fÁs- És lÁgyszÁrÚ biomasszÁk tÜzelhetŐsÉgi feltÉteleinek vizsgÁlata
DESCRIPTION
Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Energia- és Minőségügyi Intézet Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék. Dr. Szemmelveiszné Dr. Hodvogner Katalin, egyetemi docens Dr. Palotás Árpád Bence, intézetigazgató, egyetemi docens. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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 megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 2
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 3
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 4
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 5
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 megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 6
A nedvességtartalom hatása
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 7
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 8
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 9
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 megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 10
A vegyes tüzelés vizsgálata ENERGIAFŰ BARNASZÉN
KEVERÉK
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 11
Tüzelőanyagok összetétele
0
10
20
30
40
50
60
Nedvesség Illó Fix-C Hamu
Töm
egar
ány,
m/m
%Energiafű
30-70% Keverék
Barnaszén
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 12
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 13
Salakosodási és korróziós problémák
Az égetőkamra boltozata Az adagoló nyílás és levegő fúvókák
A salak deformálta boltozat Olvadékkal eltömött levegő fúvóka
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 14
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 15
Kémiai összetétel vizsgálat
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 16
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 17
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 18
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 19
Lágyulási jellemzők vizsgálata
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 20
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 21
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 22
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 23
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.
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 24
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 25
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.
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 26
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
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 27
Köszönöm figyelmüket!
A megújuló energiatermelés nyersanyagforrásai és használatuk - Miskolc, 2010. 02. 24. 28