KUTATÁSI HÍRLEVÉL. Fás jellegű bio-tüzelőanyagok, valamint a pirolízises égetés során keletkezett füstgázok légszennyező anyag tartalmának vizsgálata

Átírás

1 3. számú melléklet KUTATÁSI HÍRLEVÉL Fás jellegű bio-tüzelőanyagok, valamint a pirolízises égetés során keletkezett füstgázok légszennyező anyag tartalmának vizsgálata 1. A faaprítékok és pelletek helye a bio-energiahordozók között A napsugárzás fotoszintézis útján jelentős mennyiségű biomasszát hoz létre megújuló jelleggel. A biomassza-termelés elsődleges célja az élet fenntartása, de meghatározott része energetikai célokra is hasznosítható. A biomasszából származó megújuló energia tehát végső soron napenergia. A biomassza energia célú felhasználását sematikusan az 1. ábra mutatja. 1. ábra Energiahasznosítás biomasszából 1/9

2 A bioenergia potenciál számszerűsítését - a mezőgazdasági-környezeti szempontok elsődlegessége mellett - lényegesen befolyásolja, hogy a szóba jövő bioforrásokat milyen műszaki megoldásokkal és energetikai-gazdasági hatékonysággal lehet az energiaellátásban hasznosítani. A biomasszát szokás elsődleges (közvetlenül a termőföldön termelt), másodlagos (valamilyen élő szervezet által átalakított), illetve harmadlagos (emberi tevékenység által átalakított) csoportokba sorolni. Ezek durván becsült (pontos statisztikai nyilvántartások nem készülnek) potenciálját láthatjuk az 1. táblázatban. Magyarország biomassza termelése és bioenergia potenciálja 1. táblázat Elsődleges biomassza Energiaültetvény Növényzet főtermék Növényzet melléktermék Erdészet főtermék Erdészet melléktermék Száraz anyag 10 6 t/év 0 22,0 24,0 6,7 1,2 Energiatartalom PJ/év 0 412,7 369,3 140,0 20,0 2/9 A jelenlegi hasznosítás PJ/év Elsődleges összesen: 54,3 941, Másodlagos biomassza Állattartás főtermék Állattartás melléktermék Másodlagos összesen: 7,1 Harmadlagos biomassza Élelmiszeripar hulladék Könnyűipar hulladék Faipar melléktermék Települések, hulladék A bioenergia potenciálja energiaültetvény szalma, szár tűzifa erdei hulladék 1,4 5,7 trágya 1,5... 1,6 > 0, Harmadlagos összesen: 1, ipari szerves hulladék fahulladék szerves iszap A táblázatból kitűnik, hogy a faaprítékok, ugyan átesnek némi emberi beavatkozáson (aprítás esetleges osztályozás, tárolás, manipulálás), inkább az elsődleges biomasszaféleségek, míg a pelletek, mivel egy un. Nemesítési eljáráson mennek keresztül egyértelműen a harmadlagos biomasszaféleségek közé sorolhatók. 2. Fa alapú tüzelőanyagok 2.1 Tűzifa A tűzifa megújuló bio-fűtőanyag. A tűzifa égetése nem automatizálható olyan mértékben, mint a szemcsés, granulált anyagoknál (szén, pellet, biomassza). A tűzifát száraz helyen kell tárolni. A tűzifának annál jobb a fűtőértéke minél szárazabb. A frissen vágott fa nedvesség taralma kb. 50%. A legalább egy évig száraz szellős helyen tárolt fa 15-20% vizet tartalmaz, ezt légszáraznak nevezzük. (az abszolút szárazanyagra vetített víztartalom 15-20%). A nehezen mérhető nedvességtartalom miatt a fát célszerű térfogatban (m3) és nem súlyban vásárolni. A fa vásárlásakor mindenképpen fontos a fajta, nedvességtartalom, feldolgozottság és szállítási körülmények összevetése. A fa fűtőértéke erősen függ a nedvességtartalomtól. Minél nedvesebb a fa, annál kisebb a fűtőértéke. A fában található nedvességnek az elégés alatt el kell párolognia. Mivel a víz elpárologtatásához jelentős mennyiségű energia szükséges, ezért minél nagyobb a tűzifa víztartalma, annál több energia vész kárba a fűtés folyamán.

