XIII. Országos Felsőoktatási Környezettudományi Diákkonferencia BIOMASSZA ENERGETIKA: FA ALAPÚ HULLADÉKOK HASZNOSÍTÁSA PIROLÍZISSEL Szerző: Rékasi Szabina Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Környezettudomány MSc. Témavezető(k): Dr. Halász János Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Alkalmazott és Környezeti Kémia Tanszék Veszprém 2012. április 6-7.
TARTALOM TARTALOM... 1 ABSTRACT... 3 1. BEVEZETÉS... 4 1.1. Magyarország energetikai helyzetképe... 4 1.2. Energiapolitikai célok... 5 1.3. Jogi szabályozás... 5 1.3.1. Általános hulladékjog 2006/12/EK irányelv... 5 1.3.2. A hulladékgazdálkodás szabályozása Magyarországon... 6 1.3.3. A biohulladékok kezelésének szabályai... 6 1.3.4. Hulladékégetésre vonatkozó szabályok... 6 1.3.5. Energiaforrások szabályozásai... 6 2. MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK... 7 2.1. Az energiahordozók típusai... 7 2.2. A megújuló energiák hasznosítása lakossági szinten... 8 2.3. Jelentőségük és a legfontosabb megújuló energiaforrások... 8 3. A BIOMASSZA ÉS ENERGETIKAI HASZNOSÍTÁSA... 9 3.1. A biomassza típusai... 9 3.2. Energetikai jellemzői... 9 3.3. Szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása... 10 3.3.1. Biomassza tüzelés... 11 3.4. Folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása... 13 3.5. Biogáz... 13 4. FA ALAPÚ HULLADÉKOK HASZNOSÍTÁSA: BRIKETT, PELLET... 15 4.1. Brikett (biobrikett)... 15 4.1.1. A brikett jellemzői... 16 4.1.2. A brikettálás menete... 17 4.2. Pellet... 17 4.2.1. A pellet jellemzői... 18 4.2.1.1. Pellet a tüzeléstechnológiában... 18 4.2.2. A pellet tüzelés előnyei... 18 5. HŐBONTÁS - PIROLÍZIS... 19 5.1. A pirolízis előnyei, hátrányai... 19 5.2. A pirolízis során alkalmazott reaktorok, technológiák... 20 5.3. Elgázosítási eljárások... 22 5.3.1. Siemens technológia... 22 5.3.2. Lurgi-eljárás (=WIKONEX)... 23 5.3.3. Noell-féle konverziós eljárás... 24 5.3.4. Thermoselect-eljárás... 25 6. KATALIZÁTOROK... 26 6.1. A biomassza pirolízis katalizátorai... 27 6.2.1. Dolomit katalizátor... 27 6.2.2. Alkálifém és egyéb fém katalizátorok... 27 6.2.3. Nikkel katalizátorok... 28 6.2.5.1. Fluid cracking catalyst (FCC)... 29 7. KÍSÉRLETI RÉSZ... 30 7.1. Kísérleti berendezés... 30 7.1.1. Betáplálás... 31 7.1.2. Üzemi és mérendő paraméterek... 31 1
7.2. A kísérlet munkaszakaszai... 32 8. A KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK, ÉRTÉKELÉSÜK... 35 9. FELHASZNÁLT IRODALOM... 44 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS... 46 2
ABSTRACT Az emberiség energia szüksége az elmúlt évek során oly mértékűvé növekedett, hogy egyre nagyobb jelentőségűvé vált a megújuló energiaforrások, a biomassza újrahasznosítása, valamint energetikai hasznosítása. Ennek fontos eszköze a szennyezőanyag kibocsátás csökkentése, a meglévő szennyeződések megfelelő kezelése, ártalmatlanítása, úgy, hogy a lehető legnagyobb mértékben törekedni kell az elérhető legjobb technológia Best Available Technique, azaz BAT - alkalmazására. A természeti adottságainknak ismeretében a megújuló energiaforrások közül a legnagyobb szerepet a biomassza jelenti. Az erre alapozó technológiák elősegítik a környezet megóvását. A környezet védelmének egyik lehetséges módja a keletkező hulladékok újrahasznosítása, olyan módszerekkel, melyek ésszerűen gazdálkodnak a természeti erőforrásainkkal, valamint törekednek az elérhető legjobb technológia kialakítására, alkalmazására, ezáltal a legkevésbé szennyezik a környezetet. Dolgozatomban a biomassza pirolitikus lebontásának lehetséges technológiáit, azok szükségességeit mutatom be, úgy, hogy figyelembe veszem az energetikai hasznosításukat. A kísérlet során vizsgáltam a technológiát befolyásoló lehetőségeket és ennek a kivitelezéséhez szükséges paraméterek változásait, eredményeit. Célom a felhasznált fahulladék kezelésére alkalmazható technológia bemutatása, a különféle fahulladék, mint modellanyag, hőmérsékletfüggéseinek bemutatása, valamint a keletkező termékek lehető legnagyobb mértékű újrahasznosítása, és ez által a hulladék minimalizálása, figyelembe véve az energetikai és anyagi szempontokat. Munkám során 5 fűrészpor mintát (kemény tölgyfa, közönséges nyírfa, nyárfa, fenyőfa, akácfa) vizsgáltam pirolitikus folyamatokban katalizátor nélkül, három különböző hőmérsékleten, illetve egy adott ipari katalizátorral FCC katalizátor szintén három hőmérsékleten. Azt tapasztaltam, hogy a különböző hőmérsékleten a különböző modellanyagoknak más és más az illóanyag-tartalma, továbbá, hogy a katalizátor jelenléte kedvezően segíti elő a pirolízist, azaz nő könnyű termékek mennyisége. A dolgozat megírásakor mindvégig szem előtt tartottam a biomassza elgázosítása során használt technológiák energiafelhasználását, energiatakarékosságát, a kísérleti folyamat során észlelt hőmérsékleti változásokat és ezek összefüggéseit. Mindvégig törekedtem a megfelelő (BAT) technológia alkalmazására. 3
