Biogázok alkalmazási feltételei háztartási gázberendezésekben 2014

Átírás

1 Biogázok alkalmazási feltételei háztartási gázberendezésekben 2014 Készítette Dr. Szunyog István Horánszky Beáta Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet XXII. DUNAGÁZ Szakmai Napok Konferencia és Kiállítás Visegrád, április 17.

2 Kitekintés Európára 1. rész

3 Európa - biogáz termelés, 2011 Depóniagáz [ktoe] Szennyvíztisztítók gáza [ktoe] Egyéb biogázok [ktoe] 3 Forrás: Biogas Barometer,

4 Biogáz tisztító üzemek 2013-ban Európában összesen 248 db üzemel ezek közül földgázhálózati betáplálással rendelkezik: 143 db alapanyag szerint szeméttelepi biogázra épülő: 5 db szennyvíztelepi biogázra épülő: 21 db egyéb mezőgazdasági, állattartási, élelmiszeripari hulladékra, energianövényre épülő, stb.: 117 db a többi üzem gépjármű üzemanyagként hasznosítja a biometán minősége: 88-98% metán 4 Forrás: IEA Bioenergy Task 37

5 Földgázhálózati betáplálás vagy gépjármű üzemanyag? Az upgrade üzemek 57,7%-a földgázhálózatra dolgozik a németek a biometán 68,5%-át hálózatba táplálják a hollandok a teljes mennyiséget földgázhálózatba táplálják (ami jellemzően szeméttelepről származik) a svédek gépjármű üzemanyagként használják a magyarok már használják gépjármű üzemanyagként Germany The Netherlands Switzerland Sweden Austria United Kingdom France Luxembourg Denmark Finland Norway Hungary Iceland 5 Spain Upgrade üzemek száma, db Földgáz-hálózati betáplálás, db

6 Földgázhálózati betáplálás teljesítménye 2013 Földgázhálózati betáplálás, Ország Upgrade üzemek száma, db db Kapacitás Germany Nm 3 /h The Netherlands Nm 3 /h Switzerland Nm 3 /h Sweden Nm 3 /h Austria Nm 3 /h United Kingdom Nm 3 /h France Nm 3 /h Luxembourg Nm 3 /h Denmark Nm 3 /h Finland Nm 3 /h Norway Nm 3 /h Hungary Nm 3 /h Iceland Nm 3 /h Spain Nm 3 /h Mindösszesen Nm 3 /h 57,66% Nm 3 /év biogáz (55% CH4) Nm 3 /év biometán (97% CH4) 692,58 millió m 3 /év biometán (97% CH4) Mire elég 700 millió m 3 biometán? Például a 2013-as magyar éves földgázigény 6,3%- ának fedezésére. De ez az érték európai összesített érték! SAJNOS

7 Hazai biogáz potenciál 2. rész

8 Biometán potenciál Magyarországon 2014 év elején 47 db mezőgazdasági, állattartási és élelmiszeripari alapanyagokra épülő biogáz üzem 45,7 MW el beépített elektromos teljesítménnyel (CHP) 11 db szennyvíztisztító telephez kapcsolt biogáz üzem 13,1 MW el beépített elektromos teljesítménnyel (CHP) 1 üzem CNG-t állít elő 16 db kommunális hulladéklerakóra épülő biogáz üzem 10,7 MW el beépített elektromos teljesítménnyel (CHP) Mindösszesen 69,5 MW el beépített elektromos teljesítmény A jelenlegi összes biogáz forrást kihasználva ma Magyarországon összességében millió m 3 /év 2H minőségű biometán lenne előállítható. Ez az éves földgázfogyasztásunk 1,1-1,6% -a! 8 Forrásalap: Magyar Biogáz Egyesület honlapja, MEKH honlapja és VM MGI Gödöllő adatai

9 Biogáz a hazai jogrendben 3. rész

10 Nemzeti energiastratégia 2030 A primer energia ellátásban: a zöldáram mellett a megújuló alapú hőtermelés támogatása, és a biogáz támogatott átvétele. A termelt biogáz tisztításával a földgáz import részleges kiváltása is lehetővé válik. A hőenergia ellátásban: egyszerűsített engedélyezési, szabályozási, illetve átvételi rendszer az alternatív technológiák elterjedésének ösztönzésére (a zöldáram mellett a megújuló energiával előállított hő- és a földgáz rendszerbe közvetlenül betáplált, tisztított biogáz támogatott átvétele). A fűtési célú földgázfelhasználást csökkentheti a biogáz és depóniagáz használata és szabványoknak megfelelő betáplálása. hol tartunk a megvalósításban? 10

