képződés.

•

A gázok tartózkodási ideje a reakciós zónában: minél rövidebb a tartózkodási idő, annál alacsonyabb a termikus NOx-képződés.

•

Részecskék és maradék (hamu)

A biomassza elégetésénél a tüzelőanyagban lévő hamu visszamarad. A hamuban a kiégés jóságának függvényében egy bizonyos mennyiségű éghető rész maradhat. Az égésből visszamaradt szilárd részeket két csoportra lehet bontani. Ezek részben részecskék, amelyek a füstgázzal együtt mozognak és szállóhamunak is szoktuk nevezni. Másrészről durva, összesült hamu és salak is keletkezik, amelyet rostély- vagy durvahamuként a berendezésből kivisznek. Egy további részecskeemissziót okozhat a koromképződés, mely kedvezőtlen égési feltételek mellett a szénhidrogének égésénél termékként fellép. A részecskeemissziót a tüzeléstechnikával és a tüzelés üzemi módjával csak korlátoltan lehet befolyásolni. Az emissziós határértékek biztos betartása érdekében mindenképpen füstgázportalanító berendezéseket kell alkalmazni.


Modul 2.1

12


3

Tüzelőanyagtárolás

A biomassza keletkezése és energetikai hasznosítása közötti időtartam áthidalásának érdekében gyakran tárolásra van szükséges. A hosszútávú készletezés általában célszerűen a biomasszaszállítónál történik. A tüzelőanyagellátás biztosítása érdekében egy további rövidtávú tárolásra van szükség közvetlenül a tüzelőberendezésnél. ENERGIASŰRŰSÉG: Az ömlesztési sűrűség, valamint az energiasűrűség (energiatartalom a térfogat arányában) a biomasszánál a fosszilis tüzelőanyagokhoz képest jelentősen alacsonyabb. Ebből egy összehasonlítva nagyobb helyszükséglet adódik a tárolásnál. (3-1 ábra). Energiahordozó

Víztartalom

Fűtőérték (Hu)

Ömlesztési sűrűség

Energiatartalomra vonatkoztatott térfogat

%

kWh/k g

MJ/k g

t/m³

m³/MW h

m³/GJ

HEL-hez képest

15

4,3

15,5

0,24

1,0

0,28

10

Lombos fa

15

4,3

15,5

0,27

0,9

0,25

9

Tűlevelű fa

15

4,3

15,5

0,21

1,2

0,33

12

11,9

42,8

0,84

0,1

0,03

1

8,3

29,9

0,87

0,1

0,03

1,4

Faapríték pérték)

(közé-

Extrakönnyű fűtőolaj (HEL) Kőszén

6

3-1 ábra: A tárolási térszükséglet átlagos értékei [1] TÁROLÓKAPACITÁS: A rövidtávú tároló méretezése olyan módon kell történjen, hogy az energiaberendezés tüzelőanyagellátásának áthidalását lehetővé tegye a szállításmentes napokon (ünnepnapok, időjárási hatások stb.) A tárolókapacitásnak elegendőnek kell lennie legalább 3 – 5 nap tüzelőanyagellátására. A helyi adottságok és a logisztikai koncepció alapján lehet, hogy nagyobb kapacitások is szükségesek a tüzelőanyagkészletezés számára a hőelőállító berendezésnél. Az energiaelőállító berendezésnél történő tárolás általában a következő kivitelezésben történik: •

földfeletti kereksiló (általában acélból, a kazán felett vagy mellett)

•

földfeletti tárolócsarnok (részben fából, jó szellőzésű, kazán mellett)

•

cserekonténer

•

földalatti tároló (általában acélbetonból, feltöltés teherautóval, ill. markolóval)


Modul 2.1

13


3.1

Tárolóbe- és kihordó rendszerek

A tárolóba valamint a tárolóból a kazánbetáplálásig történő tüzelőanyagszállítás a tüzelőanyag feldolgozási formájának és tárolókialakításnak megfelelően különböző. •

Apríték

A tárolási formának és a kazán elhelyezkedésének megfelelően különböző rendszerek állnak rendelkezésre. 3-2 ábra mutatja a leggyakrabban alkalmazott rendszereket. Nagy teljesítményű (5 MW feletti, 10 MW-ig) berendezéseknél daruberendezéseket is alkalmaznak a tárolóból az égetés előtárolóaknájába való szállításhoz. Rendszer

Kihordócsiga

Tárolás módja

kerek

derékszögű, Szállítószalag hosszú tároló Vándorcsiga

derékszögű

Tárolónagyság

max. silómagasság

max. faélhosszúság

max. teljesítmény

[m]

[cm]

[m³/h]

∅ 10 m-ig

20

10 - 20

150

több szállítószalag párhuzamos elrendezése által nincs behatárolva

10

10 - 20

20

szélesség 6 m-ig

15

10 - 20

100

3-2 ábra: Szokásos tárolókihordó rendszerek adatai [1]


Modul 2.1

14


4

Tüzeléstechnika

A tüzelési rendszer kiválasztása a berendezés nagysága mellett még attól is függ, hogy az elégetendő biomassza milyen formában (pl. forgács, szecska, pellet, bála) áll rendelkezésre. •

A bálákat szivartüzeléssel égetik el, melyeket 1 és maximum 20 MW teljesítménytartományban lehet felhasználni.

•

Fahasábokat aknás tüzelőberendezésekben tüzelőberendezésekben lehet felhasználni.

•

Aprítékká feldolgozott fát majdnem minden tüzelőberendezésben fel lehet használni (aknás, alátoló, rostélyos és fluidizációs tüzelőberendezések).

•

A pelletet hasonló módon lehet felhasználni a tüzelőberendezésekben, mint az aprítékot.

•

A száranyagból előállított szecskát alátoló, előtoló és bizonyos feltételek mellett fluidizációs tüzelőberendezésekben nagyon széles teljesítménytartományban lehet felhasználni.

•

A tüzelőanyagban egy bizonyos arányban lévő faforgácsot alátoló tüzelőberendezésekben el lehet égetni. Előtoló rostélyos, befúvatásos és fluidizációs tüzelőberendezésekben nincsenek korlátozások.

•

Poralakú biomasszát csak befúvatásos tüzelőberendezésekben lehet alkalmazni. Általában ezeket csak egy kb. 500 kW minimális teljesítmény felett készítenek.

és

előtoló

rostélyos

Tüzelés módja

Betáplálás

Megfelelő biomassza

Szokásos tüzelési hőteljesítmény

Aknás tüzelés

kézi betáplálás

famaradék, hasáb, apríték

20 kW – 250 kW

Előkemencés tüzelés

mechanikus

apríték

35 kW – 3 MW

Alátolótüzelés

mechanikus

apríték, forgács

20 kW – 2 MW

Rostélyos tüzelés fához

mechanikus

fa, kéreg, nagydarabos, nedves tüzelőanyag magas hamutartalommal

1 MW-tól

Rostélyos tüzelés száranyaghoz

mechanikus

száranyagbálák

2,5 MW – 20 MW

Fluidizációs tüzelés

mechanikus

fa, kéreg, magas víztartalmú tüzelőanyagok

10 MW-tól

Befúvatásos tüzelés

pneumatikus por, forgács fából és száranyag

200 kW-tól

4-1 ábra: Tüzelőberendezések fajtái [1] A biomassza eltüzelésére szolgáló berendezések célja, hogy lehetőség szerint károsanyagszegény és hatékony módon állítsanak elő hőt és áramot. A fa elégetésének technikái © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.1

15


messzemenően érettek és kipróbáltak. Más biomasszák energetikai hasznosítása azonban összehasonlítva új technikát jelent, melyekhez csak részben lehet piacérett minőségben hozzájutni. Az említett tüzelési technikák összehasonlítását mutatja a 4-1 ábra.

4.1

Aknás tüzelőberendezések

A berendezés alapelve az alsó vagy az oldalsó égetés (a láng oldalról vagy alulról ég be az égéskamrába). A levegőhozzávezetés természetes huzat vagy fúvó által modern berendezéseknél szétválasztva történik primér- és szekunderlevegőként. A primérlevegőt a rost alatt vagy a rost mellett, a szekunderlevegőt pedig a lángtérbe adagolják (4-2 ábra). Miután a gázok a lángtérben kiégtek, egy hőcserélőn vezetik át őket.

Tüzelöanyaguntántöltöcsappantyú

Lángtér

Levegöcsappantyú

Höátadó

Primérlevegö

Füstgáz

Rostély Hamu

Szekunderlevegö M01_HU_07

4-2 ábra: Aknás tüzelőberendezés Aknás tüzelőberendezéseket alsó teljesítményi tartományban, 20 kW-tól kb. 250 kW-ig, hasábfa és apríték tüzelésére használják.

4.2

Előkemencés tüzelés

Az előkemencés tüzelőberendezés (4-3 ábra) egy külön tüzelésberendezésből, mely kigázosítási térként van kivitelezve, és egy vízhűtéses lángterű kazánból áll. A tüzelőanyagot vagy egy ejtőakna, vagy egy szállítócsiga segítségével táplálják be a kifalazott kigázosítási térbe. A kigázosítási térben a tüzelőanyagot adagolt levegőhozzávezetés által részben elégetik. Az energiafelszabadulás által a tüzelőanyag maradék része elgázosodik. A gázállapotú termékek a lángtérbe kerülnek. Ott összekeverednek a szekunderlevegővel és teljes mértékben elégnek. Végül a forró füstgázt átvezetik a kazánon és itt a füstgáz átadja az energiáját a hőhordozó médiumnak. A hamuszegény tüzelőanyagok számára a kigázosítási teret egy nyugvó ferderostéllyal, a hamugazdag, nedves tüzelőanyag számára pedig egy előtolórostéllyal


Modul 2.1

16


lehet ellátni. Előkemencés tüzelőberendezések teljesen automatikusan és folyamatosan lehet üzemeltetni és nagyon jó a szabályozhatóságuk.

4-3 ábra: Előkemencés tüzelőberendezés tolórostéllyal [1] Előkemencés tüzelőberendezések 35 kW-tól 3 MW tüzelési hőteljesítményig léteznek. Különösen aprítékolt, fajellegű tüzelőanyagokhoz alkalmas.

4.3

Alátolótüzelés

Az alátoló tüzelőberendezéseket szállítócsiga segítségével egy silóból automatikusan táplálnak. (4-4 ábra). A tüzelőanyagot alulról, egy tüzelőtéradagolóakna stokercsigájával táplálják be. A tüzelő-anyagadagolásnál biztonsági berendezése-ket (pl. termosztát és oltóvízcsatlakozás) kell beszerelni, visszaégés-gátlás érdekében. Höátadó

Füstgáz

Szekunderlevegö Primérlevegö M01_HU_08

4-4 ábra: Alátoló tüzelőberendezés


Modul 2.1

17


A tüzelőanyagaknában a tüzelőanyagot szárítják, kigázosítják és primérlevegő hozzáadásával elgázosítják. Az így keletkező gázok a primérlevegővel átjutnak a felül ráfekvő parázsrétegen, meggyulladnak és a tűztérben szekunderlevegő hozzáadásával teljesen elégnek. Az égéstéraknában keletkező hamut egy általában motorikusan meghajtott kihordócsigával kiviszik. Ez a tüzelési fajta az apríték termikus hasznosításánál a faiparban szélesen elterjedt, mivel szinte teljesen automatikusan működik és más tüzelési módokhoz, mint a befúvatásos vagy rostélyos tüzeléshez képest egyszerű és kevés alkotórészből áll. Alátoló tüzelőberendezéseket széles teljesítménytartományban, 20 kW-tól 2 MWterm-ig gyártanak.

4.4

Rostélyos tüzelőberendezés fajellegű biomasszához

1 MWterm körüli és ennél magasabb teljesítménytartományban gyakran alkalmaznak rostélyos tüzelőberendezéseket. Jelenleg előtoló rostélyos, vándorrostélyos és visszatoló rostélyos tüzelőberendezéseket gyártanak fajellegű biomassza elégetéséhez. Tüzelőanyagként problémás biomassza, mint a nedves famaradék vagy a kéreghulladék is felhasználható. Egy előtoló rostélyos tüzelőberendezés sematikus képe látható a 4-5 ábrán. A rostélyt a tüzelőanyagtárolóból egy csúszócsatornán, egy szállítócsigán vagy egy hidraulikus stokeren keresztül táplálják az adagolóperemig. A rostélymozgás által az égő anyag elmozdul a rostély felett és teljesen kiszárad, pirolizálódik, elgázosodik és elég az előrehaladási idő alatt. A primérlevegőt a rostély alatt, a szekunderlevegőt a rostély felett és a részben kisamottált utóégési zóna előtt fúvatják be. Hödtadó Füstgáz

Szekunderlevegö

Tüzelöanyagbevitel

Elötoló rostély

Primérlevegö

Hamukihordás

M01_HU_09

4-5 ábra: Előtoló rostélyos tüzelés Rostélyos tüzelőberendezések száranyaghoz: Az úgynevezett szivarégetők elve a rostélyos tüzelés. A bálákat lassan az égéstérbe tolják, ahol a homlokoldalon történik az elégés. A letörő, el nem égett szalmarétegek mint báladarabok esnek a ferderostélyra és ott teljesen elégnek. Vízhűtés, visszaégés-csappantyúk a bevezetőaknában és egy minimális előtolási sebesség megakadályozza a bálák visszaégését. Ezen technológia előnye a


Modul 2.1

18


tüzelőanyag csekély előkészítése, a folyamatos tüzelőanyagbetáplálás, valamint a berendezés relatív egyszerű felépítése. A bála keresztmetszete és a minimális előtolási sebesség meghatározzák ennek a tüzelési módnak a minimális teljesítményét. A fához képest alacsonyabb hamulágyulási hőmérséklet (az a hőmérséklet, amelyen a hamu elkezd lágyulni) a szalmánál a tüzelőanyag összesülését okozhatja, ami a rostélyon a levegőáthaladást akadályozza. A maximális tűztérhőmérsékletnek 800 - 900 °C-nál magasabbnak nem szabad lennie. Höátadó

Tüzelöanyagbevitel (bálák) Füstgáz Primérlevegö

Utóégésrostély

Hamu

M01_HU_10

4-6 ábra: Szivarégető

4.5

Stacioner fluidizációs tüzelés

A fluidizációs elégetésnél a tüzelőanyagot egy fluidizációs ágyban, mely 95 - 98 %-ban közömbös anyagból (pl. homok) és csak 2 – 5 %-ban éghető anyagból áll, 800 – 900 °C-on elégetik. A 4-7 ábrán egy stacioner fluidizációs rendszer sematikus felépítése látható. A fluidizációs ágyat fúvókás aljzaton keresztül fluidizációs levegő befúvatásával hozzák létre. Ebben a példában a tüzelőanyagot egy szóróadagolás segítségével a fluidizációs ágyra hordják fel, de lehetőség van szállítócsigák segítségével a fluidizációs ágyba történő közvetlen adagolásra is. Itt történik a tüzelőanyag ki- és az elgázosítása és a szilárd szén elégése. Az illó részek nagy hányada az utóégéskamrában ég el. A forró füstgáz elhagyja az égéskamrát és a hőcserélőbe kerül. Mivel a stacioner fluidizácós tüzelés berendezése bonyolult, csak nagyobb kivitelben (> 10 MWth) használják őket.


