TÜZELŐANYAG KEVERÉKEK VIZSGÁLATA BIOMASSZA KAZÁN OPTIMÁLIS HATÁSFOKÁNAK ELÉRÉSÉHEZ

MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke

TÜZELŐANYAG KEVERÉKEK VIZSGÁLATA BIOMASSZA KAZÁN OPTIMÁLIS HATÁSFOKÁNAK ELÉRÉSÉHEZ

SZAKDOLGOZAT Energetikai mérnöki szak, Gépészeti szakirány

Készítette:

NAGY ESZTER Neptun kód: DHXLFZ

Miskolc – Egyetemváros

2015

ÁRAMLÁS- ÉS HŐTECHNIKAI GÉPEK TANSZÉKE

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

3515 Miskolc – Egyetemváros Szám: EV/400-2/2014 BSC TERVEZÉSI FELADAT

NAGY ESZTER Neptun kód: DHXLFZ IV. éves, energetikai mérnök hallgató részére

A tervezés tárgyköre: A tervezési feladat címe:

Biomassza hőtermelés tüzelőanyag felhasználása Tüzelőanyag keverékek vizsgálata biomassza kazán optimális hatásfokának eléréséhez

A FELADAT RÉSZLETEZÉSE: 1. Mutassa be általánosan a biomassza tüzelőanyagokat! 2. Mutassa be a különböző biomassza tüzelési technikákat! 3. Ismertesse a méréshez felhasznált tüzelőanyagokat, és mutassa be azok laboratóriumi vizsgálatát! 4. Végezzen kazánméréseket különböző tüzelőanyag keverékekkel az optimális kazán hatásfok meghatározására! 5. A mérési eredmények kiértékelése után tegyen javaslatot a legoptimálisabb kazán hatásfok eléréséhez szükséges tüzelőanyag keverék összetételére!

Tervezésvezető: Konzulens:

Farkas András, tanszéki mérnök Barna Gergő, energetikus

A tervezési feladat kiadásának időpontja: A tervezési feladat beadási határideje:

2014. 09. 18. 2014. 11. 21.

Miskolc, 2014. 11. 21. Ph Dr. Szabó Szilárd tanszékvezető egyetemi tanár II

ÖSSZEFOGLALÁS Miskolcon a Kenderföldi és a Dorottya utcai hőkörzetek megújuló energia alapú ellátása érdekében, a város 2009-ben projektcéget alapított Bioenergy-Miskolc Kft. néven. A projektcég közel 750 millió forintos beruházással 2011 őszén megvalósított egy új

3

MW-os

faapríték

tüzelésű

kazánt,

a

hozzá

tartozó

kiszolgáló

létesítményekkel. A próbaüzem sikeres lezárása után, 2012 februárjában kezdhette meg a fűtőmű kereskedelmi üzemét. Az első hetek után látszott, hogy a rendelkezésre álló és már beszállított tüzelőanyagok egy részét a kazán képtelen volt megfelelően kezelni. A kazán egy rögzített beállítással került üzembe helyezésre, azonban van lehetőség további üzemállapot beállítások rögzítésére is. Ezért feltételezhető, hogy néhány tüzelőanyag típus felhasználása esetében, különböző kazánbeállításokat kellene alkalmazni, amely illeszkedik a tüzelőanyag minőségéhez. A szakdolgozatom keretében elsősorban azt vizsgáltam, hogy egy adott kazánbeállításhoz a rendelkezésemre álló tüzelőanyagokból mi a legmagasabb hatásfok, amit még gazdaságosan el lehet érni, illetve milyen beállítások változtathatók meg ahhoz, hogy a berendezés optimálisan tudjon üzemelni. Három jellemző tüzelőanyagot választottam ki, melyeken laboratóriumi vizsgálatokat, végeztek. Ezután üzemi kísérleteket hajtottam végre velük. Célom az volt, hogy meggyőződhessek arról, a laboreredmények alapján besorolt tüzelőanyagok és azok keverékei,

az

üzemi

kísérletek

alatt

valóban

a

vártnak

megfelelő

teljesítményadatokat produkálják-e. Az ezekből levont következtetések olyan kazánbeállítás rögzítési lehetőségekhez vezettek, mellyel legalább két egymástól jól elkülöníthető faapríték típus optimális felhasználása is lehető válik. Méréseim elvégzése során, fő célom az volt, hogy a legoptimálisabb kazán hatásfok eléréséhez szükséges tüzelőanyag keverék összetételére tegyek javaslatot. Valamint megtaláljam a javasolt keverék elégetéséhez legmegfelelőbb kazán beállítási paramétereket.

III

SUMMARY In 2009 a new project company, called Bioenergy-Miskolc Kft. was founded in the city of Miskolc. The task of the new company is to ensure the heat supply of Kenderföld and Dorottya streets with the help of renewable energy. The project company defined that these plans will cost 750 million HUF in the autumn of 2011. After the successful test runs, in February 2012 the heating plant can starts its commercial operation. After the first weeks it has become clear that the available fuel supply is not the best for heating because the heating system couldn’t handle it properly. The heating system was started with only one fix operating adjustment but as the time passed it became necessary to add more. Because of the different types of fuels had been used with different operating adjustments which depend on the quality of the fuels. In my essay first I examined that with the use of the different fuels with the choosing of the correct operating adjustment which is the highest efficiency that we can reach economically. Then I examined that which parameters can we change to optimize the operation of the device. I choose three specific fuel types on which laboratory tests have been carried out. Then I tested them in the heating system. My objective was to make sure that the results of the laboratory tests and the results of the heating system tests are in accordance with each other. And make sure that the fuels produce that efficiency what we can expect from them. The conclusions what we drawn from these tests were that for the optimal operation of the heating plant the best choice is to make at least two different type of fuels with two different type of operating adjustments. During my tests my main objective was to find that fuel mixture which can produce the best efficiency during its use and find the most suitable setups for the use of this fuel mixture.

IV

1. TARTALOMJEGYZÉK 2.

Jelölések és indexek jegyzéke ........................................................................ 4

3.

Bevezetés ....................................................................................................... 5

4.

Biomassza tüzelőanyagok általános bemutatása ............................................ 7

5.

4.1

Biomassza fogalma és keletkezés szerinti csoportosítása ........................ 7

4.2

Biomassza származási és felhasználási területei ...................................... 8

4.3

Biomassza energetikai célú hasznosítása ............................................... 11

4.4

Fás szárú biomassza energetikai hasznosítási formái ............................ 12

4.5

Fa tüzelőanyagok alaki, formai megjelenése ........................................... 14

4.6

Fa és faalapú hulladékok tüzeléstechnikai jellemzői ............................... 16

4.6.1

Alakiság ............................................................................................ 16

4.6.2

Kémiai összetétel ............................................................................. 17

4.6.3

Idegenanyag tartalom ....................................................................... 18

4.6.4

Nedvességtartalom........................................................................... 18

4.6.5

Fűtőérték .......................................................................................... 20

Biomassza tüzelési technikák bemutatása .................................................... 22 5.1

Biomassza erőművek előnyei.................................................................. 22

5.2

Biomassza tüzelőberendezések .............................................................. 23

5.2.1

Elterjedt biomassza tüzelőberendezések .......................................... 24

5.2.2

Biomassza tüzelőberendezések alapvető részegységei ................... 26

5.3

Bioenergy–Miskolc Kft. fűtőművi paraméterei ......................................... 28

5.3.1

Fűtőműben levő tüzelőberendezés ................................................... 29

5.3.2

Fűtőművi tüzelőberendezés működési elve ...................................... 31

2

Méréshez

6.

felhasznált

tüzelőanyagok

bemutatása,

azok

laboratóriumi

vizsgálatának ismertetése .................................................................................... 33 6.1

Felhasznált tüzelőanyagok bemutatása .................................................. 33

6.2

Laboratóriumi vizsgálatok ....................................................................... 35

6.2.1

Hidrogén- és karbon tartalom meghatározása .................................. 35

6.2.2

Hamutartalom meghatározása ......................................................... 36

6.2.3

Nedvességtartalom meghatározása ................................................. 36

6.2.4

Égésmeleg és fűtőérték meghatározása........................................... 37

6.2.5

Laboratóriumi vizsgálatok végeredményei ........................................ 39

Kazánmérések bemutatása ........................................................................... 43

7.

7.1

A kazán mért paraméterei ....................................................................... 43

7.2

Kazán üzemmódok ................................................................................. 44

7.3

Üzemi kísérletek ..................................................................................... 45

7.3.1

Külön égetés .................................................................................... 47

7.3.2

Keverékek égetése ........................................................................... 48

7.4

Üzemi próbák következtetései ................................................................ 52

Mérési eredmények kiértékelése, javaslattétel a további felhasználásra ....... 54

8.

8.1

Megállapítások ........................................................................................ 54

8.2

Javaslatok ............................................................................................... 56

9.

Összegzés .................................................................................................... 60

10. Köszönetnyilvánítás ...................................................................................... 62 11. Irodalomjegyzék ............................................................................................ 63 12. Függelék ....................................................................................................... 66 M1.

Kazánparaméterek

3

2. JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE Főbb jelölések h

[m/m %]

Hamutartalom

G

[g]

Tüzelőanyag tömeg (laboratóriumi vizsgálatok során)

W

[m/m %]

Nedvességtartalom

Hu

[J/kg]

Fűtőérték

Ha

[J/kg]

Égésmeleg

H

[m/m %]

Hidrogéntartalom

Q

[J]

Hőenergia

m

[kg]

Tüzelőanyag mennyiség (mérés során)

P

[W]

Leadott átlagteljesítmény

t

[s]

Tüzelés időtartama



[%]

Hatásfok

Főbb indexek 1

Légszáraz anyag

2

Hamu

ex

Durva

3

Nedves anyag

4

Szobahőmérsékleten szárított anyag

h

Higroszkópos

5

Kiszárított anyag

t

Összes

be

Bevitt

ki

Kiadott

4

3. BEVEZETÉS Az első árammal működő készülékek megjelenése óta egyre inkább előtérbe került a történelem során az elektromosság. Társadalmunk lassan, de annál biztosabban energiafüggővé vált, napjainkban elektromos áram nélkül el sem tudjuk képzelni az életet. Háztartásunkban percről percre minden egyes tevékenységünkhöz áramot használunk, akár szórakozunk, mosunk, takarítunk, vagy csak kinyitjuk a hűtőt. Ugyanez a nagy mennyiségű energiaigény jellemzi a munkahelyeket, az iskolákat, közintézményeket, bevásárló központokat. Egyes országokban az energiahiány forradalmakhoz, lázadásokhoz is vezetett, illetve vezet, hiszen tiszta ivóvizet sem tudunk már előállítani nagy energia befektetés nélkül. Az emberiség mérhetetlen energiaigényét azonban nem lehet csupán szénkőolaj-, földgáztüzelésű erőművekkel és atomerőművekkel, vagy a szélből- és napból nyert energiával fenntartani. Nemcsak az esetleges környezetkárosító hatás miatt, hanem a magas üzembe-helyezési, megépítési és tervezési költségek miatt sem. Kevés ország engedheti meg magának, hogy nagy volumenű összegeket fektessen be egyszerre, az emberi élettartamhoz viszonyított igen hosszú megtérülési idővel rendelkező tisztább energiatermelésbe. Egy adott ország energia importja és kiszolgáltatottsága között egyenes arányosság van, hiszen minél több energiát kell más országoktól beszereznie, annál inkább függ azoktól. Ez nagyban sürgeti egy olyan megoldás kidolgozását, amibe a befektetetett költségek viszonylag hamar megtérülnek és az üzemeltetése sem

okoz

problémát.

Mivel

hazánk

is

importra

szorul

energiaforrások

szempontjából, így különösen érintve vagyunk a felhasznált mennyiségek csökkentésében, az energiafelhasználás hatékonyságának növelésében, a költséghatékony energiagazdálkodásban, az alternatív, és Magyarországon rendelkezésre álló energiaforrások hasznosításában. A probléma megoldásához az

egyik

legkézenfekvőbb

lehetőség

a

biomassza,

mint

energiaforrás

erőművekben történő felhasználása. Így a növényi maradványok, egyéb hulladékok is hasznosulnak, ezáltal csökken az üzemeltetés költsége. Miskolcon 2009-ben született döntés arról, hogy a távhőszolgáltatásban egyre nagyobb arányban kell megújuló energiaforrásokat hasznosítani, melynek

5

hatására 2011 decemberében üzembe helyezték a Kilián lakótelepi biomassza fűtőművet. Ez a fűtőmű 1.100 lakás fűtését képes ellátni, kiváltva körülbelül 1 millió m3 földgázt évente. Ennek a viszonylag új hőenergia termelő forrásnak a lehető legoptimálisabb működtetéséhez, még a mai napig sincs elegendő tapasztalat és információ az üzemeltetők kezében. Számukra nagy segítséget jelenthet a jövőben, ha sikerül meghatározni azt a tüzelőanyagot, melynek eltüzelése mind gazdaságilag, mind tüzeléstechnikailag optimális. Szakdolgozatomban

a

biomassza

fogalmának

tisztázása

után

néhány

csoportosítási módot fogok bemutatni, hogy szemléltessem annak sokrétűségét. Ezután röviden ismertetem a legfőbb biomassza tüzelő berendezéseket, majd nagy figyelmet fordítok a miskolci biomassza fűtőműre. A méréseim során felhasznált tüzelőanyagok laboratóriumi eredményeinek ismertetésére külön hangsúlyt fektetek majd, hiszen ezek nagyban befolyásolják azok tüzeléstechnikai tulajdonságait. Ezután a rendelkezésemre álló három tüzelőanyag mintát üzemi körülmények között fogom kipróbálni, és azt vizsgálom majd, hogy a különböző tüzelőanyagok a gyakorlatban hogyan befolyásolják a kazán hatásfokát, valamint lehetséges-e

egy olyan

keverék

megalkotása,

amelynek

tüzeléstechnikai

tulajdonságai kiválóak, és hosszú távon is fenntartható az utánpótlásuk. Az üzemi próbák elvégzését követően, a laborkísérletek eredményeit és az üzemi próbák tapasztalatait fogom röviden összehasonlítani, majd az általam összeállított keverékek mérési eredményeit értékelem ki. Végül ezek alapján teszek javaslatot a továbblépésre, a fejlesztési lehetőségekre.

6

4. BIOMASSZA TÜZELŐANYAGOK ÁLTALÁNOS BEMUTATÁSA 2007-ben az Európai Tanács 5 célt határozott meg az Európai Unió tagállamainak, melyeket 2020-ra teljesíteniük kell. A határozatban külön pontok taglalják a foglalkoztatottság-, oktatásbeli problémákat, emellett szót emelnek a szegénység és a társadalmi kirekesztés ellen is. Az egyik legfontosabb pontja a határozatnak mégis az éghajlatvédelem, és fenntartható energiagazdálkodás mellett szóló célkitűzés, mely szerint a tagállamoknak: 

az üvegházhatást okozó gázok kibocsátását 20%-kal kell csökkenteni az 1990-es szinthez képest (vagy ha a szükséges feltételek adottak, akkor akár 30%-kal is),



a megújuló energiaforrások arányát 20%-ra kell növelni,



az energiahatékonyságot 20%-kal kell javítani.

Ennek a „háromszor húszas” célnak a megszületése nagyban hozzájárult az országok szemléletváltásához, melynek köszönhetően nyitottabbá váltak az innovációkra az energiatermelésben [1]. Azonban nem minden nemzet rendelkezik azonos anyagi, és földrajzi háttérrel. Nem mindenhol bizonyul jó befektetésnek napkollektorok, vagy napelemek használata, hiszen az éves napsütéses órák száma alapján a beruházási költségeik élettartamon túl, vagy sohasem térülnének meg. Ugyan így a szél, vagy a víz energiájának kiaknázása sem lehetséges akárhol. Viszont az ilyen országok is tehetnek, sőt erkölcsi kötelességük, hogy tegyenek valamit a környezetünk érdekében. Ezért ők a biomassza tüzelés felé fordulhatnak.

