Tüzelőanyagok és jellemzőik Biomassza Hasznosítás
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
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
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
CO 2 körforgása
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 ]
Szilárd tüzelőanyag összetételének elemzési módszerei
Szilárd tüzelőanyagok jellemzői
Fajlagos CO 2 kibocsátások
Fajta Faapríték (nagyon függ a nedvesség tartalomtól ) Tüzelőanyagok összehasonlítása Fűtőérték MJ/kg 7-15 Fűtőérték kwh/kg 2-4 Halmaz sűrűség kg/m 3 175-350 Energia tartalom MJ/m 3 2,000-3,600 Energia tartalom kwh/m 3 600-1,000 Hasábfa (légszáraz állapotban) 15 4.2 300-550 4,500-8,300 1,300-2,300 Fa (vízmentes) 18-21 5-5.8 450-800 8,100-16,800 2,300-4,600 Fapellet 18 5 600-700 10,800-12,600 3,000-3,500 Szén 20-30 5.6-8.3 800-1,100 16,000-33,000 4,500-9,100 Fűtőolaj 42 11.7 870 36,500 10,200 Földgáz 47 13 0.68 34 9,4
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)
Erdei apríték készítés és gyűjtés
Tárcsás és dobos aprító működési vázlata
Pellet prés és pellet
Tüzelhető fa megjelenési formái
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
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
Bunte-Baum vizsgálat
Bunte-Baum vizsgálat eredményei
Leitz típusú hevítőmikroszkópos vizsgálat
Leitz tipusú hevítőmikroszkópos vizsgálat eredményei IDT SOT HT FT (initial deformation) (softening) (hemispherical) (fluid) Jellemző pontok: zsugorodás lágyulás olvadás folyás
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
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 - 150 mg/m 3 150 mg/m 3 50 mg/m 3 10 mg/m 3 CO - 1000 mg/m 3 250 mg/m 3 250 mg/m 3 50 mg/m3 NO x - 650 mg/m 3 650 mg/m 3 400 mg/m 3 200 mg/m3 SO 2-1000 mg/m 3 1000 mg/m 3 200 mg/m 3 50 mg/m3 C x H y - 50 mg/m 3 50 mg/m 3-10 mg/m 3 HCl - - - 200 mg/m 3 10 mg/m 3 HF - - - 30 mg/m 3 1 mg/m 3
Kátrány közbenső reakció termékek (PAH) keletkezési reakció körülmények hasonlóak a CO keletkezési körülményeihez Ábra: kátrányminta kromatográfiás elemzési adatai
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
Tüzifa tárolási példa Photo: Beacon Stoves The log store should allow for plenty of air flow but should protect the logs from the rain
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
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
Apríték tárolás és beadagolás
Apríték tárolás és beadagolás
Apríték tárolás és beadagolás alaprajz
Mezőgazdasági melléktermékek - szalma Forma Halmaz sűrűség Kg/m 3 Darabok tömege Kg Kiindulási Kisbála Nagy körbála Nagy szögletes bála Brikett-pellet 40-60 70-120 60-120 60-160 300-600 - 8-25 300-400 200-600 0,02-0,3
Szalmabálák tárolása
Szalmabálák beadagolása
Agri-pellet és brikett
Mezőgazdasági melléktermékek összetétel adatai 18.0 28.45 61.5 1.95 8.1 Szőlővenyige 13.6 21.2 60.8 11.83 6.46 Napraforgó maghéj 16.3 16.2 65.4 5.9 12.5 Energiafű 17.7 13.5 71.9 7.0 7.6 Búza-szalma 17.6 15.8 71.4 3.9 8.9 Maghéj 17.0 22.1 66.2 4.25 7.45 Szója-szalma Vízmentes anyag fűtőértéke [MJ/kg] fix karbon [%] illó [%] hamu [%] víz [%] Anyag
Mezőgazdasági melléktermékek elemi analízisének adatai - 0.20 7.00 1.1 39.6 6.10 46.0 Napraforgó maghéj 0.045 0.22 3.12 0.51 42.16 5.45 48.5 Miscanthus 0.11 0.27 6.74 0.88 40.48 5.66 45.86 Energiafű 0.11 0.38 4.70 0.77 41.04 6.12 46.88 Búza-szalma 0.11 1.5 7.82 0.69 38.66 4.90 46.32 Zab-szalma S [%] Cl [%] hamu [%] N [%] O [%] H [%] C [%] Anyag
Hamulágyulási tulajdonságok összehasonlítása IDT SOT HT FT ºC ºC ºC ºC Akácfa 1180 1200 1220 1220 Nyárfa 1175 1205 1230 1250 Fűzfa 1210 1225 1250 1275 Búzaszalma 848 956 1107 1241 Energiafű 775 935 990 1055 Szennyvíziszap 1120 1180 1290 1320
Hulladék civiláziós melléktermék
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
A háztartási hulladék biológiai eredetű részének lerakási aránya az EU országaiban
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
Alapvető hulladék vizsgálatok fűtőérték lobbanáspont PCB-k halogének (pl. Cl, Br, F) és kén nehézfémek hulladékok összeférhetősége és reakciókészsége radioaktivitás
GFP a hulladék biogén karbontartalmának a függvényében egy korszerű égetőmű esetében
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
SRF besorolási kategóriák EN 15359 szerint
SRF példa
Hasznos link: http://www.ecn.nl/phyllis2/
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
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.