Modul 2.1

19


4-7 ábra: Stacioner fluidizációs tüzelés [1]

4.6

Körforgó fluidizációs tüzelés

A körforgó fluidizációs berendezés abban különbözik a stacionertől, hogy a fluidizációs ágy alatt jelentősen nagyobb a levegőbefúvatás, amely miatt a fluidizációs ágy felemelkedik. Az utána kapcsolt ciklonban a mederanyagot szétválasztják a füstgáztól és egy szifonon keresztül ismét visszavezetik az égetéshez. Itt táplálják hozzá általában a tüzelőanyagot szállítócsigákkal. A körforgó fluidizációs rendszer elvi felépítése látható a 4-8 ábrán. Mivel a körforgó fluidizációs rendszer berendezése bonyolultabb, mint a stacioneré, ezért ilyen berendezéseket csak 30 MW tüzelési hőteljesítmény felett alkalmaznak.

Ciklon Höátadó

Mederanyagvisszavezetés

Tüzelöanyag Füstgáz Szifon Fluidizációs levegö

Fluidizásiós ágy M01_HU_11

4-8 ábra: Körforgó fluidizációs rendszer [1] © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.1

20


4.7

Befúvatásos tüzelőberendezés

A biomassza elégetésére szolgáló befúvatásos tüzelőberendezések felépítése általában ciklonos befúvatásos berendezés. A tüzelőanyagot a primérlevegővel együtt tangenciálisan fúvatják be az égéskamrába. Egy forgó áramlás jön létre. Höátadó Füstgáz

Por, primérlevegö

Szekunderlevegö

Hamukihordás

M01_HU_12

4-9 ábra: Befúvatásos tüzelés Egy szűkítésnél fúvatják be a szekunderlevegőt. Ezen szűkítés hatására nő a sebesség és ezáltal jobb a füstgáz és a szekunderlevegő összekeveredése. A befúvatásos tüzelőberendezés biomassza számára akkor alkalmazandó, ha a biomassza már eleve nagyon finom formában áll rendelkezésre. Ez gyakran a fafeldolgozó üzemekben fordul elő, melyek finom forgácsot termelnek maradékanyagként. Befúvatásos tüzelőberendezéseket biomasszához 200 kW - 50 MW teljesítménytartományban gyártanak.

4.8

Hőcserélő / kazán

Az égetés után kapcsolt kazánban jön létre a hőcsere a füstgáz és a hőhordozó között. Hőhordozóként általában vizet használnak. Egyes esetekben termoolajat is alkalmaznak. A kazánhatásfok a kazán hőteljesítményének aránya a tüzelőanyag hőteljesítményéhez képest. A következő veszteségek határozzák meg: •

A hamuban (nem elégett szén) és a füstgázban (CO, CnHm) lévő nem elégett anyagok vesztesége (tüzelési veszteség)

•

Felületi veszteségek (szigetelési veszteségek) a kazán felületén át kivülre történő hőveszteség által

•

Füstgázveszteségek az elvezetett füstgázok hőtartalma által

A legtöbb esetben a füstgázveszteség messze nagyobb, mint a másik két veszteség. A magas kazánhatásfok elérésének érdekében ezért a füstgázt lehetőség szerint jól le kell hűteni. © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.1

21


Az, hogy milyen mértékben lehet a füstgázt lehűteni, a hőhordozó visszatérő hőmérsékletétől függ (ez meg a mindenkori hőfelhasználástól függ). A felépítési elv alapján füstcsöves és vízcsöves kazánokat különböztetünk meg. Füstcsöves kazán: A leginkább elterjedt füstcsöves kazán a háromhuzamú füstcsöves kazán (4-10 ábra). Ennél a típusnál a füstgáz háromszor áramlik át a kazánon horizontális irányban. A füstgázt a füstcsöveken át áramoltatják, amelyeket a hőhordozó körbevesz. Háromhuzamú füstcsöves kazánt melegvíz- és gőzkazánként is építenek 35 t/h gőzteljesítményig és 32 bar nyomásig. Viz Füstgázkimenet

Füstgázbemenet Füstgázbemenet M01_HU_13

4-10 ábra: Háromhuzamú füstcsöves kazán Vízcsöves kazán: Minden vízcsöves kazánnál a víz csövekben folyik és a füstgáz körüláramolja a víz- vagy a gőzcsöveket. Alacsony teljesítményi és nyomási tartományban a háromhuzamú vízcsöves kazán a leginkább elterjedt. Ennél a kazánfelépítési módnál a füstgázok három kazánjáratban áramolják körbe a hőcserélő csöveket. Ezt a típust nagyon kompakt módon lehet megépíteni integrált tüzeléssel együtt. A füstgázcsöves módozattal szemben hátrányt jelent, hogy a hőcserélő részt jelentősen nehezebb tisztítani. Vizcsövek

Füstgázkimenet

Füstgáz az égetésböl

M01_HU_14

4-11 ábra: Háromhuzamú vízcsöves kazán © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.1

22


A rendszerben az alacsonyabb vízmennyiség a vízcsöves kazán gyorsabb indítását és kevésbé lassú szabályozását jelenti. Gőzelőállításra áramfejlesztés céljából vagy magasabb nyomású és hőmérsékletű technológiai gőz előállításra is használnak vízcsöves kazánokat. Ezeket keringtető vagy kényszeráramlású kazánként építik fel. A kényszeráramlású kazánokat a legmagasabb égetési hőteljesítményre tervezik az erőművi alkalmazás területén. A biomasszatüzeléseknél szokásos, behatárolt égetési hőteljesítmény miatt ezen a területen szinte kizárólag csak keringtető kazánokat használnak. Göz Túlhevitö

Tápvizelömelegítö

Dob

Füstgáz Levegöelömelegitö

Tüzelöanyag Párologtató

Tápviz M01_HU_15

4-12 ábra: Egy keringtető kazán sémája Nagyobb teljesítményű gőzfejlesztőknél a fűtőfelületek sok, párhuzamos csőrendszerből állnak, melyekben a vizet, mint munkaközeget forráspontig előmelegítik, elgőzösítik és a gőzt túlhevítik. Ennek megfelelően egy gőzfejlesztő különböző fűtőfelületekből áll, mint vízelőmelegítő, párologtató és túlhevítő. A keringtető rendszereknél egy keringésnél csak a víz egy része párolog el a csövekben. A víz és a gőz szétválasztása a kazán felső részében elhelyezett gőzdobban történik. A 4-12 ábrán egy keringtető kazán sematikus felépítése látható. A tűztérfalak, ahol az elgőzösítés történik, sok, párhuzamosan futó csőből áll, melyek bordákkal vannak összekötve (bordáscsövek). Az égetés a tűztér alsó részében történik.


Modul 2.1

23


5

Felhasznált irodalom

[1]

Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (kiadó) 2000: Leitfaden Bioenergie

[2]

Bundesanstalt für Landtechnik, Wieselburg, 2002: Technik der Holzfeuerung

[3]

ETH Zürich LTNT, 2004: Előadásjegyzet: Technik erneuerbarer Energien II

[4]

Obernberger, 1997: Stand der Entwicklung der Verbrennungstechnik, VDI-Bericht 1319, Thermische Biomassenutzung – Technik und Realisierung


Modul 2.1

24


Modul:

02 Technika

Egység

02 Berendezéstechnika II (Biomassza fűtőerőművek)

Időtartam:

1 nap (8 oktatási egység)

Rövid leírás:

Erő-hő kapcsolt (KWK) berendezéskoncepció és eljárás: •

Fejlettségi fok

•

KWK-berendezések

Felállítás, épület, helyigény: •

Épület

•

Külső berendezés

•

Teljes felületszükséglet

Emissziók: •

Emissziócsökkentés

•

Portalanítás

Hamu: •

Jelleggörbe

•

Felhasználás

Mérés-, vezérlés-, szabályozás és irányítástechnika: •

Elektrotechnika

•

Mérés-, vezérlés- és szabályozástechnika

•

Irányítástechnika


Modul 2.2


Tartalomjegyzék 1

KWK-berendezéskoncepció és eljárás................................................................1

1.1

Biomasszából történő áramtermelés és KWK fejlettségi foka..................................1

1.2

Erő-hő kapcsolt berendezések.................................................................................1

1.2.1

Erőgépek a KWK-berendezésekben........................................................................1

2

Felállítás, épület, helyigény .................................................................................7

2.1

Tüzelőanyagtároló....................................................................................................7

2.2

Kazán- és gépház ....................................................................................................8

2.3

Külső berendezések, közlekedési utak ..................................................................10

2.4

Teljes területigény ..................................................................................................10

2.5

Tűzvédelem............................................................................................................10

3

Emissziók ..........................................................................................................12

3.1

Az emissziócsökkentés lehetőségei.......................................................................12

3.2

Portalanítás ............................................................................................................12

3.2.1

Ciklon .....................................................................................................................13

3.2.2

Szövetszűrő ...........................................................................................................13

3.2.3

Elektroszűrő ...........................................................................................................14

3.2.4

Füstgázmosó..........................................................................................................15

3.2.5

Füstgázkondenzáció ..............................................................................................16

4

Hamuösszetétel és hamufelhasználás ..............................................................17

4.1

Fizikai jellemzők és kémiai összetétel....................................................................18

4.1.1

Tápanyagtartalom ..................................................................................................18

4.1.2

Nehézfémtartalom..................................................................................................18

4.2

A hamu felhasználása............................................................................................19

5

Elektro- mérés-, vezérlés-, szabályozás- és irányítástechnika..........................20

5.1

Elektrotechnika.......................................................................................................20

5.1.1

Elektromos fogyasztók ...........................................................................................20

5.1.2

Hálózatbetáplálás...................................................................................................20

5.2

Mérés-, vezérlés- és szabályozástechnika ............................................................21

5.2.1

Teljesítményszabályozás .......................................................................................21

5.2.2

Égetési szabályozás ..............................................................................................22

5.2.3

Kombinált teljesítmény- és égetési szabályozás....................................................22


Modul 2.2


5.2.4

Füstgázszabályozás...............................................................................................23

5.3

Irányítástechnika ....................................................................................................23

5.3.1

Központi irányítástechnika .....................................................................................24

5.3.2

Aggregát-irányítástechnika hagyományos berendezés-részekhez........................25

5.3.3

A biomasszakazán aggregát-irányítástechnikája...................................................25

6

Irodalomjegyzék ................................................................................................26


Modul 2.2


1

KWK-berendezéskoncepció és eljárás

Az erő-hő kapcsolásnál (KWK) egy berendezésben (hőerőműben) egyidejűleg termelnek hőt és áramot. A hőerőműveket gyakran hővezérelten üzemeltetik. Ez azt jelenti, hogy a berendezést az aktuális hőigénynek megfelelően üzemeltetik. Az evvel párhuzamosan megtermelt áramot vagy az üzemeltető saját áramigényének fedezésére használják, vagy a közáramellátás hálózatába táplálják. Ha megfelelően magas betáplálási árat fizetnek a hálózatba beadott áramért, akkor hasznosabb az ilyen berendezést áramvezérelten (max. áramtermelés) üzemeltetni. Az így megtermelt hő esetenként kevés lehet, vagy nem mindig lehet hasznosítani és ilyenkor a környezetbe kell kivezetni.

1.1

Biomasszából történő áramtermelés és KWK fejlettségi foka

Különböző lehetőségek vannak biomassza segítségével történő áramtermelésre. Azonban érett és biomassza tüzelőanyaggal megfelelően kipróbált csupán a gőzerőfolyamat. A legtöbb más lehetséges koncepció jelenleg még piacérett formában nem hozzáférhető. Biomasszatüzelésű Stirling-motor-berendezéseket pilotprojektek keretében dolgoznak ki, de még jelenleg kereskedelemben nem hozzáférhetők. Az elgázosítóból származó termékgáz gázmotorban vagy –turbinában történő felhasználására is - kapcsolt hő- és áramtermelés céljából - csak pilot- és demonstrációs berendezésekben történt kísérlet. Ennél a csekély fűtőértékű gáznál problémát jelentenek a kátrányok és más kondenzálható alkotórészek, melyeket a munkagépben történő hasznosítás előtt el kell távolítani. A tüzelőanyagcellák felhasználásának területén még nagy a fejlesztési igény. Itt magas elvárások vannak a felhasznált gáz tisztaságával szemben.

1.2

Erő-hő kapcsolt berendezések

1.2.1

Erőgépek a KWK-berendezésekben

Erő-hő kapcsolásokhoz jelenleg leginkább gőzturbinákat, gőzmotorokat, gázturbinákat vagy gázmotorokat használnak erőgépként. Kis vagy közepes berendezésteljesítményeknél gázturbinák vagy gázmotorok (motorok: kb. 50 kWel - 10 MWel, gázturbinák: 10 – 50 MWel) gazdaságosabbak, mint a gőzerőfolyamatok. Ezeknek azonban folyékony vagy gázállapotú tüzelőanyagra van szükségük. Ezért a szilárd biomasszáknál egy előzetes elgázosításra van szükség. A biomasszaelgázosító berendezések és ezt követően a csekély fűtőértékű gázok erőgépekben történő hasznosítása jelenleg még kifejlesztés alatt van. •

Gőzös fűtőerőművek

A gőzös fűtőerőműveknél a kazánberendezésben túlhevített gőzt állítanak elő, amit a gőzturbinában, ill. a gőzmotorban áramelőállításra használnak fel. A feszültségmentesítés után a gőzt fűtőkondenzátorokban kondenzálják a szükséges hő elvezetése érdekében (1-1 ábra). Általában a gőzturbinát, ill. a gőzmotort ellennyomású gépként építik fel, melyben a gőzt el© 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.2

1


lennyomásig feszültségmentesítik a gőzgép után. Az ellennyomás a hőátvevők szükséges hőmérsékletszintje szerint igazodik. Ellennyomásturbina

40 bar, 420°C

Generátor

G Biomassza Égetési levegö

Biomasszakazán

Füstgáz 0,8 bar

105°C Tápvízszivattyú

90°C

Höfogyasztó

Tápviztartály Fütökondenzátor 90°C

70°C M01_HU_16

1-1 ábra: Gőzturbinás fűtőerőmű ellennyomású turbinával (egyszerűsített séma) Alternatívaként lehetséges gőzelvétel-kondenzációs gép alkalmazása is, amelynél a gőz egy részét az ellennyomású rész után tovább feszültségmentesítik, így a gőzből magasabb energiakihozatal áll rendelkezésre áramtermelés céljára. Egy gőzturbinás fűtőerőmű gőzkörfolyamatának egyszerűsített kapcsolása látható az 1-1 ábrán kizárólagos ellennyomású üzem esetén. Az 1-1 ábra és az 1-2 ábra a KWK-berendezés nagyobb berendezésbeli ráfordításszükségletét szemlélteti a kizárólagosan hőtermelő fűtőművekhez képest. A gőzelőállítás miatt bonyolultabb vízelőkészítésre van szükség (részben, ill. teljes egészében sótalanított tápvíz), ami szintén magasabb beruházási és üzemköltségeket okoz. Ezért a KWK melletti vagy elleni döntés meghozatala előtt egy alapos gazdasági elemzés elkészítése ajánlatos. A biomasszatüzelésű gőzös hőerőműveknél az áramtermelés arányát a tüzelési hőteljesítményhez képest főleg a gőzparaméterek (friss- és használt gőz) határozzák meg és 5 MWel teljesítményig 10 - 20 %-os tartományban mozog (kizárólagos ellennyomású üzem esetén). Ez kb. 15 - 30 % áramindexnek felel meg. Az áramindex az elektromos teljesítmény aránya a hőteljesítményhez képest. Nagyobb teljesítményű berendezések megfelelően bonyolultabb kapcsolással magasabb értékkel rendelkeznek.


