Kísérleti pirolízis kiserőmű tüzeléstechnikai vizsgálata Madár V. 1 Tóth L. 1 Schrempf N. 1 Madár Gy. 1 Gubó J. 2 Szegvári P. 2 ; 1 SZIE GEK, 2 Csőmontage Kft. A helyi adottságokhoz alkalmazkodva a különféle kommunális és vágástéri nyesedékek, erdőgazdasági fakitermelés maradék anyagai (pl. tuskók) és fás szárú energiaültetvényekből származó vegyes tüzelőanyagmixek felhasználásának gazdaságos, decentralizált módszere lehet a pirolízisgenerátorok alkalmazása. Az ilyen rendszerbe való bekapcsolódás erősítheti az erdő- és mezőgazdasági vállalkozásokat, de az önkormányzatok kommunális közcélú szolgáltatási lehetőségeit is kibővíti. A generátorgázzal (fagázzal) hajtott gázmotorok folyamatos, jó hatásfokú üzemeltetéshez tiszta gáz előállítása szükséges, amely portól és lerakodást okozó illékony (kátrányos) anyagoktól mentes. A kutatás során 50 kwe elektromos teljesítményű és távhőszolgáltatásba is illeszthető fagázgenerátoros kiserőmű prototípusának félüzemi tesztelését végeztük. Cél: kedvező elektromos hatásfok 23-29 % mellett, jó hőhasznosítási arány elérése (50-56 %). A gázgenerátorba az alacsony kátránytartalom biztosítása érdekében legfeljebb 18 % nedvességtartalmú tüzelőanyag használható. A vágástérről bekerülő tüzelőanyagok nedvességtartalma általában 35-60 % között mozog, így a gázgenerátorban történő felhasználás előtt a tüzelőanyagot szárítani kell. A korszerűbb rendszerek előnye, hogy a tüzelőanyag szárításra felhasznált ún. önfogyasztást alacsony szinten tartják, kevesebb energiával oldják meg, ezáltal növelhető a hasznosítható, értékesíthető hő. A rendszer felépítése A rendszerbe bevitt biomassza egy része fagázzá alakul át és az átalakítás során keletkezet hőt, valamint a benne rejlő energiát motorokban hasznosítjuk villamos generátorok hajtására. Hasznosítjuk a villamos energiát, de a motorok hulladékhőjét is, mint eladható terméket. A gázosítás folyamatában a tüzelőanyag először szárad az égő gázok által előállított hővel, majd a hőmérséklet növekedésének hatására megkezdődik a pirolizáció, mely során vízgőz, széndioxid, hidrogén, nehéz szénhidrogének, legfőképp etilén, metán, szénmonoxid, kátránygőzök, ecetsav, faszesz, nitrogén, ammóniák és kénhidrogének szabadulnak fel. A keletkező koksz, illetve az oxigén kémiai reakciójának eredményeként úgynevezett világítógáz keletkezik. Ezek a gázok összekeveredve alkotják a generátorgázt. Az elgázosítás folyamatában jellemző zónák: kiszárítási zóna, pirolízis zóna, 1. ábra A globális rendszer égési zóna, redukciós zóna. A berendezésekben ezek a zónák élesen nem különülnek el, de tartományaikban különböző kémiai reakciók és hőmérsékleti szintek vannak. A berendezéseket kialakítási elveik szerint lehetnek: egyenáramú, ellenáramú, keresztáramú, fluidágyas megoldások. Az egyenáramú gázosítónál a tüzelőanyag beadagolása és a levegő befújása azonos irányú, a gázelvezetés a tűztér alsó részén történik. A vizsgált berendezés az ún. egyenáramú, többfázisú gázgenerátorok csoportba tartozik. A fejlesztés célja a kedvezőbb összhatásfok elérésén túl az volt, hogy kátrány csak olyan mértékben képződhet, ami a motorikus üzemet nem zavarja, nem károsítja. Hasonló célokat tűzött maga elé a Dán Műszaki egyetem Viking fantázianévre hallgató (fejlesztés alatt áll) berendezése, amelynél a teljes szenesítést indirekt módon oldják meg, viszont a nagyon magas