A Kaposvári Cukorgyárban termelt biogáz hasznosításának vizsgálata Tudományos Diákköri Dolgozat Szerző neve: Szak: Témavezető: Hadas Tímea Klára Műszaki földtudományi alapszak, Olaj- és gázmérnöki szakirány Dr. Szunyog István, Miskolci Egyetem, Kőolaj és Földgáz Intézet Beadás dátuma: 2011. november 4.
Tartalomjegyzék Bevezetés... 1 1. A Magyar Cukor Zrt. története... 2 2. A cukorrépa feldolgozása... 3 3. Előzmények- Miért épült a biogáz üzem?... 5 4. A biogáz technológia... 7 4.1. Az anyagok betáplálása... 7 4. 2. Fermentorok... 7 4.3. Fáklya... 9 4.4. Ellenőrzés, folyamatirányítás... 10 5. Gáztisztítás... 11 5.1. Vizes mosás... 11 5.2. Membránszeparálás... 12 6. Az üzem és az elosztó hálózat közötti vezeték méretezési feladata... 13 7. Gázkeveredés számítása... 23 8. Összegzés... 32 Irodalomjegyzék... 33 Mellékletek... 34 Köszönetnyilvánítás... 37
Bevezetés A TDK dolgozatom célja, hogy bemutassam a Kaposvári Cukorgyár Zrt. nemrég létesült biogáz üzemét. Saját számításokat végzek az üzemben előállított földgáz minőségűre tisztított biogáz, azaz biometán földgázhálózati betáplálására vonatkozóan. Magyarországon még ilyen egyáltalán nem valósult meg, ezért ez újdonságnak mondható, préselt répaszeletekből előállított biometánt (tudomásom szerint) még eddig egyetlen európai országban sem tápláltak be földgázhálózatba. A dolgozatom 7 fejezetből áll. Az első fejezet a Magyar Cukor Zrt. múltjáról szól. A második fejezetben a cukorrépa feldolgozását mutatom be. A harmadik fejezetben ismertetem, hogy a cukorgyár számára hulladékká váló, de a biogáz-gyártás nagyon is értékes préselt répaszeleteket miért is kezdték el újrahasznosítani. A negyedik fejezet a már megépült biogáz üzemről szól, hogyan is épül fel, milyen fontosabb részei vannak. Az ötödik fejezetben a biogáz tisztítási lehetőségeit sorolom fel és jellemzek kettőt közülük. A hatodik fejezetben megvizsgálom a lehetőségeket, és kiszámolom a különböző térfogatáramokkal történő hálózatba táplálást. A hetedik fejezetben pedig a különböző gázáramok által történő gázkeveredést vizsgálom meg a találkozási pontban. A nyolcadik fejezetben összegzem vizsgálataimat. Számításaim során a Microsoft Excel és a Mathcad programot használtam. 1
1. A Magyar Cukor Zrt. története A Magyar Cukor Zrt-t 1995. július 1-jén öt magyar cukorgyár hozta létre. 1996-ban az AGRANA többséget szerzett a társaságban, és ezzel a lépéssel a cég megindult az európai fejlődés útján. Az AGRANA az azóta eltelt években folyamatosan biztosította a fejlesztéshez szükséges tőkét. A jelenlegi utolsó cukorgyárból (Kaposvári Cukorgyár) és a budapesti központból létrejött egy vállalati struktúra. A Magyar Cukor Zrt. mintegy 105 ezer tonnás cukorgyártási kapacitással rendelkezik, birtokalja a legnagyobb cukorgyártási és forgalmazási kvótát hazánkban, amivel az európai középmezőnyhöz tartozik. A társaság fogyasztói és ipari felhasználásra szánt termékeket állít elő a Kaposvári Cukorgyárban, ahol egy korszerű biogáz üzem is felépült 2007-ben környezetünk védelme érdekében. 2
2. A cukorrépa feldolgozása 1. kép. Cukorrépa betakarításra várva (Forrás: http://www.pointernet.pds.hu/ujsagok/agraragazat) A cukorrépa betakarítása kampányszerűen, vagyis idényjellegűen zajlik. Szeptember- októbertől kezdődik, és januárig tart. Minél később takarítják be a répát, annál nagyobb az rizikó, hogy megromlik a földben. Régebben naponta 3000 tonna kapacitása volt a gyárnak, az elmúlt 5-8 évben ez megnövekedett, mára már 8000 tonna cukorrépát dolgoznak fel naponta. A cukorrépa feldolgozásának első lépése a felszeletelés. Utána többlépcsős lepárlókon keresztül nyerik ki a cukrot. A technológiai folyamat első lépése a lényerés. Hőkezeléssel (70 C) a répában található cukrot kioldják a lényeréshez használt vízbe (diffúziós folyamat). Ennek eredménye lesz a nyerslé és a kilúgozott répaszelet, amelyet szeletprésen keresztül kiszárítanak. A következő lépés a létisztítás, hiszen a lényerés folyamán a cukron kívül más anyagok is belekerültek a lébe, törekednek a maximális kihozatalra. A nyerslevet mésztejjel (derítés) és széndioxiddal (CO 2 ) kezelik. Mindkét eset két szakaszos, elő és fő részekből áll, amelyek hőt igénylő reakciók, de így is csak a nem cukor anyagok 40%-a távolítható el. A következő lépés a szűrés. Az első és a második CO 2 dal történő kezelés között, illetve a második után a keletkezett csapadékot zárt rendszerű, nyomás alatti és vákuum szűrökön távolítják el. A kiszűrt csapadék a mésziszap. Az így kapott cukoroldat a híglé. 3