Modul 2.2

2


Gözelvételkondenzációs turbina

2,5 bar, 125°C

30 bar, 440°C

Generátor

G Biomassza Égetési levegö

Biomassza- Füstgáz kazán

Tápvizszivattyú

100°C

Höfogyasztó

0,13 bar Levegökondenzátor Fütökondenzátor

0,13 bar, 52°C

1,2 bar 105°C

70°C

Tápvíztartály

M01_HU_17

1-2 ábra: Gőzturbinás fűtőerőmű gőzelvétel-kondenzációs turbinával (egyszerűsített séma) GŐZTURBINÁK: A gőzturbinák hidraulikus gépek. A gőz egy lapátokkal ellátott rotort hajt meg. Az áramtermelésnél a turbina egy generátort hajt meg. Gőzturbinák közepes és nagyteljesítményű berendezéseknél kb. 2 MWel-től alkalmasak áramtermelésre. Ellennyomású gőzturbinákat 5 MWel teljesítményig általában radiális vagy axiális turbinaként gyártanak.

1-3 ábra: Gőzös csavarmotor [1] GŐZMOTOROK: A gőzmotorok felhasználási területe eddig a gyakorlatban a kisebb teljesítményekre (2 MWel-ig) szorítkozott. Ebben a teljesítményi tartományban a gőzmotorok gyakran ol-csóbbak, mint a gőzturbinák. Egy további előny a gőzmotorok jó részterheléstulajdonsága. Kedvezőtlen a használt gőz olajterhelése és a magasabb karbantartási költség.


Modul 2.2

3


GŐZÖS CSAVARMOTOROK: Ezek a csavarkompresszor megfordítását jelentik. A gőzturbinával és a gőzös dugattyús motorokkal szemben az az előnye, hogy nem csak túlhevített gőzzel, hanem telített gőzzel és nedves gőzzel is lehet üzemeltetni. Telitett göz (26 bar, 225°C)

Generátor

Folyamathöfogyasztó

G

Fütökondenzátor Távhöhálózat

Gözdob

Hajtás Befecskendezö hütés Túlhevítö

Kazán

Economiser

Magasnyomáslépcsö

Alacsonynyomáslépcsö

Biomassza

Füstgáz Rostélyos tüzelés Tápvízszivattyú

Hamu M01_HU_23

1-4 ábra: Fűtőerőmű kétlépcsős csavarmotorral [2] •

ORC-berendezések

Az ORC-folyamat hasonló eljáráson alapszik, mint a gőzturbinás folyamat. A víz helyett azonban egy szerves munkaközeget használnak. Ezek a munkaközegek alacsonyabb hőmérsékleteknél kedvezőbb elpárolgási tulajdonságokkal redelkeznek. A munkaközeg elpárolgásához szükséges energiát a biomassza égetéstől általában egy termoolaj-körfolyamaton keresztül szállítják az ORC-modul párologtatójához (1-5 ábra). A szerves munkaközegkörfolyamat tökéletesen zárt és egy párologtatóból, egy turbinából generátorral, egy regenerátorból (a belső hőcseréhez), egy kondenzátorból valamint munkaközegszivattyúkból áll.


Modul 2.2

4


Turbina Termoolaj- körfolyamat

G

Generátor

Párologtató Biomassza Égetési levegö

Biomasszakazán

Füstgáz

ORC - folyamat

Regenerátor

Kondenzátor

Höfogyasztó

Economiser

M01_HU_18

1-5 ábra: Biomassza KWK ORC-folyamattal A gőzfolyamatokkal szemben az ORC-folyamatnak az az előnye, hogy az atmoszférikus feltételek alatt üzemeltetett termoolajkazán nem esik a gőzkazánrendelkezés hatálya alá és ezért nincs szükség felügyeletre (személyzeti költségek megtakarítása). Az ORCfolyamatnak kiváló a részterhelés-tulajdonsága és nagyon jól szabályozható. •

KWK-berendezések Stirling-motorral Levegöelömelegítö

Hevitö

Frisslevegö

Economiser

Füstgáz

G Égetési levegö

Biomasszatüzelés

Höfogyasztó Generátor

Stirlingmotor

Hütö

Biomassza

M01_HU_19

1-6 ábra: Biomassza KWK Stirling-motorral A Stirling-motor-folyamat (1-6 ábra) a berendezéskoncepciójára vonatkozóan elvileg különbözik a szokásos folyamatoktól. A hőfelvétel egy hevítőhőcserélőn keresztül történik, melyet a füstgázáramban vagy közvetlenül a tüzelésben helyeznek el. A felvett hő az egyidejű motorhűtéssel együtt a bezárt munkagáz nyomásingadozását okozza, amely így egy vagy több dugattyúval egy tengelyen munkát tud végezni. Magas követelményeknek kell a hevítőhőc© 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.2

5


serélő méretezésének megfelelnie (a szennyeződési ill. lerakódási veszély miatt a csőfelületen). A Stirling-motor felépítése nagyon kompakt, amely lehetővé teszi, hogy egyszerűen hozzá lehessen építeni őket meglévő biomassza fűtőművekhez. Jelenleg még viszonylag alacsony névleges elektromos teljesítményű modulokat valósítottak meg 150 kW-ig. Ezáltal jól alkalmazhatók biomassza fűtőművek saját áramának részleges lefedésére. A Stirlingmotor csendes járású és csaknem teljesen kezelés nélküli üzemet tesz lehetővé. A Stirlingmotorok jelenleg a demonstrációs fázis kezdetén vannak. Biomasszából kizárólag hőt előállító berendezéseknél a hatásfok kb. 85 %, a biomasszatüzelésű gőzös hőerőműveknél kereken 80 %. A különbségek főleg abból adódnak, hogy a fűtőerőművekben további mechanikai és elektromos veszteségek adódnak az áramelőállító berendezésnél a generátort is beleértve.


Modul 2.2

6


2

Felállítás, épület, helyigény

Bioenergiaberendezések megvalósításánál számos törvényt, rendeletet és műszaki szabályt kell figyelembe venni. Ezek a térbeli elhelyezkedésre ill. a helyigényre kihathatnak. A bioenergiaberendezések felállítási tervezésénél különösen a tüzelőanyagszállítás és –tárolás, hamukezelés és füstgázportalanítás komponenseit kell figyelembe venni. Az egyszerű tüzelőanyaglerakodást és a kazánbetáplálást biztosítani szükséges. Három fő területet lehet megkülönböztetni: tüzelőanyagtároló, kazán-/gépház és külső berendezések/ üzemi utak.

2.1

Tüzelőanyagtároló

A tüzelőanyagtároló a következő komponenseket öleli át: •

Tároló szellőztető berendezésekkel (befúvatás, kifúvatás)

•

Tárolóba való behordóberendezések (daru, markoló, emelő targonca, szállítószalagok, szállítócsigák stb.)

•

A tüzelőanyag mérési berendezései (pl. tömeg- és nedvességmérés)

•

Tárolóból való kihordóberendezések (daru, tolóléc, csavar- vagy lengőcsiga stb.)

•

Ellenőrzőberendezés a tüzelőanyaghőmérsékletének méréséhez a tárolóban

Emellett még a tüzelőanyagtárolóban (ha szükséges) tüzelőanyagfeldolgozó rendszereket is felállítanak (pl. aprítógépet aprítékhoz, bálabontót száranyagnál). Aprítéktüzelésű berendezéseknél a tüzelőanyagtárolók általában földfeletti silók, tárolócsarnokok vagy földalatti tárolóterek. Tárfütörendszerek: tüzelöanyagkészletezési helyigénye Egység Rövidítés Kazánteljesítmény

Kiszámítás

Érték

MW

BF

5

-

D

14

Tüzelöanyagenergia - szükséglet

MWh

B

Tüzelöanyag fütöértéke

MWh/t

Hu

3,80

t/m³

SD

0,25

Készletezési mennyiség

t

m

m = B / Hu

442

Készletezési mennyiség

m³

V

V = m / SD

1.768

Raktármagasság

m

H

Szükséges terület

m²

A

Teljes terhelésü napok száma

Tüzelöanyag ömlesztési sürüsége

B=BF*24*D

1.680

3 A=V/H

589

2-1 ábra: Tüzelőanyagtárolás helyigényének meghatározása (példa) A tüzelőanyagtároló helyigényét főleg a tervezett tárolókapacitás határozza meg. A tárolókapacitás a logisztikai koncepcióhoz alkalmazkodik és a tüzelőanyagellátást legalább 3 – 5 napra biztosítania kell. A tüzelőberendezés 14 napos teljes terhelésű üzemelésének megfe© 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.2

7


lelően a tárolókapacitásnál például a 2-1 ábra szerint alakul a tárolóvolumen. A tárolás helyigényének példaszerű meghatározásánál a behordó- és kihordóberendezések helyigénye nincs figyelembevéve. Az aprítéknál a behordó- és kihordóberendezések helyigénye a durva becslésnél alsóbbrendű szerepet tölt be. Ha helyileg történik az aprítékelőállítás, akkor a 2-1 ábrán látható értékekhez kb. 100 m² felületszükségletet még hozzá kell adni. A biomasszatároló felállítási helyének meghatározásakor a következő aspektusokat kell figyelembe venni: •

A tüzelőanyag egyszerű beszállítása és betárolása

•

Lehetőség szerint rövid „tüzelőanyag-út“ a tárolótól. Figyelembe kell venni, hogy gyakran a tüzelőanyag tömegét a betárolás előtt le kell mérni. Részben mintavétel is szükséges a tüzelőanyaganalízishez (t.k. nedvességmeghatározáshoz).

2.2

Kazán- és gépház

A fő géptechnikai komponensek, melyeket a kazán- és gépházban kell felállítani, a következők: •

Kazánbetápláló berendezés (stoker-csiga stb.)

•

Biomasszakazán égetési levegő fúvókával

•

Füstgázportalanító berendezés (ciklon, szövet- ill. elektroszűrő), esetleg szívóhuzamfúvóka

•

Kémény (a kazán- és gépház mellett)

•

Hamukihordó rendszer

•

Gőzturbina ill. –motor generátorral

•

Hőtároló (puffertárolóként), keringtető szivattyúk a hőkivezetéshez

•

Csúcsterheléskazán (fűtőolaj vagy földgáz), olajtároló tartállyal ill. földgáztápállomással

•

Vízelőkészítő berendezés

•

Kapcsolóberendezés/irányítástechnika kezelőhelyiséggel

•

Tűzvédelmi rendszer

A szövetszűrők ill. az elektroszűrők és a hőtárolók külső felállítása költségokok miatt előnybe részesítendő. Minden más komponenst a tárolócsarnoktól elválasztott, de lehetőség szerint avval határos épületben kell elhelyezni. A kémény mérete esetenként törvényi szabályozásban van előírva. A kazán- és gépház szükséges méretét főleg a biomasszakazán mérete határozza meg. 2-2 ábra tartalmazza a fa- és szalmakazánok méretének irányértékeit (portalanító rendszerek nélkül). A portalanító berendezésekkel együtt körülbelül kétszer akkora helyigénye van a biomasszakazánoknak, mint a fosszilis tüzelőanyagú kazánoknak. © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.2

8


Fakazán

Szalmakazán

Teljesítmény

Hossz [m]

Szélesség [m]

Magasság [m]

50

1,6

0,8

1,4

100

1,8

1,3

1,5

200

2,6

1,3

2,2

500

3,3

1,5

3,1

1.000

3,8

2,3

4,0

2.000

4,1

2,5

4,0 – 5,0

5.000

5,0

3,5

4,0 – 5,0

1.000

6,0

2,0

4,0

3.000

8,0

2,6

4,5

4.000

8,5

2,8

4,5

6.000

10,0

3,5

4,5

2-2 ábra: Biomasszakazánok mérete (irányértékek füstgázportalanítás nélkül) [3] A géptechnikai komponensek elrendezésére a kazán- és gépházban mutat példát a 2-3 ábra.

2-3 ábra: Egy aprítékberendezés elrendezése két fakazánnal (1,5 MW és 0,7 MW; teljes méret kb. 16 x 16 m) [3]


Modul 2.2

9


2.3

Külső berendezések, közlekedési utak

A külső berendezéseket úgy kell méretezni és kialakítani, hogy lehetőség legyen: •

egy zavarmentes tüzelőanyagbeszállításra,

•

egy zavarmentes hamuelszállításra,

•

a külső felállításra tervezett berendezésrészek (pl. hőtároló, szűrő, …) megfelelő felállítására

Továbbá a külső berendezések helyigényénél a hatósági előírásokat (tűzoltóbehajtás, parkolóhelyek stb.) is figyelembe kell venni.