beruházási költsége miatt az energetikai piacon nem állja meg a helyét. Hasonló a törekvés a Graz-i Műszaki Egyetemen is, ahol az oxidációs kamrát a gázgenerátoron kívülre helyezték, s emiatt a hő vesztesége nagy, ami csökkenti a gázosítási hatásfokot. A kísérleti berendezést a tüzelőanyag útját követve mutatjuk be. A 25-30 % nedvességtartalommal beérkező faapríték a 10 m 3 -es előtárolóba kerül. A tároló alsó részén helyezkedik el a kihordószerkezet, amely a felhordó irányába szállítja a betárolt, forgácsolt tüzelőanyagot, faaprítékot (2. ábra). A ferde felhordóról az anyag a betöltőcsigára kerül, de előtte találhatók a zsilipkamrák. A behordócsiga már kismértékű vákuum alatt működik, tehát a beadagolásnál a felesleges levegő beáramlását úgy tudjuk megakadályozni, hogy az anyagot zsilipek segítségével továbbítjuk (3. ábra). A zsilipek vezérlését számítógép végzi, működtetése pneumatikus munkahengerekkel történik. A zsilipből az anyag felhordó szállítócsigába jut. A csiga alsó része egyköpenyű, míg a felső része része kettős köpenyű, hőszigetelt kivitelű. Ide kerül bevezetésre a motorból kiáramló magas hőmérsékletű füstgáz, mely jelentős mértékben előszárítja az anyagot, tehát az így még szárazabb állapotba kerül a reaktortérbe. Gyakorlatilag kettős szárítás valósul meg. Az egyik az előmelegített levegővel az előtárolóban, a második pedig a szállítócsiga dupla falú köpenyében. Az innen beadagolt anyag a generátortérbe kerül, ahol megkezdődik a pirolízis folyamata. Ennek megfelelően a generátor rendelkezik a szükséges biztonsági és funkcionális egységekkel (pl. az anyag begyújtásának folyamatánál). A reaktorhoz kapcsolva található a tápláló levegő bevezetésére rendszeresített ventilátor (4. ábra). A reaktor felső részén került elhelyezésre az a hőcserélő, amely a generátor által termelt gáz hőjét hasznosítja, s ezzel 2 Mezőgazdasági Technika, 2016. február
2. ábra A rendszer fő elemei 1 - a tároló (egyben szárító), 2 - ferde felhordó (porleválasztó is), 3 - zsiliprendszer a beadagoláshoz, 4 - behordócsiga (egyben szárító), 5 - generátor, 6 - gázfáklyázó, 7 - gáztisztító (ciklon és szűrő), 8 - vezérlőszekrény, 9 - hamukihordó, 10 - motor és generátor (Tóth, 2016) lehűti a nyert gázt. A kinyert hő különféle technikai célokra hasznosítható. A generátorból kiáramló gáz először egy ciklonba kerül. A ciklonban leválasztódnak a szilárd szennyező anyagok és az csak innen került át a hőcserélőbe. A generátor legalsó részén található a hamukihordó csiga, amely a mellette elhelyezett gyűjtőtartályba továbbítja az anyagot. A generátor fölött helyezkedik el az ún. fáklyázó. Gyakorlati tapasztalatok szerint (a mérések is ezt bizonyították) a gázgenerátort folyamatosan kell üzemeltetni, csak úgy lehet hatékony, hiszen a leállítás igen jelentős gondot okoz. Az újbóli indítás jelentős emberimunka-ráfordítást igényel, és az anyag újbóli begyújtása után az egyensúlyi állapot beállításához mintegy 20-25 perces időtartam szükséges. Ha a gázra valamilyen oknál fogva nincs szükség, akkor a legcélszerűbb elfáklyázni. A kísérleti berendezésünknél a gáz tisztaságát jól szemlélteti a meggyújtott gáz színe. A kékfehér szín a magas hőmérsékletet jelzi, továbbá azt, hogy tiszta az anyag, tehát a por és nedvesség leválasztása megfelelő volt. A gáz a porciklonból egy szűrőn keresztül jut a gázmotor fölött lévő