1. BEVEZETÉS Az emberiség energiaszükséglete az elmúlt évek során növekedett és környezeti alkotóelemek, a természetes energiaforrások használata ezzel együtt folyamatosan nőtt, így egyre nagyobb jelentőségűvé vált, válik a megújuló energiaforrások, a biomassza újrahasznosítása, valamint energetikai hasznosítása. Ennek fontos eszköze a szennyezőanyag kibocsátás csökkentése, a meglévő szennyeződések megfelelő kezelése, ártalmatlanítás, úgy hogy, a lehető legnagyobb mértékben törekedni kell az elérhető legjobb technológia Best Available Technique, azaz BAT - alkalmazására. A világ energiafogyasztása 2000-ben megközelítőleg 380 exajoule (exa = 1018) volt, amelyből a magyar fogyasztás nagyjából 1100 petajoule (peta = 1015) volt. A takarékosság mellett az energiagazdálkodás fő törekvése a megújuló energiaforrások kutatása, használata. Ide tartoznak a napenergiát célzó vizsgálatok, a víz- és szélenergia hasznosítása és a biomasszából való energianyerés optimalizálása, például a mezőgazdasági hulladékok elégetése, biogáz termelése, biodízel-gyártás, stb. A világméretben a fosszilis energiahordozók részaránya még mindig 80 % felett van [1]. A CO2 emisszió csökkentése érdekében a fosszilis energiahordozók részarányának csökkentése lenne kívánatos [2]. A környezetvédelmi technológia a környezeti ártalmak elhárítására alkalmas műszaki megoldásokkal foglalkozik, melyek három csoportba sorolhatók [2]: - forrás megszüntetése: olyan technológiák bevezetése, melyek nem okoznak környezeti károkat és biztosítják a szükséges javak előállítását; - káros emisszió szabályozás: a kibocsátott anyag lokális kezelésével, ártalmatlanításával, környezetbe jutását megakadályozó módszerek alkalmazásával érhető el; - imisszió szabályozás: a szennyezők utólagos, helyi ártalmatlanítása. Ez csak kisegítő illetve kényszermegoldást jelenthet [2]. 1.1. Magyarország energetikai helyzetképe energiafüggőségünk meghaladja a 62 %-ot, saját fosszilis energiakészletünk korlátozott, földgázfelhasználásunk túlsúlyos, 82 %-át importból szerezzük be, erőműparkunk elöregedő stádiumban van, megújuló-energia hasznosításunk mindössze 7,3 %, épületeink energiafelhasználása pazarló, 4
nincs energetikai szempontok szerint átgondolt közlekedés-fejlesztési jövőképünk [1]. 1.2. Energiapolitikai célok Energia importfüggőség csökkentése: energiatakarékossággal, energiahatékonysággal, megújulók részarányának növelésével, beszerzési útvonalak és források diverzifikálásával, az állam szabályozó szerepének növelése, új alkuk az energiaszolgáltatókkal, támogatások extraprofittá konvertálásának megakadályozása, a kapcsolódó ipar tudatos fejlesztése, az energiaszegénység csökkentése, fogyasztóvédelem szerepének megerősítése [3]. 1.3. Jogi szabályozás Az Európa Tanács 2007 tavaszi ülésszakaszán fogadták el az Európai Közösség legújabb célkitűzéseit, mely szerint az 1999-es mennyiséghez képest 2020-ra 30 %-kal kellene csökkenteni az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásait. Ezen kívül a teljes energia mennyiségének 20 %-át kívánja megújuló energiaforrásokból fedezni és a folyékony üzemanyagok esetén a bioüzemanyagok arányát 10 %-ra növelni [4]. Az EU felügyeleti mechanizmusa segítségével rendszeresen ellenőrzi a kibocsátott és elnyelt gázmennyiségeket. A kibocsátások fokozatos csökkentése érdekében az EU emellett létrehozott egy olyan rendszert, amely a piac szabályain alapul, és lehetővé teszi az üvegházhatású gázok kibocsátási egységeinek kereskedelmét. Az Unió továbbá a fluortartalmú üvegházhatású gázokra vonatkozóan külön szabályokat vezetett be [4]. 1.3.1. Általános hulladékjog 2006/12/EK irányelv Az új keretirányelv célja a korábbi keretirányelvek rendelkezéseinek optimalizálása, megtartva annak alapvető felépítését és főbb rendelkezéseit. 75/439/EGK irányelv: a hulladékolajok ártalmatlanításáról szól, és a hulladékolajok gyűjtését és ártalmatlanítását szabályozza. 5