2.4

Teljes területigény

A különböző hőteljesítményű biomassza fűtőművek szükséges terület- és térigénye (a csúcsterheléskazánnal együtt) a 2-4 ábrán látható. Egység

Hőteljesítmény [MW] 3

4

6

Tárolócsarnok 5 napra

m³

450

600

900

Alapterület ellátáshoz szükséges területtel együtt

m²

150

200

280

Kazánház és iroda/üzem

m³

300 – 500

400 – 600

600 – 800

Alapterület iroda nélkül

m²

100

100

130

Iroda/üzem

m²

30 - 50

30 - 50

30 - 50

2-4 ábra: Biomassza fűtőművek szükséges terület- és térigényének irányértékei [3]

2.5

Tűzvédelem

A biomassza berendezéseknél ugyanúgy mint a fosszilis tüzelőanyagoknál a fűtőhelyiségek és a tüzelőanyagraktárak kiemelten tűzveszélyesek. Ezért különleges tűzvédelmi műszaki követelmények adódnak. Ezek rendeletekben és irányelvekben vannak rögzítve és a következőket érintik: •

a fűtőhelyiségekben tartózkodó személyzet mentési lehetőségének biztosítása

•

a fűtőhelyiségek és a többi épületrész tűzbiztonsági szétválasztása

•

a tűzkeletkezés és tűzelterjedés veszélyét megelőző intézkedések

Éghető anyagok csak korlátos mennyiségben lehetnek a fűtőhelyiségekben és gyulladástól védve kell hogy legyenek. Különösen ügyelni kell arra, hogy tűzvédelmi berendezések állja-


Modul 2.2

10


nak rendelkezésre annak érdekében, hogy a kazánban lévő tűz a tárolóra ne terjedhessen át. Ezek a követelmények a következőket tartalmazzák: •

visszaégés elleni védelem (tűzzsilip a kazánbetáplálásnál)

•

tömítettség a füstgáz és a parázs visszaégése ellen

•

a tűz a tárolóra történő átterjedése elleni védelem

Az erdei faapríték felhasználása esetén a szokásos 40 %-os nedvességtartalomig a tűzveszély alacsony. Ennek ellenére a kazánbetáplálásnál visszaégésbiztosításnak (légmentes lezárásnak) kell lennie. Ez általában egy áramkörtől független hőmérsékletérzékelőből áll a tüzelőanyagtároló és a kazán közötti szállítócsigánál, mely visszaégés esetén egy sprinklerberendezést old ki a szállítócsigában.


Modul 2.2

11


3

Emissziók

3.1

Az emissziócsökkentés lehetőségei

Az emissziócsökkentési technikák alkalmazása függ a berendezés méretétől, a felhasznált tüzelőanyagtól és a betartandó emissziós határértékektől. A 3-1 ábra mutatja az aprítéktüzelésű berendezések tipikus nyersgázemisszióit (füstgáztisztítás előtt). A fellépő részecskekoncentrációból látható, hogy a biomasszatüzelésnél füstgáztisztításra van szükség. További emissziócsökkentési intézkedésekre általában nincs szükség. Károsanyag

Tipikus nyersgázemissziók [mg/Nm³]

Határértékek [mg/Nm³]

Középérték

Tartomány

Levegőre vonatkozó Műszaki Útmutató szerint *)

SO2

170

50 - 350

2.000

NOx NO2 alakjában

250

100 - 400

400

Részecske

500

200 - 800

150

*) berendezésteljesítmény < 5MW esetén 3-1 ábra: Aprítéktüzelésű berendezések tipikus nyersgázemissziói [3]

3.2

Portalanítás

A füstgáz portalanítása érdekében tett intézkedések a tüzelés fajtájától és különösen a felhasznált tüzelőanyagtól függ.


Modul 2.2

12


Gázbelépés

Tiszta gáz Bukócsö

Henger

Kúp Por

M01_HU_20

3-2 ábra: Egy ciklonleválasztó működése

3.2.1

Ciklon

A felső részben hengeres, az alsó részben kúpos leválasztótérben a gázt forgó mozgásba hozzák. A benne lévő részecskékre nagy centrifugális erő hat, amely a részecskék külső fal felé történő elmozdulását okozzák. Ott aztán lesüllyednek a részecskék az alatta lévő porkiválasztó térbe. A megtisztított gázt általában egy szívóhuzam fúvóka által a bukócsövön keresztül kiszívják a ciklonból. A 3-2 ábrán egy ciklon működési módja és sematikus kinézete látható. A ciklonleválasztó előnye az egyszerű felépítés, amely a durva részecskék kedvező költségű leválasztását eredményezi. Multiciklonok elfogadható nyomásveszteség mellett csak 10 µmnál nagyobb részecskéket tudnak leválasztani hatékonyan, amely által apríték- és kéregtüzelés esetén a füstgáz maradékportartalmát 120 - kb. 400 mg/Nm³-re csökkentik. Az előírt határértékeket általában így nem lehet betartani, ezért egy további portisztítást szükséges utánkapcsolni. Biomasszák esetén a ciklonos előleválasztás után általában a finomleválasztás érdekében szövet- vagy elektro-szűrőket használnak.

3.2.2

Szövetszűrő

A portartalmú gázokat egy porózus szövet- vagy filcrétegen vezetik át. Szűrőanyagként természetes- és műszálas szöveteket, szervetlen szálasanyagot, azaz üveg-, ásványi és © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.2

13


fémszálakat, de még fémfóliaszűrőt is szoktak használni. A szűrő tisztítása sűrített levegő visszafúvatásával történik. Félépítés szerint elsősorban tömlőszűrőket és táskás szűrőket használnak. A tömlőszűrőknél a szűrőmédium hengeres tömlőformájú, a táskás szűrőknél a szűrőanyagot lap-keretekre feszítik.

3-3 ábra: A szövetes szűrő működése (tömlőszűrő) [3] A szövetes szűrők tipikus felhasználási hőmérséklete 120 és 240°C között van. Egy alsó hőmérséklethatárt be kell tartani a harmatpontalulmaradás és a szűrő eltömődésének elkerülése érdekében. A felső hőmérséklethatár meghaladása esetén is károsodik a szűrőanyag. A szövetszűrőt hatékonyan meg kell óvni a szikrahullástól. Általában ezért egy ciklont alkalmaznak előleválasztáshoz. A szövetszűrők előnye a magas leválasztási fok a gázvolumenáramtól függetlenül. Így 10 - 50 mg/Nm³ tisztagázkoncentrációk érhetők el. Továbbá lehetőség van szorpciós anyagok hozzáadására a savas füstgázalkotórészek kiválasztására.

3.2.3

Elektroszűrő

Az elektroszűrők (E-szűrő) elektromos tér hatására tudják a porrészecskéket kiválasztani. Az elektromosan feltöltött részecskék a katódhoz vándorolnak. Ezeket aztán periódikusan tisztítják. A 3-5 ábrán egy két modulból álló modulelektroszűrő látható. A szövetszűrővel ellentétben az elektroszűrő üzemeléséhez nem feltétlenül szükséges előleválasztó, szikrahullásvédelmi berendezés vagy tűzoltóberendezés. Elektroszűrőknek magas a leválasztási fokuk. A beruházási költségek relatív kis berendezéseknél (< 1 MW) valamivel magasabbak, mint a szövetszűrőké, de az üzemelési költségek az elektroszűrőknél alacsonyabbak.


Modul 2.2

14


1 Magasfeszültség – aggregát 2 Elektromos bunkerfütés 3 Porkihordó berendezés fütéssel 3-4 ábra: Modulelektroszűrő (2 modul) [3] Tiszta gáz

Mosóviz

Cseppleválasztó

Nyersgáz

Szennyvíz M01_HU_24

3-5 ábra: Egy füstgázmosó működése

3.2.4

Füstgázmosó


Modul 2.2

15


A füstgázmosónál a füstgázt egy mosón vezetik át, amelybe finoman porlasztott vizet ellenáramban fúvatnak be. Így a porrészecskéket megkötik és a vízzel elvezetik. Mosók a piacon a legkülönbözőbb felépítésben vannak jelen, az egyszerű mosótoronytól a fluidizációs mosón és a rotációs porlasztón keresztül a Venturi-mosóig. Egyszerű mosótornyok alacsony részecskeleválasztási fokkal rendelkeznek, de rotációs porlasztóval és Venturi-mosóval magas, 95 %-os leválasztási fokot is el lehet érni.

3.2.5

Füstgázkondenzáció

Nedves tüzelőanyagnál a hővisszanyeréshez beépített füstgázkondenzációs berendezéseket is lehet részecskeleválasztásra használni. A füstgázokat egy multiciklonban előtisztítják. A vízgőzt ezután hővisszanyerés céljából kondenzálják. A megmaradó porrészecskék a kondenzátummal együtt a hőcserélőfelületeken kiválnak. Így egy további porleválasztás elektrovagy szövetszűrővel már nem szükséges. Az utólagos szárazlevegőbekeveréses vagy a füstgáz ismételt felmelegítésével összekapcsolt füstgázkondenzáció által tökéletesen el lehet kerülni egy vízgőzcsíkot a kéménynél („füstcsík-kiküszöbölés“).


Modul 2.2

16


4

Hamuösszetétel és hamufelhasználás

Biogén energiahordozók erőteljes használata esetén a keletkező hamu megfelelő és környezetkímélő hasznosításának kérdése egyre fontosabbá válik. Jelenleg a biomasszatüzeléseknél keletkező hamut vagy (általában) ellenőrzés nélkül mezőgazdasági területre vagy az erdőbe kiszállítják. A biomasszatüzeléseknél keletkező hamu normál esetben három különböző frakcióból tevődik össze. (4-1 ábra):

Tüzelés

Multiciklon

Finomporleválasztó

Durvahamu

Ciklon-szállóhamu

Finom szállóhamu

Biomasza

80-90 tömeg% (sz. t.)

10-35 tömeg% (sz. t.)

2-10 tömeg% (sz. t.)

M01_HU_26

4-1 ábra: A biomasszatüzelésnél keletkező hamufrakciók (rostélyos tüzelés példája kéregnél ill. aprítéknál) [3] Az egyes hamufrakciók részesedése az összes hamuból a száraztömeg tömeg%-ban Hamufrakció

Kéregtüzelés *)

Aprítéktüzelés *)

Fűrészportüzelé s **)

Szalma és egésznövény-tüzelés ***)

Durvahamu

65 - 85

60 - 90

20 - 30

80 -90

Ciklon-szállóhamu

10 - 25

10 - 30

50 - 70

2–5

Finom szállóhamu

2 - 10

2 - 10

10 - 20

5 - 15

*)

rostélyos ill. alátolótüzelésnél

**)

alátolótüzelésnél

***)

szivarégőnél

4-2 ábra: Az egyes hamufrakciók részesedése [3] •

DURVA- ÉS ROSTÉLYHAMU: Ez a hamufrakció az tüzelőberendezés égetési részében keletkezik.

•

CIKLON-SZÁLLÓHAMU: Ez a frakció a füstgázzal együtt szálló finom részecskékből áll. A szilárd tüzelőanyagrészek por alakjában a tüzelőberendezés


Modul 2.2

17


irányváltókamrájában és a hőcserélőjében, valamint a kazán után kapcsolt centrifugális erő leválasztókban (ciklonokban) keletkezik. •

FINOM SZÁLLÓHAMU: finom szállóhamunak az elektrovagy szövetszűrőben, ill. a füstgázkondenzációs berendezés kondenzátumiszapjában keletkező szállóhamufrakciót nevezzük.

4.1

Fizikai jellemzők és kémiai összetétel

Tüzelőanyag

Hamufrakció

Közepes részecskesűrűség [kg/m³]

Ömlesztési sűrűség (középérték) [kg/m³]

Kéreg *)

Durvahamu

2.600 – 3.000

950

Ciklon-szállóhamu

2.400 – 2.700

650

Finom szállóhamu

2.300 – 2.600

350

Durvahamu

2.600 – 3.000

950

Ciklon-szállóhamu

2.400 – 2.700

500

Finom szállóhamu

2.300 – 2.600

-

Durvahamu

2.600 – 3.000

650

Ciklon-szállóhamu

2.400 – 2.700

300

Finom szállóhamu

2.300 – 2.600

-

Apríték *)

Fűrészpor

**)

Szalma és gabona Durvahamu egésznövény ***) Ciklon-szállóhamu

-

300

ca. 2.200

150

Finom szállóhamu

ca. 2.200

*) **) ***)

rostélyos ill. alátolótüzelésnél alátolótüzelésnél szivarégőnél

4-3 ábra: Biomasszahamuk közepes részecske- és ömlesztési sűrűsége [3]

4.1.1

Tápanyagtartalom

A biomasszatüzelés hamujának tápanyagttartalma mindenképpen jelentős, ezért érdemes trágyázásra felhasználni. Az egyetlen hiányzó tápanyag a nitrogén. Ez a tüzelés során szinte teljesen távozik a füstgázzal.

4.1.2

Nehézfémtartalom

A legtöbb környezetet érintő nehézfémtartalom jelentősen növekszik a durvahamutól a finom szállóhamuig (lásd As, Cd, Pb, Zn, Hg). A finom szállóhamut a magas nehézfémtartalom miatt tárolni, ill. iparilag kell hasznosítani. Ellenben a másik két hamufrakciót (általában az ösz-


Modul 2.2

18


szes keletkező hamu több mint 90 %-a) durva- és ciklon-szállóhamu keverékeként ki lehet hordani erdőgazdálkodási, ill. mezőgazdasági földekre.

4.2

A hamu felhasználása

Egy működő, növényi hamuval dolgozó, körforgó gazdálkodásnál a következő jelentős pontokat kell figyelembe venni: •

Kizárólag kémiailag kezeletlen biomassza felhasználása a fűtőműben

•

A felhasználható hamurész periódikusan végrehajtott analízise a tápanyag- és nehézfémtartalom meghatározásának érdekében

•

A növényi hamu felvételével kapcsolatban a talajok alkalmasságának vizsgálata ismétlődő talajvizsgálatok által

•

a vizsgálati paraméterek, károsanyag-határértékek és megfelelő elemzési módszerek meghatározása

•

Fuvarozási szabályozás a hamukihordás számára

•

Az üzemeltető feljegyzési kötelezettsége

•

Azokra a területekre tüzelőanyag származik

történő

hamuvisszahordás,

ahonnan

a

biomassza-

A biomasszatüzelésből származó hamut alapvetően a felhasználása előtt a tápanyagtartalma és a nehézfémtartalma tekintetében meg kell vizsgálni. Ezeket a vizsgálatokat periódikusan meg kell ismételni. Az analíziseredmények alapján meg lehet ítélni, hogy a vizsgált hamu az előírt határértékeket betartja-e és milyen hamuadagolás felel meg ökológiailag. Az idevonatkozó határértékeket, vizsgálati paramétereket és elemzési módszereket pl. Ausztriában két irányelv tartalmazza. [8], [9].


Modul 2.2

19


5

Elektro- mérés-, vezérlés-, szabályozás- és irányítástechnika

5.1

Elektrotechnika

Egy biomasszaberendezés elektrotechnikája az elektromos fogyasztók ellátására szolgáló berendezés elektrotechnikai felszerelését, valamint az áramtermelő berendezéseknél a megtermelt elektromos energia a közhálózatba vagy az üzemeltető üzemi hálózatába történő betáplálását tartalmazza.

