Tüzelőanyagok és jellemzőik Biomassza Hasznosítás
Tartalom • Tüzelőanyagok csoportosítása • Égéshő és fűtőérték definíciója • Szilárd tüzelőanyag összetétel vizsgálatai, hamuvizsgálatok, tüzelőanyag ellátás példák • Folyékony tüzelőanyagok tulajdonságai, tüzelőanyag ellátás példák • Gáznemű tüzelőanyagok tulajdonságai, tüzelőanyag ellátás példák
Tüzelőanyagok csoportosítása Halmazállapot Fosszilis • Szilárd Szén fekete, barna, lignit
Megújuló Biomassza: fa, szalma, füvek, stb. energia növények hulladékok (részben)
• Folyadék Kőolaj származékok benzin, petróleum, kőolaj, fűtőolaj
• Gáznemű Földgáz
Biomassza: Növényi olaj és bio-diesel Bio-etanol és -metanol
Bio-gáz Gáz anaerob erjesztésből, pirolízis-gáz elgázosításból
Tüzelőanyagok fő jellemzői • A tüzelőanyagok szállíthatóak, tárolhatóak, és az igényelt energiának megfelelően tüzelhetőek Fosszilis Megújulók • Energia tartalom: Magas Alacsony • Szállítás: akár nagy (globális) csak korlátozott távolságra is távolságra • Tároló kapacitás igény: mérsékelt nagy
CO2 körforgása
Égéshő és Fűtőérték • A fűtőérték az a hőmennyiség, amely a tüzelőanyag teljes és tökéletes elégése során keletkezik, úgy, hogy az égéstermék állandó nyomás mellett a kiindulási (környezeti) hőmérsékletre van visszahűtve (szabványosított mérési módszer) •
- Égéshő, vagy Felső fűtőérték ( É, Ho, Hs, HHV)
- a füstgáz H2O tartalmát folyadék formában veszi figyelembe, tartalmazza annak párolgáshőjét is
•
- Fűtőérték, vagy Alsó fűtőérték ( F, Hu, Hi, LHV)
- a füstgáz H2O tartalmát vízgőz formában veszi figyelembe, nem tartalmazza annak párolgáshőjét
lehetséges dimenziók: MJ/kg, MJ/m3, kWh/kg, kWh/m3 Égéshő és Fűtőérték kapcsolata:
LHV = HHV − mw ⋅ h fg − 9 ⋅ m H 2 ⋅ h fg mw = a tüzelőanyag nedvességtartalma mH2 = a tüzelőanyag hidrogéntartalma hfg = a füstgáz vízgőz tartalom parciális nyomásához tartozó párolgáshő [kJ/kgH2O]
Szilárd tüzelőanyag összetételének elemzési módszerei
Szilárd tüzelőanyagok jellemzői
Fajlagos CO2 kibocsátások
Tüzelőanyagok összehasonlítása Fajta
Fűtőérték MJ/kg
Fűtőérték kWh/kg
Halmaz sűrűség kg/m3
Energia tartalom MJ/m3
Energia tartalom kWh/m3
Faapríték (nagyon függ a nedvesség tartalomtól )
7-15
2-4
175-350
2,000-3,600
600-1,000
Hasábfa (légszáraz állapotban)
15
4.2
300-550
4,500-8,300
1,300-2,300
Fa (vízmentes)
18-21
5-5.8
450-800
8,100-16,800
2,300-4,600
Fapellet
18
5
600-700
10,800-12,600
3,000-3,500
Szén
20-30
5.6-8.3
800-1,100
16,000-33,000
4,500-9,100
Fűtőolaj
42
11.7
870
36,500
10,200
Földgáz
47
13
0.68
34
9,4
Nedvesség tartalom • A nedvesség tartalom figyelembe vételére kétféle viszonyítási alap használatos: • Nedves alapra vonatkoztatott – abszolút • Száraz alapra vonatkoztatott - relatív Example A quantity of wood has a total mass of 10kg. It is dried in an oven so that all water is removed and then weighed. Its new mass is 8kg. The moisture content is calculated as: WET BASIS
