II. A termálenergia kinyerése és felhasználási rendszerei
3. A tüzelési célú biomassza energetikai felhasználásának előkészületei
A megtermelt biomassza keletkezési formájában és helyén, csak kivételes estekben használható fel energetikai célokra. A felhasználáshoz különböző előkészületi műveleteket igényelnek. Ilyenek a:
• Betakarítás
• Szárítás
• Szállítás
• Aprítás, nemesítés
• Manipulálás tárolás, stb.
Betakarítás, apríték készítés
A betakarítás és a biomassza energetikai hasznosításának folyamatában lényeges, hogy az ültetvényben megtermesztett faanyag térben és technológiában hol kerül olyan homogén állapotba (apríték), amikor már tüzelőberendezésekben is alkalmazható. Ebből a szempontból alapvetően meghatározó művelet az aprítás, amely helyileg történhet:
• az ültetvényterületen kialakított vágásterületen;
• a vágásterület és a felhasználási hely között (felkészítőhelyen), illetve
• a felhasználónál.
Szárítás
A letermelt növények a betakarítástól függően különböző, de mindenképen magas, 30-60%
nedvességtartalommal rendelkeznek. A tüzelési célú felhasználásnál, viszont az alacsony nedvességtartalom, 15-20% a követelmény. Ezért a levágott, esetleg fel is aprított biomasszát szárítani szükséges. A szárítás történhet természetes száradással (9.7. ábra), amelyet főleg a faalapú biomasszánál és a növényi szármaradványoknál alkalmazzuk. A száraz biomassza növeli a tüzelés-technikai hatásfokot és csökkenti a mindenkori emissziót.
9.7. ábra. A faapríték száradási diagramja
Füstgázzal történő szárítás esetén a forró füstgázt használjuk szárításra, amely vagy magából a biomassza tüzelőből, vagy egyéb kazánból származhatnak. A szárító gáz hőfoka 300-600 °C körül van, és oxigéntartalma a berobbanás elkerülése érdekében nem lehet több 10%-nál.
Szállítás
A mezőgazdasági melléktermékek és maradékanyagok szállítására a technológiák kialakultak. A szállítás módja és munkaerőigénye a bála formájától és fajtájától függ.
Faalapú tüzelőanyagok (faapríték, faforgács) szállítása a tároló térhez traktorvontatású pótkocsikkal történik.
A kialakított tárolótérbe vagy közvetlen billentéssel, vagy szállítócsiga segítségével jut be az anyag (9.8. ábra).
9.8. ábra. Tárolóterek feltöltése egyedi lakóház vagy épületfűtésnél
A speciális tüzelőanyagokat, pl.: fűrészpor, pellet stb. különleges pneumatikus ürítésű szállítókocsikkal szolgáltatásként szállítják a felhasználás helyére.
Aprítás, nemesítés
A különböző fajta biomasszákat speciálisan kialakított aprítógépekkel aprítják. Az aprításra a tüzelőberendezésbe történő adagolás miatt van szükség. Szerkezeti megoldásuk alapján megkülönböztetünk:
késes vagy tárcsás aprítót, függesztett, vontatott vagy önjáró gépeket.
9.9. ábra. Csigás aprító
A szárítási műveletek során az anyagban fizikai és biokémiai állapotváltozások jönnek létre, amelyek alkalmassá teszik a az anyagot a tartós tárolásra. Ilyen a nedvességtartalom csökkenése és a nedvességeloszlás megváltozása. A biokémiai állapotváltozások jelentősége a felhasználási érték javulásában és az anyag egyes kémiai alkotói minőségének javulásában foglalható össze.
Tömörítés, préselés
A tömörítés elsődleges célja a térfogati sűrűség növelése, ami kedvezően alakítja
• a tárolási helyigényt,
• a rakodás feltételeit,
• a tűztérbe juttatás és az égés feltételeit,
• a fajlagos energiasűrűséget (GJ/m3),
• esetenként a nedvességtartalmat.
A tömörítés történhet:
• bálázással (hengerbála, kis- és nagybála)
• brikettálással
• dugattyús préssel (egyirányú, kétirányú, háromirányú prés)
• csigás préssel (nyomócsigás, őrlőcsigás)
• pelletálással (sík matricás, henger matricás) A brikettálás
Brikettálásnál, elsősorban a lignocellulózok feldolgozása közben keletkező melléktermékek, energetikai hasznosításra történő előkészítése a cél.
A felhasznált anyagok közös jellemzője, hogy
• a melléktermék ill. apríték halmazsűrűsége viszonylag kicsi, ezért a szállítás és a tárolás költséges, ill.
helyigényes,
• az alapanyag nedvességtartalma változó, a hagyományos tüzelőberendezések nem vagy csak részben alkalmasak az adott anyagforma jó hatásfokú elégetésére, ezért brikettálás nélkül a felhasználás berendezéscserét igényelne.