5.1.1

Elektromos fogyasztók

Az elektromos fogyasztók ellátása (szivattyúk, ventillátorok stb.) általában egy 230V/400Valacsonyfeszültség-kapcsolóberendezésen keresztül történik. Az irányítástechnikai berendezések áramellátásához megfelelő transzformátorokkal és áramirányítókkal egy 24Vegyenfeszültség-ellátást kell felépíteni. A berendezésfelhasználhatóság terén magasabb követelményekkel rendelkező nagyobb berendezéseknél egy megszakításnélküli áramellátásra van szükség akkumulátorpuffer segítségével. Továbbá a villámvédelem és földelésre is kell ügyelni. A mindenkori nemzeti jogi előírásokat mindenképpen figyelembe kell venni, Ausztriában ez az elektrotechnikai felszereléssel kapcsolatosan elsősorban az Elektrotechnikarendelet [7].

5.1.2

Hálózatbetáplálás

A megtermelt elektromos energia betáplálására kisebb teljesítmények esetén egy alacsonyfeszültség-kapcsolóberendezést (pl. 0,4 vagy 1 kV-ra, a feszültségszinttől függően) lehet felhasználni. Kb. 1 MWel elektromos teljesítménytől azonban közepes feszültségszinten kell, hogy történjen a betáplálás (3, 6, 10 vagy 20 kV, a bekötési pont feszültségszintjétől függően). A generátor névleges feszültségétől függően (5 MWel teljesítményig általában 6 kV) még egy transzformátorra is szükség van.


Modul 2.2

20


5-1 ábra: Alacsonyabb teljesítményű berendezés példája [6]

5.2


A vezérlés egy nyitott hatáslánc, ez azt jelenti, hogy nem történik felülvizsgálat a folyamat elért befolyásolásáról. A szabályozásnál, a vezérléssel ellentétben, egy zárt hatáslánc van. Az elérendő és a mért értéket a szabályozási körfolyamatban összehasonlítják; a szabályozási kimenet olyan módon hat a folyamatra, hogy az elérendő-mért-eltérés csökken. Gyakran az összes funkciót egy tárolóprogramozható vezérlésbe integrálják. Ehhez a vezérlések be-/kiadás(E/A)-építőelemeire, a mérésátalakítókra és az állítóelemekre, mint portra van szükség a folyamat- és az irányítástechnikai komponensek között. A reteszelések arra szolgálnak, hogy a berendezést védelmi körülmények életbelépése esetén (túl magas hőmérséklet, nyomás stb.) biztonságos állapotba hozza. Egy aggregát vagy egy berendezésegység kiesése esetén nem szabad, hogy a személyzetnek kelljen beavatkoznia. Egy részegység meghibásodásának hatását a teljes berendezésre minimalizálni kell [3].

5.2.1

Teljesítményszabályozás

Az automatikusan táplált tüzelések általában részterhelhetőek, ezért teljesítményszabályozással kell rendelkezniük. Az eltüzelést gyakran még pluszban a füstgáz paraméterei alapján, azaz a füstgázállapot alapján is optimálják. (füstgázvezérelt égetési levegőszabályozás). Ez több konkrétan megadott teljesítménylépcsőnél, vagy egy közel fokozatmentes üzemnél automatikus üzemelést tesz lehetővé. A pillanatnyi kazánteljesítményről kapott információ alapján mind a tüzelőanyag-, mind az égetési levegő hozzáadást a névleges hőteljesítmény néhány százalékos lépcsőjében lehet variálni vagy fokozatmentesen változtatni. Szabályozási nagyságként általában a a kazánhőmérséklet mért értéke és az elérendő értéke közötti különbség szolgál. A legtöbb automatikus fatüzelés ma már rendelkezik teljesítményszabályozással, amely 100 %-os teljes terhelés és 50 %-os részterhelés között folyamatos üzemelést biztosít. Kisebb © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.2

21


berendezéseknél, amelyek általában nem magas tüzelőanyag-víztartalomra vannak méretezve, gyakran egy szélesebb, 100 - 30 %-os teljesítménytartomány is létezik. Egy ilyen teljesítményszabályozással az éves kihasználtsági fok javítható, mivel a készenléti veszteségek a tüzelés hosszabb üzemideje által csökkenthetők. A legkisebb hőteljesítmény alatt, amelyet a tüzelés még egy folyamatos üzemelés mellett teljesíteni tud, a berendezés be-kiüzemelésben működik. Egy teljesen automatikus üzemelés érdekében a tüzelésnek szükség szerint egy teljesen kikapcsolt állapotból is be kell tudnia indulni. Ezt egy automatikus gyújtóberendezéssel lehet megvalósítani, pl. forrólevegő-fúvókával vagy a parázságy megőrzésével (parázsfenntartás szakaszos tüzelőanyag-utántöltéssel). A be-ki-üzemelés általában magasabb emissziót okoz, mint a folyamatos állandóüzem, míg a parázsfenntartás-üzem a leállási veszteségeket növeli [5].

5.2.2

Égetési szabályozás

Az égetési szabályozás egy újabb szabályozási funkciót jelent a teljesítményszabályozás mellett. Ennek egy magas kiégési minőséget és egy magas hatásfokot kell biztosítania [5]. A tüzelőanyagmennyiség és az égetési levegő közötti optimális arány a károsanyagszegény elégetés feltétele. A túl nagy levegőfelesleg a lecsökkent égetési hőmérséklet miatt vezet a károsanyag-emisszió emelkedéséhez, míg a túl kevés levegőfelesleg a helyi oxigénhiány miatt okoz károsanyag-növekedést. Ezért főleg ingadozó tüzelőanyagösszetétel esetén van szükség egy megfelelő szabályozásra az égetés optimalizálásához. •

Lambda-szabályozás O2- ill. lambda-szondák által a tüzelőanyagmennyiség vezérlésével

•

Az égetési hőmérséklet mérése (termoegységekkel vagy IV-kamerával) a tüzelőanyagmennyiségárammal, mint irányítómérték

•

CO/lambda-szabályozás (CO-mérés infravörös mérési elv alapján vagy szenzorokkal, katalitikus hatáson alapulva) főleg a szekunderlevegő vezérlésével: ez az eljárás előnyősebb mint a lambda-szabályozás, amennyiben a tüzelőanyagtulajdonságok (nedvesség, összetétel, ömlesztési sűrűség) vagy a teljesítmény nagymértékben változnak. Ez a lambda-szabályozást a CO-mérési érték felkapcsolásával korrigálja.

5.2.3

Kombinált teljesítmény- és égetési szabályozás

Ahhoz, hogy a tüzelés biztos üzemét megvalósíthassuk, a teljesítmény- és az égetési szabályozás között egyértelmű feladatfelosztásra van szükség. A két szabályozási kör között az összjáték kaszkád formájában valósul meg, amelyben a teljesítményszabályozás mint felsőbbrendű, lassabb szabályozási kör a teljesítményt befolyásolja és egyidejűleg előírja az értékeket az égetési szabályozásnak, mely a belső, gyorsabb szabályozási kört képezi. A teljesítményszabályozás vagy a levegő- vagy a tüzelőanyagmennyiséget határozza meg és egy elérendő értéket határoz meg az alárendelt égetési szabályozás számára, mely a tüzelőanyag- vagy a levegőmennyiség finomszabályozását átveszi. [5].


Modul 2.2

22


5-2 ábra: Kombinált teljesítmény- és égetési szabályozás [5]

5.2.4

Füstgázszabályozás

A füstgázszabályozásnál a tűztérben lévő vákuum mérése történik. A füstgázventillátor fordulatszámát pl. a frekvenciaátalakító által szabályozzák. Kis kazánoknál (<100 kW) a fent említett szabályozási körök terjedelme részben kisebb, illetve egyszerűbb kivitelűek (pl. nincs vákuumszabályozás, nem modulált, hanem lépcsős teljesítményszabályozás). Azonban a károsanyag elégetés biztosítása érdekében legalább egy lambda-szabályozást kell alkalmazni. Nagyobb teljesítményű kazánok (kb. 5 MW-től) rendelkeznek a kiviteltől függően más szabályozási körökkel (frissgőzhőmérséklet-szabályozás, füstgáz visszavezetési mennyiségszabályozás) valamint egyéb vezérlésekkel (a koromfúvókákhoz, az iszaptalanításhoz stb.) [3].

5.3

Irányítástechnika

Az irányítástechnika az egységeivel együtt a folyamatlefolyásba való célzott beavatkozást szolgálja. A berendezés felügyeletét és kezelését szolgáló portokat a komplexitásnak és a vevői elvárásoknak megfelelően kapcsolókkal, világítójelzőkkel, LCD-sorkijelzőkkel vagy dinamizált képernyőképekkel lehet megvalósítani. Az üzembiztonság érdekében előnyös, ha az irányítástechnikai berendezéseket modulárisan építjük fel és a feladatokat felosztjuk központi irányítástechnikára az idegenfelügyelet (opció) számára történő adatátvitelhez szüksé-


Modul 2.2

23


ges porttal, aggregát-irányítástechnikára hagyományos berendezések számára és a biomasszakazán aggregát-irányítástechnikájára. Ennek a moduláris koncepciónak az előnye, hogy egy aggregát egyedüli meghibásodása nem jelenti a teljes berendezés kiesését. A berendezés manuális ill. részautomata üzemeltetése az egyes aggregátkiesés esetén is lehetséges. Olyan berendezések esetén, melyeket állandó felügyelet nélkül kívánnak üzemeltetni, az irányítástechnikai felszerelésnek a „Műszaki irányelvek – gőz“ követelményeinek kell megfelelnie a készülékek nagyobb megbízhatósága, a szabályozó- és behatárolóberendezések függetlensége stb. érdekében. Az egyes intézkedések kivitelezésétől függően lehetséges, hogy egy 24 – 72 órás inspekciós intervallumot érjünk el, így a többi üzemeltetés számára egyműszakban dolgozó kazánfelügyelőt lehet alkalmazni személyzetként. [3].

5.3.1

Központi irányítástechnika

Ez az igénykövetelmények és a zavarok fölérendelt rögzítését és feldolgozását szolgálja. Ennél általában egy tárolóprogramozható vezérlést (SPS) alkalmaznak, mely kiváltja az aggregátok ki- és leválasztását elérendő teljesítményelőírásokkal stb. A cél a zavarmentes és a messzemenően automatikus berendezésüzemelés biztosítása. Ide tartoznak a teljes berendezés fölérendelt kezelése és felügyelete adatarchíválással és kiértékeléssel. A berendezésen belül az adatcseréhez portokat szükséges definiálni, melyek lehetőség szerint általánosan előírandók az összes résztag számára. Kisebb berendezéseknél vagy az átadandó adatterjedelemmel szemben támasztott alacsonyabb követelményszintnél (gyűjtőzavarjelentés, fontos mérési értékek, elérendő értékek előírása) gyakran még a hagyományos adatátvitelt (potenciálmentes kapcsolatok, 4 – 20 mA szignálok) alkalmazzák. Amennyiben a központi irányítástechnikában egy fölérendelt kiértékelést, jegyzőkönyvezést és archíválást végeznek, akkor ennek megfelelően nagyobb adatterjedelem keletkezik (egyes riasztások stb.), mely a hagyományos vezetékezéssel túl magas költségeket okoz. Ebből az okból kifolyólag ebben az esetben soros adatátvitel (buszösszeköttetés) ajánlatos. Annak érdekében, hogy az elektromágneses zavarhatásokat kiküszöböljük, mint fizikai közeget fényhullámvezetőt lehet alkalmazni. A nem állandóan felügyelt berendezéseknél ajánlatos legalább az önellátóan dolgozó biomasszaberendezés zavarjelentéseit adattávátvitel segítségével egy állandóan személyzettel ellátott felügyeleti helyre eljuttatni. Telefonos úton részletesebb zavarjelentéseket (szövegbemondás) lehet küldeni munkatársaknak, akik például egyszerre több berendezést is felügyelnek [3].


Modul 2.2

24


Fölérendelt felügyelet

Távátvitel

Központi irányítástechnika Központi berendezésirányítástechnika Kezelés Megjelenítés

Port a távátvitelhez

Busz - vagy hagyományos vezetékezés

Aggregátirányítástechnika Aggregátirányítástechnika

Biomasszakazán

Aggregátirányítástechnika

Viz-/ gözkörfolyamat



Mezö Gözturbina

Periféria

M01_HU_21

5-3 ábra: Példa egy irányítástechnikai konfigurációra [3]

5.3.2

Aggregát-irányítástechnika hagyományos berendezésrészekhez

Itt jól bevált alapmegoldásokat szoktak alkalmazni. Ennél az egyes aggregátok (hagyományos kazán, gőzturbina, hálózati keringtető szivattyú stb.) önálló üzeméhez szükséges irányítástechnikai berendezések egy ahhoz tartozó komponens-irányítástechnikában vannak összefoglalva, melyet normál esetben az aggregát gyártója biztosít.

5.3.3

A biomasszakazán aggregát-irányítástechnikája

A kazán komponens-irányítástechnikája elsősorban minden szokásos, mindenekelőtt biztonságtechnikai szabályozási és vezérlési funkciókat foglal magába. Azon berendezések számára, melyekre a gőzkazán-rendelet vonatkozik, a „Gőz - műszaki irányelvet“ kell figyelembe venni. Emellett szükséges egy biomasszakazán optimális üzemeléséhez a teljesítmény szabályozása, az égetési optimalizálás szabályozása és a füstgázszabályozás.