4.1 Biomassza fogalma és keletkezés szerinti csoportosítása A biomassza fogalmát nehéz pontosan meghatározni és sokan félre is értik azt. Dr. Gyulai Iván egy átfogó és precíz megfogalmazást ad rá, mely szerint a biomassza nem más, mint: 

„biológiai eredetű szervesanyag-tömeg egy biocönózisban (ami nem más, mint növények és állatok összessége egy bizonyos területen, amelyekre jellemző egy meghatározott függőségi kapcsolatrendszer);

7



a szárazföldön és vízben található élő és nemrég elhalt szervezetek (növények, állatok, mikroorganizmusok) testtömege;



biotechnológiai iparok termékei;



és a különböző transzformálók (ember, állatok, feldolgozó iparok stb.) összes biológiai eredetű terméke, hulladéka, mellékterméke”. [2]

A fenti megfogalmazásba az ember is beletartozik. Ennek ellenére, az ember testtömegét nem szokás a biomassza fogalmába belevonni. Akárcsak a tüzelőberendezéseiknek, maguknak a biomasszáknak is számtalan csoportosítási módja létezik (pl.: felhasználás módja-, keletkezése-, származásaés tüzelőanyagként való megjelenése szerinti, stb.). Ebben a pontban ezek közül a keletkezés szerinti csoportosítást szeretném kiemelni és röviden részletezni: a) Primer biomassza Elsődleges biomassza alatt a természetes vegetációt; a kertészeti növényeket; a szántóföldi növényeket; a vízben élő növényeket; valamint az erdő-, rét- és legelő növényeit értjük. b) Szekunder biomassza Másodlagos

biomassza

alatt

az

állatvilágot;

a

gazdasági

haszonállatok

összességét; az állattenyésztés hulladékait valamint azok fő- és melléktermékeit értjük. c) Tercier biomassza Harmadlagos biomassza alatt a biológiai eredetű anyagokat felhasználó iparok hulladékait, fő- és melléktermékeit; valamint az emberi települések szerves eredetű hulladékait értjük. [3]

4.2 Biomassza származási és felhasználási területei a) A biomassza alapvetően öt gazdasági ágból származhat: 

erdészet,



mezőgazdaság,

8



állattenyésztés,



élelmiszeripar,



kommunális szféra.

Az erdészeti kitermelésben a napjainkra megfogyatkozó erdők mennyisége miatt megjelent egy új fogalom, az energiaerdő. Ezeknek a speciális erdőknek az elsődleges céljuk, hogy a lassú növekedési idővel rendelkező és esetenként kevésbé jó tüzeléstechnikai tulajdonságokkal bíró fákat megóvják a kiirtástól. Telepítésük előtt pár dolgot fontos figyelembe venni, például a fák kiváló sarjadzó képességgel és gyors fiatalkori növekedéssel rendelkezzenek, ellenállóak legyenek a betegségekkel és kártevőkkel szemben. Mivel tüzelőanyagként kerülnek felhasználásra az is lényeges, hogy jó tüzeléstechnikai tulajdonságokkal rendelkezzenek, és kombájnnal betakaríthatóak legyenek. Az energiaerdők nagy előnye környezetvédelmi szempontból a talaj és vízvédelem, és az adott élőhely minőségének javítása. Ezeknek a kritériumoknak leginkább a fűz-, nyár-, akácfa, kőris és szelídgesztenye felel meg. Gazdasági előnyöket is jelent egy-egy ilyen erdő kialakítása, hiszen csökkenthető vele az importfüggőség, elősegíti a helyi munkaerő felhasználást és a helyi nyersanyagbázis növeléséhez is hozzájárul. Hazánkban az éghajlati viszonyoknak és a talaj minőségének köszönhetően a mezőgazdaságban a kukorica-, napraforgó-, és búzatermesztés a kiemelkedő. A betakarítás és a hasznos anyag kinyerése után rengeteg hulladék marad, amit sem emberi-, sem állati élelmezésre, sem egyéb ipari tevékenységre nem tudnak már hasznosítani, azonban tüzelésre még alkalmasak. A könnyebb kezelhetőség érdekében a szalmát és a kukoricaszárat (a napraforgószár nem bálázható) bebálázzák és így kerülnek szállításra az erőművekbe, fűtőművekbe. [3] Az állattenyésztésekből származó melléktermékek, hulladékok biomasszaként való felhasználása hasznos környezetvédelmi célt szolgál, és a mezőgazdasági eredetű biomassza felhasználással szemben, itt nem merülnek fel élelmezési és egyéb etikai konfliktusok és kérdések sem. Ide tartozik az állattenyésztésből származó trágya és az élelmiszer feldolgozásból származó állati tetemek, melyek veszélyes hulladéknak minősülnek az érvényes jogszabályok szerint.

9

A kommunális hulladékokból származó zöld vágási hulladék, a szerves anyagok, a lágyszárú növények, az éttermi hulladék és a szennyvíz iszap is hasznosítható biomasszaként. De ezeket az anyagokat főként biogáz előállítására használják fel. b) A biomassza az alábbi területeken kerülhet hasznosításra [4]: 

élelmiszer és takarmány-előállítás,



talajerő-gazdálkodás,



ipari termékek előállítása,



energetikai hasznosítás.

A biomassza elsődleges felhasználási területe egyértelműen az élelmiszer és takarmány-előállítás, melynek alapanyagát az élelmiszergazdaság szolgáltatja. A talajerő-gazdálkodásban

zöldtrágya-növényeket

és

nagyobb

arányban

melléktermékeket használnak fel. Ezeknek a melléktermékeknek a többsége az élelmiszergazdaságból (almos trágya, cukorgyári mésziszap, szármaradványok, stb.) származik. Kisebb hányadukat pedig az erdészeti melléktermékek (avar, töredékgallyak), valamint egyes ipari és kommunális hulladékok adják. A biomassza ipari célú felhasználása a fejlettebb országokban, a természetes és környezetbarát

életmód

iránti

egyre

növekvő

fogyasztói

igény

hatására

mindinkább előtérbe kerül. A rostnövényeket a textilipar hasznosítja. Az olajos növényekből többek között kenőolajokat készítenek, a fehérjéket a kozmetikai ipar, a papír- és nyomdaipar igényli. A keményítőt a papír- és csomagolóanyagiparban, a ragasztószer előállításban, valamint a könyvkötészetben használják fel, de a vegyiparban bio-műanyagok alapanyagaként, lebomló csomagolóanyagok előállításánál is alkalmazzák. A növényi eredetű színezékek felhasználása folyamatosan nő, a festékgyártásban és a textiliparban is. A fejlődő országokban inkább az élelmiszergazdasági felhasználás a domináns, hiszen a lakosság száma ezekben az országokban emelkedik leginkább, és a földrajzi elhelyezkedésük, éghajlatuk miatt eleve kisebb a fűtési célú energiaigény. Valamint a népességélelmezési problémák, a tápanyagban szegény talaj és az öntözésre alkalmas víz hiánya is szinte lehetetlenné teszi a mezőgazdasági termékek élelmiszergazdaságon kívüli felhasználását. [5]

10

4.3 Biomassza energetikai célú hasznosítása Az energetikai célú hasznosítás

alapanyagai az erdőgazdálkodás,

a

mezőgazdaság, az állattenyésztés, az élelmiszeripar melléktermékei és a szerves eredetű kommunális és ipari hulladékok lehetnek. Ahogy azt az 1. ábrán részleteiben lehet látni, az előbb említett anyagokból sokféle eljárással előállítható motorhajtóanyag (biodiesel, bioetanol, biogáz) vagy hőenergia, villamos áram (közvetlen eltüzeléssel, biobrikett vagy biogáz elégetésével). E nergiahasznosításbiom asszából

N apenergia Fotoszintézis B IO M A SSZA

Fa

Szalm a N ád

M echanikai feldolgozás

N övényi olaj

G yanta, m ézga C ukor

A lkoholos erjesztés

Észterezés

Pirolízis

Zöldtöm eg, Szerveshulladék

A lapanyag

Ferm entálás

Feldolgozás

biogáz(m etán)

Term ék

G ázm otor

H asznosítóberendezés

FŰ TŐ M Ű

Term előberendezés

D esztilláció

Tüzelőanyag

Faszén

M etilészter

N övényi olaj m otor

K azán

H Ő ER Ő M Ű

D iesel m otor

Etanol

Etanol m otor

JÁ R M Ű Távhőhálózat

Felhaszálás

Elektrom oshálózat

1. ábra: Energiahasznosítás biomasszából [4]

A biomassza energetikai hasznosítása közvetlen elégetéssel, vagy konverziót (elgázosítás, pirolízis) követően történhet. Azonban biomasszákra is igaz, hogy hasznosításuknak a legegyszerűbb, leggazdaságosabb és az energiamérleg szempontjából is a legkedvezőbb módja mindig, az eredetihez közeli állapotban történő hasznosítás. Az alapanyag tulajdonságai vagy az előírt nemzeti energiapolitikai jogszabályok szükségessé tehetik, az eredeti energiahordozók átalakítását.

A

közvetlen

elégetés

alapfeltétele,

hogy

a

tüzelőanyag

energiatartalma – amelyet a fűtőértékkel határozunk meg – nagyobb legyen, mint az

anyag

felhevítéséhez,

elpárologtatásához

illetve

szükséges

a

energia.

benne

található

Ennek

nedvességtartalom

teljesülése

nélkül

nem

beszélhetünk gazdaságosságról és hasznos energiatermelésről. Elgázosítás, illetve pirolízis során a biomasszából, mechanikai, termikus vagy kémiai úton

11

előbb gázt, olajat, alkoholt vagy szenet állítanak elő. Ezeket a közvetett módon nyert anyagokat használják fel később energiahordozóként. [3] Tüzelési célokra leggyakrabban erdő- és mezőgazdaságból (szármaradványok, venyige, fa nyesedékek, szalmafélék, fakitermelés hulladékai, stb.) vagy faiparból származó melléktermékeket és hulladékokat használnak fel. Energiatermelésre pedig elsősorban erdőkből származó tűzifát hasznosítanak, de a növekvő energiaigénynek és a közvetlenül felhasználható tüzelőanyagok iránti egyre nagyobb keresletnek köszönhetően, rohamosan terjednek az energiaerdők. Az energetikai célból ültetett lágy- és fás szárú energianövények termesztésével kapcsolatos kutatások, csupán néhány évtizedes múlttal rendelkeznek. Az eddigi tapasztalatok azonban arra engednek következtetni, hogy az erdőkből származó tűzifa fontos kiegészítőjévé válhat a jövőben az energiatermelésnek (elsősorban az 4.2.a-ban kiemeltek miatt). [5]

4.4 Fás szárú biomassza energetikai hasznosítási formái a) Erdei faválasztékok A faválasztékok gyűjtőfogalma alatt a különböző alakú, méretű és rendeltetésű fa nyersanyagokat értjük. Az ipari hasznosításra, illetve energetikai célra alkalmas erdei faválasztékokat, a különböző fakitermelések helyén (kidöntött fatörzs hasítása, faragása, darabolása), közvetlen feldolgozható fatermékekből, illetve különböző tűzifaválasztékokból nyerhetjük. Már a faalapanyagok elnevezései is magukért beszélnek és sejtetik, hogy milyen célú hasznosításra kerül a termék, pl.: cölöpfa, gyufaipari rönk, bányafa, ágfa, rőzsefa, forgácsfa. Természetesen a faiparban ezek a sokat mondó fogalmak pontosan definiálva vannak (például: „A 2 méternél hosszabb, 12 cm-nél nagyobb átmérőjű gömbfa a rönk.” [6]), ami fontos szerepet játszik a későbbi objektív osztályozásukban. b) Fűrészipari választékok A fűrészipari választékokat a köznyelvben fűrészáruknak hívják. Definíciójuk szerint azok a termékek sorolhatók ide, amelyeket a fa hosszanti fűrészelésével állítanak elő, és legalább két oldaluk párhuzamos. Ha csak két oldaluk van fűrészelve, akkor szélezetlen, ha a többi is, szélezett fűrészáruknak nevezik őket.

12

Ha a fűrészáru 12–40 mm vastag és legalább 60 mm széles, akkor az a deszka. Az ennél vastagabb terméket és vastagsága kétszeresénél szélesebbet, pallónak hívják, a deszkánál keskenyebbet pedig lécnek. [6] c) Melléktermékek A fa kitermelésétől a végtermékig vezető feldolgozási folyamat során, hatalmas volumenben keletkeznek melléktermékek. A feldolgozás végén a nyersanyag mindössze 20%-a teszi ki a főterméket, míg a többi 80% melléktermékként hasznosul. A fűrészüzemi és a másodlagos faiparban a következő melléktermékek keletkeznek: fűrészpor, gyalu (marási) forgács, rönkvégek, szelezési hulladék, széldeszka, stb. Ezen melléktermékek fűtőértékét összehasonlítva, az erdészeti fakitermelésből származó termékek fűtőértékével, nem mutatkozik jelentős eltérés (1. táblázat), amiből következik, hogy a melléktermékek tüzelési célra ugyanolyan jól hasznosíthatóak, azaz a fa feldolgozása során nem, vagy csak kis mértékben veszít a fűtőértékéből. 1. táblázat: Különböző fás szárú biomasszák fűtőértékei [7]

Fajta

Fűtőérték* [kJ/kg]

Fűtőérték* [kJ/kg]

Fajta

Fenyők Jegenyefenyő Lucfenyő Vörösfenyő

Aprítékok 14 119 15 582 13 289

Lágyfák Fűz Nyár Nyír

13 609 13 997 14 751

Keményfa apríték Gyümölcsfa apríték Erdei nyesedék Nyárfa apríték Gally apríték Gyökér apríték Kevert apríték

Keményfák Akác Cser Gyertyán Bükk Kőris Tölgy

13 856 12 446 11 105 12 351 10 856 9 987 12 106

Fűrészporok 14 276 14 507 14 971 14 219 14 511 14 540

Keményfapor Gyümölcsfapor Nyárfapor Csiszolatpor Gyaluforgács Kevert fűrészpor

13 358 12 166 12 004 13 834 12 477 12 027

*Megjegyzés: 20%-os nedvességtartalomra vonatkoztatva

Másrészt a faanyag alakisága megváltozik a feldolgozás miatt. A fa fűrészpor és apríték formájában kiválóan hasznosítható, de például fűrészporból további

13

átalakításokkal pellet is készülhet. Ugyan ez energia befektetéssel jár, de egyúttal jelentősen megnöveli a kiindulási anyag felhasználási lehetőségeit. [4]

4.5 Fa tüzelőanyagok alaki, formai megjelenése Energetikai hasznosításnál, nagy tüzelő berendezések esetén a biomasszát az alábbi három alakban, formában alkalmazhatjuk tüzelőanyagként: a) Apríték Az apríték fogalma alatt az igen nagymértékben változó méretű, szilárd biomassza aprításával előállított, az adott tüzelőberendezés igényeinek megfelelő méretű szemcsékből/részecskékből álló (mérethomogenizált) energiahordozókat értjük. [8] 2. táblázat: Faapríték minőségi osztályai [9]

G-30 (finom)

G-50 (közepes)

G-100 (darabos)

Maximális keresztmetszet [cm 2]

3

5

10

Maximális hossz [cm]

8,5

12

25

Durva rosta névleges lyukmérete [mm]

16

31,5

63

Fő rész (60-100%)

Közepes rosta névleges lyukmérete [mm]

2,8

5,6

11,2

Finom rész (max. 20%)

Finom rosta névleges lyukmérete [mm]

1

1

1

Teljes tömeg (100%)

Durva rész (max. 20%)

A 2. táblázatban látható, hogy az aprítékok méreteire is szabvány vonatkozik. A G30-as, G-50-es és G-100-as megnevezések az ebben a szabványban foglalt méretekre utalnak. Jelentésük, hogy az egy csúcsba futó élek nagysága rendre 30 mm, 50 mm és 100 mm [9]. Az aprítékok méreteinek pontos definiálása fontos, mivel az beszerzésük és használatuk során nem elhanyagolható paraméter. A fa aprítékok a kis háztartási tüzelőberendezésektől, egészen a nagy erőművekig alkalmazhatóak, ugyanis az apríték ömlesztett anyagként kezelhető. Tehát tárolása, tűztérbe juttatása szinte korlátlanul gépesíthető, automatizálható. Kis mérete és nagy fajlagos felülete miatt a tűztérben hamar elgázosodik. Az apríték égése sokkal jobban tervezhető, mint a nem homogén, darabos fáé, így viselkedése és égése kiszámíthatóbb. [5]

14

b) Brikett Az energetikai tömörítvények egyik fontos változata a brikett. A brikettálás a biomassza feldolgozása során keletkező, de változatlan anyagú hulladék energetikai hasznosításra történő előkészítése. A brikettálandó anyagot – ha az nem kis frakciókból áll – mechanikai úton apró részekre bontják a tömörítéshez. Ezután nagy nyomás alatt, kötőanyag nélkül, hő és túlnyomásos vízgőz segítségével megfelelő idomú, tömör anyaggá préselik. Ezeknél az anyagoknál két dolog jellemző. Az egyik, hogy a hulladékok (pl. fűrészpor), illetve az aprítékok halmazsűrűsége viszonylag kicsi,

ezért szállítása, tárolása költséges és

helyigényes. A másik, hogy az alapanyag nedvességtartalma változó (pl. energianövények őrleménye), ezért a hagyományos tüzelőberendezések nem, vagy csak részben alkalmasak az adott hulladék jó hatásfokú égetésére. Az ilyen hulladékok (faporok, finomforgácsok, maghéjak, fa-, szalma-, energianövény őrlemények) összes mennyisége nem számottevő, de a keletkezés helyén jelentős is lehet, sőt technológiai zavarokat is okozhat. Minderre a brikettálás megoldást jelenthet, hiszen vele nem csak új energiahordozó előállítását, de esetenként hulladékhasznosítást és technológiai zavar megelőzést is elérhetünk. A biobrikett lakossági tüzelőberendezésekben hasznosítható leginkább. c) Pellet A

pelletálás

a

biobrikett

gyártás

speciális

változata.

