FÖLDGÁZTÜZELÉSŰ, INJEKTOROS ÉGŐVEL MŰKÖDŐ KAZÁNOK HATÁSFOKÁNAK VIZSGÁLATA

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Energia- és Minőségügyi Intézet H-3515 Miskolc-Egyetemváros, HUNGARY Tel: Fax: UNIVERSITY OF MISKOLC Facultyof Materials Science and Engineering Institute of Energy and Quality Affairs FÖLDGÁZTÜZELÉSŰ, INJEKTOROS ÉGŐVEL MŰKÖDŐ KAZÁNOK HATÁSFOKÁNAK VIZSGÁLATA Diplomamunka Készítette: Balogh Adrienn anyagmérnöki szak, energetika szakirány MSc hallgató Konzulensek: Prof. Dr. Szűcs István, egyetemi tanár Koós Tamás, doktorandusz Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Energia- és Minőségügyi Intézet Tüzeléstani és Hőenergiai Intézeti Tanszék Miskolc május

2 2 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék Bevezetés Kazánok Történeti áttekintés Kazánok osztályozása A kazán funkcionális részei Gázkazánok Injektoros gázégők Injektoros égők előnyei: Injektoros égők hátrányai: A vizsgált kazánok szerkezet A fűtőmodul fontosabb részei A vizsgált kazánok általános jellemzése Kazánok elhelyezésére szolgáló helyiség szellőzése és a füstgázok elvezetése Tüzelésellenőrzés jelentősége, módszerei Égéselméleti számítások A földgáz égéselméleti jellemzői Égéshő és a fűtőérték számítása Levegőtényező Földgáz mintavételezése, összetételének meghatározása A füstgázok jellemzőinek mérése Az üzemi mérések adatai A füstgázmérési adatok A kazánok hatásfoka Összefoglalás Summary Felhasznált irodalom Ábrajegyzék Táblázatjegyzék... 60

3 3 Eredetiségi Nyilatkozat "Alulírott Balogh Adrienn a Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a diplomatervet/szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc, május a hallgató aláírása

4 4 1. Bevezetés A szénhidrogén energiahordozók árának - és ezzel együtt a fűtési költségeknek gyors növekedése miatt különös figyelmet kell fordítanunk a földgáz felhasználás hatékonyságának növelésére és légszennyezők csökkentésére. Az elmúlt két évtized alatt sokféle szerkezetű és hőteljesítményű kazán típust helyeztek üzembe fűtési céllal. Ezek egy része mind szerkezeti, mind gazdaságossági szempontból elavult, kicserélésük mostanában időszerű. Az, hogy melyik berendezést lehet még tovább üzemeltetni, illetve melyeket kell feltétlenül korszerűbbre kicserélni, energetikai és légszennyezési mérésekkel célszerű eldönteni. Diplomamunkám témája ezért, az injektoros égőkkel üzemelő, földgáztüzelésű, központi fűtési célú kazánok energetikai jellemzőinek vizsgálata. Kutatómunkám során a 3C Telecom Kft.-nek a Budapest Sopron ú. 19. sz. telephelyén üzemelő, kw hőteljesítményű kazánjainál, május 28-án, végeztünk méréseket a füstgáz veszteség és a hatásfok meghatározása céljából. A füstgáz legfontosabb jellemzőit kémiai összetételét és hőmérsékletét korszerű, Horiba gyártmányú, PG 250 típusú füstgáz elemző műszerrel határoztuk meg. A mérési adatok és az égéselméleti, valamint energetikai számítások eredményei alapján viszonylag nagy eltérést tapasztaltam az egyes kazánok működési paramétereinek különösen a levegőtényezőnek és a füstgáz veszteségének az értékében. Az általam alkalmazott mérési és vizsgálati módszerrel egyértelműen ki lehetett deríteni melyek azok a kazánokat, amelyek működtetése ma már gazdaságtalan.

5 5 2. Kazánok Kazánnak nevezzük azt a berendezést, amely tüzelőanyag oxidációjával, vagyis elégetésével felszabadítja a tüzelőanyag kötött kémiai energiáját, és a keletkezett hőt hőhordozó közeg felmelegítésével vagy halmazállapotának megváltoztatásával hasznosítja. Azt a berendezést, amelyben égés nem játszódik le, más berendezésből (pl.: gázturbina) érkező forró égéstermék hőjét hasznosítja, hőhasznosító kazánnak nevezzük Történeti áttekintés A hőigények kiszolgálása egészen a 18. századig kizárólag egyedi hőfejlesztőkkel történt. Kazánokat csak az ipari forradalom kezdeteitől kezdve, a gőzgépek megjelenésével kezdődően kezdtek építeni. Az első gőzkazánt Papen szabadalmaztatta 1696-ban, amely egy sörfőző üstből átalakított atmoszférikus gőzkazán volt. James Watt 1781-ben alkotta meg az első gőzgépét A kazánépítés fejlődésében nagy szerepet játszott a 19. század végétől kezdődően a villamosenergia-termelés elterjedése ben Jedlik Ányos feltalálja a dinamót az első turbina, megalkotója Carlagustav Laval Nagyon sokáig a kazán egyértelműen csak gőzkazánt jelentett. Más rendszerű, pl.: melegvíz-, kazánok döntően a központi fűtési rendszerek, illetve a távhőellátás elterjedésével együtt hódítottak teret. Napjainkig a kazánok jelentős fejlődésen mentek keresztül, és számtalan különböző típusú konstrukció megtalálható a különböző funkciók ellátására. Ez azonban nem jelenti azt, hogy állandóan változó világunkban ez a terület kimaradna a változásokból. Újabb és újabb ipari technológiák új vagy módosított konstrukciójú kazánokat igényelnek, illetőleg a napjainkban használatos rendszerekkel szemben is egyre szigorúbbak a hatásfok és környezetvédelmi kívánalmak.

6 Kazánok osztályozása A kazánok osztályozása többféle szempont szerint történik. A kazánkonstrukció pontos meghatározásához mindegyik szempont szerint be kell sorolni. Bizonyos megoldások meghatároznak más szempont szerinti megoldásokat, így sokszor annak egyértelműségét feltételezve a meghatározásoknál nem térnek ki minden részletre. Tüzelőanyag szerint: - szilárdtüzelésű: szén (antracit, barnaszén, tőzeg), fa (tüzifa, energia növények), hulladék (fahulladék, kommunális, ipari, mezőgazdasági, veszélyes), - olajtüzelésű: tüzelőolaj, fűtőolaj, pakura, - gáztüzelésű: földgáz, Propán-bután gázok, mesterséges gázok (kohógáz), hulladékból (biogáz). Tüzelőberendezés típus szerint: - szilárdtüzelésű: rostélyos (fix, sík vagy ferde; mozgó, előtolós, vándor, stb.; alátolós), porbefúvós, fluidizációs, - olajtüzelésű: elpárologtatós, túlnyomásos ( nyomásporlasztásos, forgóserleges, segédközeges porlasztásos), - gáztüzelés: atmoszférikus részleges előkeveréses, túlnyomásos turbulens diffúziós. Alkalmazott hőhordozó közeg szerint: - füstgáz, - levegő, - melegvíz / forróvíz, - gőzös (telített / túlhevített), - termoolaj. Hőhasznosító konstrukció szerint: - nagy(víz)terű lángcsöves, füstcsöves, - (víz)csöves,

7 7 - egyéb- öntöttvastagos, lemezes, alumínium. Hőhasznosító oldali áramlástípus szerint: - természetes keringésű (cirkulációs), - mesterséges keringetésű, - kényszeráramlású. Füstgázoldali nyomás szerint: - depreszziós (korábba n általánosan alkalmazott), - túlnyomásos (csak gáztömör hőhasznosító és tüzelőberendezés esetén) A kazán funkcionális részei Kis teljesítményű berendezések esetében több segédberendezés is bekerülhet a kazánon belülre, míg a nagyteljesítmányű berendezések esetén bizonyos részek (pl.: az égéslevegő ventilátor) kikerülhetnek onnan. Tüzelőberendezés: Alapvető funkciója az égés, mint oxidációs folyamat megindítása és lefolytatása. A tüzelőberendezés feladatai: o A tüzelőanyag reakcióra való előkészítése és bejuttatása a tűztérbe. o A tüzelőanyagmennyiség szabályozása a teljesítményigénynek megfelelően. o A levegő, mint oxidálószer a tüzelőanyaghoz való hozzávetése, megfelelő keveredés biztosításával. Esetenként a megfelelő tüzelés érdekében a teljes égéslevegő mennyiséget részekre osztják, és különböző helyeken vezetik be. A gyulladás előtti levegő hozzávezetést primer-, míg az égéshez történő levegő hozzávetést szekunder levegőnek nevezik. o A levegőmennyiség szabályozása a mindenkori bejutatott tüzelőanyag mennyiségnek megfelelően, a megfelelő légfeleslegtényező biztosítása érdekében. o A reakció beindítása, gyújtás.