Modul 2.2

25


6

Irodalomjegyzék

[1]

Obernberger, 2000: Thermische Nutzung fester biogener Brennstoffe, VDI Schriftenreihe „Regenerative Energien in Ungarn und Deutschland“ VDI-Verlag GmbH

[2]

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH (www.bios-bioenergy.at)

[3]

Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (kiadó) 2000: Leitfaden Bioenergie

[4]

Obernberger, 1997: Aschen aus Biomassefeuerungen – Zusammensetzung und Verwertung, VDI Bericht „Thermische Biomassenutzung – Technik und Realisierung“ VDI-Verlag GmbH

[5]

Hartmann (Hrsg.), 2003: HANDBUCH BIOENERGIE-KLEINANLAGEN, tangram documents, Bentwisch

[6]

Dötsch, C., J. Taschenberger, I. Schönberg, 1998: Leitfaden Nahwärme, Fraunhofer IRB Verlag

[7]

BGBl. 222/2002: 222. Verordnung des Bundesministers für Wirtschaft und Arbeit über Sicherheit, Normalisierung und Typisierung elektrischer Betriebsmittel und Anlagen sowie sonstiger Anlagen im Gefährdungs- und Störungsbereich elektrischer Anlagen (Elektrotechnikverordnung 2002 - ETV 2002)

[8]

BML, 1997: Der sachgerechte Einsatz von Pflanzenasche im Wald, Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft – Fachbeirat für Bodenfruchtbarkeit und Bodenschutz

[9]

BML, 1998: Der sachgerechte Einsatz von Pflanzenasche im Acker- und Grünland, Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft – Fachbeirat für Bodenfruchtbarkeit und Bodenschutz


Modul 2.2

26


Modul:

02 Technika

Egység

03 Berendezéstechnika III (Hőelosztás)

Időtartam:

1 nap (8 oktatási egység)

Rövid leírás:

Távhőhálózatok: •

Felépítés

•

Gazdasági keretfeltételek

Rákötés a központra: •

Szivattyúk

Hálózatfelépítés: •

Nyomvonalkialakítás

•

Lefektetési módok

•

Csőrendszerek

Házcsatlakozások: •

Hőátadóállomás

•

Indirekt házi állomás

•


•

Biztonsági berendezések

•

Fűtés

•

Melegvízkészítés


Modul 2.3


Tartalomjegyzék 1

Távhőhálózat............................................................................................................1

1.1

Alapvető felépítés ................................................................................................1

1.2

Gazdasági határfeltételek....................................................................................2

2

Rákötés a központra............................................................................................3

2.1

Szivattyúk ............................................................................................................3

2.1.1

Szabályozó berendezések ..................................................................................3

2.1.2

Nyomástartás ......................................................................................................3

2.1.3

Vízelőkészítés .....................................................................................................3

3

Hálózatfelépítés...................................................................................................5

3.1

Nyomvonalkialakítás............................................................................................5

3.1.1

Sugárhálózatok....................................................................................................5

3.1.2

Gyűrűs hálózatok.................................................................................................5

3.1.3

Hurokhálózat .......................................................................................................5

3.1.4

Standard nyomvonalvezetés ...............................................................................5

3.1.5

Háztól-házig-nyomvonalvezetés..........................................................................6

3.1.6

Leágazás nélküli nyomvonalvezetés ...................................................................6

3.2

Fektetési módok ..................................................................................................6

3.2.1

Standard mélyépítés............................................................................................6

3.2.2

Síkfektetés...........................................................................................................7

3.2.3

Egymás feletti fektetés ........................................................................................7

3.2.4

Pipeline-lefektetés ...............................................................................................7

3.2.5

Napi ütem/napi építési terület..............................................................................7

3.2.6

Szabadvezetékek épületekben............................................................................8

3.3

Csőrendszerek ....................................................................................................8

3.3.1

Műanyagköpenyes csövek (KMR).......................................................................8

3.3.2

Távfűtőcsövek GFK- vagy PEX-csövekből..........................................................9

3.3.3

Rugalmas csővezetékrendszerek........................................................................9

3.3.4

Duplacsőrendszerek..........................................................................................10

4

Házi csatlakozások............................................................................................11

4.1

Hőátadó állomások............................................................................................11

4.2

Indirekt házi állomások ......................................................................................11


Modul 2.3


4.2.1

Direkt házi csatlakozó állomások ......................................................................12

4.3

Mérés-, vezérlés- és szabályozástechnika........................................................13

4.3.1

Mennyiségszabályozás .....................................................................................13

4.3.2

Hőmérsékletszabályozás...................................................................................13

4.4

Biztonsági berendezések ..................................................................................13

4.5

Fűtés..................................................................................................................14

4.6

Melegvízkészítés ...............................................................................................14

4.6.1

Átfolyórendszer..................................................................................................14

4.6.2

Tárolórendszer ..................................................................................................15

4.6.3

Tároló-töltőrendszer ..........................................................................................15

5

Irodalomjegyzék ................................................................................................16


Modul 2.3


1

Távhőhálózat

A biomasszaberendezésben megtermelt termikus energia elosztásához szükséges egy távhőhálózat felépítése, amellyel a harmadik felet hővel ellátják. [1] Fütömü

Távhöhálózat Hálózati keringtetö szivattyúk

Esetleg egyéb hötermelö

Elöremenö ág pl. 90°C Visszatérö ág pl. 65°C Biomasszakazán

Ivóvizcsatlakozás

Vizelökészítés, utántáplálás

Nyomástartó berendezés

Berendezések a hötermeléshez a fütömüben

Berendezések a höelosztáshoz a fütömüben

Házi állomás

Házi állomás

Fogyasztóoldali berendezések

M01_HU_25

1-1 ábra: A hőelosztás berendezései [1]

1.1

Alapvető felépítés

A fűtőműben vagy a fűtőerőműben megtermelt hasznoshő elosztásához szükséges berendezésekhez tartoznak a tulajdonképpeni hőhálózat mellett a fűtőműben és a fogyasztói oldalon szükséges aggregátok. A szállítási közegként általában fűtővizet alkalmaznak 70 és 130°C közötti előremenő hőmérséklettel és egy 20 – 40 K előremenő és visszatérő hőmérsékletkülönbséggel. Magas előremenő hőmérsékletek nagykiterjedésű, régebbi távhőhálózatoknál és iparijellegű fogyasztói szerkezetnél szokásosak. Újabb hálózatoknál, különösen kisebb, lakóövezetek ellátására szolgáló távhőhálózatoknál az előremenő hőmérsékletet célzatosan 70°C-ig lecsökkentik, amely által a hőveszteségeket illetve a csővezetékek hő-szigetelésének beruházását jelentősen csökkenteni lehet. Ipari hőfogyasztók esetén gyakran magasabb hőmérsékletszintű hőre (>130°C) van szükség, ezért a fűtővíz mellett termoolajat vagy vízgőzt is használnak fűtőközegként. Ezen rendszerek sajátosságaira a következőkben részletesen nem térünk ki, mivel ezen rendszerek felépítését jelentősen meghatározzák az egyedi adottságok (hőmérsékletszint, a fűtőközeg fajtája stb.). Meg kell jegyezni, hogy a fűtővízelosztás besorolása „közeli hő-“ és „távhőhálózatra“ teljesen önkényes és nem különböznek egymástól alapvetően műszakilag.


Modul 2.3

1


A hőhálózatok ebben a leírásában a ≤ 10MWterm névleges terhelésűeket gyakran közeli hő fogalommal illetjük. [1]

1.2

Gazdasági határfeltételek

A terv gazdaságosságára döntő befolyással van a ráfordítandó költségek nagysága. Ezért sok esetben egy központi berendezés a hőelosztás magas költségei miatt nem versenyképes a decentralizált hőtermeléshez képest. Ez különösképpen jellemző a biomasszatüzelésű berendezésekre, melyek a jelenlegi energiahordozóárak mellett gyakran magasabb költségűek, mint a földgáz- vagy fűtőolajtüzelésű fűtő(erő)művek. A központi távhőellátás akkor előnyösebb a decentralizált hőtermelésnél, ha több, nagy hőigényű fogyasztó földrajzilag közel van egymáshoz. Ezt az úgynevezett hővonalsűrűség írja le, mely nyomvonalhosszúságra eső hőcsúcsteljesítményt adja meg. Tapasztalatok alapján gazdaságos berendezésüzemeléshez legalább 2 MWterm/km hővonalsűrűség szükséges. A hőelosztó hálózat magas specifikus beruházása miatt nagy jelentősége van a felhasznált csővezetékrendszer és a nyomvonal meghatározásának, melyeknél néhány határfeltételt figyelembe kell venni. [1] •

A hőtermelő berendezés telephelye

•

Hőfelkapcsolódási sűrűség és ennek várható időbeli alakulása

•

Megvalósíthatóság a mélyépítéstechnikai határfeltételekre vonatkozóan

•

A vezetékfektetés során érintett területek tulajdonosi viszonyai (telki szolgalom, engedély)

•

A nyomvonal területére vonatkozó egyéb építési tervek tervezési állapota

•

A nyitott kérdések tisztázásának szempontokat kell figyelembe venni)

időigénye


(mindenekelőtt

nem

műszaki

Modul 2.3

2


2

Rákötés a központra

2.1

Szivattyúk

A hőhordozó keringtetéséhez szükséges szivattyúkat a fűtőműben, ill. a fűtőerőműben helyezik el. A keringtető szivattyúk számának és teljesítményének meghatározásához a redundanciaszempontok mellett figyelembe kell venni, hogy minden terhelési esetet (nyári és téli terhelés) lehetőleg alacsony szivattyúárambefektetéssel biztonságosan ki tudjunk elégíteni. [1]

2.1.1

Szabályozó berendezések

Annak érdekében, hogy egy automatikus szivattyúkiválasztást és fordulatszámalkalmazkodást tudjunk végrehajtani, általában egy nyomáskülönbségszabályozást szerelnek be. Biztosítani kell, hogy a hálózat minden pontján a fogyasztóoldal által megkövetelt minimális nyomást (ezt a házi állomás kialakítása határozza meg) felesleges túllépés nélkül el lehessen érni. Ezen a területen „kritikus“ fogyasztók a házi állomások azonos kialakítása mellett a csővezetékhálózat egy ágának a végén helyezkednek el. Komplex hálózattopológia esetén szükséges, hogy hidraulikai hálózatszámításokkal, különböző terhelések vizsgálata mellett a „kritikus“ fogyasztókat meghatározzuk. Ezeknél a fogyasztóknál aztán egy hálózatoldali nyomáskülönbségmérőt szerelnek be, melynek mérési értékeit a keringtető szivattyúk szabályozásának érdekében a fűtőműbe juttatják. Több hálózati keringtető szivattyúberendezés területileg felosztott elhelyezése úgynevezett alállomásokba a kisebb távhőhálózatoknál általában a behatárolt kiterjedésük miatt nem jár előnnyel. [1]

2.1.2

Nyomástartás

A nyomástartás feladata, hogy minden időben, a hőhálózat minden pontján biztosítani tudjuk, hogy a körfolyamatvíz nyomása jelentősen a telítettségi gőznyomás felett legyen. Ezért a körfolyamatvíz maximális hőmérsékletére, a fűtőközpont és a legmagasabb ponton lévő fogyasztó földrajzi magasságkülönbségére, valamint a hőhordozó felmelegítésénél és lehűtésénél a szükséges kiegyenlítő térfogatra ügyelni kell. A nyomástartó berendezés műszaki kivitele a hálózatvolumentől és egyéb műszaki határfeltételektől függ. Kisebb távhőhálózatoknál egyszerű membrános tágulási tartályt lehet alkalmazni. Nagyon szűkös kiépítési területeknél vagy nagyobb hálózattérfogatnál nyomásmeghatározó szivattyúkat és szabályozott áteresztőszelepet használnak. [1]

2.1.3

Vízelőkészítés

Mivel a hőelosztáshoz szolgáló csővezetékhálózat a teljes beruházás nagy részét teszi ki és általában gazdaságosságos üzemelést csak úgy lehet elérni, ha a berendezés műszaki élettartama több évtized, ezért a körfolyamatvíz előkészítésének nagy a jelentősége. A vízelőkészítés elsőrendű célja a körfolyamatvíz oxigéntartalmának behatárolása annak © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.3

3


érdekében, hogy a korróziós károkat tartósan elkerülhessük. Ezenkívül a vízkövesedés okozta hátrányokat egy megfelelő lágyítással lehet biztosítani. A korrózió csökkentéséhez továbbá a sótartalom okozta vezetőképességet is be kell határolni. [1]


Modul 2.3

4


3

Hálózatfelépítés

3.1

Nyomvonalkialakítás

A legmagasabb hősűrűségű területeket, ill. a legmagasabb hővonalsűrűséggel rendelkező nyomvonalvariációkat a hőigényfelmérésből lehet meghatározni. Ebből a hőpotenciálból kiindulva először a „biztos” objektumokat kell beazonosítani, amelyeknél a rákapcsolódási valószínűség magas. Ebből adódnak aztán azok az utcavonalak, ahol a legmagasabb hősűrűség várható (ez azt jelenti, hogy azok, amelyek a leginkább hozzájárulnak a hőtermelő berendezés kihasználtságához) és ezáltal a kisebb távhővezetékek specifikusan alacsony költségét eredményezik. Behatároló körülmény pl. a terepprofil, a geológiai felépítés, az úttest helyviszonyai, amelyet főleg a lehetséges lefektetési területek fajtája és felépítése valamint más eszközökkel való foglaltsága határoz meg. Figyelembe kell venni a meglévő eszközök esetleges megváltoztatásával járó ráfordítást. [1]

3.1.1

Sugárhálózatok

Ezeket alkalmazzák általában a kisebb távhőhálózatoknál az egyszerű szerkezetük miatt. A rövid csővezetékutak és a kis átmérő miatt alacsony az építési költség és a hőveszteség. Hátrányos, hogy utólagos bővítések hidraulikailag problémásak és az ellátási biztonság alacsonyabb, mivel hálózati zavar esetén a teljes ágat le kell kapcsolni. Sugárhálózatok egyágúak vagy többágúak (több leágazás közvetlenül a fűtőműből) lehetnek, a városépítési helyzettől függően. A többágú berendezéseket két elválasztott hálózatnak lehet tekinteni, ha a szabályozásuk szét van választva. A nagyobb függetlenség (pl. szerelésnél) azonban nagyobb beruházással jár. [3]

3.1.2

Gyűrűs hálózatok

Több fűtőműves nagy ellátási területeknél a gyűrűs hálózati forma kínálkozik fel, ahol általában a főgyűrűről kisebb sugárhálózatok indulnak ki. A gyűrűs hálózat segítségével nemcsak több termelőberendezést lehet bekötni, hanem az ellátási biztonság is magasabb, mivel a legtöbb fogyasztót két vezetékúton is el lehet érni; ezenkívül a bővítés is könnyen megoldható. Azonban mivel a nyomvonal hosszabb és az átmérő nagyobb, mint egy sugaras hálózatnál, nagyobb beruházási költségek és hőveszteségek adódnak. [3]

3.1.3

Hurokhálózat

Ez a sugaras és gyűrűs hálózat kombinációja, optimális ellátási biztonságot és jó bővítési lehetőséget kínál, de a magas beruházási költségek miatt csak nagyobb hőellátási hálózatoknál alkalmazzák. [3]

3.1.4

Standard nyomvonalvezetés


Modul 2.3

5


A standard nyomvonalvezetésnél minden fogyasztói csatlakozást az elosztóvezetékről történő leágazással valósítanak meg, amelyet egyszerűen le lehet zárni ill. ki lehet bővíteni. Azonban alacsony csatlakozási sűrűségnél vagy hosszú házi csatlakozóvezetékeknél a többi nyomvonalvezetéssel szemben relatív hosszú csőutakra van szükség. Ez és a sok leágazás magasabb beruházási költséget okozhat. [3]

3.1.5

Háztól-házig-nyomvonalvezetés

A háztól-házig-nyomvonalvezetésnél több fogyasztót látnak el egy csatlakozásról ill. leágazásról. Ez rövidebb vezetékhosszakat tesz lehetővé mindenekelőtt rugalmas rendszereknél valamint lehetőséget ad a pincében történő lefektetésre. Mivel magántelken ill. -pincében történő lefektetésnél magánépületet használnak, ezért a tulajdonosoktól engedélyt kell beszerezni. Utólagos bővítések csak nagyon behatárolt mértékben lehetségesek; ezért a potenciális bővítéseket már a halózattervezéskor figyelembe kell venni. [3]