Korábban

csak

takarmányozási célra állították elő, de kedvező méretei miatt egyre inkább növekvő tendenciát mutat a tűzipellet gyártás is. Bár a biobrikett igen kedvező tulajdonságokkal

rendelkező

energiahordozó,

méretei

miatt

kis

tüzelőberendezések esetén nem, vagy csak igen nehezen oldható meg adagolásának automatizálhatósága. Erre a célra a kisméretű pellet (5-10 mm átmérőjű és 10-25 mm hosszú) jobban megfelel, mert igen pontos adagolással juttatható a tűztérbe csigás vagy cellás adagolóval. Így az egészen kis hőteljesítményű berendezések (2-3 kW) is jó hatásfokkal működtethetők vele. Másik nagy előnye, hogy igen termékenyen állítható elő por, forgács, apríték és szecska alapanyagokból. Kevésbé igényel finom szemcseméretű alapanyagot, mivel a gépben a termék előállítása közben is folyik aprítás-őrlés. [8]

15

4.6 Fa és faalapú hulladékok tüzeléstechnikai jellemzői A fa és faalapú hulladékok tüzelőanyagként történő felhasználása előtt először a következő tulajdonságokat szükséges megvizsgálni: 

alakiság,



kémiai összetétel,



idegenanyag-tartalom,



nedvességtartalom,



fűtőérték.

Ezen paraméterek ismeretében pontos képet kapunk arról, hogy a tüzelőanyag tulajdonságai hogyan fogják az égést befolyásolni, milyen emissziós értékeket várhatunk el, valamint arról is, hogy milyen környezeti hatásai lesznek a tüzelésnek. [10] 4.6.1 Alakiság Alakiság alatt a fa és fahulladékok darabosságát, a fadarabok méreteit és megjelenési formáit értjük, amelyek különbözőek lehetnek. Ezek a paraméterek jelentős mértékben befolyásolják a tüzelőanyagok útját a betakarítástól a teljes elégésükig. Más alkalmazhatóság, felszerelés- és technológia igény jellemzi a különböző alakisággal rendelkező tüzelőanyagokat a begyűjtési, szállítási, tárolási, szárítási, kazánba történő beadagolási, begyulladási és égési folyamatok során. Ezeknek megfelelően az alkalmazott tüzelési technika megválasztásakor figyelembe kell venni, a fa, fahulladék alakisági tulajdonságait, hogy jó hatásfokú égetést érhessünk el. A faiparban gyakran finom, kisméretű hulladék (fűrész-, csiszolatpor) keletkezik, amely más tüzeléstechnika alkalmazást kíván meg, mint az apríték, vagy a durva darabos hulladék. A kedvezőbb alakiságot a végső felhasználás előtt, előkészítő műveletekkel lehet biztosítani. A finomszemcsés hulladékokból brikett, vagy pellet készíthető, ahogy azt az előző pontban is említettem. A durva, darabos, vagy nagyméretű hulladékok (pl. használt fatermékek) pedig, aprítással tehetők alkalmassá az alkalmazott tüzeléstechnika számára.

16

A 3. táblázat a faaprítékok szabványban szereplő, méret szerinti besorolásait tartalmazza. Az itt található pontos méretelőírások, nagymértékben segítik a megfelelő

tüzelőberendezés

tüzelőanyaghoz,

vagy

a

kiválasztását

már

meglévő

a

rendelkezésünkre

tüzelőanyaghoz

a

álló

megfelelő

tüzelőberendezést. Az égéshez a legkedvezőbb körülményt úgy teremthetjük meg, hogy minél homogénebb anyagot használunk fel. [10] 3. táblázat: Faaprítékok méret szerinti besorolása [9]

Fő rész megengedett méretei Apríték osztály

max. 4%

max. 20%

60-100%

max. 20%

Apríték méret [mm]

Maximálisan megengedett szélsőértékek Keresztmetszet [cm2]

Hossz [cm]

G-30

< 1,0

1,0-2,8

2,8-16

> 16,0

3,0

8,5

G-50

< 1,0

1,0-5,6

5,6-31,5

> 31,5

5,0

12,0

G-100

< 1,0

1,0-11,2

11,2-63

> 63,5

10,0

25,0

4.6.2 Kémiai összetétel A

faanyagok

összetett

morfológiai

szerkezetű,

inhomogén,

komplex

makromolekuláris rendszerek anatómiai felépítésüket tekintve. [11] Elemi összetételüket tekintve: 

karbontartalom:

48,5-50,4%,



oxigéntartalom:

43,4-44,5%,



hidrogéntartalom:

5,8-6,3%,



nitrogéntartalom:

0,04-0,26%,



szervetlen összetevők mennyisége:

0,1-0,55%.

A faanyagot felépítő sejtfal döntő része makromolekuláris vegyület. A vázanyagot a kémiailag és szerkezetileg is elkülönülő cellulóz képzi. A kötőanyag a lignin és a sejtfalban a cellulózzal szoros kapcsolatban lévő, valamint a ligninnel is kémiai kötést képző szénhidrátrész (hemicellulóz vagy polióz frakció). Ezek mellett a faanyagban egyéb járulékos alkotórészek is találhatóak, kismértékben vízben, szerves oldószerben oldódó vegyületek formájában (egyszerű fenolok, polifenolok;

17

terpének és gyanták; kimaradt cukrok, ciklitek, zsírok, viaszok, alkaloidok). A faanyagok tulajdonságait, mint például a színét, illatát, ellenálló képességét, élettartamát, mechanikai- és természetesen tüzeléstechnikai tulajdonságait kis mennyiségük ellenére is jelentős mértékben befolyásolják. [10] 4.6.3 Idegenanyag tartalom A fa feldolgozásának megkönnyítése érdekében a feldolgozás során szándékosan társítanak idegen anyagokat (favédő szerek, ragasztók, lakkok, felületborítások, kötőelemek) a fához. A feldolgozási technológiákat segítő kémiai vegyületek mellett a kitermelés, szállítás, kezelés és használat közben, véletlenszerűen is jutnak szennyező anyagok a tüzelőanyagba. Az idegenanyagok a fa és fahulladékok égetésének folyamatát zavarják, annak hatásfokát rontják, járulékos légszennyezést és technikai problémákat is okozhatnak. Ezért amennyiben lehetséges, célszerű az eltávolításuk. [10] Sajnos gyakran túl nagy anyagi vonzattal járna a tüzelőanyag megtisztítása, így a légszennyezés miatt kirótt büntetés kifizetése kisebb veszteséget jelenthet az erőműveknek. 4.6.4 Nedvességtartalom A víz egy élőnedves, friss fában kétféle módon van jelen. Egyrészt a sejtfalakban, molekuláris szinten, kötött állapotban. Másrészt a sejtüregekben cseppfolyós alakban. A fizika és kémia törvényeinek megfelelően, száradáskor először a sejtüregekben található víz távozik el. Ekkor a fa sűrűsége és így a tömege is csökken, azonban mechanikai tulajdonságai nem változnak jelentős mértékben. Miután a sejtüregekben található víz elpárolgott már csak a fa rostjai tartalmaznak vizet, amely állapotot rosttelítettségi pontnak nevezzük. Ezek után a további száradás már a fa mechanikai tulajdonságaira is jelentős kihatással van. Innentől kezdve a fa elkezd zsugorodni, ezzel együtt egyre keményebbé és nehezebben megmunkálhatóvá válni. A száraz fa nedvesebb légköri viszonyok közé kerülve, vagy vízbe mártva, viszont újra nedvességet vesz fel mindaddig, míg a nedvességi egyensúly a fa és környezete között helyre nem áll. [12] A fa és fahulladékok életük különböző fázisaiban különböző nedvességtartalommal rendelkeznek. A frissen vágott tűzifa, ill. apríték nedvessége a szabvány szerint a 40-50%-ot is elérheti (4. táblázat). A fűrészüzemi hulladékok nedvességtartalmának értéke nem sokkal ez alatt az érték alatt van. A használt

18

fatermékek

esetében

a

légszáraz

állapot

kevesebb,

mint

20%-os

nedvességtartalmat jelent. 4. táblázat: Faaprítékok nedvesség szerinti besorolása [9]

Apríték osztály

Osztályhatár nedvességtartalom [%]

W20

< 20

légszáraz

W30

20-30

tárolható

W35

30-35

korlátozottan tárolható

W40

35-40

nedves

W50

40-50

frissen vágott

Legalacsonyabb nedvességtartalma az ipari hulladékoknak van (6-12%). A faanyagban lévő nedvességtartalom – a hozzáadott égéslevegő mennyisége mellett

–

jelentősen

befolyásolja

az

égés

folyamatát.

A

növekvő

nedvességtartalommal csökken az égés hőmérséklete és így a hőtermelés is, ami az üzemeltetés gazdaságosságára nagy hatással van. Továbbá a magas nedvességtartalom a légszennyezés mértékét is növelheti, mivel a csökkenő hőmérséklettel romlik, vagy teljesen elmarad a kiégetési szakasz, amely nagy mennyiségű légszennyezőanyag képződéshez vezet. Ezért nagy gondot kell fordítani a magas nedvességtartalmú fa és fahulladék előzetes szárítására, az ezzel járó többlet kiadások ellenére is. [10]

2. ábra: Nedvességtartalom hatása a fa fűtőértékére [13]

19

A 2. ábrán a nedvességtartalom hatását láthatjuk fa fűtőértékére. A lineáris összefüggés jól mutatja, hogyan csökken a fűtőérték a fában jelenlévő és növekvő nedvességtartalom következtében. 4.6.5 Fűtőérték A faanyag, mint összetett makromolekuláris rendszer hőközlés hatására kémiai és fizikai változásokon megy keresztül. Ezeknek a változásoknak a mértékei külső (alakiság) és belső (kémiai összetétel, nedvességtartalom) tényezőktől is függnek. A hő okozta változásokat az alkalmazott hőmérséklet, a hőhatás ideje és a hőmérsékletemelkedés sebessége is befolyásolja. A fát tüzelőanyagként kezelve, figyelembe kell venni a benne lévő nedvesség- és hamutartalmat is. A fa hamutartalma kis tartományban változhat a nedvességtartalommal ellentétben. Ezért ahogy azt már az előző pontban említettem, a nedvességtartalom jelentősen befolyásolhatja az egységnyi famennyiségből nyerhető energiamennyiséget. [11] A fűtőértéket pozitívan befolyásolja a növekvő szén-, cellulóz-, lignin- és gyantatartalom valamint az egyéb éghető anyagok (olaj, zsír, cukor, gyanta) mennyiségi növekedése. A gombák által megtámadott fák fűtőértéke kisebb, mint az egészségeseké. A fában lévő savak, a nehezen égő vagy éghetetlen alkotórészek (csersav, ásványi anyagok), különösen a víz (a párolgáshoz hőt von el) szintén csökkenti a fűtőértéket. [10] A fa energiatartalma kémiai összetételére vezethető vissza, hiszen a száraz fa 4852%-a szén, ami döntően a fa anyagát alkotó cellulózban és ligninben van jelen. A fa energiatartalmát elsősorban fűtőértéke jellemzi, azonban kétféle fajlagos hőérték különíthető el: a) Égéshő (égésmeleg, felső fűtőérték): Az egységnyi tömegű, vagy térfogatú tüzelőanyag tökéletes égésekor keletkezett hőmennyiség, feltéve, hogy: 

annak hőmérséklete az elégetés előtt, valamint a keletkezett égéstermék hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20°C,



a minta éghető karbon tartalma CO2 alakjában van jelen az égéstermékbe,

20



a tüzelőanyag eredeti nedvessége és az elégetéskor keletkező víz

az elégetés után folyékony halmazállapotú. b) Fűtőérték (alsó fűtőérték): Az egységnyi tömegű, vagy térfogatú tüzelőanyag tökéletes égésekor keletkezett hőmennyiség, feltéve, hogy: 

annak hőmérséklete az elégetés előtt, valamint a keletkezett égéstermék hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20°C,



a minta éghető karbon tartalma CO2 alakjában van jelen az égéstermékbe,



a tüzelőanyag eredeti nedvessége és az elégetéskor keletkező víz

az elégetés után vízgőz halmazállapotban van jelen. A fűtőérték tehát az elégetés során a tüzelőanyagból eltávozó nedvesség és a hidrogén elégéséből keletkező víz párolgási hőjével csökkentett égéshő. [3]

21

5. BIOMASSZA TÜZELÉSI TECHNIKÁK BEMUTATÁSA 5.1 Biomassza erőművek előnyei Egyéb megújuló energiákkal szemben nagy előnye a biomassza tüzelésnek, hogy széles körben alkalmazható. Nemcsak a háztartások energia és hő szükségleteit lehet vele fedezni, hanem akár az erőművi villamosenergia-termelés területén is használható, hiszen a biomassza alapon működő villamos termelő kapacitások

menetrendtartásra

is

képesek.

Mivel

a

biomassza

alapú

áramtermelés társadalmi szinten nem okoz többlet terhet, ezért megítélése kiemelkedően pozitív. A közhiedelemmel ellentétben a biomassza erőművek nem ekvivalensek a kisebb szénerőművekkel. A legalapvetőbb különbségek közé tartozik, hogy a biomassza erőműveknek a szénerőművektől eltér a tüzelőanyag rendszere, más a hamukezelése és speciális biomassza kazánnal vannak felszerelve. A vízkezelés, a hűtés, az erőátvitel és az irányítástechnika, vagyis a hagyományos erőművi elemek hasonlóak a szénerőművekéhez. A biomassza erőműveknél azonban alapkövetelmény a jó hatásfok és nagy megbízhatóság, kis teljesítmény mellett is, ami bizonyos reformokat követel meg. A kazánokba juttatott tüzelőanyagok minősége széles skálán mozoghat. Így ezek a berendezések különböző tüzelési technikákat és beállításokat igényelnek, hiszen kezdve a szemcse méretétől – ami 1 mm-től 300 mm-ig is terjedhet –, alakjától és szerkezetétől, a kén- és klórtartalmán keresztü, egészen a hamu olvadáspontjáig (700-1100°C), a fűtőértékétől (8-15 MJ/kg) a nedvességtartalmáig (30-55%) a tüzelőanyagok minőségváltozásai üzem közben gyorsak lehetnek. Ennek megfelelően 3 alapvető tüzelési technikáról beszélhetünk: 



mechanikus rostélyok: o

lépcsős,

o

vándor,

o

vibrációs,

szuszpenziós tüzelés,

22



fluid tüzelés: o

buborékoló,

o

cirkulációs,

o

örvény.

A tüzelőanyagok kémiai- és mechanikai- tulajdonságain kívül a biomassza erőművekben kihívást jelent a tüzelőanyag tűztérbe történő adagolása, a nagy alaki változatosság és méretbeli különbségek miatt. Továbbá a kötelező füstből történő szilárdanyag leválasztás, amit esetenként porleválasztó segítségével oldanak meg. [14]

5.2 Biomassza tüzelőberendezések Biomassza tüzelésnél alapvető kérdés, hogy a tüzelőanyagot alakítsuk a tüzelőberendezéshez, vagy a berendezést a tüzelőanyaghoz. Mivel mindkét alternatíva megoldható, ezért nagy mennyiségű tüzelőberendezés típus áll a rendelkezésünkre, amelyeknek számtalan csoportosítási lehetősége létezik. A teljesség igénye nélkül párat megemlítve [15]: 



a működés folyamatossága szerint: o

szakaszos üzemű,

o

folyamatos üzemű,

a felhasznált tüzelőanyag szerint: o

szalmatüzelők,

o

fatüzelésű berendezések,

o

apríték-tüzelők,

o

brikett-tüzelők,

o

pellet-tüzelők,



a tűztér kialakítása



az adagolás módja,stb. szerint.