8 8 o A kémiai reakció folyamatos fenntartása. o Teljes és a lehető legtökéletesebb égés biztosítása. o Alacsony károsanyag emisszió. o biztonságos és a lehetőségek szerint automatizált üzem. Tűztér tüzelőtér: A tűztérnek a reakcióteret nevezzük, ahol az égés, vagyis a kémiai reakció zajlik. A tűztér funkcionális része a tüzelőberendezésnek. A tüzelőberendezés tűztér nélküli részét égőnek nevezik. Nagyon lényeges az égő és a tűztér kölcsönhatása, a megfelelő tüzelési paraméterek eléréséhez a kettőnek összhangban kell lennie. A tűztér kialakításának segítenie kell a reakció lefolyását, és elegendő helyet kell biztosítson az égés befejeződéséhez a tűztérben, valamint füstgáz recirkuláció és visszasugárzás segítségével segítenie kell a láng stabilizálását. A tűzteret általában körülveszi a hőátadó rész, így a tűztér része a hőhasznosítónak is. Kivételt képez, amikor a tüzelés hőálló falazattal körülvett, hűtetlen térben történik, ilyenkor ezt előtét tüzelőberendezésnek nevezik. Tűztéri nyomásviszonyok: A tűztéri nyomásviszonyokat tekintve alapvetően kétféle tűzteret különböztetünk meg: depressziós, túlnyomásos Depressziós: A tűznyomásnak mindenkor a környezeti levegőnyomás alatt kell lennie. A tűztérben depresszió tartására a nem gáztömör tűzterek esetében van okvetlenül szükség, a füstgáz kiszökésének meggátolása érdekében. Nagymértékű tömörtelenség esetén a szabályozatlanul beszökő, un. hamislevegő jelentős mértékben rontja a tüzelési paramétereket, és a kazánhatásfokot. A depressziót a kéményhuzat vagy füstgázventillátor biztosíthatja. A régebbi kazánkonstrukciók csaknem kizárólag depressziós tűzterűek voltak. Túlnyomásos: Ebben az esetben a tűztérben a környezetinél magasabb nyomás uralkodik. Ilyenkor a tűztérnek és a füstgázhuzamoknak a környezettől gáztömören (hermetikusan) zártnak kell lennie, a füstgázkiáramlás megakadályozása érdekében. Itt tehát a betörő hamislevegő nem rontja a kazánhatásfokot. Többek között ezen indokok miatt is napjainkban egyre inkább túlnyomásos tűzterű kazánokat építenek. Égéslevegő ellátás: Az égéslevegő ellátásának alapvetően kétféle módját különböztetjük meg:

9 9 Természetes levegőellátás: Erre csak depressziós tűztér esetén van lehetőség. Az égéslevegő a megfelelő keresztmetszetű nyílásokon keresztül, a környezetinél alacsonyabb nyomáshatására áramlik a tűztérbe. Mesterséges levegőellátás: Ebben az esetben a levegőt mesterségesen, ventillátorok segítségével vezetjük a tűztérbe. Depressziós tűztér esetén is lehet ezt a megoldást választani, túlnyomásos tűztér esetén azonban csak így lehetséges az égéslevegő biztosítása. Többlépcsős (primer/szekunder) levegőbevezetés esetén alkalmanként külön-külön ventillátorokat alkalmaznak. Hőhasznosító: A hőhasznosító rész feladata az égés során végbemenő kémiai reakciók által felszabadított hőmennyiség hasznosítása. Az égés befejeződése után a felszabadult hő a füstgázban marad. A cél a füstgáz minél jobb lehűtése, a hőhordozó közeg felmelegítésével, illetve esetenként az égéslevegő előmelegítése által is. A hőhasznosító egy megfelelően kialakított hőcserélő a fenti feladat ellátására. A hőcsere kétféle fizikai jelenség alapján történik: - A tűzteret körülvevő hőhasznosító rész döntően a láng sugárzással átadott hőjét veszi fel. - A továbbiakban a hőhasznosítás konvekciós úton az un. konvektív felületeket történik. Amennyiben a hőhordozó közeg levegő, meleg-/forróvíz, illetve termoolaj, akkor a hőhasznosítóban nincs fázisváltás, csak közeg felmelegítés történik. Gőzkazánok esetén a hőhasznosító felületek hőhordozó oldalról is részekre osztható: Tápvízelőmelegítő: Az a hőcserélő szakasz, ahol a belépő közeg telített víz állapothoz közeli hőmérsékletre hevítése történik. Ezt a hőcserélő szakaszt (angol szakkifejezésből eredően, amely a felület beépítése által elérhető magasabb kazánhatásfokra utal), economiser -nek, vagy röviden eko -nak nevezik. Előgőzölögtető: Azokat a felületeket ahol fázisváltás, azaz elgőzölés, másnéven forrás történik nevezzük elgőzölögtető felületnek. Túlhevítő(k): Azokat a felületeket ahol a gőzt a telítési hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletre hevítik, nevezzük túlhevítőknek. A többes szám arra utal, hogy jelentős mértékű túlhevítés esetén ez több sorbakapcsolt hőcserélő szakaszban valósul meg.

10 10 Szintén ide sorolhatók az u.n. újrahevítők, amely hőátadó felületek a gőzturbinában már alacsonyabb nyomásra expandált gőz újrahevítését végzik. Levegő előmelegítő: A levegő előmelegítőben az égéslevegő előmelegítése történik. Ezt a hőcserélő felületet szokás Luvo -nak is nevezni, amely egy német szakkifejezés (Luftvorwärmer) rövidített alakja. A hőhasznosító felületek elrendezésére és kialakítására a termodinamika hőcserélőkre vonatkozó törvényeit kell alkalmazni. Néhány speciális tényezőt azonban figyelembe kell venni. Ilyenek az elpiszkolódás, füstgáz kondenzáció, fűtőfelületek elrendezése, tisztítás. Elpiszkolódás: Jól beállított gáz- és olajtüzelés kivételével minden más esetben a füstgáz magával visz több, kevesebb szilárd részecskét, amelyek a felületeken lerakódhatnak, lerontva ezzel a hőcserélő hatásfokát, és lezárva a füstgázkeresztmetszet egy részét. Emiatt kerülni kell a nagyon szűk keresztmetszeteket, valamint gondoskodni kell a felületek tisztíthatóságáról, illetve öntisztulásáról. Koksz és korom bármilyen tüzelőanyag esetén lehet a füstgázban, főként ha a tüzelőberendezés üzeme eltér az optimálistól. Szálló pernye csak szilárd tüzelés esetén található a füstgázban. A tüzelőanyagtól és a tüzelési módtól függően a pernye viselkedése jelentős eltéréseket mutathat. E vonatkozásban főként a szemcsenagyság és az összetapadási hajlam a lényeges jellemzők. Füstgáz kondenzáció: A füstgázban a tüzelőanyagfajtájától függő mennyiségben vízgőz található, valamint különböző oxidok a vízgőzzel reagálva savakat képeznek. A füstgáz lehűlésével a savtartalmú vízgőz a koncentrációtól függően különböző hőmérséklettartományokban kondenzálódik. A füstgázban a kondenzáció általában ºC-os hőmérsékleten kezdődik meg. A kondenzáció során keletkezett savak korróziós problémákat okozhatnak. Fűtőfelületek elrendezése: A fűtőfelületek elrendezésére a leggazdaságosabb és energetikailag a legkedvezőbb megoldás az ellenáramú kapcsolás, ill. elrendezés. Ez a megállapítás a kazántechnikában is igaz, azonban helyenként más tényezők korlátozzák ezen elv alkalmazhatóságát. A leglényegesebb korlátot általában a