1.3.2. A hulladékgazdálkodás szabályozása Magyarországon 1995. évi LIII. törvény: ez a szabályozás védte Magyarországot az illegális hulladék behozatallal szemben. 2000. évi XLIII. törvény elfogadásával és hatályba lépésével fontos szabályozási időszak kezdődött. Alapvető szempontrendszere szerint minden tevékenységet úgy kell megtervezni és végezni, hogy az a lehető legkisebb mértékben érintse a környezetet, illetve a környezeti-igénybevétel csökkenjen, a környezetveszélyeztetés, valamint a környezetszennyezés minimális legyen, a hulladék hasznosítása, ártalmatlanítás a lehető legnagyobb mértékben környezetkímélő legyen. Ezek a szabályozások folyamatosan bővülnek [5]. 1.3.3. A biohulladékok kezelésének szabályai Biohulladék olyan általában növényi és állati eredetű hulladék, amely biológiailag lebontható. A biohulladék kezelése többféleképpen történhet: például komposztálással és telepi komposztálással. A telepi kezelés a környezetvédelmi hatóság engedélyével végezhető hulladékkezelési tevékenység. A kezelés eredménye lehet komposzt, illetve biogáz. A keletkező biogázt zárt rendszerben kell hasznosítani [5]. 1.3.4. Hulladékégetésre vonatkozó szabályok A 2001. évi szabályozás újdonsága és egyben legvitatottabb eleme a hulladékok nyílttéri égetésének általános tilalma. A legfőbb szabály szerint az égetést erre a célra kialakított és előzetesen engedélyezett hulladékégető berendezésben lehet végezni [5]. 1.3.5. Energiaforrások szabályozásai 1. fosszilis (nem megújuló) energiahordozók: kőolaj, földgáz, barnaszén 2001/77/EK irányelv 2. cikk a.) pontja a villamos energiapiacon megújuló energiaforrásokból előállított villamos energia támogatásáról szól. 2. megújuló energiaforrások A megújuló energiahordozó-használás jelenleg az EU-ban 6 %-os. Az Európai Unió Fehér Könyve szerint 2010-re 6 %-ról 12 %-ra kell növelni a megújuló energiaforrások arányát az összenergiához képest. 2001/77/EK irányelv a megújuló erőforrások által termelt villamos energia elterjedésének elősegítéséről szól. 2003/30/EK irányelv a biológiai eredetű üzemanyagok arányának 2010-re történő 5,75 %ra növekedését írja elő [5]. 6
2. MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK Megújuló energiaformáknak azokat az energiaformákat nevezzük, melyek ugyanonnan, ugyanolyan mennyiségben és minőségben ismételten kinyerhetők, vagy újratermelődésük biztosított; akár naponta többször ismétlődően rendelkezésre áll, vagy jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül újratermelődik. Megújulásuk záloga a Napnak a Földre érkező energiája, mely elengedhetetlen termelődésük és felhasználásuk egyensúlyához. Ilyen energiaformák a nap-, szél-, víz- és geotermikus energia, valamint a biomasszából nyerhető energia. Van, aki a megújuló energiaformák közt említi a hulladékhő hasznosítását is, hiszen amíg az alapul szolgáló hőkibocsátó biológiai vagy technológiai folyamat működik, addig a folyamat során keletkezett hulladékhő is újratermelődik. Ez utóbbi típus azonban úgy is felfogható, mint energiával való takarékoskodás az emberi tevékenység energiaveszteségének csökkentése. Közös jellemzőjük ezeknek az energiaforrásoknak, hogy fosszilis energiahordozók kiváltására alkalmasak, ily módon megállíthatják a légköri CO2 szintjének további növekedését, a kibocsátott anyagokat tekintve általában is környezetkímélőbbek, eredetüket tekintve pedig erőforrás-kímélőek, nem csökkentik a Földön található energia készletek szintjét [6]. 2.1. Az energiahordozók típusai Az energiaforrások ennek értelmében lehetnek: megújuló, nem megújuló, kimeríthető, és kimerülő erőforrások: a) Ki nem meríthető energiaforrások Mennyisége nem korlátozott: szélenergia, napenergia, árapály energia. Mennyisége korlátozott: termőföld és a termesztett biomassza energia, geotermikus energia. b) Kimeríthető energiaforrások Nem megújuló: fosszilis energiaforrások, kőolaj, földgáz, szén és származékaik. Megújuló: természetes erdők. Az energiatermelés jelentős része ma még a kimeríthető és nem megújuló energia- forrásokra támaszkodik a villamosenergia-termelésben és a fűtési hő előállításában. Ezért rendkívül fontos, hogy olyan biztos energiaforrások használatát aknázzuk ki, amelyek nem kimeríthetők és megújulók; energiát a naptól, a széltől, a víztől és a növényektől nyeri [7]. 7
Hazai viszonylatban az összes megújuló energiafelhasználás 72,5 %-át a tűzifa teszi ki. A geotermikus 10,3 %-ot, a vízenergia 1,9 %-ot, a növényi és egyéb szilárd hulladékok 10,9 %-ot, a hasznosított napenergia 0,15 %. 2.2. A megújuló energiák hasznosítása lakossági szinten A megújuló energiaforrások során az előállított energiát épületléptékben fűtésre, hűtésre, használati melegvíz-termelésre, illetve elektromos árammal működő berendezések üzemeltetésére lehet hasznosítani. Nézzük sorra a megújuló energiaforrások hasznosításának lehetőségét a családi házak, illetve lakások esetén: I. Napenergia hasznosítás II. Geotermikus energia hasznosítása III. Vízenergia hasznosítás IV. Szélenergia hasznosítás V. Biomassza hasznosítás VI. Biogáz termelés és hasznosítás [7]. 2.3. Jelentőségük és a legfontosabb megújuló energiaforrások A megújuló energiaforrások jelentősége, hogy használatuk összhangban van a fenntartható fejlődés alapelveivel, tehát alkalmazásuk nem rombolja a környezetet, ugyanakkor nem is fogják vissza az emberiség fejlődési lehetőségeit. Szemben a nem megújuló energiaforrások (kőszén, kőolaj, földgáz stb.) használatával, nem okoznak olyan halmozódó káros hatásokat, mint az üvegházhatás, a levegőszennyezés, vagy a vízszennyezés. A legfontosabb megújuló energiaforrások: napenergia (naperőmű), napelem, napkollektor, vízenergia (vízerőmű), árapály-energia, hullám energia, szélenergia, geotermikus energia, szilárd biomassza, bioetanol, biodízel, biogáz. 8
3. A BIOMASSZA ÉS ENERGETIKAI HASZNOSÍTÁSA A biomassza kifejezés alatt tágabb értelemben a Földön lévő összes élő tömeget értjük. A mai elterjedt jelentése: energetikailag hasznosítható növények, termés, melléktermékek, növényi és állati hulladékok [8]. A biomassza a fejlődő országok legfontosabb energiaforrása, a világ energia-felhasználásának 14 %-át jelenti. Gyakorlatilag az összes biomassza-termékeket lehet alakítani a kereskedelemben forgalmazott tüzelőanyagokká, amelyek alkalmasak a fosszilis üzemanyagok helyettesítésére. Ezeket fel lehet használni a szállításra, fűtésre, villamosenergia-termelésre, vagy bármiféle más fosszilis tüzelőanyagként [9]. 3.1. A biomassza típusai Elsődleges biomassza: természetes vegetáció, szántóföldi növények, erdő, rét, legelő, kertészeti növények, vízben élő növények. Felhasználása: nagy energiahozamú energiaültetvények (energetikai ültetvény fás- vagy lágyszárú, energiaerdő); a növénytermesztés melléktermékeinek (szalma, szár, torzsa stb.) energetikai hasznosítása; erdészeti, erdőgazdálkodási melléktermékek (gally, kéreg, hulladékfa, stb.) hasznosítása. Másodlagos biomassza: állatvilág, gazdasági haszonállatok, az állattenyésztés fő termékei, melléktermékei, hulladékai. Felhasználása: főként állati trágya, melyből biogáz állítható elő, mert az elsődleges biomasszából kb. 18 106 t/év mennyiséget használ fel az állattenyésztés, amelyből kb. 7 106 t/év anyagmennyiséget állít elő. Harmadlagos biomassza: biológiai eredetű anyagokat felhasználó iparok termékei, melléktermékei, hulladékai, emberi települések szerves eredetű hulladékai. Felhasználása: energetikai célra, az egyéb szerves melléktermékek hasznosítása még vizsgálandó kérdés [10]. 3.2. Energetikai jellemzői A biomassza keletkezési formájában rendkívül sokféle, és a keletkezés helyén csak kivételes esetekben használható fel energetikai célokra. A felhasználás különféle előkészítő műveleteket igényel úgy, mint betakarítás, szárítás, szállítás, aprítás, nemesítés, manipulálás, tárolás stb. biomassza energetikai hasznosítása közvetlen égetéssel vagy konverziót követően történhet. A közvetlen elégetés során a biomasszában található C, H, és egyéb éghető anyagokat oxidálva égéstermékek jönnek létre, ill. energia szabadul föl (exoterm reakcióhő), azaz a kémiai energiát oxidációval hőenergiaként nyerjük ki. 9