23

5.2.1 Elterjedt biomassza tüzelőberendezések a) Felső átégetésű tüzelés A kis kézi adagolású hasábfakazánban a tüzelőanyag, az égési fázisig csak nagymértékű kigázosítással és hosszú felhevítési idővel jut el. A légfojtással megoldott teljesítményszabályozás rossz kiégetést biztosít. Megfelelő üzem csak a névleges teljesítménynél, vagy puffertároló alkalmazásával érhető el. A hőteljesítmény tartománya 1 kW-tól 1 MW-ig terjed.

3. ábra: Biomassza tüzelőberendezések [16]

b) Alsó átégetésű tüzelés Itt csak az alsó része ég a tüzelőanyagnak. A levegőfojtásos szabályozás ebben az esetben hatékonyabb elégetést eredményez, szemben a felső átégetésűekkel. Gyakran a rostély és a huzatcsatorna is vízhűtéses. Az előzőhöz hasonlóan itt is minimális a meghibásodási lehetőség. A hőteljesítmény tartománya 25 kW-tól 2 MW-ig terjed. (3. ábra/ a) c) Előtéttüzelő berendezések Ezeknél a berendezéseknél az elégetés és a hőcsere, következetesen szétválasztásra kerül. Az elégetés egy samott falazatú, elkülönített tűztérben, 1000°C

feletti,

nagy

hőmérsékleten

24

megy

végbe.

Viszonylag

jó

szabályozhatósággal és nagy teljesítményhatárokkal lehet jellemezni. Csigás adagolás esetén egynemű, felaprított tüzelőanyaggal (pl.: faapríték) dolgozik. Így az égés is tökéletes. Az előtéttüzelő térben egy forró redukáló gáz képződik, ami miatt másodlagos levegő bevezetésre van szükség. A hőteljesítmény tartománya 35 kW-tól 8 MW-ig terjed. (3. ábra/ b) d) Izzítóteres tüzelés Az égetés egy dézsa alakú tűztérben történik. Az előtéttüzelő berendezésekéhez hasonlóan jó égetés érhető el itt is. A magas tűztér jelen esetben samott téglával van kifalazva. Egyik kedvező tulajdonsága, hogy utólagosan is beépíthető egy meglévő kazánba. (3. ábra/ c) e) Rostélyos tüzelés A rostélyok kialakítása nagy változatosságot mutat. Beszélhetünk sík-, ferde-, lépcsős rostélyokról és ezek kombinációiról, merev- és mozgatható kivitelben, mint hengeres-, teljes- vagy részadagolós kivitelben (pl. szalagformájú láncrostély). A kiviteli formától függően magasabb nedvességtartalmú melléktermékeknél is alkalmazható. A hőteljesítmény tartománya 200 kW-tól 5 MW-ig terjed. (3. ábra/ d) f) Befúvásos tüzelés Kimondottan száraz és apró szemcsés tüzelőanyag felhasználására szolgál. Főképpen

nagyüzemi

berendezésként

használható,

mert

itt

nagyobb

a

lehetősége, hogy a füstgázzal együtt apróbb részecskék is távoznak a tűztérből. A hőteljesítmény tartománya 0,5 MW-tól 30 MW-ig terjed (3. ábra/ e). g) Örvényrétegű tüzelés A tökéletes elégetés feltételét, a magas egyöntetű hőmérsékletet az örvénytér biztosítja a berendezésben. Ennél a tüzelési módnál is több kivitel létezik: 

az

állandó

örvényrétegű,

ami

egyszerű,

olcsó

és

a

kisebb

teljesítményű berendezéseknél használható, 

valamint

a

felülről

induló

teljesítményeknél alkalmazható.

25

örvényrétegű,

mely

a

nagyobb

Az örvényrétegű tüzelést elsősorban a több MW-os nagyberendezéseknél használják

jelenleg,

de

folynak

a

kutatások

a

kisebb

teljesítményű

berendezéseknél való hasznosításukra is (3. ábra/ f). [16] 5.2.2 Biomassza tüzelőberendezések alapvető részegységei A 4. ábrán látható apríték-tüzelő, háztartási kiskazán elvi elrendezésén figyelemmel követhetőek a biomassza tüzelőberendezések részegységei:

6

1 5 3

4

2

4. ábra: Biomassza tüzelőberendezések alapvető részegységei [8]

a) Tüzelőanyag tároló a kitároló szerkezettel Tüzelőanyag tároló alatt jelen esetben a biomassza tárolására elhatárolt helyet, vagy területet értjük (1). A közvetlen felhasználás előtt ide kerül a tüzelőanyag. Kialakításánál elsődleges szempont, hogy a tüzelőanyagot védje a környezeti hatásoktól és annak jó tüzeléstechnikai tulajdonságait megőrizze. Kitároló szerkezet alatt pedig olyan berendezéseket értünk, amik segítségével a tárolóban raktározott tüzelőanyagot a szállítórendszerbe juttatjuk.

26

b) Tüzelőanyag-szállító rendszer Miután a tüzelőanyag a tárolóból a kitároló rendszer segítségével a szállító rendszerbe (2) került (például egy csigás szállítóba), az eljuttatja a tüzelőanyagot egy adagoló rendszerhez. biomasszára

jellemző

Tervezése során fontos figyelembe venni

heterogén

szemcseméreteket

és

az

a

esetleges

szennyezőanyagokat, amelyek dugulásokhoz és korai kopáshoz, így gyakori karbantartási igényhez vezetnek. c) Tüzelőanyag- és levegőadagoló rendszer A tüzelőanyag adagoló rendszer (3) elsődleges feladata a biomassza folyamatos és lehetőleg egyenletes tűztérbe való juttatása. Kialakításánál fontos kritérium, hogy segítségével szabályozni tudjuk a tűztérbe jutó anyag mennyiségét. A levegőadagoló (4) az égés elősegítését szolgálja, hiszen annak egyik alapfeltétele a megfelelő oxigénmennyiség. Ha a rendszer ezen része nem megfelelően működik, a tüzelőanyag égése tökéletlen lesz. d) Hőcserélő (kazán) A hőcserélő (5) segítségével hasznosítjuk a biomassza elégetéséből származó hőenergiát. e) Hamu (salak) eltávolító berendezés Az égés során folyamatosan biztosítani kell a hamu eltávolítását a rendszerből. Ez leggyakrabban hamucsigával történik, ami a hamut egy tárolóba juttatja. A hamu tárolására, elszállítására és elhelyezésére, esetleges felhasználására külön jogszabályok vonatkoznak, melyek be nem tartása komoly pénzbüntetéseket vonhat maga után. f) Füstgázelvezetés, esetenként pernyeleválasztás, kémény A kazánból a füstgáz elvezetéséről az égetés során gondoskodni kell. Mivel a szennyező anyagok elsősorban a pernyében dúsulnak fel, így annak a füstgázból való kiszűrése fontos feladat. Kisebb fűtőművek esetén – az ultrafinom por kivételével, ami biomassza égetése során keletkezhet – erre egy ciklonos porleválasztó is alkalmas, ami erre a feladatra ciklonmozgást használ fel. Az így

27

megtisztított füstgáz, a folyamat lezárásaképpen a kéményen át távozik a rendszerből. g) Szabályozó és védelmi berendezés A tüzelési rendszer szabályozása és folyamatos felügyelete elengedhetetlen, nem csak a megfelelő hatásfok és működés elérése érdekében, hanem az esetleges balesetek, problémák elkerülése végett is. Az erőművekhez, fűtőművekhez hasonló nagyobb rendszerek, általában egy közpinti számítógépre (6) vannak kapcsolva, így a rendszerben lezajlódó folyamatok és a gépek állapota folyamatosan

figyelemmel

kísérhető.

Az

esetleges

automatizálásnak

köszönhetően nem szorulnak folyamatos felügyeletre sem.

5.3 Bioenergy–Miskolc Kft. fűtőművi paraméterei A

drasztikus

földgázár

növekedések

és

bizonytalanságok,

valamint

az

Unió

Európai

az

ellátással

által

kapcsolatos

támasztott

magas

környezetvédelmi követelmények hatására, 2009-ben létrejött a Bioenergy-Miskolc Kft. Fő feladatának, egy fűtőmű létesítéséhez szükséges fejlesztési tervek előkészítését kapta. Annak érdekében, hogy a biomasszából nyert hőenergia legoptimálisabb körülmények közötti felhasználását el tudják érni, a MIHŐ Miskolci Hőszolgáltató Kft. a Kenderföldi (Kiliáni) és a Dorottya utcai területek ellátását célozta

meg

egy

bio-távfűtőmű

létesítésével.

A

projektre

megnyert

támogatásoknak köszönhetően 2012-ben átadásra került a fűtőmű, ami azóta is sikeresen üzemel. [17] Fontos

leszögezni,

hogy egyes

sajtóinformációk

téves

leírást

adnak

a

létesítményről, ugyanis erőműként utalnak rá fűtőmű helyett. Mérnöki szempontból viszont lényeges különbség van a két fogalom között. Míg az erőműben elektromos áram termelése is folyik, addig a fűtőműben forróvíz-kazánok vannak, és meleg víz, illetve fűtővíz előállítására használják.

28

5.3.1 Fűtőműben levő tüzelőberendezés

Szekunderlevegő ventilátor

Primerlevegő csatorna

Fűtési visszatérő víz Stoker csiga

5. ábra: Binder RRK 2500-3000/6 típusú kazán [18]

A fűtési előremenő meleg vizet egy 3 MW teljesítményű bolygatott rostélyos – vagyis tolórostélyos – tüzelőberendezésű, Binder RRK 2500-3000/6 típusú kazán szolgáltatja, ami az 5. ábrán látható. Füstgáz ventilátor

Primer égési levegő ventilátor

Pernye lerakódások

Kazán második huzama Kazán első huzama Szekunderlevegő ventilátor Szekunderlevegő bevezetés

Szekunder tűztér

Primer tűztér Ferde rostély

Csigás adagoló

Csigás hamukihordó

Primerlevegő bevezetés

6. ábra: Binder kazán tűzterének és hőcserélő felületei elrendezésének vázlata [18]

29

A kazán legfőbb elemei (6. ábra) és azok jellemzői az alábbiak [17, 19]: 

A kazánetető egy három soros keresztszállító gép – más néven éklétra –, amely a tárolóból kiadagolt anyagot a kazán etetőnyílásához szállítja.



A kazán tüzelőanyag-előtároló és -betoló csigás rendszer.



A következő az enyhén ferde rostélyszerkezet. A tüzelőanyag bolygatását és előretolását általában úgy oldják meg, hogy a rostélyok közül csak minden másodikat mozgatják.



A zónákra osztott primerlevegő-befúvó rendszer következik, a minden esetben frekvenciaszabályozással működő ventilátorokkal. A hőigény és a tüzelőanyag minőségének függvényében fújnak melegebb, vagy hidegebb, több vagy kevesebb levegőt az egyes zónákba.



A

tűztéri

hőálló

falazatban

képezik

ki

a

szekunderlevegő-

befúvónyílásokat is. 

A

következő

a

szekunderlevegő-befúvó

rendszer

a

saját,

szabályozható fordulatszámú ventilátorral. 

Majd következik a csigás kivitelezésű, lehulló hamukitoló rendszer.



Ezután pedig a hamukiszállító gép és a konténer.



A hőhasznosító kazán és szerelvényei, mely egy függőleges elrendezésű füstcsöves kazántest, a szükséges méretű hőátadó felülettel, három huzammal. A huzamok között automatikusan működő rövidzárási lehetőség van kiépítve, a jó szabályozhatóság érdekében. A kazántest maximum 110°C hőfokú meleg víz előállítására szolgál, melynek nyomása 6 bar. A kazánban szükséges kényszerkeringtetést a kazánszivattyú végzi.



Végül megtalálható benne egy füstgáz recirkulációs rendszer, amely a tisztított füstgázból szabályozott mennyiséget juttat vissza a primer- és szekunderlevegőhöz, a tűztérhőfok és a füstgáz O 2 és NO x tartalmának kézbentartása céljából.

30

5.3.2 Fűtőművi tüzelőberendezés működési elve Az 5.2.2. pontban kifejtetteket összefoglalva, a nagyteljesítményű aprítéktüzelők üzemeltetéséhez elsősorban a következőket kell megoldani: 

az apríték fogadása, tárolása,



az apríték tűztérbe juttatása,



az apríték jó hatásfokú elégetése,



az aprítékból előállított energia kinyerése,



a szilárd tüzelési maradványok kezelése és



a füstgázok tisztítása.

A fűtőmű tüzelőberendezésének működési elve a 7. ábra segítségével követhető.

7. ábra: A tüzelőberendezés működési elve [8] (1. Éklétrás anyagmozgatót működtető munkahengerek; 2. Éklétrák; 3, Keresztmozgató csiga; 4. Adagoló csiga; 5. Tűztérbe juttató berendezés, Stoker csiga; 6. Tűztér és hőcserélő; 7. Porleválasztó; 8. Salakkihordó; 10. Kémény)

Az apríték beszállító gépek segítségével jut be a fogadó-tároló térbe. A fogadótároló tér padozatán anyagmozgató berendezés – éklétrás adagoló – (2) van,

31

amely a fölötte lévő aprítékot szakaszos mozgásban tartja. Így az apríték folyamatosan halad a behordó szerkezet irányába. Az éklétrás adagolót nagyteljesítményű pneumatikus dugattyúk (2) mozgatják. Az éklétra sorokat akár egymástól függetlenül is lehet mozgatni. A behordó szerkezetről az apríték két csigás adagolón (3, 4) keresztüljut a tüzelőberendezésbe (5), ahol elég. Az apríték egy keresztirányú felhordó berendezéssel, a Stoker csigával juttatható a tűztérbe. Miután az apríték szétterül a mozgórostély felső részén, a rostélyelemek folyamatos mozgatása gondoskodik a tüzelőanyag folyamatos mozgatásáról is. A rostélyról lehulló hamu (salak) gyűjtőbe való továbbítását egy elhordó szerkezet (8) valósítja meg. A második huzamban (7) kerül sor a tűztérben keletkező éghető gázok teljes elégésére. Ehhez a megfelelően méretezett, fúvókákon keresztül bevezetett szekunder levegőre van szükség. Az utánégetőből az égéstermékek (füstgáz) a lángcsőbe, onnan pedig a hőcserélőbe kerülnek. A füstgázok haladási iránya a fordítókamrák segítségével többször megváltozik. Eközben a füstgázok lehűlnek, a ciklonban a porok (pernye) kiválnak, és így a kéményen (10) keresztül a lehető legtisztább füstgázok távoznak. A hamu egy újabb csigás adagolón (8) keresztül a hamutároló konténerbe jut. [8]

32

6. MÉRÉSHEZ FELHASZNÁLT TÜZELŐANYAGOK BEMUTATÁSA, AZOK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATÁNAK ISMERTETÉSE A kazánhatásfok

mérése

előtt

meg

kell

ismerni

a

kazánba

kerülő

tüzelőanyagokat, hiszen azok paraméterei, kémiai és fizikai tulajdonságai nagyban befolyásolják alkalmazhatóságukat. A későbbi mérésre felhasznált három tüzelőanyag típus laboratóriumi vizsgálatának eredményeit, az előírt szabványok gondos betartásával a Miskolci Egyetem Energia és Minőségügyi Intézet laboratóriumában készítették el. Mivel a mérési eredmények ismertetését Kókai Péter: Különböző típusú faaprítékok tüzeléstechnikai paramétereinek laboratóriumi vizsgálata című jegyzete [12] alapján végeztem el, a következő pontban ezt a forráshivatkozást külön nem tüntetem fel.