11 Jogszabályi háttér A biogáz földgázhálózati betáplálásának magyar jogszabályi feltételrendszere: évi XL. törvény a földgázellátásról 19/2009. (I. 30.) Korm. rendelet a földgázellátásról szóló évi XL. törvény rendelkezéseinek végrehajtásáról 11. számú melléklet a 19/2009. (I. 30.) Korm. rendelethez (gázminőség) A magyar földgázrendszer Üzemi és Kereskedelmi Szabályzata (ÜKSZ) A megoldás kulcsa(?): biogáztermelő = földgáztermelő 11

12 Földgázelosztói üzletszabályzatok A kép vegyes a biogázok földgázhálózati betáplálását illetően egyes elosztók nem kezelik a kérdést mások felületesen, de foglakoznak vele (pl. betáplálási igény esetére megadja az eljárási rendet, és hivatkozik a földgáztermelőkkel szemben követelményekre) és vannak akik részletesen szabályozzák: Termelt gáz betáplálási igény bejelentő formanyomtatvány a Földgázelosztó területén és általa üzemeltetett földgázelosztó hálózathoz (részletes adatok a termelés helyéről, alapanyag és biogáz mennyiségekről, gázelőkészítésről, biometán minőségről) Ebből könnyen megállapítható a kérelmező komolysága is! A Földgázelosztó területén üzemelő és általa üzemeltetett földgáz elosztóhálózatba betáplálható termelt gázokkal szemben támasztott minőségi követelmények (részletes minőségi előírások!) A termelt gáz (földgáz minőségű, biomasszából és egyéb nem bányászati forrásból származó gázok, valamint a bányászati tevékenységgel felszínre hozott földgáz) együttműködő földgázrendszerhez történő csatlakozása és a földgázelosztó rendszerbe történő betáplálása (30 napon belül írásos válasz a kérelemre!) Elosztói csatlakozási szerződés minta a termelt gázok (biogáz és 12 egyéb gázfajták, valamint a bányászati tevékenységgel felszínre hozott földgáz) együttműködő földgázrendszerbe történő betáplálására

13 Földgázhálózati betáplálás 4. rész

14 Cseregáz betáplálás kapcsolási rajza 1- elzáró; 2- mágnesszelep; 3- szűrő; 4- nyomásszabályozó; 5- biztonsági lefúvató szelep; 6- gázminőség ellenőrző berendezés; 7- hőmérséklet mérés; 8- szagosító egység; 9- gázmennyiség mérő elektromos számítóegységgel; 10- visszaáramlás gátló; 11- gázkeverő mennyiség szabályozással; 12- gázvezeték; 13- gázfáklya vagy lefúvató armatúra; 14- gázfáklya vagy lefúvató vezeték 14 Forrás: S. Kilinski: STUDIE Einspeisung von Biogas in das Erdgasnets, 2006.

15 Tilos: szennyvíz és depónia gáz betáplálása Tilos: szennyvíz és ipari hull. gáz betáplálása Lehetőség: adalékgáz betáplálására Lehetőség: minden típusú biogáz betáplálható, még a depóniagáz is! Gépjármű üzemanyagként és hálózati gázként is. Két gázminőség: cseregáz és adalékgáz Forrás: Danish Techn. Inst.: Biogas and bio-syngas upgrading, dec. Tilos: szennyvíz és depónia gáz 15 betáplálása

16 Gázminőség 5. rész

17 Biogáz összetevők eltérő forrásból 17 Forrás: Danish Techn. Inst., Dec.

18 Biogasmax javaslat betáplálhatóságra, nov. 18 Forrás: Danish Techn. Inst., dec.

19 Gázminőségi kockázatok 6. rész

20 Minőségi követelmények eltüzeléshez Biogáz összetevő Fáklya Kazán Dugattyús gázmotor Mikroturbina Metán > 50% > 50% > 60% > 55% Hidrogén-szulfid - - < 250 ppm < ppm Víz Szabad víz Szabad víz < 80% relatív < 55% relatív mentes mentes nedvesség nedvesség Ammónia - - < 25 ppm < 200 ppm Klór - - < 40 ppm < 250 ppm Fluor - - < 40 ppm < ppm Sziloxán - - < 2 ppm < 0,005 ppm Por mg/10kwh < 20 ppm Szilárd szennyezők - - < 3 µm < 10 µm 20 Forrás: Australian Meat Processor Corporation,

