Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet, (2011) pp. 69 78 BIOMASSZA ÉS SZILÁRD TELEPÜLÉSI HULLADÉK ALAPÚ MÁSOD TÜZELŐANYAG KIFEJLESZTÉSÉNEK IDŐSZERŰSÉGE TIMELINESS OF DEVELOPING A BIOMASS AND SOLID RESIDENTIAL WASTE BASED ADDITIONAL FUEL DR. SZŰCS ISTVÁN *, DR. NAGY GÉZA *, DR. PALOTÁS ÁRPÁD BENCE *, Dr. CSŐKE BARNABÁS **, NAGY SÁNDOR **, BOROS ÉVA * * Miskolci Egyetem, Energia- és Minőségügyi Intézet ** Miskolci Egyetem, Nyersanyag-előkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros, Magyarország tuzsi@uni-miskolc.hu Az ipar és a szolgáltatások energiaszükségletének optimális kielégítése, a lakosság energiafelhasználásának gazdaságos biztosítása, valamint az egyre nagyobb tömegben keletkező hulladékok környezetkímélő ártalmatlanítása és az utóbbi időben egyre többet vitatott globális klímaváltozás elleni küzdelem jelenti napjaink egyik legnagyobb kihívását. Az előbbi részelemek egymással szorosan öszszefüggő feladatkörének egyik lehetséges megoldásához a települési szilárd hulladékok és a biomasszák rendszerszemléletű, komplex kezelése révén juthatunk el. Ebben a cikkben azokat a kezdeti kutatási eredményeket ismertetjük, amelyeket a települési szilárd hulladékok és fásszárú biomassza keverékéből előállított másod tüzelőanyagok vizsgálata és elégetése során szereztünk. Kulcsszavak: biomassza, települési szilárd hulladék, másod tüzelőanyag, energetika. Meeting the energy demand of the industry and services, providing an economical residential energy supply, the environment-conscious disposal of the waste being produced in ever rising amounts and the much discussed fight against global climate change are the biggest challanges of our times. Systematic and complex processing and utilization of residential solid waste and biomass would be a big step towards solving the above mentioned problems. This article discusses the initial results obtained by examining the composition and combustion characteristics of additional fuels made by mixing residential solid waste with ligneous biomass fuels. Keywords: biomass, residential solid waste, additional fuel, energetics. Bevezetés A technika mai szintjén a hagyományos fosszilis tüzelőanyagok szén, kőolaj és földgáz után a biomasszák jelentik Földünkön a negyedik legnagyobb potenci- 69
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet (2011) pp. 69 78 ális energiaforrást. A biomassza valamely élettérben egy adott időszakban jelen levő szerves anyagok és élőlények összessége. Világátlagban a felhasznált energia 14%-át, a fejlődő országokban 35%-át biomassza elégetésével nyerik. Ugyanakkor ma még a biomasszákban rejlő energiának csak egy kisebb részét hasznosítja az emberiség. Ennek egyik oka a biomasszák viszonylag kicsi energiasűrűsége [11]. Európában például a potenciális biomasszakészletek mindössze 15 20%- ának energetikai célú hasznosítása révén, az elsődleges élelmiszer-termelés teljes hőenergia igénye kielégíthető volna. Ezen túl pedig az évente képződő eddig kiaknázatlanul maradt biológiai eredetű anyagok 20 25%-nak ésszerű hasznosításával a vidéki lakosság teljes hőenergia-szükséglete a közeli biomaszszaforrásokból, gazdaságosan biztosítható lenne [1]. Ugyanakkor a feldolgozatlan települési hulladékok bomlásakor keletkező nagy mennyiségű metán kihasználatlanul kerül a légkörbe, miközben erős üvegház hatása következtében hosszú időn keresztül komoly környezeti károkat okoz. Kutató munkánk fő célja települési szilárd hulladékok és fásszárú biomaszsza keverékéből előállított másod tüzelőanyag előállításának és környezetkímélő tüzelési lehetőségének vizsgálata. A projekt kezdeti szakaszában mechanikailag biológiailag kezelt szilárd települési hulladék (MBH) éghető részeiből és faapríték, valamint papírhulladék keverékéből síkmatricás présgéppel állítottunk elő másod tüzelőanyagot, meghatároztuk annak legfontosabb tüzeléstechnikai jellemzőit. A következő lépésben tüzelési kísérleteket végeztünk 40 kw hőteljesítményű melegvízkazánban. Ennek eredményeképpen megállapítottuk, hogy az előállított másod tüzelőanyag előnyösen hasznosítható fűtési célra. 1. A települési szilárd hulladékok jövőbeni hasznosítási lehetőségei Az egyre szigorúbb környezetvédelmi előírások a települési szilárd hulladékok környezetkímélő ártalmatlanítását írják elő. Legegyszerűbb megoldásként a hulladékok keletkezésének minimalizálására kell törekedni. A ki nem küszöbölhető, már keletkezett hulladékokat lehetőleg saját anyagukban célszerű hasznosítani. Ennek komoly gátat szab az, hogy a használat során az anyagok szerkezete, kémiai összetétele jelentősen megváltozik. A kémiai energiával rendelkező hulladékokat a jövőben már nem szabad deponálni, hanem gondoskodni kell a környezetkímélő hasznosításukról. A korszerű hulladékgazdálkodás általánosan elfogadott hierarchikus elemeit az 1. ábrán mutatjuk be. 70
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet, (2011) pp. 69 78 1. ábra. A korszerű hulladék gazdálkodás hierarchikus elemei Napjainkban a gazdasági és műszaki szakemberek, a társadalomtudósok és a politikusok is komoly eredményeket várnak a megújuló, főleg biomassza alapú zöld gazdaság működésétől, társadalmi, gazdasági és szociális hatásától [12 17]. A települési szilárd hulladékok és a biomassza átalakításának célja közvetlenül hasznosítható tüzelőanyag nyerése. Ezen belül technológiai vagy fűtési célú hőellátás, villamos energia termelése vagy motor hajtóanyag előállítása fordulhat elő a leggyakrabban. Minél kevesebb lépésben történik az anyagok átalakítása, annál nagyobb a másod tüzelőanyag nettó energia hozama. Ezzel együtt viszont erősen helyhez kötött a nyert energia felhasználási lehetősége a kicsi energiasűrűség következtében szükséges nagyobb szállítási és tárolási költségek miatt. Ugyanakkor a többlépcsős előkészítés és a bonyolultabb technológiai átalakítás csökkenti a nettó energiahozamot, de annál kisebb fokú lesz a felhasználás helyhez kötöttsége, térben és időben szélesebb körűvé válik az optimális hasznosítás lehetősége. A hasznosítási módok közül a legegyszerűbb a tüzelés, amelyhez átalakítási módként az aprítás a legegyszerűbb megoldás, fajlagosan a legkisebb költségnek köszönhetően, ám ez jelentősen nem javítja az alapanyagnak a szállíthatóságát. Magasabb fokú, nagyobb energiabevitelt jelent a pelletálás, brikettálás, amelyek jelentős költségnövekedéssel járnak, azonban csökkentik a szállítás költségeit a tömörítés révén. További előnyt jelent a tüzelés automatizálhatósága, a nagyobb termikus hatásfok [4, 5]. Bonyolultabb és fajlagosan költségesebb berendezéseket kíván a gázosítás és a biogáztermelés. Környezetvédelmi szempontból kiemelendő a biogázterme- 71