A bepárlás következik, amikor is több fokozatú, bepárló rendszereken keresztül besűrűsítik a híglét, a víztartalmat elpárologtatják. A rendszerből a sűrűlé távozik, ami szűrés után kristályosítható. A kristályosítás folyamán a sűrűlében még mindig jelen levő nem cukor anyagokat többlépcsős folyamatban távolítják el, aminek a végterméke a kristálycukor lesz. A kristályosítás során cukorpépet készítenek, ami tartalmazza a kristályokat, de vele van még az oldat maradék is. A vákuumokból a pépet hűtőkavarókba engedik, itt utókristályosítás játszódik le. A centrifugálás során a cukorkristályokat az oldatmaradéktól szétválasztják. Ennek a végterméke a kinyert cukor, a mellékterméke (ami már nem cukor anyag) a melasz, amit szesz, élesztő gyártására használnak. 2. kép A répavágó épülete (Forrás: http://www.vasuttortenet.eoldal.hu) A répaszeletekből származó másik melléktermék a préselt répaszelet, maga a cukorrépa, amiből kioldottuk a cukrot. Ez a préselt szelet nagyon jó takarmányozási alapanyag volt korábban. 4
3. Előzmények- Miért épült a biogáz üzem? Néhány ok, mik voltak az alapvető problémák, amiért létrejött a biogáz üzem: Cukoripari melléktermékek piacának szűkülése: Magyarországon mára már teljesen lecsökkent a szarvasmarhatartás, így nem lehetett értékesíteni. Egyre inkább fel nem használt hulladékká vált, ez a probléma volt az egyik ok, hogy elkezdtek gondolkodni azon, hogyan lehetne hasznosítani ezt a mellékterméket. Fosszilis energiahordozók árának emelkedése: Ugyanilyen fontosságú tényezővé vált, hogy nagyon magas volt a cukorgyár energiaigénye, ez a cukorrépa beszerzési költsége után a legmagasabb. Az elmúlt öt évben számos technológiai átalakítás volt a cukorgyárban, ahol a fajlagos energiafelhasználást akarták hatékonyan csökkenteni. Eljutottak arra a szintre, hogy már nem lehetett eredményesebben javítani a felhasználáson. Fosszilis energiahordozók árának emelkedése: Az évek során a földgáz (amit energiahordozóként használnak) egyre drágább lett. Cukorpiaci rendtartás változása: Az EU néhány éve még védte a répacukrot, mert a nádcukrot olcsóbban lehetett előállítani. A világpiac nem sokáig tűrte, mert szabadversenyt akart. Európában a támogatott cukorrépa termelés egyre jobban lecsökkent, mert az a cukorrépa-termesztő, aki visszaadta a termelési illetve feldolgozási jogot, nagy összegű kárpótlást kapott. Minden gyárnak elég nagy nyomás volt, így a kaposvárinak is, hogy gazdaságosabb működést mutassanak a tulajdonosok felé. Ehhez hozzájárult, hogy a környékbeli termesztők tovább folytatták munkájukat, nem adták el termelési jogaikat. A kaposvári cukorgyárnak ezen okok miatt kellett rohamléptékben keresni egy alternatív energiaforrást. Kiszámították, hogy a préselt répaszeletnek milyen fűtőértéke van. Pályázatot írtak ki, hogy megfelelő biogáz üzemet hozzanak létre, ahol csak a préselt répaszeleteket használják fel. 16 biotechnológiai cég jelentkezett, de a pályázat sikertelen 5
volt, nem tudták teljesíteni az elvárásokat. A cukorgyár maga fejlesztett ki egy kísérleti üzemet 2006-ban. 2 db 5 m 3 -es fermentort építettek, ki kellett fejleszteni, hogy egy- vagy kétlépcsős rendszerben működik majd, illetve meghatározták a lebontási időt. Ebben a kisebb üzemben határoztak meg minden további paramétert, amelyeket követnek majd a tényleges üzem működtetésénél. A kísérletek alapján állapították meg, milyen tartózkodási időt kell biztosítani, vagyis milyen a bomlási idő, milyen makro- és mikroelem igények vannak. Vizsgálták a mezofil rendszert, a ph-t (a 7-es ph minden egészséges rendszerben kialakul). Ma is, ha van valami probléma, vagy új anyagot akarnak kipróbálni, akkor először ebben a próba rendszerben kísérleteznek 2007 áprilisában kezdték el az üzem építését. A tervükben négy fermentor szerepelt, de a tulajdonosok akkor csak kettőt engedélyeztek, amivel az üzem energiaigény felét tudták fedezni. A világon először itt valósult meg ilyenfajta biogáz üzem. Egyik érdekessége, hogy monoszubsztrát a feldolgozás, vagyis csak préselt répát, répatörmeléket adnak be. A másik különlegesség, hogy csak a kampány ideje alatt működtetik, de akkor nagy terheléssel, nyáron teljesen leáll. 6
4. A biogáz technológia 4.1. Az anyagok betáplálása 3. kép A biogáz üzem (Forrás: http://www.vasuttortenet.eoldal.hu) Egy biogáz technológiában felhasználhatnak folyékony fázisú, vagy szilárd halmazállapotú alapanyagot. A kaposvári cukorgyárban csak szilárd anyagot táplálnak be a rendszerbe. Ez a beadagolás rendszeres (persze csak a kampány idején), szállító csigarendszeren történik. Úgy alakítják ki a berendezést, hogy automatikus legyen az irányítás. A csigás beadás szalaggal, alulról és több helyről történik, hogy ne savanyodjon be a rendszer. Sok biogáz üzem ott rontja el, hogy erősen kevernek, pedig valahol csak enyhén kell, hogy a különböző baktériumcsoportok ne sérüljenek. Jól sikerült beállítani a keverést a cukorgyárnak, mindenhol ugyanaz az anyag van az egész fermentorban, mellette a gázképződés intenzív. 4. 2. Fermentorok Az itteni biogáz reaktorok (fermentorok) átfolyó rendszerű, függőleges elrendezésű, henger alakú hőszigetelt vasbeton tartályok, 12 ezer m 3 hasznos térfogatúak. 7