21 Potenciális veszélyforrások Termék Forrás Veszélyes összetevő Veszély az életvédelem területén Veszély a szállítás, elsztás és felhasználás területén Ellenintézkedés Erjesztőkből (biogáz fermentorokból) Sziloxánok Szilícium-dioxid képződés eltüzeléskor Biológiai anyagok Biológiai kórokozók jelenléte Biokorrózió a gázhálózatokban Eltávolításuk a biogázból A szubsztrátum higienizálása; Hosszabb tartózkodási idő a fermentorban; Mikroorganizmusok leválasztása szűrővel (<1 µm) Ammónia Mérgező Korrozív Leválasztás a biogázból Halogénezett szénhidrogének Elégetéskor dioxionok és furánok képződése Korrozív Az ismert halocarbonok kizárása az alapanyag forrásokból Biogáz Halogénezett szénhidrogének Elégetéskor dioxionok és furánok képződése Korrozív Az ismert halocarbonok kizárása az alapanyag forrásokból Szeméttelepi gázok Biológiai anyagok Biológiai kórokozók jelenléte Biokorrózió a gázhálózatokban Mikroorganizmusok leválasztása szűrővel (<1 µm) Sziloxánok Szilícium-dioxid képződés eltüzeléskor Eltávolításuk a biogázból Ammónia Mérgező Korrozív Leválasztás a biogázból Poliaromás szénhidrogének (PAHs) Mérgező, karcionogén rákkeltő anyagok Kihat a műanyag és elsztomer anyagokra; elégetéskor kormoz Állandó figyelés és leválasztás Forrás: Marcogaz Hidrogénben gazdag gázok Szintézisgáz (biomasszából) Poliaromás szénhidrogének (PAHs) Mérgező, karcionogén rákkeltő anyagok Kihat a műanyag és elsztomer anyagokra; elégetéskor kormoz Állandó figyelés és leválasztás Szén-monoxid Mérgező Állandó figyelés és leválasztás Hidrogén Veszély az eltüzeléskori viselkedés megváltozása miatt Korrozív; biztonságtechnikai veszély gázkészülékeknél (lángterjedési sebesség); behatás ipari folyamatoknál Gázminőség ellenőrzés 21

22 Az eltüzelés szempontjából fontos kísérő összetevők Kéntartalmú összetevők kénhidrogén, merkaptánok, dimetil-szulfid, karbonil-szulfid, karbon-diszulfid Mit okoz? SO 2 emisszió és korrózió (kénsavak) Nitrogén Mit okoz? NO x kibocsátás és N 2 O képződés (üvegházhatás) Halogén tartalmú összetevők (depóniagázokra jellemzőek) egy vagy több halogén atomot (fluor, klór, bróm, jód) tartalmazó vegyületek Mit okoz? dioxion és furán formációk keletkeznek az elégetés során magasabb hőmérsékleten (méreg!) és a vízgőzzel savakat képezhetnek Sziloxánok (depónaigázokra jellemzőek) mikrokristályos szilícium-dioxid Mit okoz? kopást a szelepekben, vezetékekben, tartályokban, gázmotor hengerekben és dugattyúkban (!) Forrás: A. Weillinger et al.: The Biogas Handbook: Science, production and Applications 22

23 Az eltüzelés szempontjából fontos kísérő összetevők Ammónia: Mit okoz? NO x emisszió és a gyulladási paraméterek rontása oldódva a füstgáz vízgőztartalmában lúgos kémhatást eredményez (korrózió) Szén-monoxid Mit okoz? rendkívül mérgező, magasabb (tűztér)hőmérsékleten redukálószerként viselkedik Benzol, toluol, xilol (depóniagázokra jellemzőek) Mit okoz? elsősorban a műanyag rendszerelemeket károsítják Szerves mikroorganizmusok Mit okoz? egészségügyi kockázat és biokorrózió vezetékekben, tüzelőberendezésekben 23