11 11 beépített anyagok hőállósága, vagy melegszilárdsága jelenti. Füstgáz oldalról a legmagasabb hőmérsékletű hely a tűztér. Ha tisztán ellenáramú hőcserélőt akarnánk megvalósítani, akkor a hőhordozó közeg kilépés előtti felületeit kellene ide elrendezni. A melegszikárdsági korlátok miatt azonban ez nem valósítható meg gazdaságosan. Ezért például a gőzös esetben a tűzteret általában elgőzöltető felületek övezik, amely kettős előnnyel jár. Egyrészről az elgőzöltetési hőmérséklet általában alacsonyabb, mint a kilépő hőmérséklet. Másrészről hőfelvevő oldalról a rendkívül magas forrásos hőátadáási tényező révén a hőátadó rész falhőmérséklete még igen nagy hőterhelés esetén sem lépi túl jelentősen a telítési hőmérsékletet, megvédve ezzel az anyagot a túlhevüléstől. Léghevítők esetén, ahol a füstgáz- és a levegőoldali hőátadási tényezők azonos nagyságrendűek, általában csak tisztán egyenáramú kapcsolással kerülhetők el a káros túlhevülések. Tisztítás: A kazánok hőhordozó közeg oldalát tisztán kell tartani, valamint a hőhordozó közeg oldott anyag koncentrációját is a megfelelő értéken tartani. Ez utóbbira a gőzkazánok esetében van szükség, ahol a gőzben nagyságrenddel kisebb oldottanyag távozik a kazánból, mint ami oda a tápvízzel érkezik, így az u.n. kazánvíz besűrűsödik, ami egy bizonyos határon túl működési zavarokat okozhat. A megfelelő koncentráció beállítását bizonyos mennyiségű kazánvíz leeresztésével lehet biztosítani. Ezt a folyamatot a leeresztési helytől függően lelúgozásnak és leiszapolásnak nevezik. Lelúgozás esetében az enyhén lúgossá váló vízszint közeléből vezetik el folyamatosan a kazánvizet. Leiszapolásnak a kazán alsó részéből szakaszosan elvezetett kazánvízmennyiséget nevezik. Kiegészítő, segédberendezés rendszerek: Tüzelőanyag előkészítő és ellátó rendszer: Feladata a tüzelőanyag esetleges tárolása és az ellátórendszerhez való kapcsolódás biztosítása, valamint a tüzelési teljesítménynek megfelelő tüzelőanyag mennyiség tüzelőberendezéshez juttatása, továbbá az alkalmazott tüzelőberendezéstől függően a tüzelőanyagnak a tüzeléshez való részleges vagy teljes előkészítése. Az előbbieken tüzelőanyagtól függően mást és mást kell érteni.

12 12 o Gáznemű: Földgáz: A tüzelőanyagellátást az országos ellátóhálózathoz kapcsolódva lehet biztosítani, a maximális vételezési mennyiséghez igazodva. A szolgáltatott gáz minőségére, összetételére és fűtőértékére szabványjellegű előírások vonatkoznak. Propán-bután gáz / PB gáz: Cseppfolyósított formában kifejezetten erre a célra épített, és megfelelő biztonsági szerelvényekkel ellátott tartályban tárolható. A gáznyerés relatív kis teljesítményigény esetén a tartályból az elpárolgott gázfázisból történik, míg nagyobb teljesítmény esetén a gázt folyadékfázisban lefejtve, majd egy fűtött elpárologtató berendezésen keresztül vezetve történik. A gázfázisban történő lefejtés esetén a tartályban létrejövő sűrűség szerinti rétegződés miatt eleinte propánban dús, a kiürülés előtt pedig butánban dús gázkeveréket kapunk. Folyadékfázisban történő lefejtés esetén közelítőleg az átlagos keverékaránynak megfelelő gázkeverék nyerhető folyamatosan. Egyéb gáz (pl.: kohógáz, bio-gáz): Ezekben az esetekben a tüzelőanyag valamilyen technológiai folyamathoz kapcsolódóan áll rendelkezésre. Ilyenkor a technológiai folyamat és a hőtermelés összhangját kell biztosítani. A szállítás a gáznemű tüzelőanyagoknál csővezetéken át történik. Az előkészítésen csak az esetleges szennyeződések (por vagy nedvesség) kiszűrését, ill. az égő előtti megfelelő gáznyomás beállítását kell érteni. Azonban a robbanásveszély elkerülése érdekében az alkalmazott szerelvényekre fokozott minőségi és biztonságtechnikai előírások vonatkoznak. o Folyékony: A folyékony tüzelőanyagokat kifejezetten erre a célra épített és megfelelő biztonsági szerelvényekkel ellátott tartályokban kell tárolni. A tárolt mennyiségnek a fogyasztási teljesítményéhez és a szállítás gyakoriságához kell igazodnia. A tüzelőberendezéshez szállítás ebben az esetben is csővezetéken történik. Folyékony tüzelőanyagok esetében szintén szükség van a szennyezőanyagok és a nedvesség kiszűrésére. A továbbiakban a folyadék megfelelő porlasztásához (elpárologtatásához) magas nyomásra van szükség, amelyet megfelelő szivattyú beépítésével lehet biztosítani. Továbbá az előkészítő rendszer feladata, hogy biztosítsa a szivattyúzáshoz és az

13 13 elpárologtatásához szükséges, megfelelően alacsony folyadék viszkozitást, amelynek eltüzeléséhez a tüzelőolajnál nehezebb párlatokat kisebb-nagyobb mértékben fel kell melegíteni. o Szilárd: A felhasználás előtt a tüzelőanyagot erre a célra kialakított tárolóban kell tartani. Szabadtéri tárolás esetén számolni kell a tüzelőanyag csapadéktól való átnedvesedésével, téli időben pedig összefagyásával. Hosszabb időn keresztül fedett helyen való tárolás esetén pedig a tüzelőanyag száradását figyelembe kell venni. A tárolt mennyiségnek a fogyasztási teljesítményhez és a szállítás gyakoriságához kell igazodnia. A tüzelőanyag szállítása főként a mérettartománytól függően különböző lehet. Porszerű mérettartomány esetében lehetőség van a pneumatikus úton csővezetéken történő szállításra. Egyéb esetben pedig többféle anyagszállító rendszer is szóba jöhet, a tüzelőanyag átlagos mérettartományához alkalmazkodva, mint pl.: szállítószalag, bordás szalag, rédler, szállítócsiga, stb. A tüzelőanyag előkészítése legtöbbször mérethomogenizálást, minőséghomogenizálást, aprítást és rostálást jelent. Ha lehetséges, előnyös a szennyezőanyagok kiszűrése is. Egyes anyagok pl.: fémdarabok, föld) súlyos problémájat okozhatnak az ellátórendszerben vagy tüzelés közben. Bizonyos esetekben a szállító-aprító rendszer a tüzelőanyag előmelegítését és előszárítását is elvégzi, javítva ezzel a tüzelőanyag gyulladási és égési képességét. A tüzelőanyagok előkészítéséhez szükséges hőt általában a kazánok biztosítják. Füstgáz tisztító berendezések: A szigorodó környezetvédelmi előírások betartása és környezetünk megóvása érdekében egyre több esetben füstgáz szűrő, vagy tisztító berendezést kell a kazán után kapcsolni. Legelterjettebbek a szálló pernye leválasztására beépített szilárdanyag leválasztók. Füstgázelszívó ventilátor: Az utóbbi időkben a kazánfejlesztések tendenciája az adott teljesítményt kisebb méretben megvalósító berendezések felé haladt, amelyet A nagyobb gázsebességek révén kialakuló fokozottabb hőátadással értek el. ennek az ára azonban a nagyobb áramlási ellenállás, amelyhez már kevés a kémény által létesített huzat. Ha a kazánhoz füstgáztisztító is csatlakozik, általában ennek az áramlási