moisture content ( MC ) =
mass of water (2kg ) = 20% mass of wet wood (10kg )
DRY BASIS
moisture content ( MC ) =
mass of water (2kg ) = 25% mass of dry wood (8kg )
Erdei apríték készítés és gyűjtés
Tárcsás és dobos aprító működési vázlata
Pellet prés és pellet
Tüzelhető fa megjelenési formái
A fa különböző formáinak előnyei és hátrányai Fajta
Előnyök
Hátrányok
Faapríték Automatizálható adagolás Olcsó ár
Csak 100 kW feletti teljesítményű rendszerekhez használható Magas lehet a nedvesség tartalma Magas lehet az idegen anyag (föld) tartalma
Fapellet
Automatizálható adagolás Egyenletes minőség Magas fűtőérték Alacsony nedvesség tartalom
Magas ár Nedvességre érzékeny
Tüzifa
Olcsó ár
Nem automatizálható kézi adagolás Nehezen szabályozható tüzelés
Hamu • A tüzelőanyag nem éghető szilárd részét nevezzük hamunak, amely főként a következő anyagokat tartalmazza kálium (K), nátrium (Na), foszfor (P), Kálcium (Ca), szílicium (Si). • Halogéneket is tartalmazhat, klór (Cl) és flór (F) amelyek korróziós és környezetvédelmi szempontból lehetnek érdekesek • A hulladékok tartalmazhatnak nehézfémeket és más szennyezőket • Tüzeléstechnikai szempontból a hamu lágyulási tulajdonságai érdekesek
Bunte-Baum vizsgálat
Bunte-Baum vizsgálat eredményei
Leitz típusú hevítőmikroszkópos vizsgálat
Leitz tipusú hevítőmikroszkópos vizsgálat eredményei
IDT
SOT
(initial deformation) (softening) Jellemző pontok: zsugorodás
lágyulás
HT
FT
(hemispherical)
(fluid)
olvadás
folyás
Szilárd tüzelőanyagok jellemzői • Gyorselemzés eredményei alapján értékelhető a tüzelés közbeni viselkedés • Az elemi analízis a kiinduló adatsora a stöchiometriai számításoknak • A hamulágyulási tulajdonságok ismerete szükséges a tűztéri esetleges elpiszoklódás értékelésére • A szennyezők ismerete lényeges korróziós és környezetszennyezési szempontból
Emissziós előírások szilárd biomassza tüzelésre Csak készülék előírások
23/2001. KÖM
23/2001. KÖM
10/2003. KvVM
3/2002. KÖM
Qtüz< 140kW
140kW < Qtüz < 1MW
1MW < Qtüz < 50MW
50MW < Qtüz < 100MW
Hulladék Tüzelés
Vonatk. O2
-
11%
11%
6%
11%
Szilárd anyag
-
150 mg/m3
150 mg/m3
50 mg/m3
10 mg/m3
CO
-
1000 mg/m3
250 mg/m3
250 mg/m3
50 mg/m3
NOx
-
650 mg/m3
650 mg/m3
400 mg/m3
200 mg/m3
SO2
-
1000 mg/m3
1000 mg/m3
200 mg/m3
50 mg/m3
CxHy
-
50 mg/m3
50 mg/m3
-
10 mg/m3
HCl
-
-
-
200 mg/m3
10 mg/m3
HF
-
-
-
30 mg/m3
1 mg/m3
Kátrány – közbenső reakció termékek (PAH) keletkezési reakció körülmények hasonlóak a CO keletkezési körülményeihez Ábra: kátrányminta kromatográfiás elemzési adatai
Tüzelőanyag tároló és ellátó rendszer • Tüzelőanyag tárolás feladata a tüzelőanyag rendelkezésre állásának biztosítása • Minimálisan 2 hétre elegendő mennyiség (téli szállítás korlátozott lehet) • Javasolt 1 hónapra elegendő mennyiség • Gazdaságossági elemzés nagyobb mennyiség olcsóbb árat jelent viszont nagyobb tároló kapacitást igényel
