FÁS- ÉS LÁGYSZÁRÚ BIOMASSZÁK TÜZELHETŐSÉGI FELTÉTELEINEK VIZSGÁLATA

A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 1

FÁS- ÉS LÁGYSZÁRÚ BIOMASSZÁK TÜZELHETŐSÉGI FELTÉTELEINEK VIZSGÁLATA

Miskolci EgyetemMűszaki Anyagtudományi Kar

Energia- és Minőségügyi IntézetTüzeléstani és Hőenergia Tanszék

Dr. Szemmelveiszné Dr. Hodvogner Katalin, egyetemi docensDr. Palotás Árpád Bence, intézetigazgató, egyetemi docens


A biomasszában rejlő lehetőségek A biomassza, mint energiaforrás

a szárazföldön és vízben található élő és nemrég elhalt szervezetek

biotechnológiai iparágak termékei, hulladékai, melléktermékei.

A termelési-felhasználási láncban elfoglalt helye alapján elsődleges: mező és erdőgazdasági hulladékok, melléktermékek; másodlagos: állattenyésztés melléktermékei, hulladékai; harmadlagos: a biológiai anyagokat felhasználó iparágak

hulladékai

A biomassza, mint tüzelőanyag előkészítés nélkül: fűrészpor, maghéj gyengén előkészített: apríték előkészítés után: pellet, brikett

Sokféleség, tárolás, salakosodás



Kutatási területek I.

Tüzeléstechnikai jellemzők meghatározása Nedvességtartalom Hamutartalom Illótartalom Elemi összetétel (C, H, N, S) Égéshő, fűtőérték

Nedvességtartalom szerepének vizsgálata A nedvességtartalom hatása a biomasszák

száradási, illó-eltávozási és oxidációs folyamataira Módszer: termonalitikai (derivatográfos)

vizsgálatok


Kutatási területek II.

Vegyes-tüzelés problematikája Milyen hatása van a szénhez kevert biomasszának

a tüzeléstechnikai jellemzőkre, és hőtani folyamatokra?

Módszer: a keverék tüzeléstechnikai jellemzőinek meghatározása

Szilárd égéstermékek okozta gondok Milyen kapcsolat van a tűzterek salakosodását és a

hőcserélő felületek korrózióját okozó hamu összetevők, és a hamu lágyulási jellemzői között?

Módszer: a hamu elemi és ásványi összetételének és szintereződési tulajdonságainak meghatározása.


A nedvességtartalom hatása


Fenyőfa minták összetétele

Minta jeleÖsszetétel , % (m/m)

Nedvesség Illó Fix karbon Hamu

Nedv-5 6,46 58,73 34,28 0,53

Nedv-10 11,03 58,52 28,00 2,45

Nedv-15 14,83 56,41 26,19 2,57

Nedv-30 29,47 47,66 20,61 2,26

Nedv-45 48,81 31,60 16,61 2,98

Nedv-50 52,99 29,21 15,94 1,86

Nedv-60 59,86 27,04 11,22 1,88


Légszáraz és élőnedves fenyőfa apríték összetétele

0

10

20

30

40

50

60

70Tö

meg

arán

y, m

/m %

W ≤ 15 m/m % W ≥ 45 m/m %

Nedvességtartalom, W, m/m %

Nedvesség

Illó

Fix-C

Hamu


Illó-, és fix-karbon tartalom a nedvesség tartalom függvényében

V = 0,6533(100-W)R2 = 0,99

FC = 0,3235(100-W)R2 = 0,97

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100

100-Wapr m/m %

Illó-

és

fix k

arbo

n ta

rtal

om

m/m

%

illófix-CLineáris (illó)Lineáris (fix-C)