4. kép A fermentorok építés közben (Forrás: http://www.epitesimegoldasok.hu) Követelmények a fermentorokkal szemben: A levegőt ki kell zárni Gáz-és folyadéktömör legyen a tartály Kiülepedést meg tudják akadályozni A szubsztátumok biztonságosan legyenek ki- és betárolva, áthaladásuk akadálymentes legyen A megszabott tartózkodási idő biztosítva legyen Hűteni kell a fermentációt, mert a beérkező préselt szeletek 60-70 C-osak, ezt külső csöves hőcserélőkön vezetik át, ahol 37 C (ún. mezofil) hőmérsékletre hűtik le. Vannak termofil (54-55 C-os) rendszerek is, aminek a biogáz kihozatala lényegesen több a mezofil rendszerben üzemelőkéhez képest, a tartózkodási idő rövidebb, viszont a magasabb hőmérsékleten működő mikrobiológiai rendszer sokkal érzékenyebb, így biztos szabályozást, és nagy tapasztalatot igényel. Kísérleteztek a fejlesztők, hogy egy- vagy kétlépcsős technológiát alkalmazzanak. Az egylépcsős rendszerben a hidrolízis, a sav- és metánképzés egy fermentorban játszódik le (ph 7). A kétlépcsős stabilabb. Van egy elősavanyító része, ahol a hidrolízis és a savképzés történik (ph 5-6), a második lépcsőben fejeződik be a szerves anyag lebontás és a biogáz képződés (ph 7). A cukorgyár esetében az egylépcsős rendszer volt a megfelelő, mert nem volt viszkózus az anyag, így nem lehetett volna egyik tartályból a másikba szállítani. Naponta 1000 tonna szelet megy be a fermentorokba, 120 m 3 a biogáz hozama tonnánként, kb. 55%-os metántartalommal. Napi 120 ezer m 3 biogáz termelésre lett 8
tervezve a rendszer. Kellemes meglepetés volt, hogy ezt a mennyiséget feljebb tudták vinni, 160 ezer m 3 -re. Egyrészt teljesen optimalizálták a működést, másrészt építettek egy puffer (vagy utó) fermentort. Ebben a pufferben a maradék fermentlé is kirohad, így innen is tudnak néhány ezer m 3 biogázt kinyerni. A keletkező biogáz a folyadékfázis feletti térben gyűlik össze, és innen vezetik el. A fermentorban problémát szokott jelenteni a habzás, mert felületaktív anyagok vannak a fermentlében. A fermentorok tetejében lapátszerkezettel verik le. Kettős szintmérővel számolják ki a habzás mértékét. Az aljzaton a nyomás alapján számolnak, a tetején radarral ellenőrzik a szintet. Az utófermentor ebben is sokat segít. Ha többlet-habzás lenne, akkor oda lehet engedni. 5. kép A fermentáló egy részlete (Forrás: http://www.veddamagyart.info) 4.3. Fáklya Létesítettek biztonsági fáklyát, ahol bármilyen üzemzavar (pl: áramszünet), vagy nem megfelelő gázminőség esetén el tudják égetni az összes gázt. 9
4.4. Ellenőrzés, folyamatirányítás Fontos a biogáz üzemek rendszeres ellenőrzése. A következőket kell folyamatosan mérni és rögzíteni: az alapanyag mennyisége illetve szárazanyag-tartalma fermentorokban lévő hőmérséklet a keletkező biogáz mennyisége a biogáz alkotóelemei: metán, széndioxid, kénhidrogén a fermentorokban lévő massza ph értéke villamos áramfogyasztás. A folyamatirányítás, szabályzás fontos elemei: a szubsztrátumok betáplálása a fermentorok üzemhőmérsékletének-, keverőrendszer ki-és bekapcsolásának-; illetve a gáz tisztításának szabályzása. Az automatikus folyamatirányításnak köszönhetően az alapanyag betáplálásán túl csak a megfigyelési feladatokat kell ellátni. 10
5. Gáztisztítás A biogáz földgáz minőségűre való tisztításának igénye elég fiatal, alig 20 éve foglalkoznak a kérdéssel. Ma már sokféle technológia közül lehet választani. A megfelelő gáztisztítási technológiával, a földgázzal egyenértékű biometánt lehet a földgázhálózatba betáplálni. A gáztisztítás történhet: Vizes mosással PSA (Pressure Swing Adsorption) nyomásváltozásos adszorpcióval Genoszorb mosással Vegyszeres adszorpcióval (MEA, DEA, Siloxa, stb.) Membránszeparációval Kriogén eljárással. Ezek közül két módszert szeretnék kiemelni és összehasonlítani, a vizes mosást és a membránszeparációt, mivel ezek a legkiforrottabb, és legelterjedtebb technológiák, illetve a földgázrendszer szempontjából ezekben a módszerekben nem kell további vegyi anyagokat hozzáadni a gázhoz a tisztítás során. 5.1. Vizes mosás 1. ábra Működési elve (Forrás: http://www.muszakikiadvanyok.hu) A legelterjedtebb módszer, mert a legegyszerűbb és a legolcsóbb. Előnye, hogy kéntelenít és az ammóniatartalmat is teljesen eltávolítja. A metándúsítás során a CO 2 11
