Tüzelőanyagok és jellemzőik. Biomassza Hasznosítás

Átírás

1 Tüzelőanyagok és jellemzőik Biomassza Hasznosítás

2 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

3 Tüzelőanyagok csoportosítása Halmazállapot Fosszilis Megújuló Szilárd Szén Biomassza: fekete, barna, lignit fa, szalma, füvek, stb. Folyadék Kőolaj származékok benzin, petróleum, kőolaj, fűtőolaj Gáznemű Földgáz energia növények hulladékok (részben) Biomassza: Növényi olaj és bio-diesel Bio-etanol és -metanol Bio-gáz Gáz anaerob erjesztésből, pirolízis-gáz elgázosításból

4 Tüzelőanyagok fő jellemzői A tüzelőanyagok szállíthatóak, tárolhatóak, és az igényelt energiának megfelelően tüzelhetőek Fosszilis Megújulók Energia tartalom: Magas Alacsony Szállítás: Tároló kapacitás igény: mérsékelt akár nagy (globális) csak korlátozott távolságra is távolságra nagy

5 CO 2 körforgása

6

7 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 - a füstgáz H 2 O tartalmát folyadék formában ( É, H o, H s, HHV) veszi figyelembe, tartalmazza annak párolgáshőjét is - Fűtőérték, vagy Alsó fűtőérték - a füstgáz H 2 O tartalmát vízgőz formában ( F, H u, H i, LHV) veszi figyelembe, nem tartalmazza annak párolgáshőjét lehetséges dimenziók: MJ/kg, MJ/m 3, kwh/kg, kwh/m 3 Égéshő és Fűtőérték kapcsolata: m w m H2 h fg LHV = HHV m h m h 9 2 w fg H fg = a tüzelőanyag nedvességtartalma = a tüzelőanyag hidrogéntartalma = a füstgáz vízgőz tartalom parciális nyomásához tartozó párolgáshő [kj/kg H2O ]

8 Szilárd tüzelőanyag összetételének elemzési módszerei

9 Szilárd tüzelőanyagok jellemzői

10 Fajlagos CO 2 kibocsátások

11 Fajta Faapríték (nagyon függ a nedvesség tartalomtól ) Tüzelőanyagok összehasonlítása Fűtőérték MJ/kg 7-15 Fűtőérték kwh/kg 2-4 Halmaz sűrűség kg/m Energia tartalom MJ/m 3 2,000-3,600 Energia tartalom kwh/m ,000 Hasábfa (légszáraz állapotban) ,500-8,300 1,300-2,300 Fa (vízmentes) ,100-16,800 2,300-4,600 Fapellet ,800-12,600 3,000-3,500 Szén ,100 16,000-33,000 4,500-9,100 Fűtőolaj ,500 10,200 Földgáz ,4

12 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 DRY BASIS moisture content mass of water (2kg) ( MC ) = = 20% mass of wet wood (10kg) mass of water (2kg) ( MC ) = = 25% mass of dry wood (8kg)

13

14 Erdei apríték készítés és gyűjtés

15 Tárcsás és dobos aprító működési vázlata

16 Pellet prés és pellet

17 Tüzelhető fa megjelenési formái

18 A fa különböző formáinak előnyei és hátrányai Fajta Faapríték Előnyök Automatizálható adagolás Olcsó ár Hátrányok 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

19 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

20 Bunte-Baum vizsgálat

21 Bunte-Baum vizsgálat eredményei

22 Leitz típusú hevítőmikroszkópos vizsgálat

23 Leitz tipusú hevítőmikroszkópos vizsgálat eredményei IDT SOT HT FT (initial deformation) (softening) (hemispherical) (fluid) Jellemző pontok: zsugorodás lágyulás olvadás folyás

24 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

25 Emissziós előírások szilárd biomassza tüzelésre Csak készülék előírások 23/2001. KÖM 23/2001. KÖM 10/2003. KvVM 3/2002. KÖM Q tüz < 140kW 140kW < Q tüz < 1MW 1MW < Q tüz < 50MW 50MW < Q tüz < 100MW Hulladék Tüzelés Vonatk. O 2-11% 11% 6% 11% Szilárd anyag mg/m mg/m 3 50 mg/m 3 10 mg/m 3 CO mg/m mg/m mg/m 3 50 mg/m3 NO x mg/m mg/m mg/m mg/m3 SO mg/m mg/m mg/m 3 50 mg/m3 C x H y - 50 mg/m 3 50 mg/m 3-10 mg/m 3 HCl mg/m 3 10 mg/m 3 HF mg/m 3 1 mg/m 3

26 Kátrány közbenső reakció termékek (PAH) keletkezési reakció körülmények hasonlóak a CO keletkezési körülményeihez Ábra: kátrányminta kromatográfiás elemzési adatai

27 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

28 Tüzifa tárolási példa Photo: Beacon Stoves The log store should allow for plenty of air flow but should protect the logs from the rain

29 Pellet tárolás és beadagolás Bagged wood pellets Pellet store using partition walls and auger Pellet store and vacuum pellet feed Pre-fabricated silo and auger

30 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

31 Apríték tárolás és beadagolás

32 Apríték tárolás és beadagolás

33 Apríték tárolás és beadagolás alaprajz

34 Mezőgazdasági melléktermékek - szalma Forma Halmaz sűrűség Kg/m 3 Darabok tömege Kg Kiindulási Kisbála Nagy körbála Nagy szögletes bála Brikett-pellet ,02-0,3

35 Szalmabálák tárolása

36 Szalmabálák beadagolása

37 Agri-pellet és brikett

38 Mezőgazdasági melléktermékek összetétel adatai Szőlővenyige Napraforgó maghéj Energiafű Búza-szalma Maghéj Szója-szalma Vízmentes anyag fűtőértéke [MJ/kg] fix karbon [%] illó [%] hamu [%] víz [%] Anyag

39 Mezőgazdasági melléktermékek elemi analízisének adatai Napraforgó maghéj Miscanthus Energiafű Búza-szalma Zab-szalma S [%] Cl [%] hamu [%] N [%] O [%] H [%] C [%] Anyag

40 Hamulágyulási tulajdonságok összehasonlítása IDT SOT HT FT ºC ºC ºC ºC Akácfa Nyárfa Fűzfa Búzaszalma Energiafű Szennyvíziszap

41 Hulladék civiláziós melléktermék

42 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

43 A háztartási hulladék biológiai eredetű részének lerakási aránya az EU országaiban

44

45

46 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

47 Alapvető hulladék vizsgálatok fűtőérték lobbanáspont PCB-k halogének (pl. Cl, Br, F) és kén nehézfémek hulladékok összeférhetősége és reakciókészsége radioaktivitás

48 GFP a hulladék biogén karbontartalmának a függvényében egy korszerű égetőmű esetében

49 Háztartási hulladék kategóriák Eredeti: Kiindulási állapotban minimális előválogatással (H i = 5 9 MJ/kg) Előszelekcióval, aprítással és bálázással RDF: Refuse Derived Fuel Nem szabványos eljárással, nem minősített SRF: Solid Recovered Fuel Szabványosított eljárással, minősített European standards for SRF - EN15359

50 SRF besorolási kategóriák EN szerint

51 SRF példa

52 Hasznos link:

53

54

55

56

57

58

59 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

60 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.

61 Lobbanáspont vizsgáló készülék

62 Folyékony tüzelő-anyagok viszkozitásának változása

63 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.

64 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 T ü > T lpnyt és T ü > 35 C, az a gáz, gőz, köd, amelynek alsó éghetőségi határértéke a levegő térfogatához viszonyítva legfeljebb 10%;

65 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 T ü < T lpnyt, T ü > T lpnyt 20 C és T ü > 35 C, az a gáz, gőz, köd, amelynek alsó éghetőségi határértéke a levegõ térfogatához viszonyítva 10%-nál nagyobb;

66 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 T ü < T lpnyt 20 C, T ü > T lpnyt 50 C és T ü > 35 C, az a gáz amely önmaga nem ég, de az égést táplálja, a levegő kivételével;

67 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 T ü < T lpnyt 50 C és T ü > 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

68 E,,Nem tűzveszélyes''' a nem éghető anyag;

69

70 Bio-etanol összehasonlí tása más üzemanyagokkal Képlet Moláris tömeg Elemi összetétel, %, C Kén tartalom, ppm Lobbanáspont, C Éghetőségi tartomány levegőben, V/ V % Égéshő, MJ/kg Fűtőérték, MJ/kg Azeotrop víztartalom, % Kisérleti octane szám Motor octane szám Cetane szám Gőznyomás, 38 C, kpa CO 2 emisszió, g/mj H Forrási hőmérséklet (atm), C Öngyulladási hőmérséklet, C Stochiometrikus levegő / tüzelőanyag arány (m / m) Etanol CH 3 CH 2 OH 46,07 52,14 13,13 <1 78,5 12, ,3-19,0 29,8 26,7 8,97 4, ,5 Benzin C 4 -C (average) ,3 Párolgáshő, 20 C, MJ/kg 0,839 0,349 0,314 0,256 Párolgáshő, 20 C, MJ/dm 3 0,662 0,251 0,217 - < (-) ,4-7,6 47, , Isooctane C 8 H ,23 84,12 15,88 O 34,73 0-2,7 0 0 Sűrűség, kg/dm 3 0,7893 0,720-0,780 0,6919 0, , ,1-6,0 47,8 43,5 15, ,8 Diesel olaj C 15 H ,1 13,9 < ,4-7,6 45,8 42,7 14, ,2

71 Fűtőolajok és állati zsír összehasonlítása Fűtőolaj EL Fűtőolaj S Fűtőolaj SA Állati zsír Összetétel [% w/w] C Carbon H Hidrogen ,47 S Kén O Oxigen N Nitrogen w víz Sűrűség 15 C [kg/l] Dermedéspont [ C] Lobbanáspont [ C]

72 Fűtőolajok és állati zsír összehasonlítása Fűtőolaj EL Fűtőolaj S Fűtőolaj SA Állati zsír Levegőigény [m 3 /kg] Száraz füstgáz térfogat [m 3 /kg] Nedves füstgáz térfogat [m 3 /kg] Fajlagos víz mennyiség [kg/kg] CO 2max [% V/V] CO 2 emisszió [kg/kwh] (0.257) Fűtőérték [MJ/kg] Égéshő [MJ/kg]

73 Ólommentes benzin EN 228 PREMIUM - 98

74 Tüzelőanyagok és üzemanyagok forrási görbéi

75 Folyékony tüzelőanyagok tárolása

76

77 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

78 Gáznemű tüzelőanyagok lényeges paraméterei Relativ sűrűség: d = ρ gáz /ρ levegő [-] (robbanásveszélyesség szempontjából fontos) Kategóriák: 0.8 > d - könnyű gáz (pld. földgáz) 1.2 > d > közepesen nehéz (pld. CO) d > nehéz gáz (pld. PB)

79 Gáznemű tüzelőanyagok lényeges paraméterei Wobbe index (gázok felcserélhetőségére) Kiterjesztett Wobbe index ahol: H s - Égéső d - relativ sűrűség p nyomásesés a fúvókában

80 Gázok éghetőségi határai

81

82 A gázszállítás és szolgáltatás nyomásfokozat kategóriái Nyomásfokozat Kisnyomás Növelt kisnyomás Középnyomás Nagyközép-nyomás Működési túlnyomás-tartomány (MOP) 22 mbarg < MOP 33 mbarg 74 mbarg < MOP 100 mbarg 0,1 barg < MOP 1,0 barg 1,0 barg < MOP 4,0 barg 4,0 barg < MOP 10,0 barg 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

83 PB gáz forgalmazási példák

84

85 Biomasszából fejleszthető éghető gázok Anaerob fermentációval: Fő komponensek: CH 4 + CO 2 Szennyezők:H 2 S, CO, H 2 O, szilárd részecskék Fűtőérték: MJ/m 3 Pirolizis gáz: Fő komponensek: CH 4 +CO+H 2 + CO 2 + N 2 +H 2 O Szennyezők: H 2 S, kátrány, hamu, koksz Fűtőérték: 5-20 MJ/m 3

86

87

88 Finomítói gázok

89 Finomítói gázok

90 Emissziós előírások földgáz tüzelésre Csak készülék előírások 23/2001. KÖM 10/2003. KvVM Q tüz < 140kW 140kW < Q tüz < 50MW 50MW < Q tüz < 300MW Vonatk. O 2-3% 3% Szilárd anyag - 5 mg/m 3 5 mg/m 3 CO mg/m mg/m3 NO x mg/m mg/m3 SO 2-35 mg/m 3 35 mg/m3 C x H y HCl HF - - -

91 Energiatartalomra vetített árarányok a földgázzal összehasonlítva 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% Földgáz PB gáz Tüzelőolaj Fűtőolaj Tüzifa Pellet Távhő Áram (normál) Áram (éjszakai)

92 Biomassza konverziós lehetőségek

93 Köszönöm a figyelmet!