Fontos, hogy a fűtőértékkel meghatározott energiatartalom nagyobb legyen, mint az anyag felhevítéséhez és víztartalmának (20-70 % között) elpárologtatásához szükséges energia összesen. A biomassza fűtőértéke reálisan 15 MJ/kg-ként számolható, ha nedvességtartalma 10 % körüli (légszáraz). A biomassza sajátos tulajdonsága a magas illóanyagtartalom (a fűtőérték 60-70 %-a) és az alacsony hamutartalom (1-7 %). Elégetésük speciális kazánt igényel, a keletkező hamu káliumtrágyaként talajerő-utánpótlásra hasznosítható. A biomassza előkészítése tüzelésre általában: szálas anyagokból bálázással, fás szárúaknál pelletálással vagy brikettálással. Az előkészítés energiaigénye általában az alapanyag fűtőértékének töredékét teszi ki (1-5 %). A teljesítményszabályozás egyetlen reális módja, hogy a tüzelőtérbe vitt anyag mennyiségét változtatjuk. Konverziót követően a biomasszából mechanikai, termikus stb. kezeléssel vagy kémiai átalakítással előbb gázt, olajat, alkoholt, szenet állítanak elő, és ezeket hasznosítják energiahordozóként (hajtóanyag vagy tüzelőanyag). A biomassza széles körű, energetikai célú felhasználását több körülmény is indokolja. Az ország külső energiafüggőségének (legalább 70 %) csökkentése, az élelmiszertermelésből kötelező jelleggel kivonásra kerülő földterületek (25-30 éves távlatban akár 3-4 millió ha) hasznosítása, a vidéki népesség munkalehetőségének, a helyben maradás feltételeinek biztosítása, és nem utolsó sorban a globális környezetvédelemmel és az éghajlatváltozással összefüggő szempontok [2]. 3.3. Szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása A mező- és az erdőgazdaság igen nagy mennyiségű mellékterméket produkál, amiket számos célra fel lehet használni, például a talajerő visszapótlására, ipari felhasználásra vagy energiatermelésre. Energiatermelésre a gabonaszalma és a fahulladék a legalkalmasabb. A fa ipari feldolgozása, megmunkálása során szintén nagy mennyiségű melléktermék, hulladék keletkezik, amelyet szintén jól lehet energetikai célokra hasznosítani. A keletkező faforgácsot, fűrészport, fakérget szárítása után brikettálják, amely aztán könnyen hasznosítható energiaforrás. Energiahasznosításra az alábbi növények jöhetnek számításba: különböző fafajok (nyár-, fűz-, akácfa), magas cukortartalmú cukornövények (cukorcirok, cukorrépa), magas olajtartalmú növények (napraforgó, repce, szója). 10
A bio tüzelőanyagok elégetése ritkán történik eredeti formájukban. Fajtától függően elkezelést igényelnek, például: darabolás (aprítás, őrlés), tömörítés (bálázás, pogácsázás, pelletálás). A brikettálást és a pelletálást általában szárítás követi, hiszen a bio tüzelőanyagok víztartalma magasabb a technológia által megköveteltnél (20 % alatt kell lennie). A mezőgazdasági és erdészeti melléktermékek könnyű szállításához, hasznosításához szükség van tömörítésre. A tömörítvényeknek két fő fajtáját különböztetjük meg: - pellet: 10-25 mm átmérőjű tömörítvény; - biobrikett: 50 mm vagy annál nagyobb átmérőjű, kör, négyszög, sokszög vagy egyéb profilú tömörítvények. Általában kötőanyag felhasználása nélkül készítik, ám a szilárdság növelése érdekében pl. a szalma briketthez fűrészpor, fenyőfakéreg adagolása célszerű. Brikettálni csak a 10-15 % nedvességtartalmú alapanyagokat lehet, tehát, ha a tömörí- tendő anyag nagyobb nedvességtartalmú, szárítást igényel. Előnyei: a) Fűtőértéke a hazai barnaszenekének felel meg (15,5 17,2 MJ/kg), de azoknál tisztább. b) A szén 15-25 %-os hamutartalmával szemben csak 1,5-8 % hamut tartalmaz, melyet talajerő visszapótláshoz lehet használni. c) Kéntartalma maximálisan 0,1-0,17 %, amely a szén kéntartalmának 15-30-ad része. Hátránya: a) nedvesség hatására szétesik, de nedvességtől gondosan elzárt helyen korlátlan ideig tárolható [11]. 3.3.1. Biomassza tüzelés A biomassza eredetű tüzelőanyag alapvető jellemzője a kis sűrűség (nagy fajlagos térfogat), és az, hogy egy évben általában csak egyszer terem. Ebből következik, hogy például egy búzaszalma-bázisra építendő erőmű részére, ha azt egész évben üzemeltetni akarjuk, aratás után nagy területről kellene összegyűjteni és tárolni az egész éves működéshez szükséges tüzelőanyagot, ráadásul úgy, hogy ne ázzon be, mert nedvesen elindulhat a rothadás (a szárazon tartás pedig nagy tűzveszélyt jelent) [2]. A mezőgazdasági melléktermékekre, csakúgy, mint a tűzifára, jellemző a viszonylag alacsony szén- (45-50 %) és a magas oxigén-tartalom (40-45 %) mellett a nagy illóanyag arány (75-85 %) is. Ezek az adatok lényeges mértékben eltérnek a hagyományos fosszilis tüzelőanyagokra vonatkozó értékektől, ezért közvetlen elégetésük külön erre a célra tervezett kazánokat és tüzeléstechnikát igényel [2]. 11