Tüzifa tárolási példa
Photo: Beacon Stoves
The log store should allow for plenty of air flow but should protect the logs from the rain
Pellet tárolás és beadagolás
Bagged wood pellets
Pellet store and vacuum pellet feed
Pellet store using partition walls and auger
Pre-fabricated silo and auger
Apríték tárolás és beadagolás
Rotary stirrer facilitates removal of chips
Wood chip bunker showing stirrer and screw conveyor
Covered area for drying and storing large quantities of wood chips
A ramp allows wood chips to be tipped into the store
Apríték tárolás és beadagolás
Apríték tárolás és beadagolás
Apríték tárolás és beadagolás alaprajz
Mezőgazdasági melléktermékek - szalma Forma
Halmaz sűrűség
Darabok tömege
Kg/m3
Kg
Kiindulási
40-60
-
Kisbála
70-120
8-25
Nagy körbála
60-120
300-400
Nagy szögletes bála
60-160
200-600
Brikett-pellet
300-600
0,02-0,3
Szalmabálák tárolása
Szalmabálák beadagolása
Agri-pellet és brikett
Mezőgazdasági melléktermékek összetétel adatai Anyag
víz [%]
hamu [%]
illó [%]
fix karbon [%]
Szója-szalma
7.45
4.25
66.2
22.1
Vízmentes anyag fűtőértéke [MJ/kg] 17.0
Maghéj
8.9
3.9
71.4
15.8
17.6
Búza-szalma
7.6
7.0
71.9
13.5
17.7
Energiafű
12.5
5.9
65.4
16.2
16.3
Napraforgó maghéj Szőlővenyige
6.46
11.83
60.8
21.2
13.6
8.1
1.95
61.5
28.45
18.0
Mezőgazdasági melléktermékek elemi analízisének adatai Anyag
C [%]
H [%]
O [%]
N [%]
hamu [%]
Cl [%]
S [%]
Zab-szalma
46.32
4.90
38.66
0.69
7.82
1.5
0.11
Búza-szalma
46.88
6.12
41.04
0.77
4.70
0.38
0.11
Energiafű
45.86
5.66
40.48
0.88
6.74
0.27
0.11
Miscanthus
48.5
5.45
42.16
0.51
3.12
0.22
0.045
Napraforgó maghéj
46.0
6.10
39.6
1.1
7.00
0.20
-
Hamulágyulási tulajdonságok összehasonlítása IDT ºC
SOT ºC
HT ºC
FT ºC
Akácfa
1180
1200
1220
1220
Nyárfa
1175
1205
1230
1250
Fűzfa
1210
1225
1250
1275
Búzaszalma
848
956
1107
1241
Energiafű
775
935
990
1055
Szennyvíziszap
1120
1180
1290
1320
Hulladék – civiláziós melléktermék
Hulladékkezelés fő céljai • Keletkező hulladékok mennyiségének csökkentése, hulladékmentes technológiák kialakítása • Hulladékok szelektálása és hasznosítható részek visszaforgatása, újrahasznosítása • Éghető és biológia hulladékok energetikai hasznosítása – tüzelés, vagy biogáz erjesztés. • Hulladék lerakás minimalizálása
A háztartási hulladék biológiai eredetű részének lerakási aránya az EU országaiban
Hulladékok csoportosítása • • • • • •
Vegyes települési szilárd hulladék Előkezelt települési szilárd hulladék Kórházi hulladék Állati eredetű hulladék Szennyvíziszap Egyéb hulladékok veszélyességi kategóriába sorolása - inert hulladék - nem veszélyes hulladék - veszélyes (különleges) hulladék
Alapvető hulladék vizsgálatok • • • • • • •
fűtőérték lobbanáspont PCB-k halogének (pl. Cl, Br, F) és kén nehézfémek hulladékok összeférhetősége és reakciókészsége radioaktivitás
GFP a hulladék biogén karbontartalmának a függvényében egy korszerű égetőmű esetében
Háztartási hulladék kategóriák Eredeti: Kiindulási állapotban minimális előválogatással (Hi = 5 – 9 MJ/kg) Előszelekcióval, aprítással és bálázással RDF:
SRF:
Refuse Derived Fuel Nem szabványos eljárással, nem minősített Solid Recovered Fuel Szabványosított eljárással, minősített European standards for SRF - EN15359
SRF besorolási kategóriák EN 15359 szerint
SRF példa
Hasznos link: http://www.ecn.nl/phyllis2/
Folyékony tüzelőanyagok • Az összetétel vizsgálatára az elemi analízist használják (hasonlóan a szilárd tüzelőanyagokhoz) • Az energiatartalom jellemzésére a fűtőértéket haználják (hasonlóan a szilárd tüzelőanyagokhoz) • De, a folyékony tüzelőanyagok nem égethetők folyékony állapotban, el kell őket párologtatni • A folyékony tüzelőanyagok tartályban tárolhatók • és csővezetéken szállíthatók
Folyékony tüzelőanyagok jellemzői Dermedéspont Az a hőmérséklet, amelynél a folyadék gravitációs erő hatására már nem folyik. Lobbanáspont az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen egy illékony folyadék gőze a levegővel meggyújtható elegyet hoz létre és gyújtóforrás hatására ez ellobban. Gyulladáspont az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen egy illékony folyadék gőze a levegővel meggyújtható elegyet hoz létre és gyújtóforrás hatására ez meggyullad és legalább 5 mp-ig az égés fennmarad Conradson szám Kőolajtermékek meghatározott feltételek mellett végrehajtott termikus bontása után visszamaradó szénszerű termék (koksz) %-os mennyisége.
Lobbanáspont vizsgáló készülék
Folyékony tüzelő-anyagok viszkozitásának változása
Tűzveszélyességi osztályba sorolás • • • • • • •
5 tűzveszélyességi osztályt különböztet meg a hazai szabályozás Ezek: „A” – „Fokozottan tűz-és robbanásveszélyes'', „B” - ,, Tűz- és robbanásveszélyes'', „C” - ,,Tűzveszélyes'', „D” - ,,Mérsékelten tűzveszélyes'', és „E” – „Nem tűzveszélyes”.
• Az anyagokat és a rendeltetéseket, valamint a helyiségeket, tűzszakaszokat (a bennük tárolt anyagok, illetve a rendeltetésük alapján) tűzveszélyességi osztályba kell sorolni.
„A” - ,,Fokozottan tűz-és robbanás veszélyes'' • Az az anyag, amelynek bármely halmazállapotban heves égése, robbanása, indító (iniciáló) gyújtásra, illetve más fizikai, kémiai hatásra bekövetkezhet, • az a folyadék, olvadék, amelynek zárttéri lobbanáspontja 21°C alatt van, vagy üzemi hőmérséklete eléri vagy meghaladja a nyílttéri lobbanáspontját, azaz Tü > Tlpnyt és Tü > 35°C, • az a gáz, gőz, köd, amelynek alsó éghetőségi határértéke a levegő térfogatához viszonyítva legfeljebb 10%;