6.1 Felhasznált tüzelőanyagok bemutatása A

sikeres

tüzeléstechnikai

vizsgálat

érdekében

három

különböző

tüzelőanyagot választottunk ki. A választás során szem előtt tartottuk, hogy a próbaüzem alatt későbbiekben

mely tüzelőanyagok beszerzését tudja a projektcég

biztosítani.

rendelkezésünkre,

a

Így

már

kazánkezelők

némi

tüzelési

elmondásainak

tapasztalat és

áll

a a

feljegyzéseinek

köszönhetően [20]. A beszállítót nem megnevezve, a különböző típusokat rendre 1. 2. és 3. számú típusként azonosítottuk. A három apríték minta, három jól különválasztható tüzelőanyag típust jelöl, melyek között a különbségek szabad szemmel is jól láthatóak. a) 1. számú típus Az 1. számú típus a Nyírségből, erdészeti fakitermelésből származik. A 8. ábrán látható formáját egy késes aprítóberendezés segítségével állították elő. Az apríték friss kitermelése, vágása és aprítása egy munkafázisban történt. Majd kezelt területen körülbelül két hónapon át tárolták. Tiszta, vagyis por-, kavics-, kő- és fémmentes anyag, homogén, G-50 szemcsenagysággal. A felsoroltaknak köszönhetően tüzelésre kiválóan alkalmas, fűtőértéke magas és egyenletes, a hamutartalom minimális, a tüzelés stabilitása egyenletes.

33

1. számú típus

2. számú típus

3. számú típus 8. ábra: A kiválasztott tüzelőanyagok típusai [12]

b) 2. számú típus A 2. számú típus (8. ábra) a Kiskunságból származik. Ez egy vegyes apríték, melyben közel azonos arányban fordul elő nyárfa, gyümölcsfa és fenyő. Aprítása késes aprítóberendezésen történt, 100-as rostéllyal. Az apríték tavalyi vágású és kezelt területen tárolt. Nagyjából tiszta, por-, kavics-, kő- és fémmentes anyag. Szemcsenagysága nem homogén, G-70 és G-100 között változik. Tüzelése elfogadható, fűtőértéke megfelelő, de nem egyenletes. Mivel sok benne a különböző méretű apríték, felhasználása nehézkes, hiszen több szemcse kerül a második, harmadik huzamba. Ezek a kazán hatásfokának csökkenését, falazatán lerakódást okoznak, így a tüzelés instabillá válik. A salak mennyisége viszonylag nagy. Ennek köszönhetően a benne lévő hamurészecskék nagyobb egységekké állnak össze, meglágyulnak és összeolvadnak. Az ebből képződött tapadványok eltávolítása komoly problémákhoz vezet.

34

c) 3. számú típus A 3. számú típus (8. ábra) a Nyírségből származik. Ezt a vegyes aprítékot, kalapácsos aprítóberendezéssel készítették. Az apríték tavalyi vágású, kezeletlen területen tárolt. Mérete G-100-as méretnek felel meg, sok szálas anyaggal, mely főleg a kalapácsos aprítás következménye, ezen kívül poros, kavicsos állagú, változó szemcsenagysággal és alakisággal. Tüzelése folyamatos problémákat okoz, fűtőértéke alacsony, és nem egyenletes. Frakciója nem homogén, sok benne a különböző méretű apríték és szennyeződés (föld, kő, kavics, kéreg, hosszú szálas anyag), így tüzelése nehézkes, mivel több szemcse kerül a második, harmadik huzamba Ezek a kazán hatásfokának csökkenéséhez, falazatán lerakódás kialakulásához vezetnek. Üzemeléskor gyakori hibajelzést és leállást okoz a tüzelőanyagban lévő szálas frakció okozta elakadás, melyet csak manuális úton lehet eltávolítani. A salak mennyisége viszonylag nagy, és a benne lévő hamurészecskék nagyobb egységekké tömörülve összeolvadnak, így azok eltávolítása nehéz, időigényes, valamint a berendezés állapotát is nagymértékben rontja.

6.2 Laboratóriumi vizsgálatok A laboratóriumi vizsgálatokat a Dr. Szemmelveisz Tamásné: Biomassza adatbázis című jegyzetében [21] bemutatott eljárásokat felhasználva és követve végezték el. Az elemzés során mindhárom típusú tüzelőanyagból 3-3-3 egyenlő súlyú (50 gramm) mintát használtak fel, az eredmények összehasonlíthatósága érdekében. 6.2.1 Hidrogén- és karbon tartalom meghatározása Amikor elemi összetétel meghatározásról beszélünk, akkor a tüzelőanyag hidrogén-, nitrogén-, karbon-, kén- és oxigéntartalmának, vagyis a szerves vegyület elemi összetevőinek mennyiségi analíziséről van szó. [22] Az égési tulajdonságok szempontjából a tüzelőanyag összetevői közül a hidrogén-, a szén-, az oxigén-, és a nedvességtartalom a legfontosabbak. A környezetszennyezés és a korrózió szempontjából pedig a kén-, és nitrogéntartalom lényeges. Az elemi összetevők műszeres meghatározására vonatkozó ISO, DIN, CEN szabályok alapján, [23] a méréseket egy Carlo Erba EA 1108 típusú elemanalizátorral végezték el. A mérés lényege, hogy a tökéletesen elégetett

35

tüzelőanyag mintából keletkezett füstgáz összetételéből, következtetni lehet az elemi összetevők mennyiségére. 6.2.2 Hamutartalom meghatározása A tüzelőanyag azon szilárd, nem éghető ásványi alkotórészét, amely 850±25°C hőmérsékleten végbemenő tökéletes égés után is visszamarad, hamunak nevezzük. A laboratóriumi vizsgálatokat szabvány szerint [24], hideg elektromosan fűthető izzítókemencében végezték el. Az eljárás lényege, hogy a gondosan előkészített mintákat lassan fűtik fel a körülbelüli 850°C-ra, hiszen ha a minta sok illót tartalmaz a hirtelen fejlődő gázok a finom port is magukkal ragadják, és emiatt veszteségek keletkezhetnek. A 2 órás izzítás során a kemencében biztosítani kell a megfelelő szellőzést a szellőző nyílások nyitva tartásával. A kihűlt hamu lemérése után, a következő egyszerű képlettel számolhatjuk ki a hamu százalékos tömegarányát, a vizsgálathoz bemért légszáraz tüzelőanyaghoz viszonyítva: (1) ahol: h – a hamutartalom [m/m %], G1 – a bemért légszáraz tüzelőanyag tömege [g], G2 – a hamu tömege [g]. 6.2.3 Nedvességtartalom meghatározása Ahogy azt az 4.6.4-es pontban már részleteztem a különböző fafajták közös tulajdonsága,

hogy

kétféle

nedvességtartalommal

rendelkeznek.

Ennek

köszönhetően vizsgálatukkor higroszkópos, illetve durva nedvességtartalommal is találkozhatunk. Az utóbb említett nedvességtartalom a minta eredeti tömegére vonatkoztatott víztartalom, ami vékony rétegben a kiterített mintából szobahőmérsékleten, vagyis körülbelül 20°C-on elpárolog. Az így szárított mintát légszáraz mintának is nevezzük. A durva nedvességtartalom mérési folyamatának a lényege, hogy a tüzelőanyag minták tömegét megmérjük, majd 24 óra múlva megismételjük a mérést. A tömegcsökkenések értékéből a következő képlet [25] segítségével számolhatjuk ki a durva nedvességtartalom változást:

36

(2) ahol: W ex – a durva nedvesség tartalom [m/m %], G3 – a bemért nedves minta tömege [g], G4 – a szobahőmérsékleten szárított minta tömege [g]. A higroszkópos nedvességtartalom a minta légszáraz súlyára vonatkoztatott víztartalmat jelenti, amely a légszáraz tüzelőanyag 105±2°C-os hőmérsékleten való szárításakor távozik el. Ezt a fajta nedvességtartalom meghatározást a 105°C-ra előmelegített elektromos szárítókemencében végezték el. A mintákat 2 órányi szárítás után hagyták szobahőmérsékletre lehűlni, majd újra lemérték. A kapott értékeket, az alábbi képletbe helyettesítve megkaphatjuk a higroszkópos nedvességtartalmat: (3) ahol: W h – a higroszkópos nedvességtartalom [m/m %], G4 – a bemért légszáraz minta tömege [g], G5 – a kiszárított minta tömege [g]. A kétlépcsős vizsgálat elvégzése után a durva nedvességtartalmat (W ex) és a higroszkópos nedvességtartalmat (W h) összegezve megkapjuk a szabványban is előírt összes nedvességtartalmat (W t [m/m %]). 6.2.4 Égésmeleg és fűtőérték meghatározása Az előző pontokban a karbon-, hidrogén-, hamu- és nedvességtartalom vizsgálatáról csupán nagy vonalakban tettem említést. Azonban szakdolgozatom témája megköveteli, hogy ezt a pontot és ezen belül is a fűtőérték meghatározásával kapcsolatos tudnivalókat nagyobb részletességgel fejtsem ki. A szabvány szerinti mérés részletei, melyek a következő alpontok megértését segítik a Függelékben találhatóak meg.

37

a) Égésmeleg meghatározása A mérőműszer által meghatározott égésmelegből levonták a vízgőz párolgáshőjét figyelembe vevő tagokat, és ez az újbóli érték lett a vizsgált tüzelőanyag-minták égésmelege [26]. A kapott eredményeket az 5. táblázat tartalmazza: 5. táblázat: A vizsgált minták égésmeleg értékei [12]

Égésmeleg [MJ/kg] 1. számú minta

2. számú minta

3. számú minta

1. mérés

17,421

17,302

17,344

2. mérés

17,360

17,475

17,236

3. mérés

16,992

17,051

17,144

Átlagérték

17,258

17,276

17,241

b) Fűtőérték meghatározása A fűtőértéket a következő képlet segítségével határozták meg [27]: (4) ahol: Hu – a fűtőérték [MJ/kg], Ha – a kaloriméterrel meghatározott égésmeleg [MJ/kg], W t – a minta nedvességtartalma [m/m %], 2,444 – a fajlagos entalpia különbség a gőz és folyékony halmazállapotú víz között 25°C-on [MJ/kg], H – a minta hidrogéntartalma [m/m %] (Meghatározása az MSZ 24000-11 szerint történik [28]), 8,936 – a H2O és H2 közötti moláris tömegarány

.

A fűtőérték kiszámítására a szabványban található képlet alkalmazásával, irreálisan magas értékeket kapunk és a nedvességtartalmak közötti nagy eltérések ellenére is hasonló fűtőértékek jönnek ki. Ennek egyik oka, hogy a biomasszák kémiai összetétele jelentős mértékben eltér a többi fosszilis tüzelőanyagétól, így

38

nyilván nem alkalmazható mindkét esetben ugyan az a képlet. Erre a problémára több neves külföldi szakirodalom is rávilágít [27, 29]. A magyar szakirodalmakban még nem foglalkoztak idáig mélyebben ezzel a témával, de ennek szükségessége egyre nagyobb. A kapott eredményeket a 6. táblázatban foglaltam össze: 6. táblázat: A vizsgált minták fűtőértékei [12]

Minta

Ha [MJ/kg]

H [m/m %]

Wt [m/m %]

Fűtőérték [MJ/kg]

1. számú típus

17,257

4,789

23,542

11,819

2. számú típus

17,276

4,447

31,864

10,331

3. számú típus

17,241

4,776

38,644

8,994

6.2.5 Laboratóriumi vizsgálatok végeredményei A 7. táblázatban a 6.2.1-től a 6.2.4-ig terjedő pontokban részletezett vizsgálatokon

laboratóriumi

átesett

három

tüzelőanyag

minta

vizsgálati

eredményei találhatóak. 7. táblázat: A vizsgált minták tüzeléstechnikai jellemzőinek összehasonlítása [12]

Vizsgált jellemzők

Mértékegység

1. számú típus

2. számú típus

3. számú típus

Hidrogén tartalom

[m/m %]

4,789

4,447

4,776

Karbon tartalom

[m/m %]

40,339

38,442

39,875

Hamu tartalom

[m/m %]

1,0203

1,4903

1,5123

Összes nedvesség tartalom

[m/m %]

23,54

31,86

38,64

Égésmeleg

[MJ/kg]

17,257

17,276

17,241

Fűtőérték

[MJ/kg]

11,819

10,331

8,994



Tüzeléstechnikai szempontból a tüzelőanyagok legfontosabb alaki jellemzői a méret és a homogenitás. Ez a két paraméter befolyásolja a kazánba jutó tüzelőanyag mennyiségét és a tűztérben lezajlódó folyamatok

egyenletességét.

Mivel

a

homogenitás

fontosabb

szempont, mint a méret, jelen esetben a három tüzelőanyag típus közül az 1. számú típus az opcionális. A 2. számú és a 3. számú típus 39

inkább

heterogén

összetételű,

így

kevésbé

bizonyulnak

jó

választásnak fűtéstechnikai szempontból, hiszen már a tűztérbe való bejuttatásuknál is keletkeznek veszteségek. Égésük tökéletlensége miatt a kazán hatásfoka csökken, melynek köszönhetően a kazán által leadott teljesítmény sem egyenletes [10]. Ez többszöri üzemeltetési beavatkozást is jelenthet, valamint a méretbeli különbségekből adódó elakadások, dugulások manuális beavatkozást igényelhetnek. Ezek kezelőszemélyzet jelenléte nélkül leállásokhoz, vagy komolyabb üzemzavarokhoz is vezethetnek. 

A hidrogén tartalom 4,6% körüli értékben van jelen mindhárom típusban, a szakirodalomban [11] ennél kissé magasabb, 5,8%-os értékeket találhatunk.



A karbon tartalom egyik tüzelőanyag típus esetén sem éri el a szakirodalomban jelölt minimális 48,5%-os alsó határt [11]. Ezt az alacsony karbon tartalmat könnyen okozhatja a tüzelőanyagban jelenlévő

magas

idegenanyag

(kavics,

por,

talajmaradványok)

tartalom, ami a tüzelőanyagok eredetét tekintve nem kizárható tényező. Ezek az idegen anyagok is a tüzelés elégtelenségét okozhatják. 

A hamutartalom vonatkozásában, a szakirodalomban 1% körüli értéket találhatunk [11], amely az 1. számú típusra igaz is. A 2. típus és a 3. típus

1,5%-os

hamutartalommal

rendelkezik,

valószínűleg

a

porszennyezés miatt. Ez a két érték már negatívan befolyásolja a tüzelés hatásfokát. 

A

nedvességtartalom

egyenes

arányban

van

a

fűtőérték

csökkenésével, vagyis minél nedvesebb egy fa, annál rosszabb a fűtőértéke [13]. Ez az arányosság a 9. ábrán is jól látható.

40

Fűtőérték [MJ/kg]

12 11,5 11 10,5 10 9,5 9 8,5 22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

Összes nedvességtartalom [%] 9. ábra: Nedvességtartalom és fűtőérték közötti összefüggés

Jelen vizsgálat során az 1. számú típus esetén a legkedvezőbb a nedvességtartalom értéke (25% alatt van), annak ellenére, hogy viszonylag frissen kitermelt anyagról beszélünk. A 2. számú és 3. számú tüzelőanyag relatívan magas nedvességtartalmát elsősorban a nem megfelelő tárolásnak köszönheti, habár a kitermelésük több mint egy évvel ezelőtt megtörtént. Főleg a 3. számú típus majdnem 40%-os nedvességtartalmából látszódik, hogy a környezeti nedvesség nem engedte oly mértékben kiszáradni a fákat, mint az lehetséges lett volna. 

Az égésmeleg mindhárom típus esetén közel azonos, 17,2 MJ/kg-os értékű. A csupán pár százados eltérések arra engednek következtetni, hogy mindhárom tüzelőanyag ugyanolyan jellegű faszármazék. Vegyesen és közel azonos arányban található meg bennük a keményfa, a puhafa és a fenyő is.



Ahogy

azt

már

az

előzőekben

írtam,

a

fűtőérték

szoros

összefüggésben van a hidrogén-, és nedvességtartalommal [13]. Mivel mindhárom anyag égésmelegének értéke tized pontosságig azonos, ezért jól látható a víztartalom hatása a fűtőértékre. Az 1. számú típusnál a 23,54%-os nedvességtartalom 11,819 MJ/kg-os fűtőértéket, a 2. számú típusnál a 31,86%-os nedvességtartalom 10,331 MJ/kg-os fűtőértéket, míg a 3. számú típusnál a 38,64%-os nedvességtartalom körülbelül 8,994 MJ/kg-os fűtőértéket eredményezett.

41

Összegezve a mérések eredményeit, a vártaknak megfelelő eredményeket kaptuk. Már a beszállításkor – a származási hely, idő, homogenitás és tisztaság alapján – várható volt, hogy az 1. számú típus lesz a legjobb tüzelőanyag, a 3. számú a legrosszabb, míg a 2. számú közepes értéket fog képviselni. Ezt a feltevést a mérési eredmények be is bizonyították.