1. ábra: Nagyteljesítményű (hőerőművi) faapríték tüzelés [2] A tűzifát hasznosító hőerőművek általában a faapríték tüzelést alkalmaznak (1. ábra) [2]. A beérkező hasábfát aprítógéppel 1-2 cm nagyságú darabokra aprítják, amit csigás adagolóberendezéssel visznek be a fluidizációs üzemmódban működő tűztérbe. Füstgázkezelésre elegendő egy nagy hatásfokú porleválasztó egység beépítése, hiszen a fa csak elhanyagolható mennyiségű kenet és más szennyezőt tartalmaz, ráadásul az égés hőmérséklete sem haladja meg a 850-900 oc-ot, így az NOx képződés is határérték alatt marad. Magyarországon (2007re) 3 korábbi szénerőmű állt át részben-vagy egészben fatüzelésre, nevezetesen a Borsodi (Kazincbarcika), a Pécsi és az Ajkai Hőerőmű [2]. A tüzelés veszteségei: Füstgázzal távozó hőenergia A tökéletlen égés miatti veszteség A visszamaradt anyagok miatti veszteség [12]. Füstgáz Az eltüzelés során keletkező gáz halmazállapotú égésterméket nevezzük füstgáznak. Beszélünk elméleti és valóságos száraz, ill. nedves füstgázmennyiségről, attól függően, hogy a légfelesleg-tényezőt figyelembe vesszük-e: Vfn=Vfon + (m-1) Vo, ahol Vfn a valóságos, Vfon az elméleti nedves füstgázmennyiség, m a légfelesleg tényező, Vo pedig az elméleti levegőszükséglet [12]. 12
A biomassza égése során égési szakaszok különíthetők el: t < 100 oc, szárad (nedvességtartalom különválik), 100 oc< t < 200oC, molekulák hasadása gázképződés, 225 oc< t, megkezdődik a folyamatos égés, 260 oc< t, exoterm /spontán hőtermelő/ folyamat, 1000 oc körül az összes gáz már elég, a visszamaradó karbon égése [12]. 3.4. Folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása Biodízel előállításához magas olajtartalmú növényeket használnak fel. A növényi olajok közeli rokonságban vannak egymással és a ricinus kivételével elvileg valamennyi alkalmas motorhajtó anyagok alapanyagának. Európában főként repcét és napraforgót az USA-ban főként szóját, Délkelet-Ázsiában pedig olajpálmát használnak fel ilyen célra [6]. Magyarországon a magas olajtartalmú növények közül az őszi káposztarepcének vannak alkalmas ökológiai adottságú területek, főleg Nyugat-Magyarországon. E növény termesztéséhez hazánkban minden feltétel adott, és a kinyerhető repceolaj nemcsak üzemanyagként, hanem kenő-, hidraulikaolajként, valamint tüzelőolajként is hasznosítható. A növényi eredetű biomasszából előállított folyékony energiahordozók alkoholok, zsírok és olajok lehetnek, melyeket az alábbi módokon lehet hasznosítani: motorhajtóanyagként, hidraulika- és fékfolyadékként, kenőolajként, tüzelési célokra, vegyipari és élelmiszeripari alapanyagként [13]. 3.5. Biogáz A biogáz szerves anyagok anaerob lebomlásánál keletkező metántartalmú gáz. Alapanyagként bármilyen szerves hulladék mezőgazdasági, feldolgozóipari vagy települési (kommunális). Az alapanyagok sokféleségéhez igazodva többféle eljárás ismert, közös azonban az az elv, hogy egy fermentorban szabályozott hőmérsékleten, anaerob viszonyok közt metántermelő baktériumok segítségével gázt termelnek, azt tisztítják, tárolják, majd elégetik. A gáz kémiai energiáját itt is hő vagy elektromos áram előállítására, illetve a kettő kombinációjára használják. A folyamat értékes, kierjedt szerves trágyát termel, de a megfelelő alapanyagokkal és körülményekkel gyógyszeralapanyagok előállítására is képes [2]. Felhasznált alapanyagként a primer, szekunder és tercier biomassza egyaránt szóba 13
jöhet, gyakorlatilag azonban főként szekunder és tercier (szerves) hulladékok energiacélú hasznosításra alkalmazzák. A biogáz-eljárás előnye a sokoldalúság: a gáztermelésen kívül alkalmas veszélyes hulladékok ártalmatlanítására, emellett a kierjedt anyag is értékes (biotrágya, esetleg gyógyszeralapanyagok). Hátránya az eljárásnak, hogy beruházás-igényes, üzemeltetése pedig szigorú technológiai fegyelmet igényel. Az eljárás ott javasolt, ahol nagy mennyiségben, folytonosan keletkezik szerves melléktermék. Így alkalmas állattartó telepek hígtrágyájának ártalmatlanítására, feldolgozóüzemek (vágóhíd, konzervgyár) hulladékának, szennyvizének kezelésére, illetve kommunális szennyvizek tisztításának gazdaságosabbá tételére. Biogáz nyerhető még gyűjtőcsövekkel szemétlerakó telepekből is (depóniagáz), bár az itt lerakott anyagot nem lehet trágyaként hasznosítani [6]. A biogázt pedig ugyanazon gépekben, berendezésekben használhatjuk fel, mint ahol a földgázt is alkalmazzuk. A különböző biomassza formákban a szénhidrátok kémiai kötéseiben tárolt napenergia felszabadítása jelenti annak energetikai hasznosítását. A növényi és az állati szénhidrátok, fehérjék, zsírok energetikai hasznosítása történik akkor is, amikor az állatok vagy az ember megeszi azokat. Tehát nagyon fontos az ember szempontjából, hogy a biomassza energetikai hasznosításai közül (élelmezés, takarmányozás, üzemanyag; food, feed, fuel; FFF) ezeket a lehetőségeket a saját érdekében milyen arányban teszi meg [13]. 14
4. FA ALAPÚ HULLADÉKOK HASZNOSÍTÁSA: BRIKETT, PELLET A mezőgazdasági melléktermékek fajlagos térfogatának csökkentése jelentősen növelheti az energetikai hasznosítás lehetőségét. Ennek gyakorlati megoldása az aprítást követő sajtolás, mellyel egységes szemcseméretű biopellet vagy biobrikett állítható elő. A sajtolással nyert terméket: brikett-nek nevezzük, ha jellemző méret 50 mm-nél nagyobb, kör- vagy négyszög-alapú hasáb, esetleg tojás, míg tűzi-pellet a neve a kisebb (10-25 mm) méretű, többnyire henger vagy kukac-alakú granulátumnak [2]. 4.1. Brikett (biobrikett) Az energetikai tömörítvények fontos változata a brikett. A brikettálás a növények maradékainak, ipari hulladékainak energetikai felhasználásra való előkészítése. A brikett alapanyaga: kis sűrűségű, nagy nedvességtartalmú, rossz hatásfokkal égethetők, ezért közvetlenül nem használhatóak fel. Ilyen hulladékok: faforgács, faapríték [13]. 2. ábra: Biobrikett (kereskedelmi készítmény) [14] A bio (fa) brikett (2. ábra): egy nagyon korszerű, környezetbarát tüzelőanyag, amely használatkor a környezetvédelem érdekei, a hulladék újrahasznosítás elvei, a természetes anyagok iránt érzett vonzódás és a kényelmi szempontok egyidejűleg érvényesíthetők. A tűzifa, a szén, a koksz és a szénbrikett helyettesítésére ajánlott környezetbarát energiahordozó. A biobrikett a fafeldolgozásnál visszamaradt hulladék felhasználása forgácsból, fűrészporból és fahulladékból adalékok hozzáadása nélküli fűtőanyag. 15
Tulajdonképpen természetbarát, tehát bio fűtőanyag, melynek gyártása semmi különleges módszert nem igényel: a kellő mennyiségű fűrészport és gyalulékot a megfelelő gépi berendezések magas nyomáson összepréselik és kész is a jó minőségű, könnyen kezelhető, raktározható tüzelő. A hulladékokhoz semmilyen vegyi anyagot, ragasztót vagy más adalékot nem kell adni, ezért is mond(hat)juk bátran környezetkímélőnek. A. 6x6 cm nagyságúra szabdalt brikett kályhák, kemencék, fakazánok, katlanok és kandallók fűtésére egyaránt kiválóan alkalmas. Az égéskor csak kevés melléktermék keletkezik. Huszonnégy órai fűtés után mindössze egy kis tányérnyi szemét marad az égéstérben. A fa brikett emellett a vízmentes csomagolás jóvoltából a hosszú távú tárolás is biztosítható [15]. 4.1.1. A brikett jellemzői Természetes alapanyagokból (faforgács, faapríték, fűrészpor) készül. Kötőanyagot (ragasztót) egyáltalán nem tartalmaz, ezért kémiai összetétele a természetes fáéval azonos. Nedvességtartalma kicsi, 1-2 % körüli, ezért sokkal könnyebben, jobb hatásfokkal ég, mint a tűzifa. Fűtőértéke viszonylag nagy, kb. 18-19 MJ/kg, tehát megegyezik a barnaszénével, Hamutartalma kicsi (1-2 %), hamuja környezetbarát, a szénsalakkal szemben természetes növényi tápanyag, ezért kiskertekben műtrágya helyettesítésére kiszórható. A fában gyakorlatilag nincs kén, ezért füstje a környezetre káros kén-dioxidot nem tartalmaz. Ahhoz, hogy a környezetbarát tüzelőanyag, a biofabrikett előbb felsorolt előnyei maradéktalanul érvényesülhessenek, megfelelő, jó állapotú tüzelőberendezésben kell elégetni. Mindenekelőtt azt kell tudnunk, hogy a biofabrikett használatakor a fatüzelés ismert szabályait kell betartani, de figyelembe kell venni néhány, csak a biobrikettre jellemző tulajdonságot is. A tűzifával szemben 2-3-szor nagyobb sűrűségű, és mintegy 50 %-kal nagyobb fűtőértékű, ezért ugyanolyan meleg eléréséhez a tüzelőberendezésben sokkal kisebb mennyiséget kell elégetni. égés közben a biobrikett mérete változhat, ezért a tűzteret nem szabad teljes mértékben kitölteni (ajánlott az 50-60 %-os töltés). 1 kilogram tűzifa fűtőértéke 14-17 MJ, a barnaszéné 12-17 MJ, a fa briketté pedig 17,5-19 MJ. Ez tehát azt jelenti, hogy a fabrikettel egyharmaddal olcsóbban fűthetünk (ugyanazon fajlagos ár esetén), mint a villanyárammal vagy a gázzal; komoly megtakarításról van szó, ami egy szezonban tízezreket jelenthet [15]. 16