Lobbanáspont vizsgáló készülék
Folyékony tüzelő-anyagok viszkozitásának változása
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.
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%;
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;
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;
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
E,,Nem tűzveszélyes''' a nem éghető anyag;
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 12,8 423 4,3-19,0 29,8 26,7 8,97 4,4 111 92 8 16 71,5 Benzin C 4 -C 12 110(average) 83-88 12-14,3 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 - <150 25-220 -43 (-) -39 495 1,4-7,6 47,2 43 14,7-88-98 80-88 8-14 40-90 71-72 Isooctane C 8 H 18 114,23 84,12 15,88 O 34,73 0-2,7 0 0 Sűrűség, kg/dm 3 0,7893 0,720-0,780 0,6919 0,84 0 99,2 4 447 1,1-6,0 47,8 43,5 15,07-100 100 10 70 71,8 Diesel olaj C 15 H 28 208 86,1 13,9 <350 180-360 70 250 1,4-7,6 45,8 42,7 14,6 - - - 45-55 - 74,2
Fűtőolajok és állati zsír összehasonlítása Fűtőolaj EL Fűtőolaj S Fűtőolaj SA Állati zsír Összetétel [% w/w] C Carbon 86.3 85.2 86.6 76.56 H Hidrogen 13.4 11.1 11.0 12,47 S Kén 0.3 2.3 1.0 0.1 O Oxigen - 1.0 1.0 10.16 N Nitrogen - 0.3 0.3 0.35 w víz - 0.1 0.1 0.356 Sűrűség 15 C [kg/l] 0.84 0.95 0.96 0.916 Dermedéspont [ C] - 6 50 50 28 Lobbanáspont [ C] 70 120 120 202
Fűtőolajok és állati zsír összehasonlítása Fűtőolaj EL Fűtőolaj S Fűtőolaj SA Állati zsír Levegőigény [m 3 /kg] 11.22 10.65 10.79 9.81 Száraz füstgáz térfogat [m 3 /kg] 10.46 10.04 10.16 9.09 Nedves füstgáz térfogat [m 3 /kg] 11.86 11.17 11.33 10.48 Fajlagos víz mennyiség [kg/kg] 1.20 0.97 1.00 1.12 CO 2max [% V/V] 15.31 16.00 16.02 15.71 CO 2 emisszió [kg/kwh] 0.27 0.28 0.28 0 (0.257) Fűtőérték [MJ/kg] 42.82 40.38 40.94 39.3 Égéshő [MJ/kg] 45.76 42.76 43.38 42.1
Ólommentes benzin EN 228 PREMIUM - 98
Tüzelőanyagok és üzemanyagok forrási görbéi
Folyékony tüzelőanyagok tárolása
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
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 > 0.8 - közepesen nehéz (pld. CO) d > 1.2 - nehéz gáz (pld. PB)
Gáznemű tüzelőanyagok lényeges paraméterei Wobbe index (gázok felcserélhetőségére) Kiterjesztett Wobbe index ahol: H s - Égéső d - relativ sűrűség p nyomásesés a fúvókában
Gázok éghetőségi határai
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
PB gáz forgalmazási példák
Biomasszából fejleszthető éghető gázok Anaerob fermentációval: Fő komponensek: CH 4 + CO 2 Szennyezők:H 2 S, CO, H 2 O, szilárd részecskék Fűtőérték: 18-30 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
Finomítói gázok
Finomítói gázok
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 - 100 mg/m 3 100 mg/m3 NO x - 350 mg/m 3 150 mg/m3 SO 2-35 mg/m 3 35 mg/m3 C x H y - - - HCl - - - HF - - -
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)
Biomassza konverziós lehetőségek
Köszönöm a figyelmet!