24 Közvetlen eltüzelés 7. rész

25 Mintagáz összetételek Összetétel Éghető összetevők Nem éghető összetevők Biogázok Földgáz B1 B2 B3 F1 DVGW G 262 DVGW G 262 DVGW G 262 Beregdaróc házt. szemét komm.szennyvíz trágyalé 2H mol% mol% mol% mol% Metán CH 4 43,00% 60,00% 65,00% 97,913% Etán C 2 H 6 0,814% Propán C 3 H 8 0,284% i-bután C 4 H 10 0,050% n-bután C 4 H 10 0,053% i-pentán C 5 H 12 0,010% n-pentán C 5 H 12 0,008% Hexán + C 6 + 0,009% Szén-monoxid CO Hidrogén H 2 Hidrogén-szulfid H 2 S Szén-dioxid CO 2 31,00% 39,00% 34,00% 0,054% Nitrogén N 2 23,00% 1,00% 1,00% 0,804% Oxigén O 2 3,00% Vízgőz H 2 O Argon (nemesgázok) Ar Összesen: 100,00% 100,00% 100,00% 100,000% Tüzeléstechnikai jellemzők Alsó hőérték (H I ) Wobbe-szám felső hőért. Relatív sűrűség (d) MJ/m 3 14,63 20,43 22,13 34,21 25 MJ/m 3 16,53 23,44 26,08 50,41-0,97 0,94 0,89 0,57

26 Levonható következtetés Egyik biogáz sem felel meg az MSZ 1648: 2000 szabvány követelményeinek az alsó hőérték a földgázénak 42,8-64,7%-a a felső Wobbe-szám a földgázénak 32,8-51,7%-a a relatív sűrűsége 1-hez közeli (Biztonságtechnikai kockázat!) Lehetőségek feljavítjuk a minőségét (leválasztjuk az inert és egyéb kísérő komponenseket) és a továbbiakban földgázként hasznosítjuk (biometán) ezzel a vonallal nem foglalkozunk tovább az adott eltüzelési módhoz (illetve környezetvédelmi célokhoz) igazítva leválasztjuk a nem kívánatos összetevőket: jellemzően mindig leválasztjuk: vízgőz, kén tartalmú összetevők, por, szilárd szennyezők technológiától függően: halogén összetevők, sziloxánok, ammónia, nitrogén, BTX vegyületek, stb. és azt követően elégetjük. 26

27 Tüzeléstechnikai paraméterek változása Gázminőségi paraméter Tüzeléstechnikai jellemzők Elméleti levegő szükséglet (V levelm ): Alsó gyulladási koncentrációhatár (Z a ): Felső gyulladási koncentrációhatár (Z f ): Lánghőmérséklet (T elm ): Lángterjedési sebesség (u lt ): Füstgázösszetétel (CO 2 '): Füstgázösszetétel (H 2 O'): Füstgázösszetétel (N 2 '): Füstgázösszetétel (SO 2 '): Füstgázösszetétel (Ar'): Nedves füstgáztérfogat (V fstgnedv ): Száraz füstgáztérfogat (V fstgszar ): Füstgáz harmatpont (t fstg ): Biogázok Földgázok B1 B2 B3 F1 DVGW G 262 DVGW G 262 DVGW G 262 Beregdaróc házt. szemét komm.szennyvíz trágyalé 2H Mértékegység 3,9680 5,7370 6,2151 9,6144 m 3 /m 3 9,5855 7,0614 6,5538 4,9349 m 3 /m 3 29, , , ,9345 m 3 /m C 15,6 20,4 22,1 33,8 cm/s 0,7392 0,9889 0,9888 1,0089 m 3 /m 3 0,8319 1,1608 1,2575 1,9363 m 3 /m 3 3,4420 4,4919 4,8654 7,5190 m 3 /m 3 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 m 3 /m 3 0,0382 0,0533 0,0578 0,0894 m 3 /m 3 5,0513 6,6949 7, ,5535 m 3 /m ,2195 5,5341 5,9120 8,6173 m 3 /m 3 57,0 58,0 58,3 59,2 ± 1,5 0 C

28 Biogázok gyulladási tartománya 28 Forrás: M. Molnarne, V. Schröder: Chemical Safety Database Application for Flammabilty Limits of Biogases