oldódik vízben, miközben szénsav képződik. A komponenseket nagy nyomás mellett, 9-12 bar-on kell eltávolítani, fizikai abszorpcióval, hűtött vízzel egy mosótoronyban (abszorpciós torony), ahová a gázt alulról vezetik be, a vizet felülről. A gáz felfelé halad, miközben a CO 2 - és H 2 S-tartalom a vízbe beoldódik. Ezt a szennyezett vizet a torony alján összegyűjtik és elvezetik egy másik toronyba (deszorpciós torony), ahol nyomáscsökkenés és kis hőmérséklet-változás mellett regenerálják. A mosóvizet légköri nyomású levegővel megtisztítják a szennyező komponensektől, valamint a kénhidrogén miatt szükséges a szagtalanítás is. Végül a megtisztított biogázt szárítják a mosás után. Az eljárás hátránya, hogy magas a vízszivattyúk és a kompresszorok villamosenergiafogyasztása. A metánveszteség kevesebb, mint 2%, és a vízfogyasztást regenerálással csökkentik. A biometán 6-8 bar-os túlnyomáson lép ki, így nem feltétlenül szükséges kompresszort építeni a földgázhálózati betápláláshoz, ha a nyomásviszonyok ezt lehetővé teszik. 5.2. Membránszeparálás Ezen eljárás polaritás alapján választja szét a biogázt molekula szinten. A membránok az egyes alkotóelemeket átengedik, amíg az oxigént, ammóniát és metánt a tisztított gázban tartják. A CH 4 - CO 2 gázelegy egyik komponense, a CO 2 diffúziója gyorsabb, hamarabb halad át a rendszeren, így a metán feldúsul. A CO 2 -dús gázt vissza lehet vezetni a rendszer elejére, így a maradék metán is kinyerhető. A cél, hogy a hulladékgáz lehetőleg minél CH 4 -mentesebb legyen. Két szűrőn halad keresztül az elegy, és a végén legalább 96%-os biometánt lehet kinyerni. 12
6. Az üzem és az elosztó hálózat közötti vezeték méretezési feladata A Kaposvári Cukorgyár Rt. jelenleg még nem alkalmaz gáztisztítást a cukorrépaszeletekből előállított biogáz megtisztítására. A megtermelt biogáz összetétele alapján a vizes mosási technológia megfelelőnek tűnik a földgáz minőségű biogáz előállításához. A vizes gáztisztítás a többi technológiával összehasonlítva olcsóbb, mivel a vizet, amivel tisztítanak, újra és újra fel lehet használni. A technológia az európai piacokon elérhető, és egyben megfizethető. A következőkben megvizsgálom, hogy a gáztisztítás során létrejövő biometánt a különböző esetekben milyen gázárammal, sebességgel illetve indító nyomással tudják a földgázhálózatba juttatni. A végpont a Pécsi úton lévő DN200-as, 2,3 bar (túl) nyomású acél vezeték. Az üzem négy fermentorral tervezi a biogáz termelést, amelyek csak a gyár energiaszükségletét elégítik majd ki, így a jelenlegi két fermentor által előállított mennyiséget az üzem teljes egészében felhasználja télen, ebből nem tudnak az elosztói hálózatba táplálni. A cukorrépa kampány időszakában egyelőre nem valószínűsíthető gáz betáplálása hálózatba, de a tervezet szerint a jövőben nyáron is folyamatos lesz a feldolgozás külföldi alapanyagokkal. Tételezzük fel, hogy külföldről szállítanak pl. cukornádat, és az ebből keletkezett préselt nádszeletek körülbelül ugyanolyan energiaértékekkel bírnak, mint a préselt répaszeletek. Nyáron csak 10.000 m 3 /nap a gázigénye a gyárnak. Ezért a maradék biogázt megtisztíthatják, és betáplálhatják a hálózatba. Másik feltételezésem pedig az, hogyha sikerül a 4. fermentort is megépíteni, akkor egy ötödikkel már télen is hálózatba lehet táplálni a biometánt. Háromféle gázáramot fogok megvizsgálni: Egy fermentor nyers biogázából naponta előállított biometán mennyiség: q n1 = 39 600 m 3 /nap Két fermentor nyers biogázából naponta előállított biometán mennyiség: q n2 = 84 000 m 3 /nap Három fermentor nyers biogázából naponta előállított biometán mennyiség: q n3 = 128 000 m 3 /nap 13
A biometán, ami tisztítás után távozik a rendszerből, 96,6 %-os metán- és 3,4%-os CO 2 - tartalommal rendelkezik. (Egyszerűsített gázösszetétellel számolok) Számításaim során a csővezetéki gázáramlás alapképletét használtam fel, ami a következő: ( ) ( ) (6. 1.) A tényezők: a kezdő- és végponti abszolút nyomás: p 1, p 2 [Pa]; a vezetékszakasz hossza: L [m]; a vezeték belső átmérője: d b [m]; a gázáram normál állapotban: q n [ ]; a súrlódási tényező: λ [-]; a gáz moláris tömege: M [ ]; a gáz hőmérséklete:t [K] a kompresszibilitási tényező: z [-]; Univerzális gázállandó: R [ ] normál állapotban vett nyomás és hőmérséklet: p n [Pa], T n [K]; Az állandó értékek, amiket a számításaimban használok: p n =101325 Pa T n =273,15 K R=8314,4 z=0,9979 (az MSZ ISO 6976 szabvány alapján a fenti gázösszetétellel számítva) A betáplálásra igénybe vett gázelosztó rendszer névleges nyomástartománya középnyomású. Ebből adódóan a maximálisan megengedhető effektív gázáramlási sebességet 20 m/s-nak veszem. Az elosztói vezeték, ahova csatlakozni szeretne a Cukorgyár, a Pécs utcán lévő DN200 méretű acélvezeték, a csatlakozási ponton a nyomása 2,3 10 5 Pa (túlnyomás). Alapadatok: A vezeték szakasz hossza: L=30 m (tényadat a helyszínről) 14
Végponti nyomás: p 2 =2,3 10 5 Pa (túlnyomás), középnyomású a hálózat, amire csatlakozunk (a képletekbe abszolút nyomást helyettesítünk be: p 2 =2,3 10 5 Pa+101325 Pa (légköri)= 331 235 Pa (abs) A gáz moláris tömege: M=(0,966 16,043)+(0,034 44,01)=16,994 A dinamikai viszkozitás: ν=10,9464 10-6 Pas (Az egyes dinamikai viszkozitási tényezőiből) Becsült adatok: A cső abszolút belső érdessége: k=0,08 (acélvezetékeknél) Illetve a kiindulási csősúrlódási tényező: λ 0 =0,03 (közelítő érték). Nyári gázhőmérséklet: 288,15 K Téli gázhőmérséklet: 278,15 K (A hőmérséklet viszonyok változása az elosztói vezetékekben nem számottevő, ezért izotermikus állapottal számolunk.) 6.1. Feladat egy olyan átmérőjű csővezeték meghatározása, amely mind a három eset biogáz mennyiségének betáplálásához is megfelelő. 6.1.1. Kiszámolom, milyen átmérőjű vezeték szükséges. Ahhoz, hogy mindhárom gázáramnak megfelelő legyen a vezeték mérete, érdemes a legnagyobb gázáramra méretezni először. A gáz effektív sebessége nem haladhatja meg a 20 m/s-ot. A gáz effektív térfogatát meg kell határoznom: (6.2.) A megengedett effektív sebesség 20 m/s. Ezzel számolok egy közelítő belső átmérőt. (6.3) 15
Az MSZ EN 10220 szabvány szerint a DN200 méretű vezeték a megfelelő, amelynek külső átmérője: d k =0,2191 m, falvastagsága: s=0,0045 m. A belső átmérője: (6.4) Az új átmérővel kiszámolom a gáz sebességét a (6.3.) képletet átalakítva. (6.5.) A gáz sebessége megfelelő, nem haladja meg a maximális - os értéket A Reynolds-szám a következő: (6.6.) A csősúrlódási-tényező a Colebrook-képlettel számítható ki: ( ) (6.7) λ 0 =0,03 a közelítő érték, az iterációt addig végzem el, amíg a 3. tizedesjegye nem változik, itt már az 5. sem. λ 1 =0,01729 λ 3 =0,01769 λ 2 =0,01771 λ 4 =0,01769 A (6.1) gázáramlás alapegyenletét átrendezve megkapom az indító nyomást: ( ) ( ) (6.8.) Behelyettesítve az értékeket: 16
( ) ( ) Mivel igen rövid a betáplálásra igénybe vett csőszakasz, ezért a csőszakaszon a nyomásveszteség minimálisnak adódott. A biogáz üzem 6-8 10 5 Pa nyomással engedi ki a biometánt, ezért egy nyomásszabályzót kell telepíteni a kiadási pontra és javasolt ebben az esetben az üzemből kilépő gáz nyomását 2,4 bar túlnyomásra beállítani. 6.1.2. DN200-as átmérőjű vezetékkel meghatározom, milyen lesz a gáz sebessége két illetve egy fermentor biogázának mennyiségével. 6.1.2.1. Egy fermentor által termelt biogáz tisztítása után 84 000 m 3 biometán keletkezik a fizikai normál állapotban. Az effektív térfogatáramot meg kell határoznom, hogy megkaphassam az effektív sebességet, a (6.2.) képlet alapján A gáz effektív sebessége (6.5.) egyenlettel: A Reynolds-szám (6.6.) és a csősúrlódási tényező (6.7.) meghatározása: Az indítóponti nyomást a (6.8.) képlet alapján határozom meg. ( ) ( ) 17
Az indítási nyomás nem változott nagymértékben a 6.1.1.-es feladatban szereplő nyomáshoz képest. 6.1.2.2. Ugyanezt az esetet vizsgálom meg, csak a qn=39 400 m 3 mennyiségre. ( ) ( ) Az indítási nyomás itt sem változott nagymértékben a 6.1.1.-es feladatban szereplő nyomáshoz képest. A 6.1.2.1-es és a 6.1.2.2-es feladatokban a gáz effektív sebességei aránylag alacsonyak. Ebből következtethető, hogy egy, illetve két fermentor által előállított biogáz tisztítása után egy kisebb átmérőjű vezeték is elegendő lenne az elosztói hálózatba táplálásához, de a későbbi fejlesztési igényeket figyelembe véve a teljes gázáramhoz szükséges vezeték átmérőt javaslom megépíteni. 18
6.2. Megvizsgálom, hogy q n1 illetve q n2 gázáram esetén, a maximális 20m/s sebességnél milyen lenne az az átmérőjű vezeték, ami még megfelelne ezeknek a feltételeknek. 6.2.1. A q n1 =39 400 m 3 /nap gázáramnak és a maximális gázsebességnek megfelelően méretezzük a vezetéket. Az effektív gázáramot már meghatároztam. Számolok egy közelítő belső átmérőt a (6.3.) képlettel. Az MSZ EN 10220 szabvány szerint a DN100 méretű vezeték elegendő, amelynek külső átmérője: d k =0,1143 m, falvastagsága: s=0,0036 m. A belső átmérője (6.4.): Ezzel a belső átmérővel számított effektív sebessége a gáznak: A 39 600 m 3 /nap térfogatáramnak elegendő lenne a DN100 méretű vezeték. Az indítónyomás meghatározása azonos az előzőkkel: p 1 =3,329 10 5 Pa (abs)=2,316 Pa (túl). Ez a nyomás is megfelelő, nem haladja meg a 2,4 bar (túl) nyomásértéket. 6.2.2. A q n2 =84 000 m 3 /nap gázáramot vizsgálom meg. Az előzőhöz hasonlóan vezetjük le a számolást. 19
Az MSZ EN 10220 szabvány szerint a DN150 méretű vezeték a megfelelő, amelynek külső átmérője: d k =0,1683 m, falvastagsága: s=0,0045 m. Az előzőek alapján számolom a p 1 indító nyomást. p 1 = 3,323 10 5 Pa (abs)=2,3098 10 5 Pa (túl). Ebben az esetben sem haladja meg a nyomásszabályzón beállított 2,4 bar (túl) nyomást. A 0,972 m 3 /s térfogatáramnál a DN100-as átmérőjű vezeték is megfelelő lenne. 6.3. Nyáron lecsökkenthetik a hálózati nyomást 1 bar-ral, mivel nem olyan nagy a gázfogyasztás, mint télen. Megvizsgálom a q n1, q n2 és q n3 térfogatáramú gázt, hogy a DN200-as vezetéken milyen lesz a gáz effektív sebessége, ha p 2 =1,3 10 5 Pa (túl)=231325 Pa (abs) nyomású. 6.3.1. q n1 =39 600 m 3 /nap=0,458m 3 /s Az effektív sebesség, a (6.2.) képlet alapján: A gáz effektív sebessége (6.5.) egyenlettel: 20
A p 2 =1,3 10 5 Pa (túl) nyomással q eff = 0,148 m 3 /s, w eff =4,256 m/s volt. Ahogy csökkent a nyomás, a gázáram és a sebesség úgy nőtt. A p 1 =2,314 10 5 Pa (abs)=1,3001 Pa (túl). 6.3.2. q n2 =84000 m 3 /nap=0,972m 3 /s Az effektív sebesség, a (6.2.) képlet alapján: A gáz effektív sebessége (6.5.) egyenlettel: A p 2 =1,3 10 5 Pa (túl) nyomással q eff = 0,313 m 3 /s, w eff =9,028 m/s volt. A p 1 =2,317 10 5 Pa (abs)=1,3038 Pa (túl). 6.3.3. q n3 =128000 m 3 /nap=1,481m 3 /s Az effektív sebesség, a (6.2.) képlet alapján: A gáz effektív sebessége (6.5.) egyenlettel: Ez az effektív sebesség már majdnem eléri a maximálisan megengedhető értéket. A p 1 =2,321 10 5 Pa (abs)=1,3078 Pa (túl). A p 2 =2,3 10 5 Pa (túl) nyomással q eff = 0,477 m 3 /s, w eff =13,757 m/s volt. Egyik esetben sem haladja meg a megengedhető 2,4 bar (túl)-os értéket a nyomásszabályzónál. 21
6.4. Ha megépülne az ötödik fermentor is és ennek a biogázmennyisége már többletként jelentkezne, télen (T=278,15 K) is tudnának a hálózatba táplálni biometánt. Ahhoz, hogy télen hálózatba tudjanak táplálni biometánt, a négy fermentoron felül legalább egyet kellene még építeni. Meghatározom az effektív térfogatot és a gáz sebességét A normál nyomás: A gáz sebessége a (6.2.) összefüggés alapján: A Reynolds-számot kiszámoljuk a (6.6.) képlet segítségével, majd meghatározzuk a súrlódási tényezőt a Colebrook-képlet (6.7.) alapján, majd az indító nyomást (6.8.). λ 4 =0,02054; ( ) ( ) az indító nyomása. Ez is megfelelő nyomású, a nyomásszabályzó beállított 2,4 bar (túl) nyomású értékét nem haladja meg. 22
7. Gázkeveredés számítása A keveredési számítások segítségével meghatározható, hogy milyen lesz a földgáz energiatartalma a fogyasztói végpontokban, ha két különböző összetételű gázt engednek be az elosztói hálózatba, mint a mi esetünkben is. Alapvető paraméter az égéshő (felső hőérték) és a Wobbe-szám ezeknél a számításoknál. Nem függetlenek egymástól, a gáz relatív sűrűségének segítségével a következőképpen lehet kiszámolni: [ ] (7.1.) A relatív sűrűség az adott állapotú gáz és ugyanazon állapotú levegő sűrűségének hányadosa: [ ] (7.2.) Az égéshő (felső fűtőérték) az egységnyi mennyiségű gáz tökéletes égésekor felszabaduló hőenergia, amennyiben az égéshez felhasznált levegő kezdeti hőmérséklete és az égéstermék véghőmérséklete azonos (20 C), és az égéstermék víztartalma cseppfolyós halmazállapotú. Az alkotók ismeretében a keveredési szabályból számítható: [ ] (7.3.) r i a keverék alkotóinak térfogataránya H i a keverék alkotóinak égéshője illetve fűtőértéke A gázkeverék számításához a földgázok jellemzésére a következő paramétereket használom: a földgáz relatív sűrűsége, égéshője, fűtőértéke, CO 2 tartalma. N 2 tartalma. 23
x 1i q 1 x 3i q 3 x 4i q 2 x 2i 2. ábra A különböző összetételű gázáramok keveredése egy pontban (Forrás:Tihanyi L.: Szénhidrogén-szállítás I.,2006) Az előző hálózatrészre a térfogati keveredési szabály a következő egyenlettel írható le: (7.4.) Az egyenletbe az x i változó helyére rendre be kell helyettesíteni az előzőekben felsorolt öt paramétert, a qi változó helyére a térfogatáramokat. A hálózatba a körzeti nyomásszabályozó állomásról (1. gáz) és a cukorgyár gáztisztító üzeméből (2. gáz) a következő összetételű gázt táplálják ki: Komponensek Hálózati Égéshő Fűtőérték Biogáz Moláris tömeg (M) földgáz (H 2. gáz (V%) f ) (H a ) 1. gáz (V%) [ ] [ ] [ [ ] [ ] Metán 94% 96,6% 16,043 37,706 34,014 CO 2 4% 3,4% 44,01 0 0 N2 2% 0% 28,013 0 0 1. táblázat A komponensek adatai A gázok komponenseinek térfogatszázalékával történő meghatározásai a következők: Moláris tömegek: 1. gáz moláris tömege: 24