3 A fa tárolása A fa tárolásánál figyelembe kell venni, hogy jól szellőző fedett helyen tároljuk a tűzifát, hogy ezzel elősegítsük a száradását. Falmellé rakásnál el kell hagyni legalább 5cm-t, hogy így biztosítsuk a levegő szabad áramlását. Pincében csak száraz fát szabad tárolni, mert a frissen vágott fa a nedves környezetben nem szárad, csak befülled. A fa nedvességtartalma alapján az alábbiak szerint csoportosíthatjuk a tűzifát: 10% nedvesség tartalom: nagyon száraz fa. 15% nedvesség tartalom: levegőn jól szárított fa 20% nedvesség tartalom: száraz fa, szabadban, esőtől védve, tárolva. 50% nedvesség tartalom felett: frissen kivágott fa. A fákat a testsűrűség szerint is csoportosíthatjuk: Nagyon nehéz fa (som, cser, gyertyán, eper, melyeknek testsűrűsége kg/m3), Nehéz fa (akác, vadkörte, bükk, kőris, tölgy, szil, dió, vörösfenyő, melyeknek testsűrűsége kg/m3), Könnyű fa (fűz, hárs, vadgesztenye, éger, fehér- és rezgőnyár, egyéb fenyők, testsűrűségük kg/m3), Nagyon könnyű fa (kanadai és feketenyár, cédrus, melyeknek testsűrűsége kg/m3). Testsűrűségen minden esetben a 15%-os légszáraz fa nedvességtartalmára vonatkoztatott értékét értjük. A 2. ábrán, erdőszélen tárolt fahasábokat láthatunk Faapríték 2. ábra Erdőszélen tárolt hasábfa A faapríték erdőgazdaságokban készül, speciális aprítógépek segítségével. A kivágott fatörzseket, ill. ágakat darabokra aprítják. A tömör vastag fatörzsből, a levágott ágakból, vagy vékony fiatal fákból nem azonos minőségű faapríték állítható elő, ezért mindegyikhez másfajta aprítógép kell. A faapríték minősége a nedvességtartalomtól, az aprított anyagtól és az aprítás minőségétől függ. A frissen készült apríték nedvességtartalma 50% körül van. Ez nem alkalmas a fűtésre, az aprítéknak száradnia kell. A szárítás részben önszárító folyamat. A halomba rakott apríték belseje egy idő után felmelegszik a benne zajló vegyi és biológiai folyamatoktól. Ez a hő fokozatosan szárítja az 3/9

4 aprítékot. Az így elérhető nedvességtartalom kb 25%, ami már használható érték, ám ennél sokkal kedvezőbb, ha a faaprítékot fedett tároló helyen folyamatosan átkeveréssel, szellőztetéssel kiszárítják, melynek következtében fűtőértéke jelentősen javul. Az apríték minősége attól is függ, mennyi kéreg, levéltömeg és föld keveredik be az aprítás során. Ezek csökkentik az apríték fűtőértékét. Az apríték egyenletes mérete is fontos, ezért mérik, mennyi a portartalom és a mekkora leghosszabb darab, majd ezen adatok alapján kategóriákba sorolják. Minél nagyobbak a méretbeli eltérések, annál nehezebb az anyagot egyenletesen mozgatni és égetni. Az aprítási technika növény fajtánként más lehet, ezért egy bizonyos növény egyáltalán nem biztos, hogy jól aprítható mindenféle géppel. Bizonyos kazánokban csak az 5-25 mm nagyságú faapríték használható. Egyöntetű minőségű apríték látható a 3. ábrán 2.3 Nyesedék, venyige 3. ábra Jó minőségű apríték A termelőknek csak nyűg a begyűjtése és eltüntetése. Ez annyit jelent, hogy a sor végére összegyűjtött levágott gallyakat a szabadban elégetik. A felmérések azt mutatják, hogy az égetés környezetszennyező hatásán túl jókora érték is a lángok martalékává válik. A nyesedék felhasználásának lehetőségei Családi házak egyedi fűtésénél a felhasználás csak akkor gazdaságos, amennyiben rendelkezésre áll a nyesedék tüzelésére alkalmas kazán és a nyesedék szakszerű tárolása megoldott Családi házak központi fűtésénél, hőközpontok létesítése esetén. Ez a nyugati országban már bevált gyakorlat csak akkor terjedhet el hazánkban, ha megszűnik az az ellentmondás, hogy egy bérházi lakás éves fűtési költsége, központi fűtés esetén többe kerül, mint egy kétszer akkora alapterületű szabadon álló családi ház egyedi fűtése. Ilyen árviszonyok mellett reménytelen a lakosságnak a központi fűtés előnyeit ecsetelni. Önkormányzati létesítmények és ipari üzemek kisebb fűtőműveinél jól használható. Ez a hasznosítási forma eszközigényes, mivel meg kell oldani a biomassza begyűjtését, előkezelését, tárolását és a felhasználáshoz speciális, az adott anyaghoz választott kazán szükséges. Biomassza alapú villamosenergia-termelésnél (felhasználva a térség egyéb biomassza forrásait is) 4/9