„B” - ,,Tűz- és robbanás veszélyes'' • az a por, amely a levegővel robbanásveszélyes keveréket képez, • az a folyadék, olvadék amelynek zárttéri lobbanáspontja legalább 21°C, nyílttéri lobbanáspontja legfeljebb 55 °C, vagy üzemi hõmérséklete a nyílttéri lobbanáspontja alatt van, de nagyobb, mint a nyílttéri lobbanáspont 20°C-kal csökkentett értéke, azaz Tü < Tlpnyt, Tü > Tlpnyt–20°C és Tü > 35°C, • az a gáz, gőz, köd, amelynek alsó éghetőségi határértéke a levegõ térfogatához viszonyítva 10%-nál nagyobb;
„C” - ,,Tűzveszélyes'' • az a szilárd anyag, amelynek gyulladási hőmérséklete (gyújtóforrással vizsgálva) legfeljebb 300°C, • a legalább 50°C nyílttéri lobbanáspontú gázolajok, tüzelőolajok és a világításra használatos petróleum, • az a folyadék, olvadék, amelynek nyílttéri lobbanáspontja 55°C felett van, de legfeljebb 150°C, vagy üzemi hőmérséklete a nyílttéri lobbanáspontjánál legalább 20°C-kal, de legfeljebb 50°C-kal kisebb, azaz Tü < Tlpnyt–20°C, Tü > Tlpnyt–50°C és Tü > 35°C, • az a gáz amely önmaga nem ég, de az égést táplálja, a levegő kivételével;
„D” – ,,Mérsékelten tűzveszélyes'' • az a szilárd anyag, amelynek gyulladási hőmérséklete (gyújtóforrással vizsgálva) 300°C-nál nagyobb, • az a folyadék, olvadék, amelynek nyílttéri lobbanáspontja 150°C-nál magasabb, vagy • üzemi hõmérséklete a nyílttéri lobbanáspontja alatt több mint 50°C-kal van, azaz Tü < Tlpnyt–50°C és Tü > 35°C, • az a vizes diszperziós rendszer, amelynek lobbanáspontja szabványos módszerrel nem állapítható meg, és éghető anyagtartalma 25%-nál nagyobb, • víztartalma pedig 50%-nál kisebb
„E” – ,,Nem tűzveszélyes'''
• a nem éghető anyag;
Etanol
Benzin
Isooctane
Diesel olaj
CH3CH2OH
C4 -C12
C8H18
C15H28
Moláris tömeg
46,07
110(average)
114,23
208
Elemi összetétel, %, C
52,14
83-88
84,12
86,1
H
13,13
12-14,3
15,88
13,9
O
34,73
0-2,7
0
0
0,7893
0,720-0,780
0,6919
0,84
<1
<150
0
<350
Forrási hőmérséklet (atm), ˚C
78,5
25-220
99,2
180-360
Párolgáshő, 20˚C, MJ/kg
0,839
0,349
0,314
0,256
Párolgáshő, 20˚C, MJ/dm3
0,662
0,251
0,217
-
Lobbanáspont, ˚C
12,8
-43 (-) -39
4
70
Öngyulladási hőmérséklet, ˚C
423
495
447
250
4,3-19,0
1,4-7,6
1,1-6,0
1,4-7,6
Égéshő, MJ/kg
29,8
47,2
47,8
45,8
Fűtőérték, MJ/kg
26,7
43
43,5
42,7
Stochiometrikus levegő / tüzelőanyag arány (m / m)
8,97
14,7
15,07
14,6
Azeotrop víztartalom, %
4,4
-
-
-
Kisérleti octane szám
111
88-98
100
-
Motor octane szám
92
80-88
100
-
Cetane szám
8
8-14
10
45-55
Gőznyomás, 38˚C, kPa
16
40-90
70
-
71,5
71 - 72
71,8
74,2
Képlet
Sűrűség, kg/dm3 Kén tartalom, ppm
Bio-etanol összehasonlí tása más üzemanyagokkal
Éghetőségi tartomány levegőben, V/ V %
CO2 emisszió, g/MJ
Fűtőolajok és állati zsír összehasonlítása Fűtőolaj EL
Fűtőolaj S
Fűtőolaj SA
Állati zsír
C Carbon
86.3
85.2
86.6
76.56
H Hidrogen
13.4
11.1
11.0
12,47
S Kén
0.3
2.3
1.0
0.1
O Oxigen
-
1.0
1.0
10.16
N Nitrogen
-
0.3
0.3
0.35
w víz
-
0.1
0.1
0.356
0.84
0.95
0.96
0.916
Összetétel
[% w/w]