3.1.6

Leágazás nélküli nyomvonalvezetés

A leágazás nélküli nyomvonalvezetés teljesen lemond a leágazásos utcai elosztóhálózatról. Ehelyett a fűtőműből kiindulva mindig a legközelebbi épületet csatlakoztatják. Innen pedig a legközelebbi épületet látják el, úgy mint a háztól-házig-nyomvonalvezetésnél. Ezáltal földbefektetett összeköttetéseket és leágazásokat lehet megtakarítani és nincs szükség az árokban a szerelésre. Amennyiben a csöveket újépítésű épületek alapkiásásánál fektethetik le, a mélyépítési munkálatokat drasztikusan csökkenteni lehet. Hátrány azonban, hogy az utólagos bővítés szinte lehetetlen és a magántelkek és -épületek használatához engedélyekre van szükség. Költségnövelő hatása van annak, hogy kétszer annyi, ill. kétszer olyan nagy faláttörésre van szükség mint a standard nyomvonalvezetésnél és a beruházási költségek a rugalmas rendszereknél aránytalanul növekednek a névleges átmérővel. Ezen előnyök és hátrányok miatt a leágazás nélküli nyomvonalvezetést elsősorban kis, zárt, rugalmas csőrendszerű hálózatoknál, esetleg pincében történő lefektetéssel kombinálva alkalmazzák. [3]

3.2

Fektetési módok

3.2.1

Standard mélyépítés

A mélyépítés mértékénél a csővezeték névleges átmérője mellett meghatározó a talajszerkezet és a határos vagy keresztező médiumnyomvonalak (szennyvíz, ivóvíz, áramellátás stb.) hozzáférhetősége és pályája. Ezek határozzák meg a keresztezési pontokban a távhővezeték lefektetési mélységét. Ezen felül a nyomvonal pályája által érintett felületek fajtája jelentős költségtényezőt jelent. Ezeket a keretfeltételeket a szükséges tervekből kell megtudni és helyi helyzetfelvétellel kell kiegészíteni. [1]


Modul 2.3

6


3.2.2

Síkfektetés

A hagyományos fektetésnél, az úgynevezett lejtős fektetésnél csővezetékeket meghatározott csúcs- és mélyponttal fektetik le mindenhol légtelenítő szerelvénnyel ellátva. A síkfektetésnél azonban a csővezetékek követik a terepidomot tervezett csúcs- és mélypontok nélkül. Előny, hogy nincs szükség légtelenítő- és ürítőszerelvényekre ill. –aknákra és hogy alacsonyabbak a mélyépítési költségek. Ezenkívül a többi vezetéket egyszerűbben lehet keresztezni, amely a nyomvonalkialakítást egyszerűsíti. A szerelési munkák azonban adott körülmények között nehezebbek, mivel az ürítés/légtelenítés akna nélkül munkaigényesebb. Túl kevés lefedés esetén azoknál a vezetékeknél, ahol nem folyamatos az áramlás, télen a befagyás veszélyt jelent. Ezért egy minimális átáramlást (Bypass) biztosítani kell a háziállomás által a lefektetési mélységtől, a csőátmérőtől, a hálózati hőmérséklettől, a szigetelési vastagságtól stb. függően. [3]

3.2.3

Egymás feletti fektetés

Itt, a csővezetékrendszertől függetlenül, a csöveket távolságtartók segítségével egymás fölött helyezik el a csőárokban. A csőárkot ehhez valamivel mélyebbre, de jelentősen keskenyebbre ássák, ami által a mélyépítési volumen kisebb és a nyomvonalkialakítás könnyebb lesz. Nagyon szűkös (belvárosi) körülmények vagy költséges útfelület-helyreállítás esetén ajánlatos gazdaságilag az egymás feletti lefektetés. Nehéz talajviszonyok esetén azonban a mélyebb csőárokban dúcolásra van szükség, amely a fektetési munkákat megnöveli és így az egymás feletti fektetés az egyéb előnyök ellenére is gazdaságtalan. Többnyire az előremenő ágat fektetik a visszatérő ág fölé, mivel ez könnyebben meghibásodik. [3]

3.2.4

Pipeline-lefektetés

A pipeline-lefektetés esetén az árok kiásásával egyidőben több csőrudat (KMR) összehegesztenek, vizsgálnak és utánszigetelnek. Ezeket aztán pipeline formájában, kompletten a keskeny - mert nem bejárható és nem feldúcolt - csőárokba helyezik. Ott ahol két pipeline összetalálkozik egy fejlyukat ásnak és a két csövet összehegesztik egymással. Ennek az eljárásnak az előnye, hogy a lefektetés gyors (napi építési terület), oldalsó feldúcolást kikü-szöbölhetjük és kisebb az mélyépítési volumen a keskenyebb árok által. Ez az eljárás különösen akkor előnyös, ha az egymás feletti fektetéssel kombinálni tudjuk. Azonban a pipeline-fektetés előfeltétele, hogy az árok mellett az előszerelés számára elegendő hely álljon rendelkezésre, hogy lehetőleg ne keresztezzünk idegen vezetéket és hogy a talaj annyira le-gyen szilárd, hogy egy napig feldúcolás nélkül megálljon. Ha azonban a talaj olyan szilárd, hogy több napig nem szakad be és a feldúcolás munkavédelmi okokból nem szükséges, akkor ez az előny kiesik. [3]

3.2.5

Napi ütem/napi építési terület

Az úgynevezett napi építési területnél, amely elsősorban a műanyag összekötőköpenyű csőre (KMR) vonatkozik, a lefektetés meghatározó lépéseit (útfelbontás, árok kiásása a © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.3

7


fejlyukakkal együtt, a fejlyuk feldúcolása, csőfektetés, homokbefedés, tömörítés és árokfeltöltés) egy munkanap alatt végzik el. Ezáltal nincs szükség munkaigényes, hosszútávú közlekedésbiztonsági intézkedésekre. Csak kevés ideiglenes hídra van szükség. A lakosság elfogadása a rövidebb akadályoztatás miatt magasabb és az árok feldúcolására általában nincs szükség. Előfeltétel ehhez, hogy az 1,25 m fektetési mélységet ne haladjuk meg, az árok egy napig feldúcolás nélkül megálljon, és nagyobb csőhosszúságokat (lásd pipeline-lefektetés) egy lépésben lehessen lefektetni, ez azt jelenti, hogy ezen a területen ne legyenek keresztező vezetékek. Ezenkívül a KMR-t hidegen kell lefektetni, mivel az árkot rögtön feltöltik. A teljes építési tevékenység, a nyomvonalpálya bejelölésétől a kopástető előállításáig kb. 7 munkanapig tart az eddig szükséges 18 – 20 nappal szemben. A rugalmas csőrendszereknél lehetséges a napi ütemben történő lefektetés csupán a beütemezett tervezés által, mivel a mélyépítéssel szemben alacsonyabbak az elvárások és a fektetésiilletve összekapcsolási technika egyszerűbb. Amennyiben a csővezetékeket tekercsről fektetik, akkor a fektetés még tovább gyorsítható. Ez különösen a zöldövezeti fektetésnél érvényesül, mivel ott az időigényes útfeltörésre és útfelület-helyreállításra nincs szükség. [3]

3.2.6

Szabadvezetékek épületekben

Ez a fektetési mód azt jelenti, hogy nem szigetelt csővezetékeket szerelnek be a pincehelyiségekbe és utána szigetelik ásványi gyapottal. A megkívánt minőség szerint a köpenyt alumíniumból, horganyzott lemezből vagy PVC-ből készítik. A fektetés egyszerű és olcsó, mivel nincs szükség munkaigényes építkezésre, különösen mélyépítésre. Főleg sorházaknál és nagy lakóblokkoknál használatos, ahol csak a falat kell áttörni ahhoz, hogy a szomszédos épületkomplexumot vagy épületrészleget elérjék. A felhasznált anyagok más csőrendszerekhez képest olcsóbbak és szinte mindegyik fűtési szakember el tudja a munkát végezni. A szerelési időszükséglet alacsony, mivel a csövek tartórendszere szabványos. A szerelés alatti akadályoztatás főleg csak a pincehelyiségekre szorítkozik; a közterület nincs érintve. A könnyű hozzáférhetőség jó karbantartási lehetőséget biztosít. A fellépő szivárgásokat vizuálisan is érzékelni lehet, ezáltal nincs szükség szivárgásfigyelő rendszerre. [1]

3.3

Csőrendszerek

3.3.1

Műanyagköpenyes csövek (KMR)

Ezek acélcsövekből és poliuretánhab-szigetelésből állnak. A habszigetelés védelmére egy polietilén (PE) külső köpenyt használnak. Az összekötőrendszer általános kivitelénél a médiumcső, a szigetelőanyag és a köpenycső egy masszív egységet képez. A hőmérsékletváltozásnál fellépő tágulást kompenzátorok és L-, Z- vagy U-tágulási idomok veszik fel. Alternatív megoldási lehetőség, hogy a csöveket tágulásmentesen termikus felfűtéssel fektetik le. Műanyag alkalmazása miatt ezt a csőrendszert csak <130°C hőmérsékleteknél lehet alkalmazni. Jelenleg a műanyagköpenyes csöveket használják leggyakrabban Németországban. Összehasonlítva jellemző rá a kis mélyépítési munkaigény, mivel szűkös körülmények között is lehetséges a szerelés és a gyártók csak kis fektetési © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.3

8


mélységet írnak elő. Az egyes csőszegmensek (általában 6 és 12 m-es darabok) és idomdarabok összekötése hegesztéssel történik. Az összekötési helyeket PE-rátoló csőhüvellyel lezárják, hézagmentesen habbal kitöltik és zsugortömítőgallérral tömítik. A tömítetlenségek elkerülése érdekében a szerelésnél ügyelni kell a magas minőségű munkára. A nyomvonal gyakran érinti a közúti forgalom területét. Az emiatt fellépő elkerülhetetlen forgalmi akadályoztatást a útforgalmi hatósággal illetve az út- és mélyépítési hivatallal egyeztetni kell. Amennyiben lehetséges, a szabad területeket kell kihasználni, mert ezáltal a felszín helyreállítási munkaigénye és evvel együtt a fektetési költségek csökkenthetők. Ha a tervezést és a fektetést magas minőségben végzik el, akkor a műanyagköpenyes csöveknek jó az üzembiztonsága. A földbe fektetett csövek felügyelete általában speciálisan erre kifejlesztett szivárgásfigyelő rendszerrel történik, melyeket >DN50 átmérőknél mindenképp ajánlatos használni, mivel a nem észrevett szivárgások rövid időn belül a korrózió miatt a csővezetékszegmens komplett cseréjét teszik szükségessé. [1]

3.3.2

Távfűtőcsövek GFK- vagy PEX-csövekből

Ezeknek a csővezetékeknek a felépítése hasonlít a műanyagköpenyes csövekéhez. Azonban a médiumcsövet nem acélból, hanem különböző műanyagokból, például GFK-ból (üvegszálas műanyag) vagy PEX-ből (kereszthálós polietilén) készítik. A médiumcső és a polietilén köpenycső, ugyanúgy mint a KMR csöveknél, PUR-keményhabos hőszigeteléssel szilárdan összevan kötve egymással. Előnyt jelent a műanyagcsövek korrózióállósága az acélcsövekkel szemben. Ebből az okból kifolyólag itt általában nem alkalmaznak szivárgásjelző rendszereket. A maximálisan megengedett üzemi hőmérséklet általában csak 95°C. Különleges termékek alkalmazása (GFK) 130°C hőmérsékletig lehetséges, de ez csak csökkentett maximális üzemi nyomás mellett valósítható meg. A fektetés kompenzációmentesen, előfeszítés nélkül történhet előkészített árkokba. Azonban a KMRcsövekkel ellentétben irányváltásoknál a hőfeszültségeket fixpontokon kell felfogni. Ez a mélyépítés során többletmunkát okoz. A csöveket és az idomdarabokat szilárdan összeragasztják és a ragasztási helyeket utánszigetelik. A csőszigetelés tömítése még a gyártó üzemében történik. Az összekötő tömítőgallérok minőségével szemben nincsenek magas elvárások, mivel a médiumcső tömítetlenség esetén sem korrodálódik kívülről és az alacsony hőáteresztési ellenállás a tömítőgallérok területére korlátozódik. Ebből az okból is kifolyólag el lehet hagyni a bonyolult szivárgásjelző rendszereket. A belső cső kedvező hidraulikus súrlódási tényezővel rendelkezik az alacsony csőérdesség miatt. Ez a szivattyúzási áram megtakarítása által alacsonyabb üzemi költségeket eredményez. Az, hogy a műanyagköpenyes csövekkel összehasonlítva költségcsökkentést lehet-e elérni, nagymértékben függ a nyomvonal menetétől. A nyomvonalmenet gyakori irányváltozása a szükséges fixpontok miatt nagyobb költséget okoz. [1]

3.3.3

Rugalmas csővezetékrendszerek

Ezeknél a csőrendszereknél képlékenyen vagy elasztikusan hajlítható, hőszigetelt távfűtőcsöveket alkalmaznak egy hullámosított polietilén vagy acél köpenycsővel. Az úgynevezett hajlított csöveknél a médiumcsövet puhára izzított acélcsőből készítik. A helyi követelményekhez való illesztéshez szükséges plasztikus utánhajlítás a szerelés keretében © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.3

9


történik az építési területen. A névleges átmérőtől függően nagy hosszúságokat is (800 m-ig) lehet feltekercselve szállítani. Az úgynevezett távfűtőkábeleknél egy hullámos, nemesfémből készített médiumcsövet használnak. Ezeket a csővezetékek max. DN 150 átmérőig és 16 bar maximális üzemi nyomásig gyártják. A belső cső hullámossága nem csak a cső rugalmasságát biztosítja, hanem a hőtágulásokat is kompenzálja, így további elemekre, például tágulási ívekre és kompenzátorokra nincs szükség. A cső hőszigetelése egy rugalmas PUR-keményhabból készül és 150°C üzemi hőmérsékletig használható. A távfűtőkábelek különösen árokmentes fektetéshez alkalmasak földkiszorító rakétás vagy öblítéses fúrásos eljárásnál. A csőárkok keskenyebbek lehetnek, mint a többi összekötőcsőnél, mivel a nagyobb szállítási hosszúság és rugalmasság miatt nincs szükség további munkatérre a csőárokban. A kevesebb számú összekötési hely miatt a szerelés gyorsabb és az árkokat gyorsabban be lehet temetni. Rugalmas csőrendszerek különösen ott alkalmasak, ahol a fektetési terület építmények, más médiumnyomvonalak stb. miatt erősen korlátos vagy földmozgás várható a kevéssé szilárd talaj miatt. Rövid, alacsony névleges átmérőjű csővezetékszakaszoknál érzékeny területen (pl. elosztóvezeték a házi csatlakozáshoz) a magasabb csővezetékköltségek ellenére gyakran olcsóbb a rugalmas vezeték. [1]