5 A nagy fajtérfogatú alacsony energiasűrűségű anyagok nehézkes szállítása, tűztérbe juttatása meghatározza a felhasználható mennyiségeket és ezzel együtt a berendezések teljesítmény értékeit. Hasonló a helyzet a szőlőtermelés során keletkezett venyigével is. A venyige energetikai hasznosítása szintén nem megoldott. 2.4 Pellet A mezőgazdasági és erdészeti anyagok tömörítése a pelletálás. Pelletnek nevezzük a körcellás, görgős préseken készített 3-25 mm-es tömörítvény. A tüzelésre szánt nagyobb tömörségű mm-es pellet a tűzipellet megnevezést kapta. A tüzelési célra alkalmas biopellet vagy tűzipellet legfőbb jellemzője a nagy sűrűség, tömörség (1-1,3 g/cm3). A melléktermékekből a biopellet rendszerint kötőanyag nélkül készítik. A fűrészpornak, fenyőfakéregnek, viasznak adalék anyagként való hozzáadása a szalmához javítja a szilárdságot. A tömörségen kívül az alacsony nedvességtartalom az, mely igen kedvező tüzeléstechnikai tulajdonságokat ad a brikettált, pelletált készítményeknek A pellet megújuló bio-fűtőanyag. A pelleteknek két fő fajtája van: Fapellet, amelynek a fa belső tiszta részéből kikerülő fűrészpor, forgács az alapanyaga. Agripellet amely lágyszárú növényekből (szalma, kukorica, energiafű) készül. A két pellet fajtát elsősorban a hamutartalmuk különbözteti meg egymástól. A fapelletnek 1% az agripelletnek 3-10% hamutartalma van. A fapellet drágább fűtőanyag, mivel a világ faállománya fogy, és ezért egyre távolabbról szállítják. Az agripellet olcsóbb, mert helyben megtermő mezőgazdasági terményekből, hulladékokból gyártható. A mezőgazdasági termelés során keletkező növényi anyagok, maradékok, hulladékok préselve, pelletálva kiváló fűtőanyagokká alakíthatóak. A fával ellentétben ezek a növények évente újra megnőnek, learatják, kaszálják őket. A betakarítás során sok por, homok kerül a növényi részek közé ezért az agripellet hamutartalma jóval magasabb, mint a fa tiszta belsejéből készített fapelleté. A fapellet hamuja 1% körül mozog, az agripellet hamuja 3-10%. Az agripelletek égetési tulajdonságai nagymértékben eltérőek a fapellettől. Fűtőértékük is jóval magasabb. Sok esetben célszerű a különböző alapanyagok keverése a jobb préselhetőség miatt. 4. ábra Fapellet 5/9