Külföldön nagy a keletje. Magyarországon jóval több elfogyna, mint amennyit képesek vagyunk gyártani, de van, ahol nem nagyon veszik, pl. Szlovákiában [15]. Hazánkban mindössze nyolc helyen túlnyomórészt faipari üzemekben működik biobrikett gyártó egység. Az így előállított termék mennyisége mindössze 6-7 ezer tonnát tesz ki évente. Figyelembe véve az előállítás magas fajlagos költségét, minimum 5000 tonnás éves előállítási kapacitás mellett gazdaságos foglalkozni vele [16]. 4.1.2. A brikettálás menete Első lépésben az alapanyagot megfelelő méretűre kell aprítani, porítani: átlagos szemcseméret: 1,5 mm, max. 5 mm-es méret. Ha a nedvességtartalom 14 %-nál nagyobb akkor az anyagot szárítani kell. Ezt követi a tömörítés, amit dugattyús vagy nyomócsigás présgéppel, nagy nyomáson végeznek el általában 2 lépésben (előtömörítés és préselés). A brikett sűrűsége: 0,8-1,5 kg/dm3 [13]. 4.2. Pellet A pellet olyan, nagy nyomáson préselt szálas, rostos anyag, amelyet vagy saját anyaga, vagy belekevert kötőanyag tart össze. A néhány milliméteres átmérőtől a több centiméteres átmérőjű anyagrudakat alkot (3. ábra), az alapanyag és a használt pelletálási technológia függvényében. A legáltalánosabban ismert pellet-fajta a nyúltáp. A leggyakrabban használt anyagok, a pellet előállítás során a faforgács és a fűrészpor. [17] 3. ábra: Tűzi pellet (kereskedelmi készítmény) [18] 17
4.2.1. A pellet jellemzői a fűrészpornál könnyebben ég el, a fánál jóval homogénebb szemcseméretű és emiatt automatizált házi tüzelő-rendszerekben a tűzifánál jobban hasznosítható, mérete a 6 mm-es átmérőjű és 2-5 cm-es hosszúságú, környezetbarátabb a fafűtésnél, nedvességtartalma 10 %-nyi (a fa esetén 40 %) [3], 1 m3 fa pellet súlya kb. 650 kg [13]. 4.2.1.1. Pellet a tüzeléstechnológiában fapellettel üzemelő kazán égőfejét elhagyó láng hőmérséklete 800-1000 C, füstgáz hőmérséklete 70-100 C, a rendszer 90 %-os hatásfokú, visszamaradó salakanyag: 0,5-1 kg (minőségtől függ) [17]. 4.2.2. A pellet tüzelés előnyei - Teljesen automatizálható: a pellet kazán a hagyományos fatüzeléses kazánokhoz viszonyítva szinte a gáztüzelés komfortját nyújtja, magas hatásfokon, automatizált működéssel, költségtakarékosan. - Alacsony karbantartási igényű: a pellettárolótól függően a tároló feltöltése 2-4 hetente esedékes, ami azonban tárolóhelység kialakításával évi egyszeri feltöltésre csökkenthető. - A pellet alacsony hamutartalmának köszönhetően a tisztítás - teljesítménytől függően 2-4 hetente egyszer szükséges. - Gazdaságos és környezetbarát: a pellet kazán magas hatásfokának köszönhetően a fűtési kiadások csökkenthetők, az égés folyamatos magas hőmérsékletének eredményeképp károsanyag-kibocsátása rendkívül kedvező, még a fatüzelésű kazánokhoz mérten is alacsonyabb [13]. 18
5. HŐBONTÁS - PIROLÍZIS A hőbontás (pirolízis) a szerves anyagú hulladék kémiai lebontása megfelelően kialakított reaktorban, hő hatására, oxigénszegény vagy oxigénmentes közegben esetleg inert gáz (pl. nitrogén) bevezetés közben [1]. A hőbontás során a szerves hulladékból pirolízis gáz, folyékony termék (olaj, kátrány, szerves savakat tartalmazó bomlási víz) és szilárd végtermék (piroliziskoksz) keletkeznek [2]. Pirolízis a biomassza kereskedelmi üzemanyaggá alakításának leggyakoribb termokémiai folyamata. A pirolízis során, biomasszát levegő hiányában fűtjük, így az lebomlik, folyadékok komplex keveréke, gázok és maradék termék keletkezik [9]. Reakciófeltételek: - hőmérséklet - reakcióidő, - szemcsenagyság, - keveredés A hőbontás alaptípusai: kis- és középhőmérsékletű eljárások (450-600 C) nagyhőmérsékletű eljárások (800-1100 C) nagyhőmérsékletű salakolvasztások eljárások (>1200 C) A salakolvasztásos technológia célja a gáznemű végtermék-kihozatal növelése, másrészt a környezettel szemben teljesen közömbös, kiégett maradékanyag biztosítása (az olvasztott salak-granulátum gyakorlatilag bárhova lerakható). A végtermék felhasználása energiahordozóként (fűtőgáz, tüzelőolaj, koksz), vegyipari másodnyersanyagként (pl. a gázterméket szintézisgázzá konvertálva metanol előállításához) egyéb célokra (talajjavítás szilárd, szénben dús maradékkal; fakonzerválás vizes maradékkal; granulált salakolvadék építőipari adalékanyagként stb.) [11]. 5.1. A pirolízis előnyei, hátrányai A hőbontás legnagyobb előnye az, hogy termékei értékesíthető alifás és aromás szénhidrogének, továbbá légszennyező hatása jelentősen kisebb, mint a hulladékégetésé. 19