42

7. KAZÁNMÉRÉSEK BEMUTATÁSA Az 5. és 6. pontban bemutattam a tüzelőberendezés és a tüzelőanyagok paramétereit. Az ezekben a pontokban ismertetett értékek és számítások alapján, valamint a kezelőszemélyzet segítségének köszönhetően megkezdhetem a méréseket, melyek célja annak a tüzelőanyag keveréknek az összeállítása, amivel a kazán hatásfoka a legoptimálisabb.

7.1 A kazán mért paraméterei A szakdolgozatom 5.3 pontjában már bemutattam a mérés során használt Binder RRK 2500-3000/6 kazán elvi felépítését és a fűtőművi tüzelőberendezés működési

elvét.

Idáig

azonban

nem

tértem

ki

pontos

paraméterekre,

számadatokra és a mérés helyszínén jelen levő kazán sajátosságaira. A kazánnal egy időben beépítésre került a rendszerirányítás, vezérlés és szabályozás is. Az üzemeltetés megkönnyítése, a hibák elkerülése és a járulékos költségek minimalizálásának érdekében a kazán távműködtetésű és távfelügyelt, vagyis kezelői jelenlétet nem igényel. A szabályzás fő vezérlő elve a mindenkori külső hőmérséklet függvényében, a hőszolgáltató felé kiadott előremenő víz hőmérséklete,

melyet

90°C

körüli

hőmérsékleten

kell

tartani.

A

kazán

automatikáját maga a gyártó cég, a Binder GmbH Ausztriából programozza. A helyszínen csak kisebb módosításokat lehet a rendszeren végrehajtani. A kazánautomatika több üzemállapot beállítására is képes, de jelenleg a gyártó egyet állított be, ezen változtatni nem érdemes. Azonban kiegészíthető egy másik üzemállapot beállításaival. Több mint 100 különböző paramétert lehet a kazán szabályozásában rögzíteni, ezek közül a legfontosabbakat a 8. táblázatban mutatom be:

43

8. táblázat: Kazánszabályozó paraméterek [17]

Beállítás Gyújtási paraméter

Teljesítményszabályozás

Égési levegő

Ütemidők

Anyagszállítás (Stoker csiga)

Hamu csiga

Paraméter

Érték

Előremenő anyag

2 min

Gyújtási szünetidő

1 min

Előremenő referancia

90°C

Kazán vészleállítás

95°C

Minimum kazánteljesítmény

20%

Maximum kazánteljesítmény

100%

Primer levegő ventilátor MAX

55%

Primer levegő ventilátor MIN

50%

Szekunder levegő ventilátor MAX

65%

Szekunder levegő ventilátor MIN

25%

Szünet MAX teljesítménynél

6,5 s

Szünet MIN teljesítménynél

20 s

MAX futási idő egy irányba

30 s

MIN futási idő egy irányba

1s

Adagoló impulzusok utáni szünet

16 

Adagoló impulzusok utáni szünet

50 

Futási idő

5s

Valamennyi kazánparaméter összefoglalása az M1. számú mellékletben található.

7.2 Kazán üzemmódok a) Automata üzemmód Automata üzemmódban a berendezés önállóan szabályozza az anyagbevitelt és fűtési

viselkedést.

Minden

üzembe-helyezésnél

a

pillanatnyilag

ott

lévő

tüzelőanyagnak megfelelően, beállításra kerülnek a berendezés paraméterei, mint például töltési ütem, tűzfelügyeleti idő, maradék oxigén referencia érték, előremenő, és utána szellőztető idő, stb. b) Kézi üzemmód A kézi üzemmódot csak időszakos szükség üzemmódnak lehet beállítani, például a kazán tisztítása előtt és után, felfűtésnél vagy a berendezés nagyleállításainál. A kézi üzemben csak a primer, szekunder és az égéstermék ventilátorok működnek, a töltőrendszer nem. Ez azt jelenti, hogy az anyagbeszállító rendszer nem szállít további nem elégetett anyagot az égéskamrába (kivételesen az esetleges

44

visszaégésnél). Az időről időre keletkező fadarab maradványokat kézzel is be lehet dobni a tűztérbe. Ehhez azonban a vezérlő kapcsolónak „kézi” üzemmódban kell állnia.

7.3 Üzemi kísérletek A mérések során a kazán egy beállításban volt rögzítve, melyet a 8. táblázatban az előzőekben bemutattam, így a tüzelőanyag adagolása mindhárom esetben azonos volt. A technológiából adódóan nem lehet pontosan meghatározni a vizsgált minták beadagolt mennyiségét, így ezek csak becsült értékek. A 10. ábrán a miskolci fűtőmű kazánvezérlőjében elhelyezett, számítógép áttekintő sémaképéről lehetett leolvasni a fontosabb üzemi paramétereket.

10. ábra: Binder RRK 2500-3000/6 típusú kazán áttekintő sémaképe

A mérés minden égetés során 2 órán keresztül tartott, és az alábbi paramétereket vizsgáltam: 

anyagszállítás impulzusa (kazánbeállításban rögzített paraméter),

45



hamuszállítás (kazánbeállításban rögzített paraméter),



tűztérhőfok (kazánvezérlő sémaképről leolvasható adat),



füstgázhőfok (kazánvezérlő sémaképről leolvasható adat),



primerlevegő

ventilátor

teljesítménye

(kazánvezérlő

sémaképről

leolvasható adat), 

szekunderlevegő ventilátor teljesítménye (kazánvezérlő sémaképről leolvasható adat),



teljesítmény (távhőszolgáltató diszpécserközpontjában leolvasható adat),



kazánhatásfok (számított érték).

Az üzemi kísérletek alatt a 10. ábrán látható áttekintő sémaképről lehetett leolvasni néhány jellemző paramétert, amely adatokat a 9. táblázatban foglaltam össze. A primer- és szekunderlevegő ventilátorok teljesítménye, valamint az anyagszállítások (tüzelőanyag és hamu) impulzusa a kazánbeállításban rögzített paraméterek alapján fix értékekre voltak beállítva, ezeken módosítás, beavatkozás nem történt. 9. táblázat: Üzemi próbák vizsgált paraméterei

Vizsgált paraméter

Mértékegység

1. számú minta

2. számú minta

3. számú minta

Tűztérhőfok

[°C]

1 138-1 202

967-1 010

811-834

Füstgázhőfok

[°C]

119-130

108-112

102-105

Teljesítmény

MW

2,82-2,87

2,68-2,70

2,12-2,17

Primerlevegő

[%]

55

55

55

Szekunderlevegő

[%]

65

65

65

Anyagszállítás

sec

30

30

30

Hamuszállítás

sec

5

5

5

46

7.3.1 Külön égetés A három különböző, vizsgált tüzelőanyagot lehetőség szerint először különkülön kellett eltüzelni ahhoz, hogy összehasonlítható eredményeket kapjak. Ahhoz, hogy a kazánhatásfokot () megkapjam, a mért adatok leolvasásán kívül három egyszerű számítást kellet elvégeznem. Először a bevitt tüzelőhőt számoltam ki a (5) képlet segítségével, ahol: Qbe – a bevitt tüzelőhő [J], m – a tüzelőanyag mennyisége [kg], Hu – a tüzelőanyag fűtőértéke [J/kg]. Ezután meghatároztam a kiadott hőenergiát a (6) képlettel, amiben: Qki – a kiadott hőenergia [J], P – a leadott átlagteljesítmény [W], t – a tüzelés időtartama [s]. Ezután már kiszámolhattam a hatásfokot a (7) képlettel, ahol:  – a hatásfok [%], Qki – a kiadott hőenergia [J], Qbe – a bevitt tüzelőhő [J]. A mért adatokat és a kazánhatásfok meghatározásához szükséges számítások eredményeit, a 10. táblázatban foglaltam össze. A tüzelőanyag mennyiségek

47

pontos értékeinek hiányában és a kerekítésekből adódóan, a kapott eredmények becsült

értékeknek

tekinthetőek.

A

könnyebb

átláthatóság

érdekében

a

prefixumokat nem szorzatként tüntettem fel a számadatok után, hanem a mértékegységeknél az értéküknek megfelelő betűvel jeleztem őket. 10. táblázat: Kazánhatásfok számításának adatai az egyes minták esetén

Megnevezés

Jele Mértékegység

Számítása

1. számú minta

2. számú minta

3. számú minta

Tüzelőanyag mennyisége

m

[kg]

mért adat

1 970

2 180

2146

Fűtőérték

Hu

[MJ/kg]

mért adat

11,820

10,331

8,994

Leadott átlagteljesítmény

P

[MW]

mért adat

2,845

2,690

2,145

Tüzelés időtartama

t

[s]

mért adat

7 200

7 200

7 200

Bevitt tüzelőhő

Qbe

[GJ]

Qbe = mHu

23,285

22,521

19,301

Kiadott hőenergia

Qki

[GJ]

Qki = Pt

20,484

19,368

15,444



[%]

= (Qki/Qbe)100

88

86

80

Hatásfok

7.3.2 Keverékek égetése A három alaptípus elégetése után különböző keverékeket állítottam össze és tüzeltem el, melyeket a könnyebb beazonosítás érdekében folytatólagos sorszámozással láttam el. A kazán beállításai és a körülmények ebben az esetben sem változtak, így a kapott értékek továbbra is összehasonlíthatóak egymással. Az előző pontban definiált képleteket használtam a keverékek hatásfokának kiszámítására is. A keverékek megalkotása közben több szempontot igyekeztem szem előtt tartani. Az egyik, a 6.2.5. pontban található 7. táblázatban lévő fűtőérték adatok. A másik, hogy az egyes tüzelőanyagokból készleten mennyi áll rendelkezésre és a későbbi beszerzés megoldható lesz vagy sem. Valamint figyelembe vettem azt is, hogy a különböző méretű aprítékok összekeverése befolyásolhatja a tüzelést. a) 4. számú minták Az első keveréknél a legjobb fűtőértékkel (1. számú minta) és a legrosszabb fűtőértékkel (3. számú minta) rendelkező tüzelőanyagot kevertem össze, közel 48

azonos arányban. Ezzel az volt a fő célom, hogy egy a 2. számú mintához hasonló fűtőértékkel rendelkező aprítékot alkossak meg azért, hogy az égetés során a különböző tüzelőanyag paraméterek miatt ne kelljen a kazán beállításaiban változtatásokat eszközölni. Ezzel növelve a gazdaságosságot és hatékonyságot. 11. táblázat: Kazánhatásfok számításának adatai a 4.1. és 4.2. számú minta esetén

Jele

Mértékegység

Számítása

4.1. számú minta

4.2. számú minta

Tüzelőanyag mennyisége

m

[kg]

mért adat

1 842

1 983

Fűtőérték

Hu

[MJ/kg]

mért adat

10,266

10,266

Leadott átlagteljesítmény

P

[MW]

mért adat

2,210

2,391

Tüzelés időtartama

t

[s]

mért adat

7 200

7 200

Bevitt tüzelőhő

Qbe

[GJ]

Qbe = mHu

18,909

20,357

Kiadott hőenergia

Qki

[GJ]

Qki = Pt

15,910

17,218



[%]

= (Qki/Qbe)100

84

85

Megnevezés

Hatásfok

A kétféle 4. számú keverék adatait a 11. táblázat tartalmazza. A 4.1. számú minta az 1. számú mintából 45%-ot tartalmaz, a 3. számú mintából pedig 55%-ot. A két minta elégetése közvetlenül egymás után történt összekeverés nélkül, vagyis a két aprítékot külön-külön homogén anyagként kezelve. A 4.2. számú minta szintén az 1. és 3. számú mintát tartalmazza, rendre 45-55%-os arányban, azonban az eltüzelés előtt a két tüzelőanyag össze lett keverve és egyszerre beadagolva, így itt már heterogén anyag égetéséről volt szó. b) 5. számú minták A 2. számú mintához hasonló keverék (4. számú minta) megalkotása után egy olyan elegyet hoztam létre, melyben mind az 1., a 2. és a 3. számú minta is benne van. A 4.1 és 4.2. számú minták elégetése után megállapítottuk, hogy az elvártaknak megfelelően a tüzelőanyagok tényleges összekeverése befolyásolja a hatásfokot. Ugyan nem tapasztalható szignifikáns eltérés, de a mérések egyik célja a hatásfok növelése, így a jobb hatásfokkal rendelkező apríték keveréket (4.2. számú minta) használtam fel a továbbiakban.

49

12. táblázat: Kazánhatásfok számításának adatai a 5.1. és 5.2. számú minta esetén

Jele

Mértékegység

Számítása

5.1. számú minta

5.2. számú minta

Tüzelőanyag mennyisége

m

[kg]

mért adat

1 823

1 856

Fűtőérték

Hu

[MJ/kg]

mért adat

10,298

10,298

Leadott átlagteljesítmény

P

[MW]

mért adat

2,224

2,253

Tüzelés időtartama

t

[s]

mért adat

7 200

7 200

Bevitt tüzelőhő

Qbe

[GJ]

Qbe = mHu

18,773

19,113

Kiadott hőenergia

Qki

[GJ]

Qki = Pt

16,012

16,219



[%]

= (Qki/Qbe)100

85

85

Megnevezés

Hatásfok

A 12. táblázat az 5. számú minták adatait tartalmazza. Ebben az esetben az 5.1. számú minta a 4.2. számú és a 2. számú mintából is 50-50%-ot tartalmaz, különkülön homogén állapotban. Az 5.2. számú minta pedig ugyan ezen minták, ugyan ilyen arányú, de heterogén keveréke. c) 6. számú minták Jelen esetben az 5. számú minta megalkotásához felhasznált gondolatot fejlesztettem tovább, figyelembe véve a hatásfok növelése mellett azt is, hogy a három alap mintából (1., 2. és 3. számú minta) azonos arányú mennyiségeket használjak fel, ezzel biztosítva azok azonos időben történő elfogyását. 13. táblázat: Kazánhatásfok számításának adatai az 6.1. és 6.2. számú minta esetén

Jele

Mértékegység

Számítása

6.1. számú minta

6.2. számú minta

Tüzelőanyag mennyisége

m

[kg]

mért adat

1 797

1 821

Fűtőérték

Hu

[MJ/kg]

mért adat

10,288

10,288

Leadott átlagteljesítmény

P

[MW]

mért adat

2,184

2,249

Tüzelés időtartama

t

[s]

mért adat

7 200

7 200

Bevitt tüzelőhő

Qbe

[GJ]

Qbe = mHu

18,487

18,734

Kiadott hőenergia

Qki

[GJ]

Qki = Pt

15,726

16,195



[%]

= (Qki/Qbe)100

85

86

Megnevezés

Hatásfok

50

A 13. táblázat a kazánhatásfok számításához szükséges mért és számított adatokat tartalmazza a két 6. számú minta esetén. Itt a 4.2. számú mintát kevertem össze a 2. számú mintával, rendre 66-34%-os arányban. Ebben az estben is az 6.1. számú minta a fizikailag össze nem kevert tüzelőanyaggal való égetést jelenti, az 6.2. számú minta pedig a ténylegesen összekevert aprítékkal való tüzelést. d) 7. számú minták Mivel az előzőekben elvégzett mérések során nem sikerült különösebb hatásfok növekedést elérni, ezért az utolsó keverék megalkotása során drasztikusabb

változtatásokat

eszközöltem

a

keverési

arányokban,

nem

foglalkozva a keverék későbbi fenntarthatóságával. 14. táblázat: Kazánhatásfok számításának adatai a 7.1. és 7.2. számú minta esetén

Jele

Mértékegység

Számítása

7.1. számú minta

7.2. számú minta

Tüzelőanyag mennyisége

m

[kg]

mért adat

1 943

1 916

Fűtőérték

Hu

[MJ/kg]

mért adat

11,255

11,255

Leadott átlagteljesítmény

P

[MW]

mért adat

2,633

2,557

Tüzelés időtartama

t

[s]

mért adat

7 200

7 200

Bevitt tüzelőhő

Qbe

[GJ]

Qbe = mHu

21,868

21,564

Kiadott hőenergia

Qki

[GJ]

Qki = Pt

18,959

18,411



[%]

= (Qki/Qbe)100

87

85

Megnevezés

Hatásfok

A 14. táblázatban láthatóak a 7. számú és egyben utolsó keverékek összeállításának mért és számított adatai. Utoljára a 4. számú mintához hasonlóan, az 1. számú mintát és a 3. számú mintát kevertem össze, de itt a köztük lévő különbséget drasztikusan megnöveltem. Az 1. számú mintából 80%-ot használtam fel, míg a 3. számú mintából csupán 20%-ot. A 7.1. számú minta esetében itt is homogén égetést végeztem, míg a 7.2. számú mintánál heterogén tüzelést bonyolítottam le.