2. gáz moláris tömege: Égéshő meghatározása: Az 1. gáz égéshője: A 2. gáz égéshője: A fűtőérték meghatározása: Az 1. gáz fűtőértéke: A 2. gáz fűtőértéke: A levegő sűrűsége 15 C-on és 1,01325 bar-on: 7.1. Ebben a feladatban a biogáz üzem által kiadott gáz q n1 =39 600 m3/nap. (1. melléklet) Ezt egy fermentor állítja elő. A földgázhálózat napi gázárama: q nhál =96 000 m 3 /nap. A földgázhálózatra kapcsolt fogyasztók fogyasztása nem változik, azonban a betáplált biogázt a földgázrendszer távolabbi pontján egy másik üzem megveszi, a földgázelosztó rendszer ezen a szakaszon csak "szállítóvezetékként" viszi a biogázt. A gázkeverék moláris tömegének meghatározása az egyes gázok moláris tömegeinek kiszámításával történik: A gázkeverék moláris tömege: A (7.4.) képletet átalakítva kapjuk meg: ( ) (7.5.) 25
A gázkeverék sűrűségének meghatározása gáztechnikai normál állapotra vonatkoztatva a következő egyenlet segítségével: (7.6.) ahol z 1 R=8314,4 J/kmolK T=288,15 K p=101325 Pa A gáz relatív sűrűsége tehát: [ ] (7.7.) A (7.4.) illetve a (7.1.) képletet átalakítva kapjuk meg a következő értékeket: A keverék égéshője: (7.8.) A keverék fűtőértéke: (7.9.) A felső Wobbe-szám: (7.11.) 26
Az alsó Wobbe-szám már kiszámolható: (7.10.) A CO 2 -és N 2 -tartalom is a (7.4.) egyenlettel írható le: (7.12.) ( ) (7.13.) Mennyivel tér el a kevert gáz fűtőértéke az eredeti földgázétól? ( ) Vagyis 0,81%-kal jobb fűtőértékű gázt kapnak a fogyasztók. 7.2. A körzeti nyomásszabályzó állomás naponta 96 000 m 3 gázt ad ki, míg az üzem 84 000 m 3 -t. (2. melléklet) A gázkeverék moláris tömegének meghatározása az egyes gázok moláris tömegeinek kiszámításával: A gázkeverék moláris tömege (7.5.) képlet segítségével: 27
A gázkeverék sűrűségének meghatározása a (7.6) egyenletbe helyettesítésével: ahol z 1 R=8314,4 J/kmolK T=288,15 K p=101325 Pa A levegő sűrűsége 15 C-on és 1,01325 bar-on: A gáz relatív sűrűsége (7.7.) es képlettel tehát: [ ] A keverék égéshője (7.8.): A keverék fűtőértéke(7.9): A felső Wobbe-szám (7.11.): Az alsó Wobbe-szám már kiszámolható (7.10.): A CO 2 -tartalom (7.12.) az egyenlettel írható le: A N 2 - tatalom (7.13.): 28
Mennyivel tér el a kevert gáz fűtőértéke az eredeti földgázétól? ( ) Ebben az esetben 1,29%-kal jobb fűtőértékű gázt kapnak a fogyasztók. 7.3. A körzeti nyomásszabályzó állomás naponta 96 000 m 3 gázt ad ki, míg az üzem 128 000 m 3 -t. (3. melléklet) A gázkeverék moláris tömegének meghatározása az egyes gázok moláris tömegeinek kiszámításával: A gázkeverék moláris tömege (7.5.) képlet segítségével: A gázkeverék sűrűségének meghatározása a (7.6) egyenletbe helyettesítésével: ahol z 1 R=8314,4 J/kmolK T=288,15 K p=1,01325 Pa A levegő sűrűsége 15 C-on és 1,01325 bar-on: A gáz relatív sűrűsége (7.7.) es képlettel tehát: [ ] A keverék égéshője (7.8.): 29
A keverék fűtőértéke (7.9.): Az alsó Wobbe-szám (7.10)-tel már kiszámolható: A felső Wobbe-szám(7.11.): A CO 2 -tartalom (7.12.) képlettel írható le: A N 2 - tatalom (7.13.): Mennyivel tér el a kevert gáz fűtőértéke az eredeti földgázétól? ( ) Ebben az esetben 1,58%-kal jobb fűtőértékű gázt kapnak a fogyasztók. A következő összefoglaló táblázat segítségével megtekinthetjük a kapott értékeket: A keverékek jellemző értékei: Moláris tömeg (M kev ) q eff =39 600 q eff =84 000 q eff =128 000 17,2822 17,2111 17,1684 [ ] Sűrűsége 0,7309 0,7279 0,7261 [ ] Relatív sűrűsége [ ] 0,5965 0,5940 0,5925 30
Égéshője (H f ) 35,7299 35,9011 36,0038 [ ] Fűtőértéke (H a ) 32,2314 32,3859 32,4785 [ ] Eltérés a hálózati gáztól[ ] Felső Wobbe-száma (Wo f ) +0,81 +1,29 +1,58 46,2635 46,5811 46,7724 [ ] Alsó Wobbe-száma (Wo a ) 41,7336 42,0201 42,1926 [ ] CO 2 -tartalom 3,82 3,72 3,66 [ ] N 2 -tartalom 1,42 1,07 0,86 [ ] 2. táblázat A különböző térfogatáramú kevert gázok adatai a csomópontban 31
8. Összegzés Számításaim során meghatároztam egy olyan átmérőjű vezetéket, amely mindhárom térfogatáram számára megfelelő, és egyiknek sem haladja meg a gázsebessége a 20 m/s megengedhető maximális effektív sebességet (6.1. feladat). Ennek a vezetéknek a mérete megegyezik az elosztói vezeték méretével, ami DN200-as átmérőjű. Ezek szerint három fermentor által megtisztított biometánt is be tudnak táplálni a hálózatba. Mivel a betápláló hálózat átmérője ebben az esetben megegyezett a betáplálásra igénybe vett hálózat átmérőjével, ezért ettől nagyobb mennyiségű biometán hálózati betáplálásához mindenképpen szükségessé válik a földgázhálózat fejlesztése is. A kisebb gázáramoknál kisebb a gáz effektív sebessége. Megállapítottam, hogy egy illetve két fermentor által termelt biogáz megtisztítása után, a biometán betáplálására a földgázhálózatba elegendőek lennének kisebb átmérőjű vezetékek (6.2. feladat). A 6.3. feladatban megvizsgáltam a különböző gázáramok effektív sebességét, ha lecsökkentik a hálózatban a nyomást téli-nyári üzemviszonytól függően. A