Sűrűség 15°°C [kg/l] Dermedéspont
[°°C]
-6
50
50
28
Lobbanáspont
[°°C]
70
120
120
202
Fűtőolajok és állati zsír összehasonlítása Fűtőolaj EL
Fűtőolaj S
Fűtőolaj SA
Állati zsír
11.22
10.65
10.79
9.81
Száraz füstgáz térfogat [m3/kg]
10.46
10.04
10.16
9.09
Nedves füstgáz térfogat [m3/kg]
11.86
11.17
11.33
10.48
Fajlagos víz mennyiség [kg/kg]
1.20
0.97
1.00
1.12
CO2max
[% V/V]
15.31
16.00
16.02
15.71
[kg/kWh]
0.27
0.28
0.28
0 (0.257)
Fűtőérték [MJ/kg]
42.82
40.38
40.94
39.3
Égéshő [MJ/kg]
45.76
42.76
43.38
42.1
Levegőigény
[m3/kg]
CO2 emisszió
Ólommentes benzin EN 228 PREMIUM - 98
Tüzelőanyagok és üzemanyagok forrási görbéi
Folyékony tüzelőanyagok tárolása
Gáznemű tüzelőanyagok tulajdonságai • Éghető gázok ideális keverékei • Összetétel jellemzésére a molekula analízist használják (az elemi analízis helyett) (gázkromatográffal vizsgálják) • Fűtőérték / égéshő használatos az energiatartalom jellemzésére leginkább a térfogatra vetített értéket használják • A gáznemű fűtőanyagok vezetéken szállíthatóak és tartályban tárolhatóak gáznemű, vagy cseppfolyós állapotban
Gáznemű tüzelőanyagok lényeges paraméterei • Relativ sűrűség: d = ρgáz/ρlevegő [-] (robbanásveszélyesség szempontjából fontos) Kategóriák: • 0.8 > d • 1.2 > d > 0.8 • d > 1.2
- könnyű gáz (pld. földgáz) - közepesen nehéz (pld. CO) - nehéz gáz (pld. PB)
Gáznemű tüzelőanyagok lényeges paraméterei • Wobbe index (gázok felcserélhetőségére)
Kiterjesztett Wobbe index
ahol:
Hs - Égéső d - relativ sűrűség ∆p – nyomásesés a fúvókában
Gázok éghetőségi határai
A gázszállítás és szolgáltatás nyomásfokozat kategóriái Nyomásfokozat
Működési túlnyomás-tartomány (MOP)
Kisnyomás
22 mbarg < MOP ≤ 33 mbarg
Növelt kisnyomás
74 mbarg < MOP ≤ 100 mbarg
Középnyomás
0,1 barg < MOP ≤ 1,0 barg 1,0 barg < MOP ≤ 4,0 barg 4,0 barg < MOP ≤ 10,0 barg
Nagyközép-nyomás
10,0 barg < MOP ≤ 16,0 barg 16,0 barg < MOP ≤ 25,0 barg
Nagynyomás
25,0 barg < MOP ≤ 40,0 barg 40,0 barg < MOP ≤ 64,0 barg
PB gáz forgalmazási példák
Biomasszából fejleszthető éghető gázok Anaerob fermentációval: • Fő komponensek: CH4 + CO2 • Szennyezők:H2S, CO, H2O, szilárd részecskék • Fűtőérték: 18 - 30 MJ/m3 Pirolizis gáz: • Fő komponensek: CH4+CO+H2 + CO2+ N2+H2O Szennyezők: H2S, kátrány, hamu, koksz • Fűtőérték: 5 - 20 MJ/m3
Finomítói gázok
Finomítói gázok
Emissziós előírások földgáz tüzelésre Csak készülék előírások
23/2001. KÖM
10/2003. KvVM
Qtüz< 140kW
140kW < Qtüz < 50MW
50MW < Qtüz < 300MW
Vonatk. O2
-
3%
3%
Szilárd anyag
-
5 mg/m3
5 mg/m3
CO
-
100 mg/m3
100 mg/m3
NOx
-
350 mg/m3
150 mg/m3
SO2
-
35 mg/m3
35 mg/m3
CxHy
-
-
-
HCl
-
-
-
HF
-
-
-
Energiatartalomra vetített árarányok a földgázzal összehasonlítva 300% 250% 200% 150% 100%
Áram (éjszakai)
Áram (normál)
Távhő
Pellet
Tüzifa
Fűtőolaj
Tüzelőolaj
PB gáz
0%
Földgáz
50%
Biomassza konverziós lehetőségek
Köszönöm a figyelmet!