14 14 ellenállása akár többszörösen is meghaladhatja a kazán füstgázoldali ellenállását. Így az ellenállás legyőzésére ventilátor beépítése szükséges. Hőhordozó közeg rendszer: Keringtető-/tápszivattyú: A hőhordozó közeget szivattyú (levegő esetén ventilátor) szállítja a kazánba. Meleg-/forróvíz és termoolaj esetében, ezt keringető szivattyúnak hívják, és a kazánellenálláson kívül a teljes vagy bizonyos részrendszer ellenállását is le kell győznie. A szállított mennyiségnek a kazán hőteljesítményéhez és a hőmérsékletlépcsőhöz kell igazodnia. Gőzkazánok esetében tápszivattyúnak hívják, amely a gőztermelésnek megfelelően táplálja a vizet a kazánba. A szivattyú által előállított nyomásnak a kazán üzemnyomásánál nagyobbnak kell lennie. Puffer-/táptartály: A hőhordozó közeg térfogata a hőmérséklet emelkedésével növekszik (hőtágulás). A rendszer tágulásából adódó térfogatnövekedést a puffertartály veszi fel, ezért ezt meleg-/forróvizes rendszereknél tágulási tartálynak nevezik. Hőhordozó közeg előkészítő rendszer: A hőhordozó közegeket az alkalmazáshoz elő kell készíteni. A minimális előkészítés a szőrés, azaz a mechanikai szennyeződések eltávolítása. A legáltalánosabban használt víz esetében ezt lágyítani, sótalanítani kell [18, 24, 25] Gázkazánok Napjaink legelterjedtebb lakossági fűtőberendezése a gázkazán. Az új építésű társasházak szinte kizárólag gázfűtést alkalmaznak, de a magánházak jelentős részét is gázkazánok segítségével fűtik fel. A gázkazán földgázzal működő fűtőberendezés, a fűtőanyagot hálózati gázvezetékről kapja. Gázvezetékkel ellátott utcákban telepítése viszonylag egyszerű. A gázfűtés rövid története A földgázt Amerikában a XIX. Század végén kezdték el alkalmazni fűtési célokra. Európában az 1950-es években kezdett elterjedni. Magyarországon a lakosság körében való alkalmazása a 70-es, 80-as években vált gyakorivá, amelyben nagy szerepe volt a FÉG

15 15 gázkazánjainak. A 90-es évektől a földgáz lakossági térnyerése új lendületet vett, mivel az új építésű társasházakat szinte kizárólag földgázüzemű kazánokkal szerelték fel. Előnyei: nincs szükség a tüzelőanyag tárolására a gázárak emelkedése ellenére még mindig olcsóbb, mint a villanyfűtés viszonylag könnyen szabályozható a felhasznált gázmennyiség a gázfűtéses lakás könnyen felfűthető a fa- és széntüzeléshez képest kevesebb füstgáz kerül a levegőbe, így környezetkímélőbb A gázkazánok típusai: Nyílt égésű gázkazánok: A régebbi típusú kazánok nyílt égésterű technológiát alkalmaztak. Ennek lényege, hogy a láng közvetlenül érintkezik a helyiség levegőjével, az égéshez szükséges oxigént a lakás légteréből nyeri, a keletkező füstgáz pedig a kéményen keresztül távozik. Legkönnyebben onnan ismerhető fel, hogy gyújtónyílás van az elején. Zárt égésű (turbós) gázkazánok: Szinte minden újabb típusú gázkazán zárt égésterű. Ennek a lényege, hogy az oxigént egy külön erre a célra szolgáló csövön keresztül házon kívülről, a környezetből nyerik, amely elősegíti a minél biztonságosabb technológia elérését: ugyanis, ha a kazán nem kap elég oxigént, akkor tökéletlen égés jön létre, amely akár légúti panaszokhoz vezethet. Kondenzációs gázkazánok: Hagyományos gázkazánok esetén a hő egy része a füstgázzal együtt elillan. A kondenzációs kazán technológia segítségével ez a többlet fűtőérték (rejtett hő) is kihasználható, így mintegy 11%-kal nagyobb hatásfok érhető el. Elsősorban alacsony fűtéshőjű rendszereknél (padlófűtés, falfűtés) ajánlott a használata, ugyanis ezeknél érhető el a legnagyobb megtakarítás. A kondenzációs kazánok minden tekintetben megfelelnek a legújabb környezetvédelmi előírásoknak is [19].

16 16 3. Injektoros gázégők Mivel az általam vizsgált kazánok injektoros égővel üzemelnek, ebben a fejezetben ismertetem a rájuk jellemző tulajdonságokat. Az IP típusú, azaz belsőkeveréses párhuzamos sugarú égők zárt sugarat és rövid lángot biztosítanak [1, 17]. Ennek kis impulzuserejű változatukat, az injektoros égőket igénytelenebb, kis teljesítményű kemencéken és kazánokon használják. Előnyük, hogy az égési levegőt a tüzelőanyag áramlási energiája injektálja a tűztérbe. Az ilyen égők lángja a jó belső keverés miatt rövid. A gyakorlatban alkalmazott injektoros égőket a gáz nyomása szerint három fő csoportra szokás osztani: - Kis nyomású injektoros gázégő p g < 5 kpa - Közepes nyomású injektoros gázégő 5 kpa < p g < 50 kpa - Nagynyomású injektoros gázégő 50 kpa < p g A kisnyomású injektoros égők alkalmazási területe csak periférikusan ipari jellegű, széles körben elterjedt laboratóriumi égőként, háztartási tűzhelyek és kályhák, vízmelegítők és kisebb gőzfejlesztők, valamint a kisebb teljesítményű szárítók fűtésére. Kisnyomású injektoros gázégőknél a rendelkezésre álló alacsony gáznyomás, amely ipari hálózatoknál 5 kpa, kommunális hálózatoknál 2,5 kpa nem teszi lehetővé az égéshez szükséges teljes levegőmennyiségnek az égőn keresztül a tűztérbe juttatását. Ezért ezen berendezéseknél az égőn keresztül csak 0,3-0,6 levegőtényezőnek megfelelő levegő előkeverés biztosítható, az égéshez szükséges további levegőmennyiséget a láng ejektáló hatása, valamint a kémény huzat szívja be a tűztérbe az égőtől függetlenül kialakított réseken. Középnyomású injektoros égőknél a rendelkezésre álló gáznyomás már elegendő energiát biztosít a gázsugár számára ahhoz, hogy az égéshez szükséges összes levegőmennyiséget az égőn keresztül juttassa a tűztérbe. Ezen égők többsége a teljes levegő előkeveréssel 1,05-1,1 levegőtényezővel működnek. Az injektoros égők alapvető előnye, hogy a levegő külön ellátási rendszert nem igényel, hátránya viszont a kis szabályozhatóság és a nagy, főleg hosszirányú szerkezeti méretek.

17 Injektoros égők előnyei: levegőellátó rendszer költségei (ventilátor, csövek, szelvények, elektromos berendezések) megtakaríthatók, levegőellátás nem igényel külön energiát, levegő kimaradást jelző automatikára nincs szükség, a levegőtényezőt stabilan tartják, egyszerű kezelés, karbantartás, üzemeltetés nem igényel különleges felügyeletet és szakértelmet, működési tartományban jól tartja a gáz levegő arányt, gyors beüzemelés, ára, beruházási költsége a legkisebb Injektoros égők hátrányai: a levegőtényező függ a tűztér nyomásának ingadozásaitól, turbinás és akusztikus égők kivételével kicsi (2-3) a szabályozási tartományuk, turbinás égők kivételével a lánghossz nem változtatható csak a levegőtényezővel ( tökéletlen égés), turbinás égők kivételével hosszú méretűek, a láng alakja nem befolyásolható, levegő előmelegítés nem lehetséges, a megfelelő injektálási együttható gondos belső felületi megmunkálást igényel.