nyomásszabályozóhoz. A szűrés után vizsgáltuk a gáz összetételét. A mérőpont közvetlenül a gázmotor előtt van, a szívótorok közelében. Innen a gáz közvetlenül a motor szívócsonkjába kerül. Mezőgazdasági Technika, 2016. február A rendszer vezérlése A rendszer vezérlése PLC-rendszerrel történik. A PLC-állomásokat a folyamatfelügyeleti SCADA terminálokkal nagy sebességű ethernet-modbus vonal köti össze. A terminálcsoport kezeli a kommunikációt. A biztos és biztonságos kommunikáció érdekében fedő kommunikációs vonal épült ki (RS-485-modbus), amely csökkenti a felügyeleti rendszer meghibásodási lehetőségét. A PLC-rendszer három szintje: PLC1 kiserőmű teljes irányítástechnikai feladatát elvégzi, PLC2 gázmotor-vezérlés, PLC3 szilárdüzemanyag-rendszer. A PLC-k a kapcsoló-/elosztószekrényen találhatók. A PLC1 és PLC2 az elosztó előlapján helyezkedik el, míg a PLC3 a saját elosztójában DIN sínre szerelt. Az irányítástechnikai rendszerbe nagy számú, önmagában is intelligens kommunikációra alkalmas komponens került beépítésre. Az irányítás egyes funkcióinak megtekintése a vezérlőszekrényen lévő kisméretű képernyő piktogramjain lehetséges, a rajta lévő billentyűzetről parancsok is közvetíthetők. Félüzemi vizsgálatok A generátorral kapcsolatban számtalan mérővizsgálatot végeztünk. Alapvető 4. ábra A generátortest és felépítményei 1 - generátortest, 2 - táplálólevegő ventilátora, 3 - hőcserélő, 4 - hamukihordó, 5 - porleválasztó ciklon 3. ábra A zsilipezés rendszere cél volt a begyújtási technika tökéletesítése, majd az adagolási sebesség és a légmennyiség arányának meghatározása, vagyis a legkedvezőbb hőmérsékleti szint elérése a generátoron belül a szárítási, a pi rolízis, az égési és a redukciós zónában. Legnagyobb mértékben ettől függ a berendezés hatásfoka, hatékonysága, hogy milyen mennyiségű kátrány marad a gázban. Az értékek: a leadott villamos teljesít mény, a villamos generátor frekvenciája, a cos ϕ stb. láthatók a vezérlőképernyőn is. A modellberendezéssel végzett kísérletekhez a teljes rendszert mérőműszerekkel szereltük fel. Mérés során a reaktorhoz kapcsolódóan 12 ponton rögzítettük a hő 5. ábra Mérésre előkészített gáz tisztaságának szemrevételezése fáklyázással 3
mintagyűjtő zsákban tároltuk a feldolgozásig, a tároláshoz szükséges 10 kpa túlnyomást kompresszorral hoztuk létre. 6. ábra A hőmérsékleti értékek alakulása a pirolízis során, ~ 39 min-os időtartamot kiragadva 7. ábra A működést befolyásoló jellemző értékek alakulása a pirolízis során, ~ 39 min időtartamot kiragadva mérsékleti értékeket és azok változásait az üzemi jellemzők módosítása esetén. A gázgenerátor teljesítményének beállítása a bemenő levegő szabályozásával történt. A gáz térfogatáramát a gázanalízisből kapott sűrűséggel és a gáz hőmérsékletével korrigáltuk. Minden egyes kísérlet után megmértük az elgázosítóban és a hamutartályban található melléktermékek tömegét a tömegváltozások regisztrálásához. Néhány kísérlet után a tüzelőanyag-ágyat nitrogénnel fúvattuk át, hogy az gyorsan lehűlhessen. Így teljes képet kaphatunk az elgázosítás folyamata alatt a szilárd anyag átalakulásáról (főleg a pirolízis és a redukciós zónákban). A generátorgáz összetételét a helyszínen műszeres vizsgálattal határoztuk meg. A mintavételnél a tisztított generátorgázt 8. ábra A keletkezett gáz alkotóelemeinek térfogataránya *300 kg/m 2 h relatív **310 kg/m 2 h relatív ***424 kg/m 2 h relatív A gázgenerátor mérésre történő beüzemelése A gázgenerátor levegővel történő ellátását oldalcsatornás fúvóval oldottuk meg. Mérésnél a levegő térfogatáramának szabályozása a frekvenciaváltós fúvó fordulatszámának változtatásával történt. A gázgenerátort automata adagoló segítségével a kikapcsolási szintjéig töltöttük száraz faaprítékkal. Ezt követően a primer levegőt beadagoláskor (16 m 3 /h) a vezetékbe beépített elektromos fűtőszállal a 400 C-ra melegítettük, amellyel a felső réteget begyújtottuk és tovább izzítottuk kb. 300 s-ig. A begyújtás időtartam kb. 450-700 s. Sikeres begyújtás, vagyis a felső réteget átizzása után kb. 10 perccel meggyújtottuk a fáklyát (5. ábra) és a levegő térfogatáramát a maximális 22 m 3 /h-ig növeltük. A fáklyázásnál az is megfigyelhető, hogy a gáz kátránytartalma elég alacsony szintű-e. A gázból a mintavétel 30 perc üzemeltetés után történt a levegő állandó térfogatárama mellett. A generátor üzemeltetése közben a rostélyt mozgató kart ~10 percenként mindkét irányba (intenziven) elmozdítottuk. Ennek célja az esetleges gázcsatornák kialakulásának elkerülése volt a redukciós zó nákban. Gyakori mozgatás ese tén a redukciós zónából faszén is kinyerhető, ennek elkerüléséhez volt szükséges az időzítés pontos meghatározása. A mérések és a mérőrendszer A gázgenerátorban uralkodó hő mérsék leteket k típusú (NiCr-Ni) hőelemek segítségével folyamatosan rögzítettük, a be menő levegő térfogatáramát Dresser Rootsmeter 50G65 típusú forgódugattyús gázmérővel határoztuk meg. A generátorgáz hőmérsékletét PT100- as hőmérővel, térfogatáramát Venturi mérővel mértük, melynek hitelesítését forgódugattyús gázmérővel végeztük. A gáz tér fogatáramát a gázanalízisből kapott sű rűséggel és a gáz hőmérsékletével korrigáltuk. Az adatokat Novus DigiRail ModBus protokkal üzemelő távadókkal gyűjtöttük és RS485-ös hálózaton keresztül PC-re csatlakozva megjelenítettük, majd tároltuk. Ezután az adatokat Excel táblázatba konvertáltuk, majd elkészítettük a folya 4 Mezőgazdasági Technika, 2016. február
mat diagramjait (6. és 7. ábra). Részletesebb értékelést a vonatkozó fejezet di agramjai tartalmazzák. A nyert gáz összetételének meghatározása A VISIT 03H készülék mobil mérésekre szolgáló számítógéphez kapcsolt gázelemző, fosszilis anyagok és biomasszák elgázosító berendezéseihez. Az ötféle gázkomponens (CO, H 2, CH 4, CO 2 és O 2 ) egyidejű és folyamatos elemzése mellett a készülék további mérési lehetőségeket kínál, például nyomásmérést, a levegő és a gáz hőmérsékletének meghatározását, valamint a gázvezetékek tömörségének ellenőrzését. A VISIT 03H készülék valamennyi gázkomponenst képes megadni %-ban vagy ppm, g/nm 3 és mg/nm 3 egységekben. A mért értékek a kijelzőn és a nyomtatón kívül másodpercenkénti ütemben az RS232 interfészen is megjelennek. Minden mért érték manuálisan is betáplálható, adatátvitel útján külső PC-n kijelezhető, vagy automatikusan programmal, definiálható intervallumonként a készülékbe bevihető, és onnan igény szerint kiolvasható. A műszeres mérés a helyszínen üzemeltetés közben, a laboratóriumi mérés a beszállított minták alapján történt. A mért és számított értékeket a 8. ábra szemlélteti. A terhelés függvényében nem volt szignifikáns eltérés a mért összetevőknél. 