sebességek értékei növekedtek, a legnagyobb térfogatáramnak éppen 20 m/s alatti az effektív sebessége. Megállapítottam, hogy az előállított biometán minősége jobb, mint a hálózatban szolgáltatott földgázé. Az égéshő, az alsó-, és felső- Wobbe-szám a biometán térfogatáramával együtt növekszik. A fűtőérték is jobb lesz a keveredés után, mint a hálózatban elérhető minőség. Az inert gázok (CO 2, N 2 ) mennyisége csökken a biometán térfogatáramának növekedésével. Ha csökken az inert-tartalom, akkor csökken a moláris tömeg is, mint ahogy a táblázatban is látható. Minél több biometánt táplál be az üzem a rendszerbe, annál jobb fűtőértékű gáz jut a fogyasztókhoz. A számításaim során eredményül kapott kevert földgáz fűtőértékei nem haladják meg az MSZ 1648: 2000 szabvány szerinti +/- 5%-os értéket, amennyivel a gáz betáplált fűtőértéke eltérhet a hálózatban szolgáltatottól. Ha meghaladná ezt a határértéket, akkor rontani kellene a biometán minőségén, vagyis nem kellene ennyire jó minőségűre tisztítani. 32
Irodalomjegyzék [1] Bai A.: A biogáz, Száz magyar falu könyvesháza Kht., Budapest, 2007, ISBN 978-963- 7024-30-6 [2] Cerbe, G.: A gáztechnika alapjai, Dialóg Campus Kiadó, Budapest-Pécs, 2007, ISBN 963-9542-54-7 [3] Gősi P.: Földgázvezetékek a fogadóállomástól a fogyasztóig- Földgázelosztás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1989, ISBN 963-10-7663-6 [4] Tihanyi L.: Szénhidrogén-szállítás I. (Egyetemi jegyzet), Miskolc, 2006. [5] Vida M. (főszerk.): Gáztechnikai kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1984., ISBN 963-10-8933-9 [6] AGRANA honlapja, 2011., http://www.agrana.hu/agrana-magyarorszagon/magyarcukor-zrt/ [7] Biogáztisztítási technológiák, 2009., http://www.muszakikiadvanyok.hu 33
Mellékletek 1. melléklet Komponensek Hálózati földgáz (V%) [%] Biometán (V%) [%] Moláris tömeg (M) [kg/kmol] Égéshő (H f ) [MJ/m 3 ] Fűtőérték(H a ) [MJ/m 3 ] Metán 94% 96,60% 16,043 37,706 34,014 CO 2 4% 3,40% 44,01 0 0 N2 2% 0% 28,013 0 0 A levegő sűrűsége 15 C-on és 1,01325 bar-on [kg/m3]: 1,2254 Hálózati gáz q 2 (m 3 /nap) Metán CO 2 N 2 96 000 94% 4% 2% Biogáz q 1 (m 3 /nap) Metán CO 2 39 600 96,60% 3,40% A földgáz moláris tömege (M 1 ) [kg/kmol] 17,4011 A biogáz moláris tömege (M 2 ) [kg/kmol] 16,9939 Gázkeverék moláris tömege (M kev ) [kg/kmol] 17,2822 Keverék sűrűség meghatározása: [kg/m 3 ] 0,7309 Keverék relatív sűrűsége [-] 0,5965 A földgáz égéshője (H f1 ) [MJ/m 3 ] 35,4436 A biogáz égéshője (H f2 ) [MJ/m 3 ] 36,4240 Gázkeverék égéshője (H fkev ) [MJ/m 3 ] 35,7299 2. Gáz fűtőértéke (H a1 ) [MJ/m 3 ] 31,9732 1. Gáz fűtőértéke (H a2 ) [MJ/m 3 ] 32,8575 Gázkeverék fűtőértéke (H akev ) [MJ/m 3 ] 32,2314 Felső Wobbe-szám (Wo f ) [MJ/m 3 ] 46,2635 Alsó Wobbe-szám (Wo a ) [MJ/m 3 ] 41,7336 CO 2 -tartalom 3,82% N 2 -tartalom 1,42% 34
2. melléklet Hálózati gáz q 2 (m 3 /nap) Metán CO 2 N 2 96 000 94% 4% 2% Biogáz q 1 (m 3 /nap) Metán CO 2 84 000 96,60% 3,40% A földgáz moláris tömege (M 1 ) [kg/kmol] 17,4011 A biogáz moláris tömege (M 2 ) [kg/kmol] 16,9939 Gázkeverék moláris tömege (M kev ) [kg/kmol] 17,2111 Keverék sűrűség meghatározása: [kg/m 3 ] 0,7279 Keverék relatív sűrűsége [-] 0,5940 A földgáz égéshője (H f1 ) [MJ/m 3 ] 35,4436 A biogáz égéshője (H f2 ) [MJ/m 3 ] 36,4240 Gázkeverék égéshője (H fkev ) [MJ/m 3 ] 35,9011 2. Gáz fűtőértéke (H a1 ) [MJ/m 3 ] 31,9732 1. Gáz fűtőértéke (Ha 2 ) [MJ/m 3 ] 32,8575 Gázkeverék fűtőértéke (H akev ) [MJ/m 3 ] 32,3859 Felső Wobbe-szám (Wo f ) [MJ/m 3 ] 46,5811 Alsó Wobbe-szám (Wo a ) [MJ/m 3 ] 42,0201 CO 2 -tartalom 3,72% N 2 -tartalom 1,07% 35
3. melléklet Hálózati gáz q 2 (m 3 /nap) Metán CO 2 N 2 96 000 94% 4% 2% Biogáz q 1 (m 3 /nap) Metán CO 2 128 000 96,60% 3,40% A földgáz moláris tömege (M 1 ) [kg/kmol] 17,4011 A biogáz moláris tömege (M 2 ) [kg/kmol] 16,9939 Gázkeverék moláris tömege (M kev ) [kg/kmol] 17,1684 Keverék sűrűség meghatározása: [kg/m 3 ] 0,7261 Keverék relatív sűrűsége [-] 0,5925 A földgáz égéshője (H f1 ) [MJ/m 3 ] 35,4436 A biogáz égéshője (H f2 ) [MJ/m 3 ] 36,4240 Gázkeverék égéshője (H fkev ) [MJ/m 3 ] 36,0038 2. Gáz fűtőértéke (H a1 ) [MJ/m 3 ] 31,9732 1. Gáz fűtőértéke (H a2 ) [MJ/m 3 ] 32,8575 Gázkeverék fűtőértéke (H akev ) [MJ/m 3 ] 32,4785 Felső Wobbe-szám (Wo f ) [MJ/m 3 ] 46,7724 Alsó Wobbe-szám (Wo a ) [MJ/m 3 ] 42,1926 CO 2 -tartalom 3,66% N 2 -tartalom 0,86% 36
Köszönetnyilvánítás Köszönet Dr. Szunyog Istvánnak konzulensi munkájáért, a sok segítségért. Köszönet Nagyné Szendefy Juditnak, a Biogáz Fejlesztő Kft. ügyvezetőjének, hogy bemutatta a biogáz üzem működését. A TDK dolgozat, és az ehhez kapcsolódó kutatás a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. 37