18 18 4. A vizsgált kazánok szerkezet Az 1. ábrán szeretném bemutatni az általam vizsgált kazánok egymáshoz képesti és térbeni elhelyezkedését Működő kazánok füstgáz vezetéke Üzemképtelen kazánok Bejárati ajtó Földgáz bevezetés 1. ábra. A kazánok elhelyezkedésének vázlatrajza Jelölések: 1, 2, 3, 4, 5, 6 Vizsgált kazánok; 7 Kazánház légellátó egysége; 8, 9 Visszatérő hidegvíz; 10, 11 Előremenő melegvíz ; 12, 13 Füstgáz kémény; 14 Gáz szellőztető

19 19 Az AF 105 modulkazán, lakótelepek, középületek, ipari épületcsoportok központi fűtési, használati melegvízellátási igényét zárt és nyitott rendszerben teljesen automatikus üzemvitel mellett külön-külön és együttesen is biztosítani tudja. Az 2. ábrán a fűtőmodul látható zárt ajtó állásnál, valamint a nyitott állásnál, amelyen jól megtekinthető a három kazán egymás feletti elhelyezkedése. 2. ábra: A fűtőmodul zárt és nyitott ajtóállásnál A kazántelep a kellő ellenőrző tartozékokkal, hőmérséklet- és nyomásmérővel, fűtővíz és használati melegvíz hőmérsékletszabályozóval, az összes hőmérséklet és nyomásbiztosító berendezéssel felszerelt készülék. A fűtőmodulok által felmelegített víz hőmérséklete maximálisan 85 ºC értékre állítható. A kis egységteljesítmények fokozzák a hőellátás biztonságát, szükségtelenné teszik a tartalék-kapacitás beépítését. A kazántelephez csak a fűtési előremenő és visszatérő vezeték, a hidegvíz vezeték, a használati melegvízhálózat, a cirkulációs vezeték, a gáz- és elektromos vezeték csatlakozását, valamint az égéstermék elvezetés csatlakozását kell megtervezni illetve kiépíteni. A berendezést bemért, beszabályozott állapotban szállítják a helyszínre, ahol

20 20 csak a szükséges csatlakozásokkal kötik össze, majd a rendszer vízzel történő feltöltése után üzemkész A fűtőmodul fontosabb részei Gyűjtó-elosztó cső: a modul alján helyezkedik el, s melegítendő víz halad benne. A hárompontos hőmérséklet szabályozó a vezérlő dobozba van szerelve a készülék alján. A szabályozó érzékelője a gyűjtó-elosztó csőbe nyúlik és az ott érzékelt vízhőfoknak megfelelően ki- vagy bekapcsolja az égőket a szivattyúk kapcsolásán vagy leállításán keresztül. Az égő leállása után a vezérlő automatika mintegy 20 mp-ig félfordulaton járatja a szivattyút, ezáltal elszállítja a kazánban lévő hőt. A hőmérséklet szabályozó szabályozási tartománya +30-tól +85 ºC, az egyes égőket egymástól 5 K (5 ºC) hőmérséklet-különbségre kapcsolja. Vezérlő doboz: magába foglalja a hőmérséklet-szabályozót és a vezérlő automatikát, fogadja a tápfeszültséget és elosztja a szivattyúk felé, amit az előlapon lévő kapcsolókkal lehet megszakítani. Szivattyú: függőleges felszálló vezetékhez csatlakozik, üzemelés közben ezen keresztül szívja a vizet a gyűjtó-elosztó csőből és nyomja át a kazánon, felmelegedve vissza a gyűjtóelosztó csőbe. A nyomóágba visszacsapó szelep van beépítve, mely a szivattyú üzemen kívüli állapotában megakadályozza a melegvíz kazánon való átáramlását és így a hőveszteséget. Vízáramlásbiztosító: vízterei a kazán előtti, illetve utáni csőszakasszal vannak összekötve, így a szivattyú működése esetén a két víztér közti nyomáskülönbség a membránra hatva nyitva tartja a gázszelepet. A szivattyúk leállásával a nyomáskülönbség megszűnik, a gázszelep lezár, az égő kialszik. Gázarmatúra: a gáz útját szabaddá tevő, illetve elzáró és a gáz mennyiségét szabályozó szerkezet, mely termoelektromos égésbiztosítóval van ellátva. Szabályozója a csatlakozási nyomás megengedett ingadozása esetén is a beállított értéken tartja a gázmennyiséget. Gázkimaradás esetén a termoelektromos égésbiztosító lezár és csak külső beavatkozással lehet újraindítani a kazánt. A gázszelepház földgázra van beállítva.

21 21 Égő: a gázszelepházból a gáz az égőbe jut, ahol az elosztón és a fúvókákon keresztül áramolva az égőelemekben keveredik a levegővel és az égéstérben elég. A gázelosztón az égőnyomás mérésére szolgáló mérőcsonk van beépítve. Kazán: az elégetett gáz hőenergiáját hasznosítja. Az égőtér szálkerámiás szigetelésű aluminizált lemezből készül. A biztonsági hőmérséklet-határoló a kazán mellett elhelyezett hőmérséklet-határoló a láng vagy égéstermék kiáramlás következtében reteszelten elzárja a gáz útját az égő felé, úgy hogy a kazán károsodását megakadályozza. Gázelosztócső: fogadja a modulba érkező gázt és táplálja a függőleges elosztócsövön és gömbcsapon keresztül az égőket. Gömbcsap: a kazán előremenő és visszatérő csonkjához beépített elzáró szerelvény, mely a kazán egyszerű, gyors cseréjét segíti elő. Légtelenítő: Automatikus légtelenítő van beépítve a felszálló és leszálló vízcsövekben, a vízből kiváló levegő eltávolítására. Füstcsatorna: a modul hátoldalán helyezkedik el. A kazánokon átáramló égésterméket gyűjti össze és vezeti el. Áramlásbiztosító: a füstcsatorna meghosszabbítását képezi. Feladata, hogy a kéményből esetlegesen visszaáramló égésterméket ne engedje az égéstérbe torlódni. Ajtó: dekoratív külsőt adnak a modulnak, könnyen hozzáférhetővé teszik a szerkezeti elemeket. Gyorsan leszerelhetők. A fűtőmodulnak tüzeléstechnikai szempontok miatt csukott ajtóval kell működni. Véglemez: külön tartozék, a modul egyedik vagy csoportos, nem VESTALE-rendszerben történő elhelyezése esetén kerül felszerelésre az összeállítás két végén. Szerepe az ajtóhoz hasonló, esztétikai és tüzeléstechnikai célból kerül felszerelésre.

22 22 Huzatérzékelő: a kémény eltorlaszolása (huzat elégtelensége) esetén kikapcsolja a modult. Biztonsági nyomáshatároló szelep: a modulhoz mellékelt rugóterhelésű szelep a víznyomás rendellenes növekedésekor lép működésbe, leereszti a felesleges vízmennyiséget, amit csak zárt fűtési rendszereknél szükséges beépíteni. Hőmérséklet-határoló kapcsoló: a kazán előremenő vízcsövére szerelt, a termoáram körébe iktatott kapcsoló, mely a fűtővíz túlmelegedése esetén reteszelten zárja a gáz útját. [4]. A kazánszekrény elölnézeti fényképét és sematikus vázlatát az 3. ábrán szemléltetem, a legfontosabb szerkezeti részek bejelölésével, valamint a 4. ábrán látható a kazán belső szerkezetének a főbb elemei.

23 23 3. ábra: AF-105 típusú kazánszekrény főrészeinek oldalsó vázlata [4] és elölnézeti fényképe 1- Víz gyűjtő- elosztó cső 2- Hidegvíz bekötő cső 3- Szivattyú 4- Visszacsapó szelep 5- Vízáramlás távadó 6- Hőcserélő 7- Égő 8- Füstcsatorna 9- Kapcsoló 10- Visszatérő hőfok termisztor 11- Előremenő hőfok- kijelző termisztor 12- Biztonsági szelep 13- Melegvíz bekötőcső 14- Légtelenítő csavar 15- Gázcsap 16- Gyújtólángfúvóka 17- Gyújtólángcső 18- Fúvóka 19- Termoelem 20- Gázbekötőcső 21- Gázarmatúra 22- Gázelosztó 23- Biztonsági termosztát 24- Biztonsági határoló termisztor 25- Biztonsági határoló termosztát 26- Légtelenítő csavar 27- Automata elzáró szelep 28- Automata légtelenítő 29- Gázelosztócső 30- Elektromos vezérlő doboz 31- Huzathiány érzékelő termosztát 32- Huzatmegszakító

24 24 4. ábra: Az AF 105-ös kazán szerkezetének belső nézete [4] 1. Gázszelep 2. Nyomásmérő csonk 3. Gyújtóláng fúvóka 4. Nyomásszabályozó 5. Gyújtólángcső 6. AMP 3 pólusú mágnesszelep csatlakozó 7. Termoelem 8. Biztonsági határoló termosztát 9. Biztonsági termosztát 4.2. A vizsgált kazánok általános jellemzése A VESTALE-rendszerű kazánban, egyedileg vagy csoportosan, más elrendezésben felszerelt AF 105 fűtőmodult ott lehet üzembe helyezni, ahol a modul beépítése gáz, víz, elektromos és égéstermék elvezetési szempontból megfelel az érvényes előírásoknak és ahol az üzembe helyezést a Gázszolgáltató engedélyezte. Az üzembe helyezést csak szakember, illetve csak az arra illetékes kioktatott és vizsgázott személy végezheti. A fűtőmodult csak korróziós és vízkőlerakódási szempontokból egyaránt megfelelő vízzel lehet üzemeltetni. A fűtési vízrendszer ezért 1,5 mvol/l,/~4nko/összes keménységet

25 25 meg nem haladó, a radiátoroknak megfelelő ph értékű lágyított, vagy vegyszeres kezeléssel alkalmassá tett vízzel kell feltölteni, illetve utántölteni. Az AF 105 átfolyó rendszerű szivattyús fűtőmodul 120 kw (105 Mcal/h) névleges teljesítményű hőtermelő elem, mely 1200 kw (1050 Mcal/h) teljesítményig összeszerelhető ESTALE rendszerben, vagy egyéb kazántelep elemként, illetve egyedileg felhasználható fűtés és használati melegvíztermelés céljára. Az irodaépület tetőtérben elhelyezett kazánház, a fentiekben már említett módon, egyegy szekrényébe három darab kazán beépítésével, egymás feletti függőleges elrendezésével van kialakítva [3, 4]. A vizsgált kazánok injektoros égőkkel vannak ellátva (szőnyegégő). A kazán belsejének fényképe az 5. ábrán tekinthető meg, melynek fő elemei az ábra felső részén a bordás hőcserélő alatta tűztér, és az injektoros szőnyegégő. 5. ábra: A kazán szőnyegégőjének, belső tűztérének, túlhevülés érzékelőjének és hőcserélőjének fényképe

26 26 A kazánok 25 mbar belépő nyomású városi hálózati földgázról üzemeltek. Az elemi kazánok őrlángos égési biztosítással rendelkeznek, ami megakadályozza, hogy elégetlenül kerüljön földgáz a kazánház légterébe. A kazán túlfűtése esetén egy hőelemről vezérelt mágnes-szelep elzárja a gázt. Fontos, hogy az üzemelés során a lángnak nyugodtnak, egyenletesnek kell lennie, ellenkező esetben a gáznyomás beszabályozásával és az égő karbantartásával állítható be a stabil láng. [3, 4] Kazánok elhelyezésére szolgáló helyiség szellőzése és a füstgázok elvezetése A kazánházban megengedett maximális légsebesség 0,3 m/s. A megfelelő szellőztetést természetes szellőzőnyílásokkal, vagy mesterségesen, ventilátorral lehet biztosítani. A vizsgált kazánok helyiségének légellátását biztosító ventilátor fényképét az 6. ábrán mutatom be. A kazánház minimális szellőző levegő igénye: az égéshez szükséges levegő térfogatáramának legalább ötszöröse plusz az égéshez szükséges levegőmennyiség [3,4]. A füstgázok elvezetése azaz az égéstermék kivitele hőszigetelt, saválló lemezből készült füstcsatornán keresztül történik, amely a tetőtérben kéményekben végződik, ezek fényképét a 7. ábrán láthatjuk. 6. ábra: A kazánház szellőztető ventilátorának elölnézeti és oldalnézeti fényképe

27 27 7. ábra: Két kazánblokk függőleges füstgázelvezetője becsatlakozásának fényképe a vízszintes füstcsatornába, amely az épületen kívül kapcsolódik a kéményhez A rendellenes kiáramlás elkerülése érdekében hőelem található a függőleges füstgázelvezető deflektorának kilépési szelvényébe, ami a 8. ábrán szemlélhető meg. A hőelem a hőmérséklet mérésére szolgáló érzékelő eszköz. Két különböző tulajdonságú fémet tartalmaz, ezek egyik végükön egymáshoz kapcsolódnak. Ennek hatására a hőmérséklettől függő feszültség különbség alakul ki. Ez a feszültség különbség mérhető, illetve felhasználható a hőmérséklet mérésére [20].

28 8. ábra: A kazánblokk függőleges füstgázelvezetője deflektorának kilépési szelvényébe helyezett, füstgáz visszaáramlást érzékelő hőelem fényképe 28

29 29 5. Tüzelésellenőrzés jelentősége, módszerei A füstgáz kémiai összetételének meghatározására azért van szükség, hogy annak alapján kiszámíthassuk a levegőtényező aktuális értékét és információkat szerezzünk a tüzelés egyéb, fontos jellemzőiről, mint például az égés tökéletessége, a hatásfok, a füstgázveszteség. A tüzelés ellenőrzés módszerei a következők: tényleges levegőtényező kiszámítása, a füstgáz CO 2 tartalmának összevetése a számított CO 2 maximális értékével, füstgáz elemzési adatai és szerkesztett diagramok alapján a tényleges levegőtényező meghatározása. A levegőtényező értékéből levonható következtetések: ha a levegőtényező kisebb egynél (n<1), elvileg sem lehet tökéletes az égés, beavatkozás szükséges, több levegőt kell biztosítani; ha n>1, és a füstgázban mégis van CO, az a gáz és az égési levegő rossz keveredésére, esetleg a tűztér túlságosan gyors hűtésére utal; ha a levegőtényező sokkal nagyobb, mint egy (n 1) és a füstgázban nincsen CO, akkor a levegőtényezőt csökkenteni kell. A tüzelésellenőrzésnek az alapelve szén-dioxid-maximum alapján hogy a füstgázban elemzéssel mért CO 2-t összehasonlítjuk az elméleti számított CO 2- vel és az eltérés mértékéből következtetnek a szükséges beavatkozásra. Maximális CO 2 akkor lehet a füstgázban, ha az égéshez a minimálisan szükséges levegőmennyiséget juttatjuk a tűztérbe (levegőtényező értéke n=1), tökéletes az égés, a vonatkoztatási alap a száraz elméleti füstgáztérfogat. A számított adatokból a következők állapíthatók meg: ha a méréskor sok a szabad O2 és kevés CO2 van a füstgázban, túlzottan nagy az égéslevegő bevitel, csökkenteni kell az égéslevegő térfogatáramát;

30 30 ha a füstgázban nincs szabad O2, a CO2 pedig kisebb az elméletileg számítottnál és a füstgázban CO is van levegőhiány van növelni kell az égéslevegő mennyiségét; ha a füstgázban van szabad O2 és CO, a CO2 pedig kevesebb a számítottnál rossz a gáz és a levegő keveredése az égőt be kell szabályozni; ha a füstgáz CO2 tartalma kevéssel kisebb a számított CO2 max-nál, kevés szabad O2 van a füstgázban, de nincs tökéletlen égéstermék, akkor a tüzelés beállítása jó [2].

31 31 6. Égéselméleti számítások Az égéselméleti számítások alkalmazására, meghatározására szükségem van, azért hogy a diplomamunkám számára legfontosabb paramétereket ki tudjam számítani. A mérés során kapott adatokat Excel táblázatba foglalom össze és ezeket használom fel számításaim során. Az adatokat a későbbiekben diagramokkal szemléltetem, amelyek alapján határozom meg a kazánok füstgáz veszteségét és hatásfokát. Az égés olyan kémiai reakció, amelynek során az éghető gáz a levegő oxigénjével (exoterm) hőtermelő reakcióba lép. A földgáz fosszilis tüzelőanyag, amely tiszta formájában színtelen, szagtalan és átlátszó gáz. A földgáz szénhidrogén alapú gázok gyúlékony elegye. A földgáz nem mérgező, a levegőnél könnyebb sűrűségű, körülbelül 0,68 kg/m 3 míg a levegőé kb.: 1,2 kg/m 3 ( a sűrűség a környezet hőmérsékletétől függően változik). A földgáz eltüzelése során lejátszódó kémiai reakciók egyenlete: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O C 2 H 6 + 3,5O 2 = 2CO 2 + 3H 2 O C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 4H 2 O C 4 H ,5O 2 = 4CO 2 + 5H 2 O Azaz egy köbméter földgáz elégetéséhez 2 m 3 oxigén biztosítása szükséges [1] [2] [12] [13] A földgáz égéselméleti jellemzői Az égéselméleti számítások célja meghatározni az alábbi értékeket [1] [2] [12] [13]: - elméleti oxigénszükséglet (VO 2 ), az az oxigén térfogat, amely a tüzelőanyag tökéletes (sztöchiometrikus) elégetéséhez szükséges; - az elméleti égésnél a füstgázba bekerülő nitrogén térfogata (VN 2 ); - elméleti levegőszükséglet (Vlev.elm.), amely az elméleti oxigénszükséglethez tartozik; - gyakorlati levegőszükséglet (Vlev.gyak.), az elméleti levegőszükséglet és a levegőtényező szorzata; - az égésnél képződött égéstermékek fajlagos térfogata (VCO 2, VH 2 O );

32 32 - száraz füstgáztérfogat (Vfsg.sz.); - nedves füstgáztérfogat (Vfsg.nedv.); - levegőtényező (n) Égéshő és a fűtőérték számítása A földgáz égéshőt és a fűtőértéket az éghető komponensek arányából és a komponensek fűtőértékéből súlyozott átlaggal számítjuk. Az égéshő a teljes kémiai hő, míg a fűtőérték nem tartalmazza a víz párolgáshőjét. Mivel berendezéseknél a víz mindig gáznemű alakban távozik, vizsgálataink során a fűtőértékkel számolunk [1] [2] [12] [13]: ahol: Hu - fűtőérték kj/m 3 CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8 a komponensek mennyisége V/V%-ban. Elméleti oxigénszükséglet: (m³/m³) ahol: CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8 a komponensek mennyisége V/V%-ban Elméleti levegőszükséglet: (m³/m³) Gyakorlati levegőszükséglet:, (m³./m³) ahol: n - a tényleges levegőtényező. Az égésnél képződött égéstermékek térfogata:

33 33 (m³/m³) (m³/m³) A füstgázban megmaradó szabad oxigén térfogata: (m³/m³) ahol: n - tényleges levegőtényező; CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8 a komponensek koncentrációja a földgázban, V/V%-ban. Az égésnél a füstgázba kerülő nitrogén térfogata: ahol: N 2 - a földgáz nitrogén tartalma, V/V%-ban; n - tényleges levegőtényező. A nedves füstgáz térfogata Száraz füstgáz térfogata A konkrét égéselméleti számításokhoz szükségünk van a tüzeléskor kialakult tényleges levegőtényező értékére, amelyet a következő fejezetben ismertetünk.

34 Levegőtényező Gyakorlati tüzelésnél a tüzelő anyagot az elméletileg szükségesnél több oxigénnel égetjük el. A gyakorlati és elméleti égési levegő hányadosát nevezzük levegő tényezőnek, amelyet a következő képlettel számíthatunk ki: [1] [2] [12] [13]., (-) ahol: V lev.gyak. fajlagos gyakorlati levegőmennyiség, m 3 /m 3 ; V lev.elm. - elméleti levegőmennyiség, m 3 /m 3. Gáznemű tüzelőanyagokra a részletesebb levegőtényező számítsa: Ennek alapja az égési levegővel az égéstérbe bevitt N 2 és az elméleti levegővel arányos nitrogén hányadosa. ahol: N 2 ( ) - a száraz füstgáz tényleges nitrogéntartalma a műszerrel elemzett többi komponens értékéből számítva: - az égéstermék füstgázelemzővel mért komponensei (V/V%); N 2 - a földgáz eredeti nitrogéntartalma (V/V%). V sz. - a tüzelőanyag széntartalmú komponenseinek és az égéstermék füstgázelemzővel mért széntartalmú komponenseiből számítható fajlagos száraz füstgáz mennyiség (m 3 /m 3 ), amelyet az égés karbon mérlege alapján a következőképpen számítjuk: (m³/m³)

35 35 7. Földgáz mintavételezése, összetételének meghatározása A vizsgálat során az égéselméleti és az energetikai számításokhoz szükségem volt a hálózati földgáz összetételére. Az eltüzelt földgázból a mintát közvetlenül a kazánt tápláló hálózati földgázcsőből vettük, a pontos adatok biztosítása érdekében a kazánok begyújtása előtt és a mérések befejezése után (9. ábra). A mintavétel helyessége alapvetően befolyásolja a mérés eredményét. Ezért mintavételkor a következő szempontokra kell ügyelni: - a minta reprezentálja a mérni kívánt folyamatot - a minta minősége a vételezés közben és után ne változzon 9. ábra: A mérések megkezdése előtti fölgáz minta vételezésének fényképe A földgáz minta kémiai összetételét Dani Master GC típusú laboratóriumi gázkromatográffal határoztuk meg.

36 36 A kromatográf és a mérés fő jellemzői a következők voltak. Kolonna jele: Restek Rt Q-Bond 30 m x 0,32 mm ID x 10 µm Vivőgáz: hélium, áramlási sebessége: 42 cm/sec Injektor típusa: split/splitless (S/SL), split mód, split arány 1:50 Injektor hőmérséklete: 130 C Injektált minta térfogata: 100 µl Kolonna-tér hőmérséklet programozása: 50 C-on hőntartás 3 percig, ezt követően 10 C/perc sebességgel fűtés 170 C-ra Detektor: FID (hőmérséklet: 250 C, range: 10) Detektorgázok térfogatárama: hidrogén: 40 ml/perc, levegő: 280 ml/perc, Segédgáz: nitrogén: 1 l/perc A mintavételezés során vett földgáz összetételét az 1. táblázatban foglalom össze. 1. táblázat: A kazánok mérése során eltüzelt földgáz összetétele és komponenseinek fűtőértéke Földgáz tulajdonságai Komponens % v/v Fűtőérték, kj/m 3 CH 4 97, C 2 H 6 2, C 3 H 8 0, CO 2 0,1 - N 2 0,4 - Össz.: 100, , A füstgázok jellemzőinek mérése A füstgáz összetételének meghatározására számítógépes adatgyűjtéssel összekötött Horiba PG-250 típusú hordozható füstgázelemző műszert [16] használtunk, amelynek legfontosabb jellemzőit a 2. táblázatban láthatjuk. 2. táblázat: A füstgázelemző műszer legfontosabb jellemzői Füstgázelemző típusa Horiba PG-250 Mért gázkomponensek O 2, CO, CO 2, NOx, SO 2 Vonatkozási oxigéntartalom 3 % V/V Adatgyűjtés folyamatos, számítógépes

37 37 A megfelelő hőállapot elérése után a kazánokat perc közötti intervallumokban vizsgáltuk, folyamatosan gyűjtöttük számítógépen a füstgáz komponenseinek a koncentrációját és a hőmérsékletét jellemző adatit. A mérőműszerek és a hozzájuk csatlakozó adatgyűjtő számítógépek fényképét az 10. ábrán láthatjuk. 10. ábra: A kazánok mérésénél használt hőmérséklet adatgyűjtő, a minta előkészítő és a Horiba PG-250 típusú hordozható füstgázelemző fényképe A műszer füstgázelszívó szondáját közvetlenül a kazán hőcserélő egysége fölött elhelyezkedő füstgáz elvezető szelvénynek a közepére csatlakoztattuk. A 11. ábrán a füstgázhőmérséklet mérési és összetételi mintavételezés helyének fényképe látható. A vastagabb, műanyag cső a Horiba gázanalizátorhoz tartozó füstgáz mintavevő cső, a kisebb átmérőjű, zöld színű vezeték pedig a hőmérsékletérzékelő hőelem kompenzációs vezetéke.

38 ábra: A kazán hőcserélője feletti füstgázgyűjtő tér közepéből történő füstgázminta vételezésének (átlátszó műanyag cső) és hőmérséklet mérési (zöld, szigetelt kompenzációs vezeték) helyének fényképe A számítógépes adatgyűjtés során a program a kapott értékek alapján elkészíti a füstgáz alkotóinak mennyiségét ábrázoló diagramokat is az idő függvényében. A 3. jelű kazán számítógép által készített füstgáz koncentrációjának változásai a 12. ábrán tekinthető meg. A kazán tűzterének külső felületének hőmérsékletmérésére, amelyet tapintó hőmérővel végeztünk, szintén sor került, ez a 13. ábrán látható.