3.3.4

Duplacsőrendszerek

A duplacsőrendszereknél az előremenő és a visszatérő ág egy közös PE-köpenycsőben van habbal rögzítve. A két hagyományos acélcsővet acélgerincekkel kötik össze és egy réteg PUR-ral tömítik. A hosszanti tágulás a keresztgerincek és a magasabb hosszirányú súrlódási erő miatt (nagyobb köpenycső) kisebb, mint az egyszerű KMR-nél, ezért tágulási párnára és kompenzációs intézkedésekre egyáltalán nincs szükség. A csőárok, ugyanúgy mint az egymás feletti fektetésnél, keskenyebb, ezért a kiásási volumen és a helyreállítandó felszín kisebb. Ezenkívül a hőveszteség is kisebb mint a normál hőszigetelt KMR-nél és így egy magasabb szigetelési osztálynak felel meg. Ezek az előnyök a magasabb anyagköltségekkel állnak szemben; a dupla cső drágább, mint két szimpla cső. Azonban ennek a rendszernek az elterjedésével a költségek csökkenése várható. Rugalmas műanyagmédiumcsöveknél és rugalmas fémmédiumcsöveknél kis névleges átmérő esetén gyakran ajánlanak duplacsöves rendszereket. Ezek DN50-ig általában olcsóbbak mint két szimpla cső. Problémát jelenthet, hogy az előremenő és a visszatérő ág közötti csekély hőszigetelés miatt az előremenő ág nagyobb mértékben ad át hőt a visszatérő ágnak, ha a hőtermelő rá van szorulva az alacsony visszatérő hőmérsékletre (fűtőértéktechnika). [3]


Modul 2.3

10


4

Házi csatlakozások

4.1

Hőátadó állomások

A minden fogyasztónál a körfolyamatvízből történő részáram elvételéhez szükséges szerelvények, mérő- és szabályozóberendezések összefoglaló neve a hőátadó állomás. Meg kell különböztetni indirekt és direkt kivitelt. A hálózat hőátadó állomásainak kifogástalan működése a távhőelosztás működéséhez elengedhetetlen, ezek a teljes rendszer integrált alkotóré-szei. Az üzembiztonság és a gazdaságosság növelése érdekében lehetőség szerint a szabványosított kivitel megvalósítására kell törekedni. Az állomás felszerelését nagy vonalakban az átadóállomásra (a hőhálózat üzemeltetőjének tulajdona) valamint a házi központra és a házi berendezésre (a háztulajdonos tulajdona) lehet felosztani. A hőszállítási szerződésben általában rögzítik, hogy a hőhálózat üzemeltetője, mint tulajdonos, hozzáférhet az átadó állomáshoz. Gyakran a házi központot egy az átadóállomással közös alapkeretre szerelik. [1] Távhöhálózat

Átadóállomás

4 TI

2 1

Elöremenö ág

TI

5

TI

PI

3 2

Visszatérö ág

TI

PI

8

M

WMZ 6

7

A távhöhálózat üzemeltetöje

Házi berendezés

Házi központ

9

Fogyasztó M01_HU_27

1 Szennyfogó 2 Helyi kijelzö 3 Höcserélö

4 Biztonsági 5 Fogyasztó (fütési körfolyamat, melegvízkészítés) 6 Nyomástartás

7 Szabályozó szerelvény • a teljesítményszabályozáshoz • a hömennyiségkorlátozóhoz • a visszatéröhömérsékletkorlátozóhoz

8 9

Hömennyiségszámláló Tipikus tulajdonosi határ

4-1 ábra: Hőátadó állomás felosztással [1]

4.2

Indirekt házi állomások

Ezek rendelkeznek egy hőcserélővel, amely a szekunderrendszert vagy a fűtési csőhálózatot a primérrendszertől hidraulikailag elválasztja. Ez különösen akkor szükséges, ha a primér rendszerben a nyomás 6 bar felett van, vagy nagyon magasak a hőmérsékletek és a © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.3

11


szekunderoldali berendezésrészeket, például a fűtőtesteket, melyek nem erre méretezettek, meg kell óvni. A hőcserélők többségében lemezes hőcserélők. [1]

4-2 ábra: Indirekt hőátadó állomás [4]

4.2.1

Direkt házi csatlakozó állomások

Ezek előnye, hogy egyszerű a felépítésük és a hőcserélő hiánya miatt olcsóbbak. Ennél a megoldásnál a távhőhálózat körfolyamatvize áramlik át fogyasztó fűtőtestén. Az indirekt rendszerrel szemben nincs szükség hőátadásra, ezáltal alacsonyabb hálózati hőmérsékletek lehetségesek, így a hőveszteség csökkenthető. Továbbá a szekunder rendszerben nincs szükség keringtető szivattyúkra. A fogyasztóoldali előremenő hőmérséklet egyéni beállításához azonban a visszatérő ág bekeverése ajánlott egy bekeverőszivattyú segítségével. A direkt házi állomások felszerelése - mérő- és szabályozóberendezések, elzárószerelvé-nyek stb. - értelemszerűen megfelel az indirekt állomásoknál leírt egységeknek. [1]

4-3 ábra: Direkt hőátadó állomás [4]


Modul 2.3

12


4.3


A hálózatszabályozás célja, hogy az ingadozó fogyasztói energiaigényeket lehetőleg alacsony költséggel (szivattyúáramköltség, a hő rendelkezésrebocsátási költsége stb.) lefedjék. A szabályozási stratégia kialakításánál ezentúl még meghatározó, hogy csak a fűtési hőigényt vagy a melegvízigényt is a távhő elégíti ki. Általában egy kombinált működést választanak, mely hőmérséklet- és mennyiségszabályozásból áll. Ennél a rövidtávú terhelési csúcsokat megnövelt mennyiségárammal és a hőigény hosszútávú változását (szezonális ingadozás) hőmérsékletváltozással egyenlítik ki. Amennyiben nincs melegvízellátás, akkor a gyenge terhelésű időszakokban a hálózati hőmérsékletet 60°C alá tudják csökkenteni, illetve a fűtési szezonon kívül a távhőellátást teljesen ki tudják kapcsolni. Melegvízelőállításnál azonban egy minimális hőmérsékletet (általában 70-75°C, a fogyasztói berendezéstől függően) biztosítani kell, így a gyenge terhelésű időszakokban (nyár) állandó hőmérséklet mellett csak a mennyiségáramot szabályozzák. [3]

4.3.1

Mennyiségszabályozás

Ennél az előremenő hőmérséklet állandó marad, csak a mennyiségi áramot igazítják az igényekhez. Így egy gyors szabályozási viselkedést lehet elérni, amely a rövidtávú terhelési csúcsok kompenzációjára szolgál. A növekvő (csökkenő) mennyiségi árammal növekszenek (csökkennek) a nyomási veszteségek és evvel a szivattyúáramköltségek. Határfeltételként egyrészről a minimális keringtetendő fűtővízmennyiséget kell betartani, annak érdekében, hogy a kihűlést megakadályozzuk, másrészről a maximális keringtetendő fűtővízmennyiség a szivattyúk teljesítménye illetve a hálózat és a házi állomás nyomásállósága által be van határolva. [3]

4.3.2

Hőmérsékletszabályozás

A hőmérsékletszabályozásnál a mennyiségi áram állandó marad, csak az előremenő hőmérsékletet igazítják az igényekhez. A lassú szabályozási viselkedés miatt a hőmérsékletszabályozás csak az előrelátható terhelésingadozások kompenzációjára szolgál. A betartandó határfeltételek a hőtermelő, a hálózat és a házi állomás maximális előremenő hőmérséklete valamint a melegvízkészítéshez (ha van) a minimális hőmérséklet. [3]

4.4

Biztonsági berendezések

A biztoságtechnikai szabványok hangsúlyos pontja a megengedett hőmérséklet és a megengedett nyomás túllépése elleni védelem. Ügyelni kell arra, hogy fűtési ellátásnál megfelelő biztonsági berendezések 120°C-os hálózati előremenő hőmérséklettől szükségesek, míg a melegvízkészítésnél már 100°C-os fűtőközeghőmérséklettől típusvizsgált hőmérsékletszabályozót és 110°C-tól biztonsági hőmérsékletkorlátozót kell beszerelni. A direkt bekötésnél nyomásbiztosításra csak akkor van szükség, ha a maximális hálózati nyomás magasabb, mint a megengedett házi berendezés-nyomás. Ekkor a biztosítás biztonsági szeleppel vagy biztonsági túlfolyószeleppel történik, előszeretettel © 2005 Europäisches Zentrum für Erneuerbare Energie Güssing GmbH

Modul 2.3

13


biztonsági zárószeleppel kombinálva. Bár az indirekt csatlakozásnál minden esetben előírás a biztonsági szelep, de ezt a megfelelő szabványok figyelembevételével alacsony volumenáramra (pl. 1 l/h kW névleges hőteljesítményenként) lehet méretezni. Bonyolultabb a hőmérsékletbiztosítás, amelyre akkor van szükség, ha a hálózati előremenő hőmérséklet magasabb, mint a megengedett házi berendezés-hőmérséklet. A biztosításoknál meg kell különböztetni fűtési ellátást és melegvízké-szítést. Míg a fűtési ellátásnál megfelelő biztonsági berendezésekre csak 120°C-os hálózati előremenő hőmérséklettől van szükség, a melegvízkészítésnél már 100°C-os fűtőközeghőmérséklettől úgynevezett típusvizsgált hőmérsékletszabályozókat és 110°C-tól biztonsági hőmérsékletkorlátozót kell beszerelni. [3]

4.5

Fűtés

A házi berendezésre (fűtőtest) a távhő előremenő hőmérséklete nincs befolyással, mivel ez általában a házi berendezés előremenő hőmérséklete felett van. A visszatérő hőmérséklet lecsökkentése azonban alacsonyabb közepes fűtőtesthőmérsékletet és ezáltal egy csökkentett teljesítményt okoz, ez azt jelenti, hogy nagyobb fűtőtestekre van szükség ugyanakkora hőteljesítmény átadásához. Egy fűtőtest hőteljesítménye a közepes fűtőtesthőmérséklettől függ. Ellentétben a korábban a fűtőberendezéseknél az előremenő, illetve visszatérő hőmérséklet számára szokásos 90/70°C méretezéssel szemben a távhőellátásnál sokkal nagyobb kölünbségeket kell elérni. Ezáltal megint csökken a közepes fűtőtesthőmérséklet. Annak érdekében, hogy ezt a csökkenést kiegyenlítsük, meg kellene nagyobbítanunk a fűtőtesteket, hogy továbbra is biztosítsuk a szükséges szobahőmérsékletet. Minél alacsonyabb az előremenő hőmérséklet és nagyobb a különbség, annál jobban csökken a fűtőtestteljesítmény (kb. 62 %-kal kevesebb 60/40°Cnál). A gyakorlatban általában kikerülhető azonban a fűtőfelületnövelés, mert a berendezések nagyobb része fűtőfelülettartalékokkal rendelkezik, amelyek a túlméretezés miatt keletkeznek. Meglévő fűtési rendszerek több vizsgálata a számítással összehasonlítva átlagosan 1,3 – 1,6 túlméretezési faktort mutatott ki. Ezen potenciál meghatározásához azonban pontos állományvizsgálatra van szükség, mivel ezen vizsgálatok során néhány olyan fűtőtestet is találtak, amelyek 50 %-ban voltak aláméretezve. [3]

4.6

Melegvízkészítés

4.6.1

Átfolyórendszer

Az átfolyórendszernél közvetlenül az igény időpontjában melegítik fel az ivóvizet egy lemezes hőcserélővel. Ezért relatív magas teljesítményre van szükség, amely azonban több fogyasztó felkapcsolódásakor a figyelembeveendő egyidejűség miatt csökken. Ez a melegvízkészítés kétlépcsős is lehet, ahol az első lépcsőben a fűtési visszatérő ágat előmelegítésre használják. A priméren bekötött utóhőcserélőben történik a további felmelegítés. Az átfolyótechnikánál ügyelni kell a jó szabályozásra. Az átfolyóelv előnye a higiéniailag kifogástalan ivóvízkészítés, a távfűtővíz jó kihűtése, a kis helyigény valamint az alacsony beruházási költség. [3]


Modul 2.3

14


4.6.2

Tárolórendszer

Ennek a rendszernek az előnye az alacsony csatlakozási teljesítmény, mivel az ivóvizet a használat előtt relatív kis fűtési teljesítménnyel egy tárolós melegvízkészítőben felfűtik. Ezáltal rövid időn belül nagy mennyiségű, felmelegített ivóvíz áll a rendelkezésre, melynek a hőmérséklete ingadozó használat esetén is relatív állandó. Hátrány a nagy helyigény és a távfűtővíz rosszabbodó kihűtése a töltési folyamat során, melynek végén a távhő visszatérő hőmérséklete a tároló hőmérsékletéig emelkedik. Ezenkívül a tárolórendszer beruházása drágább mint az átfolyórendszeré, mivel a nagyobb hőcserélő többletköltsége jelentősen kisebb, mint a tároló költsége. Mivel a közepes hőmérsékletgradiensek tartományában, amely a konstrukció miatt a tároló alsó részében jellemző, a légiósbetegség kórokozói jól szaporodnak, az ivóvízhigiéniánál problémák jelentkezhetnek. [3]

4.6.3

Tároló-töltőrendszer

Ez két rendszer kombinációja. Egy átfolyó melegvízkészítés és egy tároló szabályozó kapcsoláson és egy tárolótöltő szivattyún keresztüli összekapcsolásából áll. A hőátadó csak a meleg ívóvíz átlagos igényét fedezi. A fogyasztási csúcsokat a tároló fedezi pótlólagosan, amelyet a kis fogyasztás időszakában a hőcserélő feltölt. Ez az összjáték a hőátadó és a tároló optimális méretezését és az átfolyórendszerrel összehasonlítva a tárló szabályozástechnikai többletráfordítását követeli meg. A közepes hőmérsékletgradiensek tartományában itt is problémák léphetnek fel az ivóvízhigiéniával kapcsolatosan. [3]


Modul 2.3

15


5

Irodalomjegyzék

[1]

FNR, Fachagentur Nachwachsende BIOENERGIE, Gülzow (2000)

Rohstoffe

e.V.

(kiadó):

LEITFADEN

[2]

Hartmann (Hrsg.), H.: HANDBUCH documents, Bentwisch (2003)

[3]

Dötsch, C., J. Taschenberger, I. Schönberg,: Leitfaden Nahwärme, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart (1998)

[4]

Fernwärme Wien: Alles auf einen Blick, theMediaSheet, Wien (2000)

BIOENERGIE-KLEINANLAGEN,


tangram

Modul 2.3

16

TARTALOMJEGYZÉK BIOMASSZA TÁVFÛTÕ RENDSZEREK TERVEZÕJE

Recommend Documents