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet (2011) pp. 69 78 lés, amely hozzájárul a hulladékok ártalmatlanításához és így kifejezetten csökkenti a környezetterhelést. A legtöbb átalakítási lépcsőt a metanol-, etanol-, alkohol-, növényi olajtermelés tartalmaz. Ennek a nettó energiahozama a legalacsonyabb, de az így létrehozott energiahordozó hasznosítási lehetősége a legszélesebb és a felhasználási helyhez, valamint időhöz kötöttsége is a legkisebb fokú [4, 5]. 2. A hazánkban keletkező település szilárd hulladékok várható kezelése A Magyarországon évente kb. 5 6 M t tömegben keletkező települési szilárd hulladékok kémiai energiájának alig 10%-át használjuk tüzelési célra [2, 3]. A hazánkban 2013-ban várhatóan keletkező települési szilárd hulladékok évi tömegáramának és kezelési módjainak vázlatát a 2. ábrán mutatjuk be [6]. A mechanikailag biológiailag kezelt hulladékokból (MBH) égetésre alkalmas 413 ezer tonna anyagnak biztonságos tüzelővé alakítási technológiája még nincsen megoldva. 2013 Hulladékképződés: 5360 et Vegyes gyűjtés: 3850 et Házi komposztálás: 200 et Szelektív gyűjtés: 1310 et Égetés: 420 et MHB: 1180 et Biológiai kezelés: 690 et Anyagában haszn.-ra: 620 et 105 et 295 et Égetésre alkalmas: 413 et Cement előkész:213 et 200 et Erőmű: 200 et Cement: 20 et Égetőmű: 193 et 50 et Lerakás: 2700 et (50,4 %) 2. ábra. A hazánkban 2013-ban várhatóan keletkező települési szilárd hulladékok évi tömegáramának és kezelési módjainak vázlata 72
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet, (2011) pp. 69 78 További komoly kutató-fejlesztő tevékenységet igényel még az ebből előállított másod tüzelőanyagok környezetkímélő elégetési feltételeinek biztosítása. 3. A kísérleti anyagok legfontosabb jellemezői és a pellet-előállítás fő lépései Kísérleteinkhez a Győri Regionális Hulladékkezelő Központban évente képződő 18 ezer tonna MBH-ból vett anyagmintából készítettünk pelletet. A vegyes hulladék és a szennyezett műanyag hulladék hőmérséklet hatására bekövetkező tömegváltozási és termikus folyamatait termoanalitikai vizsgálatokkal határoztuk meg [5, 8]. A két legfontosabb komponens derivatogramjait a 3. és 4. ábrán mutatjuk be. A lényeges változásokat kiváltó hőmérsékleteket és jellemzőket pedig az 1. táblázatban és a 2. táblázatban foglaltuk össze. TG DTG DTA 3. ábra. Vegyes hulladék derivatogramja, a minta tömegváltozásai és hőeffektusai a hőmérséklet függvényében 73
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet (2011) pp. 69 78 1. táblázat Vegyes hulladék derivatogramjának jellemző pontjaihoz tartozó értékek Pont T [ C] TG [%] DTA [ C] DTG 1 109-6,1-47,5-6,8 2 144-9,28-2,84-0,68 3 159-9,66-1,45-1,06 4 197-10,53 0,54-0,41 5 294-12,88 2,95-1,5 6 397-15,97 5,26-0,73 7 789-23,91-12,89-0,65 8 864-25,96-15,41-0,01 9 954-26,04-16,48 0,01 DTG 4 5 2 TG 6 1 DTA 3 4. ábra. A szennyezett műanyag derivatogramja, a minta tömegváltozásai és hőeffektusai a hőmérséklet függvényében 74
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet, (2011) pp. 69 78 2. táblázat A szennyezett műanyag minta derivatogramjának jellemző pontjaihoz tartozó értékek Pont T [ C] TG [%] DTA [ C] DTG 1 147 0,0-2,85-0035 2 258 0,0 1,37-0,183 3 503-65,91-13,45-32,97 4 601-95,86-8,57-1,623 5 629-97,02-8,37-0,015 6 973-97,18-11,95-0,035 Az MBH-ból és a hozzá ~30% faapríték, ill. papír adagolásával előállított keverékekből a Vertikál Zrt. síkmatricás présgépével készítettünk tüzelésre alkalmas, 14 mm átmérőjű pelletet. A síkmatricás pelletezőgép axonometrikus képét az 5. ábrán, a pellet kialakulásának vázlatát pedig a 6. ábrán mutatjuk be [6]. Présgörgő Forgókar Matrica Leválasztó kés Főtengely 5. ábra. Síkmatricás pelletkészítő-berendezés legfontosabb szerkezeti elemeinek axonometrikus vázlata 75
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet (2011) pp. 69 78 Préshenger Laza anyagréteg MBH + faapríték Előpréselt anyagréteg Síkmatricás süllyesztékbe préselt MBH + faapríték 6. ábra. Pellet kialakulásának vázlata síkmatricás présben A kísérleti anyagok rugalmassága miatt a megfelelő állagú tüzelőanyag előállításához a hulladékot kétszer kellett a gyártósoron átjáratni, amelynek eredményeképpen többhetes tárolás után is jól adagolható, kellő szilárdságú maradt a pellet. 4. A pelletek legfontosabb jellemzői, tüzelési kísérletek eredményei A kísérleti pelletek legfontosabb tüzeléstechnikai jellemzőit a 3. táblázatban foglaltuk össze. 3. táblázat A vizsgált pelletek szerkezeti és kémiai összetétele Pellet Víz Hamu Illó C H N S % m/m Eredeti MHB 15,33 12,88 63,55 60,09 7,47 0,96 - MHB + fa 16,16 12,84 61,55 55,50 7,10 0,78 - MHB + papír 13,81 13,56 57,60 53,50 6,97 0,94 - Az égetési kísérleteket a FLEXICO-HUNGARY Halmaj Kft. 40 kw hőteljesítményű, frekvenciaváltós csigás adagolású, pellet-tüzelésű kazánjában végeztük. A füstgázok kémiai összetételét a 4. táblázatban mutatjuk be. 76
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet, (2011) pp. 69 78 Az elégetett pelletek füstgázainak összetétele 4. táblázat Mért komponens MBH MBH + fa MBH + Papír Tfsg, o C 1024 920 985 CO, ppm 628 595 605 CO 2, tf% 13,8 12,4 12,8 O 2, tf% 8,8 9,6 9,2 NOx, ppm 680 567 590 Fűtőérték, MJ/kg 19 622 16 533 19 062 A füstgázok kémiai összetétele alapján megállapíthatjuk, hogy a COtartalom jóval a fatüzelésre megengedett határérték alatt maradt, NO x tartalmuk viszont a szokásos pellet tüzeléskor tapasztalhatónál körülbelül egy nagyságrenddel nagyobb. Az MHB alapú pellet hosszabb idejű tárolás után észlelhető szaghatást vált ki, emiatt közvetlenül lakossági tüzelőanyagként nem ajánlott forgalmazni. Ugyanakkor viszont az előállítás helyéhez közeli, több épületből álló telepek központi fűtésre előnyösen alkalmazható. Összefoglalás A kutatás eredményeképpen bebizonyosodott, hogy a mechanikailag, biológiailag kezelt települési szilárd hulladékból a hagyományos pellet készítési technológia megismétlésével lehetséges égetésre alkalmas másodtüzelő anyagot előállítani. A gazdaságos pelletgyártás és a biztonságos, környezetkímélő eltüzelés további kutató fejlesztő tevékenységet igényel, amelyet a Miskolci Egyetem, Energia- és Minőségügyi Intézet, valamint a Nyersanyag-előkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet kutatói a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt keretében folytatni kívánnak. Köszönetnyilvánítás A szerzők ezúton köszönik a Győri Regionális Hulladékkezelő Központ, a Vertikál Zrt. és a FLEXICO-HUNGARY Halmaj Kft. szakembereinek a kutatásban nyújtott segítségét. A kutatás a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 A felsőoktatás minőségének javítása kiválósági központok fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területein című projekt keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 77
Anyagmérnöki Tudományok, Miskolc, 36/1. kötet (2011) pp. 69 78 Irodalom [1] Nagy Géza, Szűcs István, Wopera Lászlóné, Herczku Zsolt: Biomassza környezetkímélő eltüzelése, TÜZELÉSTECHNIKA '93. XXIX. Ipari Szeminárium, Miskolc 1993. p. 83 92 [2] Nagy Géza (33%), Szűcs István (28%), Szemmelveisz Tamásné (22%), Wopera Lászlóné (9%), Mikó József (8%): Többfunkciójú fűtőberendezés főleg gyengén előkészített, szilárd, mező- és erdőgazdasági melléktermékek eltüzelésére, Lajstromszám: 221552/2002. 09. 04. ]3] Nagy Géza (50%), Szűcs István (50%): Égető és porleválasztó berendezés növényi hulladékok és energianövények energetikai célú légkörkímélő hasznosítására, Lajstromszám: 221 694/2002. 10. 08. [4] Nagy Géza, Szűcs István, Serédi Ágnes, Hodvogner Katalin: Növényi hulladékok energetikai hasznosítása. SZIF Tudományos Közleményei, No. 8. 1997. p. 12. [5] Szemmelveisz T.-né: Fás- és lágyszárú biomasszák energetikai célú hasznosítási feltételeinek vizsgálata, PhD értekezés, Miskolci Egyetem, 2006. p. 100 [6] Csőke Barnabás: Hulladékból energia, FAZOLA Napok Miskolc, MAB, 2010, 09. 17. [7] Nagy Géza, Csőke Barnabás, Palotás Árpád, Szemmelveisz Tamásné, Szűcs István: Termikus eljárások fejlesztése a hulladékgazdálkodásban Kecskemét, MMK, 2010, 10. 01 [8] K. Szemmelveisz, I. Szűcs, Á. B. Palotás, L. Winkler, E. G. Eddings: Examination of the combustion conditions of herbaceous biomass, Fuel processing Technology, Vol. 90, No. 6 (June 2009) p. 839 847, IF: 2,321 [9] Szerdahelyi György: Energiapolitikai aktualitások, Előadás KHEM Budapest, 2009, 04. 07. [10] Csőke Barnabás, Bokányi Ljudmilla: A szilárd települési hulladékok komplexenergetikai hasznosítása, Miskolc, BAY-LOGI, 2008. november 21. [11] Bulla M., Buruzs A., Nagy G.: A Győr Sashegy Új Regionális Hulladékkezelő Központban képződő MBH hulladék piacképes tüzelőanyaggá alakításának előzetes vizsgálata. Tanulmány, UNIVERSITAS-Győr Nonprofit Kft. 2010. 10. 26. [12] Gazdasági és Közlekedési Minisztérium: Magyarország energiapolitikája 2007 2020, 2007. június, p: 44. [13] http:/www.petav.hu/a_tavhoszolgaltatas/a_tavhoellatas_fogyaszto_berendezese [14] http://www.carbonarium.com/articles.aspx?show=1&id=7 [15] Barótfi István: Energiafelhasználói kézikönyv, Környezettechnikai Szolgáltató Kft., Budapest, 1993. p. 627 904 [16] Nagy Géza, Rácz Éva: IX. Környezettudományi Tanácskozás, Regionális Környezethasználatok és Fejlesztések Fenntarthatósági vizsgálata, konferencia kiadvány, CD. Győr, SzE 2009. 11. 06. [17] Nagy Géza: Faipari hulladékok magyarországi hasznosításának lehetőségei (tanulmány) MÉH Rt. Győr, 2005. december 78