39 ábra: A 3. jelű kazán füstgáz összetétele időbeli koncentrációinak megjelenítése a mérési adatgyűjtő számítógép képernyőjén 13. ábra: A 3. jelű kazán tűztere külső felületi hőmérsékletének mérése tapintó hőmérővel

40 Füstgáz hőmérséklet, Tfsg, oc O2, v/v%; Levegőtényező, 5*n Az üzemi mérések adatai 8.1. A füstgázmérési adatok A május 28-án végzett mérések során gyűjtött adatok közül az egyes kazánok füstgáz hőmérsékletei közötti eltéréseket jól szemlélteti a 14. ábrán lévő összesítő diagram. Megfigyelhető, hogy a legnagyobb füstgáz hőmérséklettel a 3-as és 4-es kazánok rendelkeztek, 180 és 200 ºC körüli, míg az 1-es kazán a legalacsonyabb, megközelítőleg 115 ºC értékkel. A hirtelen hőmérsékletváltozások pedig a következő kazánra való átállás idejében jelentkeztek, így jól elkülöníthetőek az egyes kazánok mérési szakaszai. A hat darab kazán közül az 5. jelűnek a lángja annyira instabil volt, hogy nem lehetett biztonságosan üzemeltetni, emiatt ennél a kazánnál nem tudtam méréseket végezni Hőm. O2 n K 3.K K 0 10:52 11:18 11:44 12:10 12:36 13:01 13:27 13:53 14:19 14:45 Idő, t, h:min ábra: A vizsgált kazánok füstgázhőmérséklete, levegőtényezője és O 2 tartalma a mérési idő függvényében (K.1-K.6 a kazánok jele) A 15. ábra fényképén látható, hogy az 1. jelű kazán szőnyegégőjének nem minden tagja működik megfelelően: a kék színű láng a tökéletes égést mutatja, míg a rózsaszín tökéletlen égésre utal. A fénykép jobb oldalán látható a szőnyegégő négy olyan tagja, amelynél a gáz lényegesen kisebb teljesítményű lánggal ég.

41 41 Ez a magyarázata annak, hogy az 1. kazán füstgázainak hőmérséklete (a 14. ábrán látható) szembeszökően a legkisebb, mint a többié, ugyanakkor a füstgázában a szabad oxigén tartalom - és ebből eredően a levegőtényezője - az egyik legnagyobb. Ennek oka a gáz-levegő keverék kiáramlási szelvényének elszűkülése. 15. ábra: Az 1. kazán szőnyegégőjének lángjáról alulnézetből készített fénykép A kazánok mért füstgázösszetételét a ábrák diagramjaival mutatom be. Az egyes komponensek értékének ingadozásait a mérések közben gyakran megváltozó irányú és sebességű szél által okozott dinamikus légnyomásváltozás okozza. Esetünkben egyértelműen kimutatható az injektoros égők azon hátránya (L.: 3.2. alfejezet), hogy az égőbe a gáz impulzusa által beszívott égési levegő térfogataránya és ebből eredően a kialakuló levegőtényező erősen függ az égő előtti levegő nyomásától és az égő fölötti tűztér nyomásától. Az ábrákból jól megfigyelhető, hogy az oxigén és a szén-dioxid egymásnak a tükörképei. Az NOx-nál is ez a tendencia figyelhető meg. A CO esetében a 2.,4. és 6. kazánnál a már előbb említett szél és légnyomásváltozás okozott kiugró és lecsökkenő értékeket.

42 Füstgáz O2, CO2 tartalma, v/v% Füstgáz NOx, CO, tartalma, ppm Füstgáz O 2, CO 2 tartalma, v/v% Füstgáz NO x, CO, tartalma, ppm Kazán CO2 O2 CO NOx 0 10:50 10:58 11:05 11:12 Idő, t, h:min ábra: Az 1. Kazán füstgázának összetétele Kazán CO2 O2 CO NOx 0 11:30 11:44 11:59 12:13 Idő, t, h:min ábra: A 2. Kazán füstgázának összetétele

43 Füstgáz O2, CO2 tartalma, v/v% Füstgáz NOx, CO, tartalma, ppm Füstgáz O2, CO2 tartalma, v/v% Füstgáz NOx, CO, tartalma, ppm Kazán CO2 O2 CO NOx :31 12:38 12:45 12:53 13:00 Idő, t, h:min ábra: A 3. Kazán füstgázának összetétele 4. Kazán CO2 O2 CO NOx :08 13:23 13:37 13:52 Idő, t, h:min ábra: A 4. Kazán füstgázának összetétele

44 Füstgáz O2, CO2 tartalma, v/v% Füstgáz NOx, CO, tartalma, ppm Kazán CO2 O2 CO NOx 0 14:11 14:19 14:26 14:33 14:40 Idő, t, h:min 20. ábra: A 6. Kazán füstgázának összetétele Elvégezve a fentiekben ismertetett égéselméleti számításokat betekintést kapunk az általam mért öt kazán működésébe. A ábrán látható füstgázösszetételek alapján kiszámított levegőtényező és égéselméleti paraméter értékeket a 3-9. táblázatban foglalom össze. 3. táblázat: A kazánok füstgázában lévő oxigén fajlagos térfogata VO 2 '(m³/m³) 1.kazán 2.kazán 3.kazán 4.kazán 6.kazán 1,76 0,99 1,59 1,29 0,84 4. táblázat: A kazánok üzemére jellemző gyakorlati levegő fajlagos térfogata Vlev.gyak. (m³/m³) 1.kazán 2.kazán 3.kazán 4.kazán 6.kazán 18,02 14,34 17,22 15,814 13,62 5. táblázat: A kazánok füstgázában lévő nitrogén fajlagos térfogata VN 2 ' (m³/m³) 1.kazán 2.kazán 3.kazán 4.kazán 6.kazán 14,24 11,344 13,61 12,49 10,76

45 45 6. táblázat: A kazánok nedves füstgázának fajlagos térfogata V fsg.nedv. (m³/m³) 1.kazán 2.kazán 3.kazán 4.kazán 6.kazán 19,03 15,35 18,23 16,82 14,63 7. táblázat: A kazánok száraz füstgázának fajlagos térfogata V fsg.sz. (m³/m³) 1.kazán 2.kazán 3.kazán 4.kazán 6.kazán 17,02 13,34 16,22 14,81 12,61 8. táblázat: A kazánok átlagos levegőtényezői Átlagos levegőtényező, n (-) 1.kazán 2.kazán 3.kazán 4.kazán 6.kazán 1,87 1,49 1,79 1,64 1,41 9. táblázat. Az eltüzelt földgáz égéselméleti jellemzői V O2 (m³/m³) 2,023 V lev.elm. (m³/m³) 9,633 V CO2' (m³/m³) 1,018 V H2O' (m³/m³) 2,012 A füstgáz mért hőmérsékletét és oxigén tartalmát, valamint az abból kiszámított levegőtényező értékeket az idő függvényében a ábra diagramjaival mutatom be kazánonként. Ezeken jól látható, az oxigén mennyiségének növekedésével a levegőtényező is növekszik. A három adat szemléltetésére a hatásfok értékek eltéréseinek okainak megállapítása céljából van szükség.

46 Füstgáz hőmérséklet, T fsg, o C O 2, v/v%; Levegőtényező, 5 * n Füstgáz hőmérséklet, T fsg, o C O 2, v/v%; Levegőtényező, 5 * n Kazán Hőm. O2 5*n :50 10:53 10:56 10:59 11:02 11:05 11:08 11:10 11:13 Idő, t, h:min ábra: Az 1. kazán füstgázhőmérséklet, levegőtényező és O 2 tartalma az idő függvényében Kazán T O2 5*n :45 11:48 11:50 11:52 11:54 11:56 11:58 Idő, t, h:min ábra: A 2. kazán füstgázhőmérséklet, levegőtényező és O 2 tartalma a mérés során

47 Füstgáz hőmérséklet, T fsg, o C O 2, v/v%; Levegőtényező, 5 * n Füstgáz hőmérséklet, T fsg, o C O 2, v/v%; Levegőtényező, 5 * n kazán T O2 5*n :35 12:39 12:42 12:46 12:49 12:53 12:57 13:00 7 Idő, t, h:min 23. ábra: A 3. kazán füstgázhőmérséklet, levegőtényező és O 2 tartalmának ábrázolása Kazán T O2 5*n :41 13:44 13:46 13:48 13:50 13:52 13:54 Idő, t, h:min ábra: A 4. kazán füstgázhőmérséklet, levegőtényező és O 2 tartalmának ábrázolása

48 Füstgáz hőmérséklet, T fsg, o C O 2, v/v%; Levegőtényező, 5 * n kazán T O2 5*n :18 14:20 14:21 14:23 14:24 Idő, t, h:min ábra: A 6. kazán füstgázhőmérséklet, levegőtényező és O 2 tartalma az idő függvényében