A vegyes tüzelés vizsgálata ENERGIAFŰ BARNASZÉN

KEVERÉK


Tüzelőanyagok összetétele

0

10

20

30

40

50

60

Nedvesség Illó Fix-C Hamu

Töm

egar

ány,

m/m

%Energiafű

30-70% Keverék

Barnaszén


Exoterm folyamatok véghőmérséklete

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Energiafű 30-70%Keverék

Barnaszén

A h

őter

mel

ő fo

lyam

atok

vég

e, o C


Salakosodási és korróziós problémák

Az égetőkamra boltozata Az adagoló nyílás és levegő fúvókák

A salak deformálta boltozat Olvadékkal eltömött levegő fúvóka


Hamu vizsgálatok

Vizsgálatok: Kémiai és szerkezeti összetétel

meghatározása kémiai összetétel scanning

elektronmikroszkópos-mikroszondás vizsgálata szerkezeti összetétel röntgen diffrakciós

vizsgálata Szintereződési, lágyulási jellemzők vizsgálata

Bunte-Baum - féle lágyulás vizsgálat Hevítő mikroszkóp alkalmazása

Vizsgált biomasszák: Fenyőfa, energiafű, maghéj, keverék


Kémiai összetétel vizsgálat


Biomassza hamuk kémiai összetétele, % (m/m)

Hamu C O Na Mg Al Si P S Cl K Ca

Fenyő 9,42 39,64 0,7 4,83 5,5 9,55 1,41 0,98 0,0

5 3,28 20,28

Fenyő-szp

13,46

33,48

0,46 3,38 1,08 7,20 1,19 7,69 0,1

220,9

1 9,55

Energiafű

12,61

22,35

6,40 1,60 - 22,9 - -

15,46

15,53 3,16

Maghéj 8,41 29,87

0,69 3,97 0,00 0,29 2,88 1,96 1,5

444,0

9 6,30

Keverék 14,61

32,68

1,14 1,93 2,78 18,9

7 - 4,04 2,03 2,56 9,86


Hamuk diffraktogramja

0

1000

2000

3000

4000

5000

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

barnaszén

fenyő

energiafű

Diffrakciós szög, 2q

Beü

téss

zám

SiO2 KCl

CaCO3Ca2SiO3Cl2

Fe2O3

SiO2

Ca2Cl2SiO4

Fe2O3

SiO2

KCl

KCl

A hamuk kristályos fázisai


száma képlete megnevezése mennyisége m/m %

Energiafű hamu

411476 KCl szilvit 36,7100220 SiCl4 sziliciumklorid 3,6170763 CaCO3 kalciumkarbonát 6,3391425 SiO2 krisztoballit 40,9330303 Ca2SiO4 kalciumszilikát 4,1

Fenyőfa hamu

411743 CaCO3 kalcit 43,4260324 CaSi kalciumszilicid 9,3421455 Ca2SiO3Cl2 Ca-szilikát-klorid 24,7391073 Mn1.0Al1.1S1.89 Mn-Al-szulfid 3,0231302 P2O5 foszforpentoxid 2,7420379 Na2.38Al2Si57.2O118.59 Na-Al-szilikát 6,8450123 K2Al2Si3O10(KCl) K-Al-klorid-szilikát 10,1

Barnaszén hamu

240072 Fe2O3 hematit 25,4461045 SiO2 kvarc 50,8030418 Ca-Mg Al-Si-O Ca-Al-Mg-szilikát 1,7100123 AlPO4 berlinit 16,7240032 Ca2Cl2SiO4 Ca-klorid-szilikát 5,4


Lágyulási jellemzők vizsgálata


Fenyőhamu lágyulási diagramja

Fenyő C pasztilla

0

5

10

15

20

25

1150 1175 1200 1225 1250 1275

Hőmérséklet, oC

Mag

assá

g, m

m

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

Mér

etcs

ökke

nés

%

magasságméretcsökkenés


Hamuk lágyulási hőmérsékletei

Minta Tkezd [°C] T5 [°C] T20 [°C] ∆Tk-20 [°C]

Fenyő 1182 1229 1250 68

Energiafű 580 640 845 265

Maghéj 532 636 762 230

Keverék 1045 1114 >1180 >135

Barnaszén 1400 1525 1605 205


Lágyulási hőmérséklet - alkáli tartalom

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Barnaszén Fenyőfa Keverék Energiafű Maghéj

TÜZELŐANYAGOK HAMUJA

Lágy

ulás

i hőm

érsé

klet

, T

20,

o C

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

K+N

a ta

rtalo

m, m

/m %

Hőmérséklet Na+K összetevők


Eredmények, következtetések Illótartalom meghatározás

A szilárd tüzelőanyagok illótartalmának mérésére vonatkozó szabványos eljárásokat felülvizsgálva megállapítottuk, hogy azok nem minden esetben alkalmasak a biomasszák tulajdonságainak meghatározására.

Komplex vizsgálati módszert dolgoztunk ki, amely alkalmas a széles intervallumban változó tulajdonságú biomasszák értékelésére. Az eljárással meghatároztuk fás és lágyszárú biomasszák illótartalmának mérésére alkalmas hőmérsékletet.


Eredmények, következtetések II. Termogravimetria

Derivatográfos mérési sorozattal vizsgáljuk, hogy a nedves-ségtartalom hogyan befolyásolja a biomasszák a száradási, illó-eltávozási, begyulladási és oxidációs folyamatait.

A mérések alapján megalkotott egyenletekkel számítható a nedvességtartalom függvényében a fenyőfában lévő illóknak (V) és fix-karbonnak (FC) a részaránya:

% m/m

% m/m

ahol: V0 , FC0 – a fenyőfa W = 0 % m/m állapotára vonatkozó illó és fix-C tartalma.

)100(6533,0100100

0 WWVV

)100(3235,0)100(100

0 WWFCFC


Eredmények, következtetések III.

Hőmérséklet tartomány A félnedves-élőnedves (W ≥ 45 % m/m) fenyőfának a

légszárazhoz (W ≤ 15 % m/m) képest kisebb illó és fix-C tartalma szűk hőmérséklet tartományban (Tvol=200-400 °C) oxidálódik. Különösen érzékelhető ez a fix-C esetében (Tfix-C=400-620 °C), amelynek égése 620°C-on befejeződik.

Az illók égési sebessége nagyobb, mint a később, nagyobb hőmérsékleten begyulladó fix-karboné.

Az energiafű-szén 20-80 %-os hőarányú tüzelőanyag keverék derivatográfos vizsgálatának eredményei alapján, hogy a keverék égési folyamatai – a tisztán széntüzeléshez képest – mintegy 400 °C-kal kisebb hőmérsékleten (~1000 °C) fejeződnek be.


Eredmények, következtetések IV.

Szilárd égési maradék A fenyőfa égési maradékának a szállóporba kerülő

részében a kálium több mint hatszorosára, a klór pedig több mint kétszeresére feldúsul a tűztérben maradó hamuhoz képest.

Az energiafű hamujában a kálium KCl alakjában van jelen.

Lágyulási hőmérsékletek A vizsgált tüzelőanyagok hamuja lágyulásának

kezdetéhez (Tkezd) tartozó hőmérsékletek: fenyőfa Tkezd = 1182 °C energiafű-barnaszén 20-80 % hőarány Tkezd = 1045 °C energiafű Tkezd = 580 °C napraforgó maghéj Tkezd= 532 °C

Eredmények, következetések V.

Lágyulási hőmérsékletek A biomasszák és a keverék tüzelőanyagok

hamujának lágyulási hőmérséklete 200-800 °C-kal kisebb, mint a barnaszeneké (Tkezd,szén= 1200-1400 °C).

A 20 % m/m-nál nagyobb kálium tartalmú hamuk 600 °C-nál kisebb hőmérsékleten kezdenek lágyul-ni. A napraforgó maghéj (K = 44,09 % m/m) erőműi eltüzelése még vegyes tüzelésben sem javasolható, a hőcserélő felületekre rakódó tapadványok miatt


Köszönöm figyelmüket!


FÁS- ÉS LÁGYSZÁRÚ BIOMASSZÁK TÜZELHETŐSÉGI FELTÉTELEINEK VIZSGÁLATA

Documents