51

7.4 Üzemi próbák következtetései 

A külső hőmérséklet a tüzelési kísérletek alatt minden nap közel állandó, 12°C és 15°C között volt. Ez azt jelenti, hogy a külső hőmérséklet,

mint

paraméter

nem

befolyásolta

jelentősen

a

tüzelőanyagok össze-hasonlíthatóságát. 

Mivel az eredeti beállítások miatt a kazán automatikája a tüzelőanyag bemenő

mennyiségét

és

sebességét

azonos

értéken

tartotta

mindegyik típus esetén, ezért összehasonlíthatóvá váltak azok tűztérben való viselkedésük és a kazán teljesítményére gyakorolt hatásuk tekintetében. 

Az előremenő víz hőmérséklete, mint referencia paraméter, a teljes üzemi kísérlet alatt 90±2°C-hoz volt rögzítve, amely a teljes rendszert egyensúlyban, és a berendezést a kísérletek alatt végig egyazon beállításon tartotta. A különböző típusú anyagok esetén ennek a referenciaparaméternek a tartása nem volt folyamatosan biztosítható, mivel a tüzelőanyag bemenő mennyiségének rögzítésével a kazán leadott teljesítménye (hasznos hőmennyisége) a tüzelőanyagok milyensége miatt változott.



A tűztér hőfoka az 1. és 7.1. számú minták tüzelése esetén az előírt [17] 1200°C körüli hőmérsékletű volt. Ez az érték a 2., 4.1., 4.2., 5.1, 5.2., 6.1., 6.2. és 7.2. számú minták esetén, a még elfogadható 1000°C körüli értéken mozgott. Azonban a 3. számú minta esetén már jóval 1000 °C alatt volt a tűztér hőmérséklete, mely negatív irányban befolyásolta a tüzelés hatásfokát, ami a leadott teljesítmény értékeken jól nyomon követhető.



A füstgáz hőfokok között nem volt felfedezhető nagyfokú eltérés, itt a kazán

önszabályozó

automatikája

a

füstgáz

recirkulációval

szabályozta a kimenő füstgáz hőmérsékletét. A rosszabb minőségű anyagok esetén azért látszott a füstgáz hőmérsékletére gyakorolt negatív hatása, mivel a nedvességtartalom nagy része a füstgázzal együtt távozott, így lehűtve azt. A kazángyártó ajánlása [17] a füstgáz hőmérsékletére vonatkozóan 130°C. Ehhez az 1. és 7.1. számú típus

52

volt a legközelebb, és a 3. számú típusú a legtávolabb, de mindhárom típus még elfogadható füstgáz hőmérséklet adatokat produkált. 

A kazán teljesítményében szignifikánsan meglátszott a tüzelőanyag minősége. Az 1. és 7.1. típusú anyagok tüzelésekor a névleges teljesítmény közelében volt az üzemi teljesítmény, míg a 3. típus esetén alig a beépített teljesítmény kétharmadát tudta a kazán leadni, ami igen negatívan hatott a gazdasági mutatókra. A 3. típus esetén a tüzelőanyag-elakadások többször is befolyásolták a kazán folyamatos üzemét, ilyen esetekben kézi beavatkozásra is szükség volt, ami a kezelőszemélyzet folyamatos jelenlétét és figyelmét igényelte. A túl sok elakadás miatt a kazán szabályzó automatikája sem tudta megfelelő módon kezelni a teljesítmény egyenetlenségét, így a hőfogyasztói oldal (MIHŐ Miskolci Hőszolgáltató Kft.) felől is negatív visszajelzések érkeztek a rendszer kiadott hő-teljesítményeinek ingadozásai, „rángatása” miatt.



A kazán konkrét gazdaságossági eredményei a leadott hőteljesítmény értékeivel vannak arányban. Természetesen minél több hőt sikerül termelni

és

értékesíteni

adott

mennyiségű

és

egységáru

tüzelőanyagból, annál gazdaságosabb üzemeltetést eredményez, ami a tulajdonosok egyik fő érdeke. Így kijelenthető, hogy azonos egységár mellett az 1. számú típusú tüzelőanyag felhasználása a legelőnyösebb, és a 3. típus a legkevésbé ajánlott. 

A kazán hatásfoka is jól visszaadta a tüzelőanyag minőségének a kazán hő-teljesítményére vonatkozó hatását. Míg az 1., 2., 6.2. és 7.1. típusú aprítékok és apríték keverékek esetén a hatásfok a gyártó által vállalt [17] 85% felett volt, addig a 3. és 4.1. típusok esetén nem tudta a kazán a garantált hatásfokot teljesíteni. A 4.2., 5.1., 5.2., 6.1. és 7.2. típusú keverékek esetében a hatásfok értéke megegyezett a garantált 85%-os értékkel.

53

8. MÉRÉSI EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE, JAVASLATTÉTEL A TOVÁBBI FELHASZNÁLÁSRA 8.1 Megállapítások A szabványoknak és az előírásoknak megfelelő laborkísérletek után az eredmények kiértékelése megtörtént. Az üzemi kísérletek alatt kis mértékben alkalmazkodni kellett egyrészt a kereskedelmi üzem állapotaihoz (a fogyasztók igénye szakaszos), és a kazán egysíkú üzemállapot beállításaihoz. A kísérletek kiértékelését és a laboreredményeket felhasználva kijelenthető, hogy egy kazánbeállítással

három,

egymástól

szignifikánsan

különböző

tüzelőanyag

tüzelését nem lehet optimálisan kezelni és így a megfelelő gazdaságossági eredményeket elérni. A tüzelőanyag beszerzési lehetőségeit nagymértékben javítja, ha több típusú tüzelőanyag optimális felhasználását tudjuk biztosítani. Ehhez csoportosítani kell egy-egy típusba a szóba jöhető anyagokat, fűtőértékük, nedvességtartalmuk, alakiságuk szerint, és a különböző típusokra különböző kazánbeállításokat kell rögzíteni. A tüzelőanyag különböző töltési mennyisége alapján nagyobb vagy kisebb tömegű anyagra történő átállás esetén, az anyag és levegő mennyiség egymáshoz igazítása nagyon fontos. Nagy töltőtömegű anyagoknál adott esetben az anyag szünet időt meg kell hosszabbítani, az alacsonyabb töltőtömegű anyagoknál pedig fordítva. Így viszonyítva „több” anyagra van szükség, tehát a szünetidőt ennek megfelelően le kell rövidíteni. Ezen kívül az égésnek határozottan jobb, ha rövidebb intervallumokban kisebb anyagmennyiséggel töltünk. Például ne 20 másodperc anyagszünetet és 5 másodperc impulzust állítsunk be, hanem 10 másodperc anyagszünetet és 2,5 másodperc impulzust. Nagyon száraz és poros anyagnál (gyaluforgács, csiszolatpor) arra kell figyelni, hogy az anyagot a primer levegőáramlat ne ragadja magával (ne fújja szét). Ennek a

következménye

kontrolálatlan,

nyugtalan

égés

lenne.

Hogy

ezt

megakadályozzuk, adott esetben a primer szellőztető csappantyúknak tovább zárva kell maradniuk, vagy a frekvencia-szabályozással vezérelt ventilátorok fordulatszámát kell csökkenteni. Nyirkosabb, összezömült faapríték tüzelése esetén pedig pont arra kell figyelni, hogy a primer csappantyúk tovább legyenek

54

nyitott állapotban, annak érdekében, hogy az apríték előszárítását, illetve jobb átszellőzését elérjük. A teljesítmény fokozását több, az égéstérbe jutatott anyaggal érhetjük el. Ehhez a tüzelőanyag adagolási impulzust és a szünetidőket kell megfelelően változtatni, hogy több anyag kerüljön adott időintervallumon belül az égéstérbe. Ha ezt tesszük, figyelnünk kell arra, hogy előnyösebb gyakrabban, kevesebb anyagot bejuttatni, mint nagyobb időközönként többet. Ha pl. minden 15 másodpercben 5 másodpercig

küldünk

be

anyagot,

akkor

a

parázságy megtörik,

amely

füstképződéshez és rossz emissziós értékekhez vezet. Ebben az esetben sokkal jobb, ha a töltési időt megfelezzük (szünet 7,5; impulzus 2,5 másodperc). Ezen kívül fontos még a szükséges levegőmennyiséget is biztosítani. Ezt kézzel, az állítható levegő csappantyúk segítségével tehetjük meg, vagy vezérlési oldalról a szekunder levegő ventilátor 100%-nál és szekunder levegő mennyiségének 20%nál paraméterek értékének változtatásával. A füstgáz maradék oxigén referenciaértékének csökkentésével is (pl.: 10%-ról 8%ra) teljesítményfokozás érhető el. Azért hogy egy alacsonyabb maradék oxigén értéket érjünk el az égéstermékben, ahhoz több anyagot kell bejuttatnunk az égésbe. A teljesítményfokozás a nagyobb égéstermék hőmérsékletből ismerhető fel. A 4., 5., és 6. számú minták esetében megfigyelhető, hogy a komponensek heterogén anyaggá történő összekeverése pozitív hatással van a hatásfok alakulására, de elhanyagolhatóan kicsi mértékben. A 7. számú minták esetén ez a megállapítás nem bizonyul igaznak, melynek egyik oka az égetés során a 3. számú minta alaki jellemzői miatt fellépő tüzelőanyag elakadás volt. Ennek hatására a tüzelést rövidebb időre meg kellett szakítani, míg a kezelő személyzet manuális úton eltávolította a problémát okozó anyagot. A 4., 5., és 6. számú mintákat egymással összehasonlítva sem tapasztalhatunk jelentősebb eltérést. A 7.1. számú minta hatásfoka a többi típushoz képest kiugróan magas, melynek oka a keverékben található 1. számú minta magas aránya. Összességében, az aprítékokat egyenként vizsgálva elmondható, hogy a tüzelőanyagok a laboratóriumi vizsgálati eredményeikre alapozott elvárásoknak megfelelően viselkedtek a kazánüzemi kísérletek alatt. Az 1. számú típus kiváló laboreredményeit kiváló üzemi eredmények igazolták. A 3. számú típus esetén 55

pedig kijelenthető, hogy a labor és az üzemi kísérletek alapján nem feltétlenül alkalmas az optimális üzemállapotok fenntartásához. Bár az 1. és 3. számú minta megfelelő arányú egymás utáni égetésével (4.1. számú minta) sikerült a 2. számú típus égetése közben mért paraméterekhez hasonló értékeket elérni, de a 4.2. számú keverék eltüzelése során mért értékek nem változtak nagymértékben, az eddigiekhez képest. Az 5. és 6. számú minták elégetése során megfigyeltük, hogy a három alaptípusú minta, különböző keverési arányai, és a homogénen vagy heterogénen történő égetés sem befolyásolja különösebb mértékben pozitívan a hatásfokot. A 7.1. számú minta meglehetősen jó hatásfokát, az 1. számú minta 80%-os aránya okozza. Ezt a jó értéket a 3. számú minta csupán 20%-os részaránya is nagymértékben lerontja. A felsorolt megfigyelések és a mért adatok alapján megállapítottuk, hogy egy kazánbeállítással

három,

egymástól

szignifikánsan

különböző

tüzelőanyag

égetését nem lehet optimálisan kezelni.

8.2 Javaslatok a) Legalább két típusú tüzelőanyag fajta legyen meghatározva. Három

különböző

szempontból.

Az

tüzelőanyag égetés

során

típus

soknak

bizonyul

ennyi

tüzelőanyag

típus

tüzeléstechnikai sok

beállítási

változtatáshoz vezet, ami különböző veszteségeket okoz, mind anyagilag, mind termelésben, főként ilyen különböző tüzelőanyag típusok mellett. Olyan alapanyag beszerzése, vagy olyan keverékek kialakítása a legoptimálisabb, amelyeknek fűtőértékük, hamutartalmuk, nedvességtartalmuk és alakiságuk is kevés eltérést mutat.

Ezek

a

tulajdonságok

alapján,

a

mérési

eredményekre

és

a

szakirodalmakra alapozva, két típusba osztályozhatjuk a tüzelőanyagokat. Ennek a két típusnak a tulajdonságait a 15. táblázatban foglaltam össze. 15. táblázat: Javasolt tüzelőanyag típusbesorolások

Tüzelőanyag megnevezése

Fűtőérték [MJ/kg]

Hamutartalom [%]

Nedvességtartalom [%]

Alakiság

„Megfelelő anyag”

< 11

> 1,1

> 30

homogén

„Kiváló anyag”

> 11

< 1,1

< 30

heterogén

56

b) Két típusú tüzelőanyag esetén a kazánban is két üzemállapot beállítása legyen előre programozva. A programozási, beállítási feladatok még több tesztelést igényelnek, és csak szakemberek végezhetik el őket, de a gyártótól kapott kazánszabályozó paraméter beállítások [17] és az eddigi vizsgálatokból nyert adatok alapján a 16. táblázatban található paraméterek megváltoztatásával, beállításával elérhető az optimálishoz közeli állapot. 16. táblázat: Javasolt kazánbeállítások

„Kiváló anyag”

„Megfelelő anyag”

Előremenő anyag

2 min

1,5 min

Gyújtási szünetidő

1 min

0,5 min

Előremenő referencia

90°C

90°C

Kazán vészleállítás

95°C

95°C

Minimum kazánteljesítmény

20%

20%

Maximum kazánteljesítmény

100%

100%

Primer levegő ventilátor MAX

55%

80%

Primer levegő ventilátor MIN

50%

65%

Szekunder levegő ventilátor MAX

65%

75%

Szekunder levegő ventilátor MIN

25%

40%

Szünet MAX teljesítménynél

6,5 s

8s

Szünet MIN teljesítménynél

20 s

20 s

Szünet multiplikátor – O2 hiány

2,2 

3,2 

MAX futási idő egy irányba

30 s

60 s

MIN futási idő egy irányba

1s

1s

Adagoló impulzusok utáni szünet

16 

16 

Adagoló impulzusok utáni szünet

50 

75 

5s

2s

Beállítás

Paraméter

Gyújtási paraméter

Teljesítményszabályozás

Égési levegő

Ütemidők

Anyagszállítás (Stoker csiga)

Hamu csiga

Futási idő

c) Könnyen átváltható üzemállapotok legyenek kialakítva. Legyen a kezelőfelületen kialakítva egy „Kiváló anyag” és egy „Megfelelő anyag” gomb, melyet az éklétrás adagolón elhelyezkedő, anyag milyenségét ellenőrző kezelő egy kattintással aktiválhat, és a kazán onnantól kezdve felveszi azt az üzemállapotot.

A

kezelőnek

vagy

gyakori

57

ellenőrzéssel,

vagy

gondos

előkészüléssel, a tárolótér optimális elosztásával, tárolásával és tüzelőanyag előkészítéssel kell feladatát végrehajtani. Természetesen szükség esetén több tüzelőanyag fajtát határozhatunk meg, és ezekhez különböző kazánbeállításokat lehet használni. Fontos az eredmények folyamatos kiértékelése, és a szükséges programozási finomítások elvégzése. Amennyiben sikerül ezt a folyamatot kiépíteni, és a kezelőkkel betartatni, akkor mindenképpen gazdaságosabb üzemállapotok jönnek létre. d) Megfelelő minőségű tüzelőanyag beszerzés Ahogy azt már a 7.4. pontban is említettem, a kazán konkrét gazdaságossági eredményei a leadott hőteljesítmény értékeivel vannak arányban. Hiszen minél több hőt sikerül termelni és értékesíteni egy adott mennyiségű, minőségű és egységáru tüzelőanyagból, az üzemeltetés annál gazdaságosabbnak tekinthető. Tüzeléstechnikai szempontból az 1. számú típus további beszerzése a legelőnyösebb. Méretbeli és tüzelési tulajdonságai, valamint elégetése során a kazán hatásfoka ennek a keveréknek a felhasználása alatt volt a legmagasabb. Ezzel szemben a 3. számú típus további beszerzése nem ajánlott. Főként nedvességtartalma és méretei miatt égetése során nem lehetett a kellő hatásfokot elérni. Ezenkívül dugulásokat és leállásokat okozott, ami anyagi és technikai problémákhoz is vezetett. Mivel a 2. számú típus égetése során középértékeket kaptunk, ezért megfelelő ár mellett jó választásnak bizonyulhat a további beszerzése. A tüzelőanyagok ára természetesen megváltoztathatja ezt a kijelentést. Az üzleti érdek, és a beszállítókkal való tárgyalás egyik fő stratégiája a megfelelő tüzelőanyag ár-érték arány elérése. A 3. számú tüzelőanyag maradékának felhasználására a 6.1. számú minta megalkotását javasoljuk, mivel ebben az esetben sikerült 85%-os hatásfokot elérni az égetés során. Az 5.1. számú minta esetében is ennyi volt ez az érték, de a keverési arányokat tekintve, itt kevesebb (körülbelül 25%) mennyiségben kerül adagolásra a rossz minőségű 3. számú típus, így tovább tart annak felhasználása. A mérési eredmények alapján és a kifogyás ütemét is figyelembe véve, a 6.2. számú minta tűnhet elsőre megfelelő választásnak. Azonban figyelembe kell venni, hogy a megfelelő arányú tüzelőanyag összeállítása, kikeverése hatalmas munkával, energia- és tárolókapacitás igénnyel, valamint a feladatra alkalmas

58

speciális gépek beszerzésének szükségletével jár. Ezzel szemben az 1%-os hatásfok növekedés az egymás utáni beadagoláshoz képest nem biztosítja az előbb felsoroltakra az anyagi fedezetet. Az a)-tól d)-ig terjedő alpontokban részletezett javaslatok betartása mind a kazán üzemletetésének és karbantartásának elősegítését, mind a fogyasztói igények pontosabb kielégítését, mind pedig a tüzelőanyag optimális felhasználását teszik lehetővé.

59

9. ÖSSZEGZÉS Szakdolgozatom bevezetőjében leírtam, hogy a biomassza fogalmának tisztázása végett, néhány csoportosítási módot fogok bemutatni. Ennek oka, hogy szemléltessem

annak

sokrétűségét.

A

bemutatás

három

fő

területre

koncentrálódott, a keletkezési, a származási, valamint felhasználási terület szerinti csoportosításokra. A fő területeken belül további alcsoportokat mutattam be. A továbbiakban azonban a figyelmem a felhasználási főcsoportba tartozó, biomassza energetikai célú hasznosítására koncentrálódott. Az energetikai célra használható anyagokon belül, a fás szárú biomasszákat ismertettem részletesen. Lényegesnek tartom kiemelni a fás szárú biomasszák sajátosságai közül a tüzeléstechnikai jellemzőket. Az égést nagyban befolyásolja a tüzelőanyag alakisága, kémiai összetétele, idegenanyag-tartalma, nedvességtartalma és fűtőértéke. A

hasznosítás

szempontjából

meghatározó

tényező

a

tüzeléstechnikai

berendezés is. Miután röviden ismertettem a biomasszával működtethető tüzelőberendezéseket, figyelmem a Bionergy-Miskolc Kft. által működtetett fűtőművi tüzelőberendezésre (Binder RRK 2500-3000/6 típus) irányult. Az irodalomkutatás után, rátértem a rendelkezésre álló három tüzelőanyag típus laboratóriumi vizsgálati eredményeinek ismertetésére és kiértékelésére. Ezután a rendelkezésemre álló három tüzelőanyag mintát üzemi körülmények között kipróbáltam és megvizsgáltam, hogy a különböző tüzelőanyagok a gyakorlatban hogyan befolyásolják a kazán hatásfokát, illetve lehetséges-e egy olyan keverék megalkotása, amelynek tüzeléstechnikai tulajdonságai kiválóak, és hosszú távon is fenntartható az utánpótlásuk. Az üzemi próbák elvégzését követően, a laborkísérletek eredményeit és az üzemi próbák tapasztalatait röviden összehasonlítottam, majd az általam összeállított keverékek mérési eredményeit kiértékeltem. Végül ezek alapján javaslatot tettem a továbblépésre, a fejlesztési lehetőségekre. Javaslatom, hogy a beszerzendő tüzelőanyagokat minőségi osztályokba sorolják, és azok felhasználásakor a kazán kezelőfelületén elhelyezett gomb segítségével üzemmód váltás történjen, az előre beprogramozott automatika alapján. Természetesen újabb és újabb típusok esetén további beállításokat lehet

60

rögzíteni, így később akár az energetikai ültevények is hasznosíthatóvá válnak, vagy

a

brikettálásból,

pelletálásból

hozzáadagolása is megvalósulhat.

61

származó

tüzelőanyagok

részleges

10.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Ezúton szeretnék köszönetet mondani tanáraimnak az elmúlt évek munkájáért. Köszönöm konzulensemnek, Barna Gergőnek a MIHŐ Miskolci Hőszolgáltató Kft. energetikusának,

a

szakdolgozatom

témájának

megválasztásában

nyújtott

segítségét. A megírás során adott hasznos ötleteit, jó tanácsait, velem szemben tanúsított türelmét, rám áldozott idejét. A méréseken való részvételét, személyes érdeklődését és támogatását a munkám során. Hálával tartozom tervezésvezetőmnek, Farkas András tanár úrnak, az Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszék mérnökének, aki idejét nem kímélve, személyre szabott törődésével nagyban hozzájárult munkám gördülékennyé tételéhez. Hálás vagyok Kókai Péter Úrnak, a Bioenergy-Miskolc Kft ügyvezetőjének, aki lehetővé tette méréseim elvégzését és írásos segédanyagokkal is segítette a szakdolgozatom elkészítését. A Bioenergy-Miskolc Kft. dolgozóinak is köszönet jár türelmükért, gyakorlatias meglátásaikért, jó tanácsaikért és azért, hogy tapasztalat útján megszerzett tudásukat megosztották velem. Külön köszönet illeti Dr. Kovács Helga tanárnőmet, az Energia- és Minőségügyi Intézet Tüzeléstani és Hőenergia Intézeti Tanszék munkatársát, aki nagy segítségemre volt egy olyan probléma megoldásában, ami a szakdolgozatom továbbírását meggátolta volna.

62

11.

IRODALOMJEGYZÉK

[1]

Európai

Bizottság:

Az

Európa

2020

stratégia

célkitűzései

–

http://ec.europa.eu/europe2020/europe-2020-in-anutshell/targets/index_hu.htm – letöltési idő: 2014. 10. 24. [2]

dr. Gyulai Iván: A biomassza-dilemma – második, átdolgozott kiadás – Magyar Természetvédők Szövetsége – Budapest, 2002

[3]

Dr. Kovács Helga: Biomassza tüzelés – előadás jegyzet – Miskolci Egyetem, Energia és Minőségügyi Intézet, Tüzeléstani és Hőenergia Intézeti Tanszék – Miskolc, 2014

[4]

Kókai Péter: Biomasszák távfűtési célú felhasználásának vizsgálata – kutatószeminárium – Kerpely Antal Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskola – Miskolc, 2013

[5]

Pappné Vancsó Judit: A biomassza, mint energiaforrás hasznosítási lehetőségei, különös tekintettel Magyarországra – doktori értekezés – Eötvös Loránd Tudományegyetem – Budapest, 2010

[6]

Dr. Lugosi Armand: Faipari kézikönyv – Műszaki könyvkiadó – Budapest, 1976

[7]

AES Borsodi Energetikai Kft. – Borsodi Hőerőmű – vállalati dokumentumok

[8]

Bai Attila, Lakner Zoltán, Marosvölgyi Béla, Nábrádi András: A biomassza felhasználása – Szaktudás kiadó Ház – Budapest 2002 – pp. 101-127

[9]

ÖNORM M7133 szabvány – faaprítékok minőségi besorolásai

[10]

Dr. Schöberl Miklós, Széll Andrea: Emissziós vizsgálatok használt forgácslapra, az égetés környezeti szempontú értékelése – doktori értekezés – Sopron, 2007

[11]

Németh Károly: A faanyag degradációja – Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó – Budapest, 1998

[12]

Kókai Péter: Különböző típusú faaprítékok tüzeléstechnikai paramétereinek laboratóriumi

vizsgálata

–

kutatószeminárium

–

Kerpely

Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskola – Miskolc, 2014 63

Antal

[13]

Rainer Marutzky: Moderne Feuerungstechnik zur energetischen Verwertung von Holz und Holzabfällen – Springer-VDI-Verlag – Düsseldorf,1997 – p. 357

[14]

Lontay Zoltán: A biomassza-tüzelés technikája – MET Erőmű Fórum – Balatonalmádi, 2012

[15]

Zelenyánszki

Dóra:

A

biomassza

tüzelés

berendezései

–

http://www.felsofokon.hu/zelenyanszki-dora-blogja/2011/04/06/abiomassza-tuzeles-berendezesei – letöltési idő: 2014. 10. 29. [16]

Dr. Tóth Péter, Dr. Bulla Miklós, Dr. Nagy Géza: A biomassza energetikai hasznosítása, energiatermelés biomasszából – 2011

[17]

Binder GmbH: Allgemeine Betriebsanleitung – Technisches Handbuch für Heizkessel – Austria, 2011

[18]

Kókai Péter, Koós Tamás, Szűcs István: Faapríték-alapú hőtermelés a miskolci távhőszolgáltatásban – Magyar Energetika 2012/5

[19]

Bioenergy-Miskolc Kft.: Miskolc Kenderföldi Bio-fűtőmű Megvalósíthatósági tanulmány – Miskolc, 2007

[20]

Bioenrgy-Miskolc Kft. – vállalati dokumentumok

[21]

Dr. Szemmelveisz Tamásné, Koós Tamás: Biomassza adatbázis – Nemzeti Tankönyvkiadó, 2011

[22]

Szemmelveiszné dr. Hodvogner Katalin: Energiahordozók – jegyzet – Miskolci Egyetem Tüzeléstani és Hőenergia Intézet – Miskolc, 1998

[23]

MSZ 24050:2001 – Szilárd ásványi tüzelőanyagok. A szén-, a hidrogén-, és a nitrogéntartalom meghatározása műszeres analitikai módszerekkel.

[24]

MSZ EN 14775:2010 – Szilárd bio-tüzelőanyagok. A hamutartalom meghatározása.

[25]

MSZ

24000-23:1977

–

Szenek

laboratóriumi

vizsgálata.

A

nedvességtartalom meghatározása. [26]

MSZ

EN

14918:2010

–

Szilárd

bio-tüzelőanyagok.

meghatározása és a fűtőérték kiszámítása. 64

Az

égéshő

[27]

Sjaak van Loo, Jaap Koppejan: The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing – Biomass Fuel Properties and Basic Principles of Biomass Combustion – London, 2008 – p. 12

[28]

MSZ 24000-11:1988 – Szenek laboratóriumi vizsgálata. A széntartalmak és a hidrogéntartalom meghatározása

[29]

Vijay Krishna Moka: Estimation of calorific value of biomass from its elementary components by Regression Analysis – Odisha, 2011-2012

65

12.

FÜGGELÉK Az égéshő és a fűtőérték számításának szabványba foglalt leírása

Mérés és számítás elve A többi méréshez hasonlóan ez a mérés is szabvány [26] szerint lett elvégezve, egy Parr 6200 típusú oxigén bomba kaloriméter segítségével. A műszer az égésmeleg értékét, vagyis az égetés során felszabaduló hőmennyiséget úgy határozza meg, hogy egy ismert kalibráló anyagot – ami általában benzoesav – éget el először és csak ezután a vizsgált mintát. Így az égetésből felszabaduló hőmennyiséget, összehasonlítás útján lehet meghatározni. A vizsgálat során az égés maga a bombában történik, ami egy fém, kisméretű nyomástartó edény, jellemzően 30 báros belső nyomással. Az égetés során felszabadult hőenergia a kaloriméteren belül nyelődik el és az abszorbeáló közeg hőmérséklet változását egy készülék regisztrálja. A vizsgálat során felszabaduló hőmennyiséget a hőmérsékletnövekedés, valamint a kalibráció során előzetesen meghatározott kaloriméter állandó, vagy hőkapacitás szorzataként számíthatjuk ki. Azonban a pontos égésmeleg érték eléréséhez, a kapott értéket korrigálni kell a bombában végbement, a minta égésétől különböző mellékfolyamatok hatásaival. Bomba kaloriméter elvi felépítése A mérés során használt bomba kaloriméter alapvetően négy részből épül fel. (11. ábra)

66

Hőmérő Hőmérő Gyújtó vezeték Oxigén bevezetés

Vízszint Keverő

Szigetelő burkolat Bomba

11. ábra: Bomba kaloriméter elvi felépítése [21]



A nyomástartó edény, vagy bomba, ahol a minta elégetése végbemegy az első fő rész.



A második fő rész a bomba behelyezésére szolgáló edény, a kaloriméter edény, amiben ismert mennyiségű víz található.



A vizsgálat során a kalorimétert meg kell óvni a környezettel való hőcserétől, ezért azt egy szigetelt köpeny veszi körül, ami a harmadik fő rész.



A bomba kaloriméter negyedik része a hőmérő, vagy szenzor, ami a kaloriméter edényben bekövetkező hőmérsékletváltozást méri.

A kaloriméter edény méretét úgy tervezték, hogy a bomba és a keverő egésze a víz szintje alatt legyen. A környezettel való hőcsere minimalizálása érdekében, teljesen homogén hőmérsékletű vizet kell elérni az edényben úgy, hogy közben mechanikus energia formájában se vigyünk be túl sok hőt. Erre szolgál az edényben lévő keverő. Maga a bomba (12. ábra) egy vastag falú, erős, ugyanakkor nyitható edény. A vizsgálat megkezdése előtt a bombát meg kell tisztítani, a bomba fedelén található

67

szelepek segítségével pedig gondoskodni kell a nagy nyomású oxigénnel való feltöltésről. A vizsgálat végén pedig ugyanazokon a szelepeken, amelyeken keresztül az oxigén feltöltésről gondoskodtunk, a keletkezett gázokat el kell távolítani. Szintén itt találhatók az elektródák, amelyek a gyújtóáram bevezetésére szolgálnak. Ahogy a bombának, úgy a kaloriméter edénynek is van tárolója. Ez a kaloriméter köpeny védőburokként szolgál. Fő feladata, hogy a vizsgálat időtartama alatt minimalizálja a huzat, a hősugárzás valamint a helyiség hőmérséklet változásának hatását.

Oxigén bevezetés Kaloriméter köpeny

Gyújtóáram bevezetésére szolgáló elektróda

Mintaedény

12. ábra: Kaloriméter bombájának metszete [21]

Kalibráció A vizsgálat megkezdése előtt a kaloriméter vízértékét vagy hőkapacitását kell meghatározni. A kapott érték a mérőrendszer, vagyis a bomba, az edény és az edényben lévő víz teljes hőkapacitását fejezi ki. Mivel az előbb felsorolt elemek hőkapacitásának meghatározása külön-külön bonyolult és időigényes feladat, ezért a mérés elvégzésével megbízottak empirikus úton határozták meg, egy ismert égésmelegű minta (benzoesav) reprodukálható körülmények közötti elégetésével a rendszer egészére jellemző

68

vízértéket. A benzoesav nem higroszkópos, tökéletesen elég oxigénben és nagy mennyiségben állt rendelkezésre. Kaloriméter korrekciók A minta begyújtása gyújtózsinór segítségével történik, viszont ennek elégetése többlet hőt jelent a bombában, így ezt a pontos értékek elérése érdekében korrigálni kell. Azonban a gyújtózsinór elégett mennyisége nem tekinthető állandónak, mérésről mérésre változik. Így külön, minden mérés végén meg kell határozni a zsinór által bevitt többlet energiát és azt le kell vonni az égésmelegből, és csak így kaphatjuk meg pontosan a mintára jellemző égésmeleg értékét. Természetesen, ha tökéletes égést elősegítő anyagot viszünk be a rendszerbe, ugyancsak korrigálnunk kell a kapott értékeket. A minta elégetése során figyelembe kell venni továbbá a specifikus körülményeket is, vagyis a magas hőmérsékletet, a nagy nyomást és azt, hogy közel tiszta oxigén közegben zajlódik le a folyamat. Így számos olyan reakcióval is számolni kell, ami normál körülmények között nem menne végbe az adott anyagnál. Ezeket a mellékreakciókat is figyelembe kell venni a korrekciónál, hiszen szintén hőtermeléssel járó folyamatok. Normál körülmények között végbemenő égés során, a tüzelőanyag kéntartalma kén-dioxiddá alakul és az a füstgázzal együtt távozik, de a bombában való égetéskor kén-trioxiddá alakul és az ott jelen levő nedvesség tartalommal reakcióba lépve kénsav keletkezik. A kénhez hasonlóan a bombában rekedt, oxidálódott nitrogén molekulák is reakcióba lépnek a vízgőzzel és salétromsavat alkotnak.

Ezen

kémiai

folyamatok

lezajlódása

közben

felszabaduló

hő

korrekciójára, az ASTM és ISO szabványok tartalmaznak korrekciós módszereket.

69