9. ábra A gáz nedvességtartalma és hideggázra vetített hatásfoka, valamint a visszamaradó hamu mennyisége *300 kg/m 2 h relatív **310 kg/m 2 h relatív ***424 kg/m 2 h relatív q gáz A generátorgáz térfogatárama [m n3 /s] H atü A tüzelőanyag fűtőértéke [J/kg] q tü A tüzelőanyag tömegárama [kg/s] Gázjellemzők számítása A gázkeverék sűrűsége az egyes alkotók sűrűsége és az alkotók térfogataránya ismeretében adható meg: r i a gázkeverék alkotóinak térfogataránya ρ i a keverék alkotóinak sűrűsége A gázkeverékek tüzeléstechnikai jellemzői A gázok, gázkeverékek elégetésével foglalkozó tüzeléstechnikában is szükség van a gázok tulajdonságainak meghatározására: Égéshő H I Fűtőérték H s (kj/kg, kj/nm 3, kj/kmol) r i a keverék alkotóinak térfogataránya H Si, H Ii a keverék alkotóinak égéshője, illetve fűtőértéke Alsó és felső gyújtási koncentráció Jelölés: Z, mértékegység: m 3 /m 3, g/m 3. A gyújtási koncentrációt sok tényező befolyásolhatja, pl.: kezdeti hőmérséklet és nyomás, a szennyezőanyagok mennyisége és minősége, a gyújtóforrás minősége és milyensége stb.. Az inert gáz hozzáadása az éghető keverékhez lényegesen csak a felső koncentrációhatárt befolyásolja, fordított arányban. Minél több az inert gáz, annál jobban szűkül a gyulladási tartomány. A gázkeverékek gyújtási koncentrációhatárait a Le Chatelier-összefüg gés sel számítva, amennyiben a keverékben inert anyag (CO 2, N 2 ) is található: Anyagmérleg és a hideggáz-hatásfok alakulása Hideggáz-hatásfok számítása H agáz A generátorgáz fűtőértéke [J/m n3 ] 10. ábra Tüzeléstechnikai jellemzők *300 kg/m 2 h relatív **310 kg/m 2 h relatív ***424 kg/m 2 h relatív Mindkét jellemző a gázkeverékeknél az alkotókra vonatkozó mennyiségekből számítható: Z i az egyes alkotók alsó (felső) gyújtási koncentrációhatára Z ékev a keverék alsó (felső) gyújtási koncentrációhatára az éghető részre számítva 11. ábra A begyújtást követően a stabilizált szakaszban az anyagösszetétel az alsó gyulladási határt lényegesen nem, a felsőt növekvő mértékben befolyásolta *300 kg/m 2 h relatív **310 kg/m 2 h relatív ***424 kg/m 2 h relatív Mezőgazdasági Technika, 2016. február 5
r éi az éghető komponens térfogataránya a keverék éghető anyagához viszonyítva B a keverék inerttartalma Z kev az inert gázokat is tartalmazó keverék alsó (felső) gyújtási koncentrációhatára Wobbe-szám a gázkeverék fúvókából való kiömlésére felírt összefüggésből származtatható mutatószám. Jelölés: W O, mértékegység: kj/kg A kémiailag kötött energiaáram A kiáramló térfogat A a kiömlési keresztmetszet ω - a kiömlési sebesség innen ω-t kifejezve és behelyettesítve: α kiömlési tényező A a kiömlési keresztmetszet ρ rel a kiáramló gáz relatív sűrűsége H f a kiáramló gáz égéshője p c a gáz nyomása A fenti egyenletből értelmezhetjük a Wobbe-számot: A tisztított generátorgáz tüzeléstechnikai jellemzőit a 10., 11. és 12. ábrák mutatják. A növekvő terhelés függvényében a keletkező gáz égéshője és fűtőértéke csökkent. 