A biobrikett:
• nagy fűtőértékű (18...18,5 MJ/kg)
• kis nedvességtartalmú (8–14%)
• kis hamutartalmú (0,8...7,5%)
• nagy energiasűrűségű (22...24 MJ/dm3)
• közepes árfekvésű (850...1200 Ft/GJ)
• 20 – 100 cm2 keresztszelvényű
• lakossági igényeket kielégítő (darabos, jól kezelhető és tárolható) tüzelőanyag.
A préselés jellemzői:
• az anyag nedvességtartalma - 14%,
• szemcsék mérete: 0,5–1,5 mm (a 6 mm feletti részarány legfeljebb 10–15%),
• 30 - 40 kWh/tonna energia igény (előnyös).
A brikettálás présgépekkel történik. Ezek lehetnek
• dugattyús prések,
• kétirányú, háromirányú prés csigás prések (nyomócsigás, őrlőcsigás
9.9. ábra. Fűtött vagy hűtött fejes csigásprés
A biobrikett energiahordozó, ezért fontos az, hogy az előállításához felhasznált energia lényegesen kevesebb legyen, mint a belőle kinyerhető (Eout>>Ein.).
9.10. ábra. Biobrikett
Minél nagyobb sűrűségű tömörítvényt állítunk elő, annál nagyobb az energia-felvétel. Tekintettel arra, hogy a fajlagos energiaigény nem lineárisan nő (9.11. ábra), brikettálásnál csak a szüksége tömörség (0,7-1,0 g/cm3) elérésére célszerű törekedni.
9.11. ábra. A tömörítés energiaigénye a sűrűség függvényében A biobrikett-gyártás technológiái és gazdaságossága
A biobrikett-gyártás két alaptechnológiáját alkalmazzák. Ezek beruházási- és üzemeltetési költségeket tekintve alapvetően eltérnek egymástól. Biobrikett állítható elő:
• a már szárított faanyagot feldolgozó üzemek por- és finomforgács hulladékaiból, szalmaőrleményből, illetve
• az elsőleges fafeldolgozás változó nedvességtartalmú melléktermékeiből, amelyek után-aprítást, szárítást, osztályozást és technológiai anyagmozgatást igényelnek. Jellemzően fűrészpor-, fa- és kéreg-hulladékból, mezőgazdasági melléktermékekből, termesztett energianövényekből.
Pelletálás
A kis méretű (5-10 mm átmérőjű, és 10-25 mm hosszú) pellet előnyös, mert csigás- vagy cellás adagolóval igen pontos adagolással juttatható a tűztérbe, tehát egészen kis hőteljesítményű berendezések (2-3 kW) is jó hatásfokkal működtethetők vele.
9.12. ábra. Síkmatricás pelletáló
A pellet igen termelékenyen állítható elő. Az alapanyag por- forgács- apríték- szecska lehet. A gépben a termék előállítása közben is folyik aprítás-őrlés, ezért kevésbé finom szemcseméretű alapanyagot igényel, mint a dugattyús brikettálók.
A pellet prések két fontos változata használatos:
• hengermatricás,
• síkmatricás (9.12. ábra)
Mindkét esetben járókerekek (görgők) préselik át az alapanyagot a matrica furatain. A pellet 0,7-0,9 g/cm3 sűrűségű. Ömlesztett halmazsűrűsége 600-650 kg/m3.
Manipulálás, tárolás
A kész tüzelőanyagot a lehető leggyorsabban el kell juttatni a tárolás helyére. A 6.2.1. táblázat a tároló helyszükségletet mutatja, különböző tüzelőanyagoknál.
6.2.1. táblázat: Tüzelőanyagok tárolótér szükséglete
Az optimális tároló fedett és tágas (9.13. ábra). Ha az épület téglából vagy kőből készült, akkor a tüzelőanyag nem érintkezhet a fallal, továbbá a fal és a tüzelőanyag közti teret szellőztetni kell. Ha a tüzelőanyag nedves a tároló falainak átszellőztethetőnek kell lenniük, a fából készült oldalfalakat műanyagból készült hálóval lehet megvédeni.
9.13. ábra. A kazánház berendezései. 1. Tároló, 2. Adagoló csiga, 3. ventilátor, 4. Hamukihordó csiga, 5.
Tűzvédelmi szelep, 6. Füstgáz hőmérő, 7. Visszaégés gátló, 8. Tűzfal, 9. Vezérlőszekrény, 10. Visszaégés gátló, 11. Tároló külső fal
9.14. ábra. Csigás kitároló
9.15. ábra. Éklétrás kitároló
A tüzelőanyagnak a tárolótérből a kazánhoz való juttatásának módjai a tüzelőanyag fajtájától és aprítottsági fokától függ. Ezek lehetnek: csigás kitárolók (9.14. ábra), melyek homogén és száraz anyaghoz készülnek, vagy éklétrás kitárolók (9.15. ábra), melyek nedves inhomogén anyagokhoz alkalmazhatók.
A kitárolás után a száraz anyagok kazánhoz történő juttatásához alkalmasak a pneumatikus szállítók, vagy végtelen csigás szállítócsövek.