6 Szállítása, tárolása A pellet jól szállítható, nagyon tiszta fűtőanyag kg-os zsákban, vagy big-bag zsákban a legcélszerűbb szállítani. Szállítható ömlesztve is. A pelletek tárolás során érzékenyek a nedvességre. Különösen az agripelleteknél kell figyelni arra, hogy nagyobb méretű tartályban a pelletekből pár csapódhat a tartály falára, ami később lefolyik a pellet halomba és biológiai erjedési folyamatokat indíthat el. A pelletek tárolása során rágcsálókra számíthatunk. 3. A növényi tüzelés általános kérdései 3.1. A széndioxid mérlegről: A most megtermesztett növényi anyag energetikai felhasználása (elégetése) nem növeli a Föld légkörének széndioxid tartalmát, a biomassza CO2 mérlege semleges. A fosszilis energiahordozók égetésekor a Föld atmoszférájának CO2 tartalma nő. Mindezek mellet fontos lenne, hogy ne rögtön, energetikai hasznosításra gondoljunk. Vagyis ne kerüljön olyan növény tüzelésre, amely élelmiszeripari, takarmányozási, ipari célból sokkal értékesebben használható fel, továbbá ne következhessen be az sem, hogy adott területről több növényi anyag kerüljön ki, mint amit ott a gazdálkodás, talajutánpótlás során pótolni lehet Növényi tüzelőanyagok tüzelés útján történő hasznosítása: égetés, pirolízis. Növényi tüzelőanyagok égéshőjét az éghető kémiai elem komponensek (C, N, H, O, S,.), a szilárd égéstermékeit (lehulló salak, szálló hamu) egyéb elem tartalmuk (Si, Na, K, Ca, Mg.,,), a füstgázokat pedig az éghető kémiai elemeken kívül a tüzelő berendezés technikája szabja meg. Égetés, oxidáció: éghető komponensek és az oxigén mennyiség viszonyának megfelelő biztosítása a szilárd anyagot tartalmazó tüzelőanyag térben. Az égés oxidáció, amely során az éghető anyagok kémiailag kötött energiájának egy része hő formájában szabadul fel. A tüzelőanyagokat legtöbb esetben levegővel (légköri nyomáson) égetik el, eközben gáz-halmazállapotú égéstermék, füstgáz keletkezik. Az égés folyamatában a fizikai tényezők (tüzelőanyag keverés, levegő-hozzávezetés, füstgáz-elvezetés, tüzelőterek kiképzése, tüzelőberendezés fajták stb.) szerepe a kémiai tényezőkkel azonos fontosságú. A tüzelőanyagoknak égési tulajdonság szempontjából éghető és nem éghető összetevői vannak: Éghető összetevők: C, H, S, N. Nem éghető összetevők: O, H 2 O, hamu. 4. Pirolízis fogalma: A szerves anyag tartalmú hulladékok korszerű hőhasznosítási eljárása a hőbontás vagy más néven pirolízis. Ebben a folyamatban a szerves anyagok hő hatására, oxigénszegény vagy oxigénmentes körülmények között vegyileg lebomlanak. Gáznemű és folyékony, és szilárd végtermékek keletkeznek, melyeket energiahordozókként vagy ipari másodnyersanyagként hasznosítanak. A 6. ábrán egy összetett szerves molekula bomlását láthatjuk Szilárd tüzelőanyagok égései folyamata Felmelegedés (<100 C) Száradás ( C) 6/9

7 Ebben a szakaszban a fa hőközlés hatására összezsugorodik, repedések keletkeznek, ami meggyorsítja a száradási folyamatot. Annál több energiát kell felhasználni, minél nagyobb a fa nedvességtartalma. Pirolitikus bomlás ( C; CO, CmHn) A száradást követően, pirolízis során a fa összetevői folyékonnyá válnak, majd elpárologva éghető gázok keletkeznek. A faanyag kb. 83%-a éghető gázokra bomlik, a maradékból faszén lesz. Folyékony és szilárd anyagok elgázosodása (primer levegő + pirolízis gáz, C) Szén elgázosodása Ebben a fázisban, a hevítés során a felszabadult gázok reakcióba lépnek a levegő oxigénjével és hosszú sárga lángokkal elégnek. A visszamaradt faszén pedig rövid kékes lángokkal C-on elizzik Éghető gázok oxidációja (szekunder levegő, C) Tökéletlen égés miatti kibocsátás CO C (korom) C m H n Elégetlen részecskék Tökéletlen égés 2. táblázat Megelőzhető Min. 800 C Légfelesleg tényező> 1,5 Égési zónában töltött idő> 0,5 s 5. Biomassza tüzelők elvi felépítése A biomassza tüzelőanyagok általában nagy mennyiségű % illó éghető anyagot tartalmaznak. Az ilyen anyagok tüzelésekor a tűztérben az illó éghetők, különösen magas C o hőmérsékleten hirtelen szabadulnak fel és vagy elégetlenül távoznak a kéményen, vagy nem kívánatos szennyezőanyaggá (korom, szénmonoxid polyciklikus aromás vegyületek, stb.) alakulnak. Ennek a folyamatnak a megakadályozására és a keletkező gázok tökéletes elégetésére a biomassza tüzelőket úgy alakítják ki, hogy a kigázasodás és a gázok tökéletes elégése külön történjen. A primer tűztérben viszonylag alacsony hőmérsékleten ( C o ) folyik az égés és az anyag kigázasodása. Ezzel elkerülhető az alacsony olvadáspontú salak összeolvadása is. Az éghető és már kiégett gázok a primer tűztérből átkerülnek a szekunder tűztérbe, ahol C o- on tökéletesen kiégnek. (7. ábra) 7/9

8 5.1 A faelgázosító kazán működési alapelve: 7. ábra Hasábfa tüzelésű kazán A fában lévő maradék nedvesség szárítása, elgázosítása (pirolízis) és a könnyen éghető alkotórészek előégetése hagyományos módon a tüzelőanyag-aknában történik. A tüzelõanyag eközben a parázsággyal a rostély helyett egy különleges nyílás felett fekszik. Ezen a nyíláson keresztül levegő hozzáadásával ég lefelé az égés során keletkező gáz. Ez a főégés, aminek a hőmérséklete elérheti az 1100 C-ot. A kékes színű lefelé mutató lángnyelv a gáz égésére hasonlít. Az égéstér kerámiából készül a magas hőmérséklet elviselése céljából. A generátoros változatban a beáramló levegő mennyisége jól adagolható a ventilátor segítségével, így az égés folyamata jobban szabályozott. A hatásfok meglepően jó, 80-90%! Következésképpen az égés minősége annyira jó, hogy csak csekély hamu keletkezik, szennyező anyag is csak igen kis mértékben, tehát kijelenthetjük, hogy a faelgázosító kazán működése környezetbarát. A keletkező hamu is természetes eredetű, ezért nem szennyezi a környezetet. 5.2 Apríték és pellettüzelők Az aprítéktüzelők és a pellettüzelők elvi felépítésüket tekintve megegyeznek. A gyakorlatban az aprítéktüzelők olyan szerkezettel rendelkeznek, ahol a tüzelőanyag meggyulladása előtt kellően kiszárad. Ilyen szerkezet pl. a ferde rostély, gyújtóboltozat stb. (lásd: 8. ábra) 8/9

9 8. ábra Ferde rostélyos aprítéktüzelő A pellet tüzelésnél ilyen szerkezetekre nincs szükség, mivel a pellet homogén méretű a nedvességtartalma szintén homogén és alacsony (10-12 %). Minőségét szabványok rögzítik. A pellet tulajdonságai: Átmérője: 5-16 mm Hossza: 2-4 cm Alapanyaga: fa, mezőgazdasági hulladék, stb. Fűtőértéke: MJ/kg (a gázé: 36 MJ/m3) Szállíthatósága: kg-os zsákokban, vagy ömlesztve A pellet alapanyagai: Fa, fűrészpor Kukorica Szalma Napraforgó Energiafű Korpa Szőlőnyesedék Gyümölcshéj Eltüzelésük és adagolásuk könnyebb, mint az aprítéké, sokszor az aprítéktüzelők, vagy hasábfatüzelők pelletadagolóval kombináltak. 9/9