12. ábra A nyert gáz és a tüzelőanyag aránya (kg/kg) *300 kg/m 2 h relatív **310 kg/m 2 h relatív ***424 kg/m 2 h relatív Értékelés Az imbert és többfázisú fixágyas rendszereket alapul véve 1 kg biomassza gázgenerálása során 1,5 m 3 levegő felhasználásával 2,5 m 3 gáz keletkezik. A keletkezett gáz fűtőértéke 4,5-5,2 MJ/Nm 3, amelynek összetétele: 18-24 % H 2 15-19 % CO 0,7-2,0 % CH 4 10-12 % CO 2 42-51 % N 2 [3, 9, 19] Hiányosság, hogy a gáz nagy mennyiségű nitrogént tartalmaz, ami a levegő betáplálásával jut be a folyamatba, és ront ja a keletkezett gáz fűtőértékét. A rostély alatti térben a hőmérséklet 650-750 C-on, a redukció feletti térben 1000-1050 C-on, stabilizálódott. A magas metántartalom az alacsonyabb redukciós hőmérséklettel magyarázható. Az anyagok teljes kiszárításával, így fűtőértékének növelésével ez a hatás némileg csökkenthető. Egyes anyagoknál fakéreg problémát okoz a magas hamutartalom is. Az ilyen anyagoknál keverék-tüzelőanyag készítése ajánlott. A mérésekből összességében megállapítható, hogy a rendszeren a tömítéseket felül kell vizsgálni. A beérkező anyagok szemcsetartalmát ellenőrizni kell, ehhez megfelelő vizsgálóberendezést célszerű kifejleszteni. Amennyiben a portartalom meghatározott szint fölé emelkedik, az anyagot nem célszerű a rendszerbe beadagolni. A bemenő anyag nagyobb portartalma esetén előzetes porleválasztást kell alkalmazni, mivel a generátorban a por (és az apró szemcsék) jelenti az egyik legveszélyesebb, eltömődést okozó anyagot. Az ásványi anyag nem égethető, viszont alkalmas arra, hogy nagyobb sűrűségénél fogva a rostély irányába mozduljon, főként akkor, amikor a rostélyt mozgatása történik. A re aktorban lévő anyag egyébként is mozgásban van, ennek következtében az alsó reakciótérben összegyűlik és eltömődésekhez vezet. Összefoglalás A kísérletek során egy hazai fejlesztésű pirolízis gázgenerátort vizsgáltunk, amelynek tüzelőanyaga faforgács volt. Cél volt a gázképződés hatékonyságának megállapítása, annak növeléséhez szükséges módosítások megismerése. Megállapítást nyert, hogy az alkalmazott rendszer működőképes és a technológia megfelelő 10-50 vagy 100 kw teljesítményű egységek létrehozásához. A villamos csatlakozással kapcsolatos eredményekről a későbbiekben számolunk be. A kutatást támogatta: PIAC_13-1-2013-0130 Kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés biomasszából Summary In the experiments, a domestically developed pyrolysis gas generator were tested, of which fuel was wood shavings. The aim was to establish the efficiency of the gas production, it is necessary to increase the knowledge of amendments. It was found that the system used functional and technology of 10, -50, or 100 kw units to create. The results related to electrical po wer connection with a report on the next issue. Lektorálta: Dr. Beke János, egyetemi tanár Irodalom [1] Beke J.: 2000 Műszaki hőtan mér nö köknek. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, p. 350. [2] I.-S. Antonopoulos, et al.: 2011, De velopment of an innovative 3-stage steadybed gasifier for municipal solid waste and biomass In: Elsevier, Fuel Processing Technology n. 92., p. 2389-2396. [3] Madár V., Tóth L., Madár Gy., Schrempf N.: 2014, Kísérleti fagázgenerátor Mezőgazdasági Technika, 55. évf. 4.sz. ISSN 0026 1890. 2-5p. [4] Madár V., Tóth L.: 2012, Fagázgenerátor üzemű bio-kiserőmű (CHP) és öntözőberendezés, Mezőgazdasági technika, 9.sz., Gödöllő [5] N. S. Barman, S. Ghosh: 2012 Gasifi cation of biomass in a fixed bed downdraft gasifier A realistic model including tar In: Elsevier, Bioresource Technology n. 107., p. 505-511. [6] S.C. Bhattacharya, A.H.Md. Mizanur Rahman Siddique, Hoang-luong Pham: 1999, A stu dy on wood gasification for low-tar gas production In: Pergamon, Energy n. 24., p. 285-296. 6 Mezőgazdasági Technika, 2016. február