29 Metán és szén-dioxid gyulladási tartománya levegőben 25,0% 21,2% 20,5% 10,8% 7,5% 6,8% 43% 60% 65% 29 Forrás: M. Molnarne, V. Schröder: Chemical Safety Database Application for Flammabilty Limits of Biogases

30 Mi történik, ha földgázra beszabályozott készülékbe biogázt vezetünk? Csökken az elméleti levegőszükséglet a földgázra beszabályozott készülékben megnő a levegőfelesleg, csökken a hatásfok (esetleg a lángstabilitás) A gyulladási koncentrációhatár kiszélesedik és eltolódik a magas inert tartalom miatt (a szakirodalom sem egyértelmű!) Az elméleti lánghőmérséklet (a magas inert tartalom miatt) C-al csökken. A gyulladási hőmérséklet az inert tartalom miatt néhányszor 10 0 C-al emelkedik. A lángterjedési sebesség a magas inert tartalom miatt lecsökken, megnő a lángleszakadás veszélye, azaz kiemelten figyelni kell az égő konstrukciójára! Csökken a keletkező füstgáztérfogat (kevesebb a szükséges égési levegő, és ez által a nitrogén mennyisége a füstgázban). A füstgáz harmatpontja néhány 0 C-al csökken. 30

31 Biogáz eltüzelése háztartási gázberendezésekben tüzeléstechnikai hatásfok: 75-85% a földgázra beállított berendezések átállíthatók biogáz (alacsonyabb minőségű) tüzelésre: a gáz levegő arány megváltoztatásával a tüzelőanyag mennyiségének növelésével az ebből adódó nagyobb gázáramokat is el kell viselnie a készüléknek magasabb füstgázhőmérséklet szükséges, hogy a harmatpontot semmiképpen ne érhesse el magasabb tűztérhőmérséklet halogén összetevők esetén (1 m/m%-ig min C; 1 m/m% felett min C)* a kénhidrogénből és vízgőzből adódó kondenzációs veszélyek miatt az összes tüzelőanyaggal érintkező fém felületet kezelni kell (bevonattal, vagy eleve az anyagnak ellenállónak kell lennie savakkal szemben) Forrás: A. Weillinger et al.: The Biogas Handbook: Science, production and Applications * Kapros T.: Szekunder energiahordozó gázok termikus hasznosítása; Hulladékonline 2013/1. 31

32 Biogáz eltüzelése ipari gázberendezésekben A tűztér kialakításakor és az üzemi paramétereknél figyelembe kell venni: magasabb tűztérhőmérséklet szükséges (ált C felett) ehhez megfelelő tűztérszigetelés javasolt hosszabb tartózkodási idő (néhány tized sec-al) optimális levegőtényezőt kell biztosítani (folyamatosan) intenzív(ebb) keveredés szükséges egyenletes tűztérhőmérsékletet kell elérni szabályozás a füstgáz oxigéntartalmától függően gyorsan reagáló vezérlőelemek szükségesek (mennyiségi és minőségi ingadozás miatt) a láng alakja és az égés sebessége is megváltozhat (lángleszakadás és visszagyulladás) 40-50% metán tartalom alatt már szükség lehet az égési levegő előmelegítésére az eltérő füstgázösszetétel miatt megváltoznak a tűztér hőátadási viszonyai (változik a láng- és füstgázsugárzás mértéke, a változó fstg tömegáram befolyásolja a konvektív hőátadást) Forrás: Kapros T.: Szekunder energiahordozó gázok termikus hasznosítása; Hulladékonline 2013/1. 32

33 Összefoglalva Mindenképpen el kell különíteni a biometán minőséget és a biogáz minőséget a felhasználás szempontjából. Biometán = földgáz (az ismert konstrukciók és összefüggések alkalmazhatók) Biogáz földgáz (!) (bizonyos kockázatokat kezelni kell) eltérő egységnyi energiatartalom eltérő Wobbe-szám eltérő relatív sűrűség eltérő kísérő összetevők változó tüzeléstechnikai paraméterek változó eltüzelési peremfeltételek(!) 33

34 Köszönjük a figyelmet! Elérhetőség: Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet Gázmérnöki Intézeti Tanszék 3515 Miskolc- Egyetemváros Tel: szunyogi@kfgi.uni-miskolc.hu Web: