4. Elméleti vizsgálatok
4.2. Pirolízisgázokkal végzett elméleti vizsgálatok
4.2.1. A tüzeléstechnikai tulajdonságok elméleti vizsgálata
számuk is számottevően alacsonyabb a földgázénál, tehát földgáz tüzelőanyagról biogázra váltás esetén teljesítménycsökkenés várható. Ezt a lamináris lángterjedési sebesség és adiabatikus lánghőmérséklet számítási eredmények is alátámasztják, mi-vel a biogáz adiabatikus lánghőmérséklete és lamináris lángterjedési sebessége is jó-val alacsonyabb a földgázénál. A biogázok gázmotoros felhasználásánál az alacsony égési sebességet figyelembe kell venni az előgyújtás beállításánál, különben a keve-rék kiégése nem megfelelő. Klímavédelmi szempontból a biogázok kedvezőbbnek mondhatók, ha teljes mértékben szén-dioxid semlegesnek tekintjük őket.
tüzelő-anyagra 95,7% CH4 metánszámot ad eredményül [84]. A referenciával összehasonlít-va mindhárom pirolízisgáz a földgázénál alacsonyabb metánszámmal rendelkezik, tehát kopogástűrésük rosszabb. A szintézisgáz metánszáma rendkívül alacsony (25 CH4%) a magas hidrogén és az alacsony inert tartalma miatt. Az anaerob pirolízisgáz és a producergáz metánszáma közel megegyezik, 60-70% CH4 körüli, ami megközelíti az különböző típusú földgázokra jellemző metánszám alsó határát.
4.10. ábra: Metánszám különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén
A 4.11. ábrán a pirolízisgázok alsó és felső robbanási határa és az oxigén-határkoncentráció látható. Figyelembe véve, hogy a pirolízisgázok robbanási határa
±2-3 V/V%-os pontossággal határozható meg [73], a producergáz kivételével a pirolízisgázok alsó robbanási határa nem tér el számottevően a földgázétól.
A hidrogén alsó robbanási határa kissé alacsonyabb, azonban a CO alsó robbanási határa közel a kétszerese a földgázénak, így növeli a pirolízisgáz alsó robbanási hatá-rát, illetve mindegyik pirolízisgáz tartalmaz inert gázokat is, amik szintén növelik az alsó robbanási határt. A producergáz tartalmazza a legtöbb nem éghető komponenst, összesen 57 V/V%-ot, így alsó robbanási határa a földgáz levegőben meghatározott
~6 V/V%-os alsó robbanási határának több mint kétszerese, ~14 V/V%. Az anaerob pirolízisgáz inert tartalma kisebb ezzel az alsó robbanási határa is közelebb áll a földgázéhoz, ~8 V/V%. A szintézisgáz inert tartalma a legkisebb, így az alsó robbaná-si határa ennek a legalacsonyabb a három pirolízisgáz közül, ~7 V/V%.
A felső robbanási határ kialakulásánál az inert tartalom mellett fontos tényező a H2 és a CO tartalom, mindkettő felső robbanási határa levegőben nagyon magas (~72 V/V%). Így nem csak az inert, hanem a H2 és CO tartalom is jelentősen növeli a felső robbanási határt. Ennek köszönhetően mindhárom pirolízisgáz keverék nagyon magas felső robbanási határral rendelkezik. Az anaerob pirolízisgázé ~52 V/V%, ami kisebb, mint a közel megegyező H2 tartalmú szintézisgázé (~62 V/V%), mivel ez ki-sebb inert tartalommal rendelkezik. A producergáz CO és H2 tartalma fele a szinté-zisgázénak, a felső robbanási határa mégis csak ~3 V/V%-kal kisebb a
szintézisgázé-0 20 40 60 80 100 120 140 160
földgá z a na erob piro. gá z
szintézis gá z
producer gá z
biogá z metánszám [%CH4]
nál, a nagyon magas inert tartalma miatt. A fentiek értelmében a pirolízisgázok rob-banóképes tartománya sokkal tágabb, 5-6-szorosa a földgázénak.
Az oxigén-határkoncentráció vizsgálatakor látható, hogy mindhárom pirolízisgáz sokkal alacsonyabb oxigén koncentráció mellett robbanóképes, mint a földgáz, vagy akár a tipikus biogáz. Az oxigén-határkoncentráció 18 V/V% földgázra, míg producergázra 5 V/V%, de a szintézisgázra is a földgázra meghatározott érték keve-sebb, mint fele (~9 V/V%). A fentiek alapján megállapítható, hogy biztonságtechnikai szempontból a pirolízisgázok nagyobb kockázatot jelentenek. Alsó robbanási határuk magasabb, de a gyulladóképes tartományuk sokkal szélesebb, az oxigén-határkoncentrációjuk, pedig sokkal alacsonyabb, mint a földgázé.
4.11. ábra: Alsó és felső gyulladási határ és a gyulladáshoz szükséges oxigén-határkoncentráció különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén (293 K, 101325 Pa)
A 4.12. ábrán a fűtőérték, égéshő, Wobbe-szám és relatív sűrűség látható a három típus pirolízisgáz, földgáz és tipikus biogáz esetén. Figyelembe véve, hogy az MSZ ISO 1648 szabvány szerint tüzelőanyag fűtőértékének ±5%-os tartományban tartása földgáz esetén minőségi követelmény, látható, hogy egyik pirolízisgáz esetén sem tartható a referencia 35,9±5% MJ/m3. A pirolízisgázok fűtőértéke még a tipikus-nak mondható biogázénál is alacsonyabb. A legkisebb inert tartalmú szintézisgáz fűtőértéke is csak 10,44 MJ/m3, ami a tipikus biogáz fűtőértékének is mindössze a fe-le. Az alacsony fűtőérték oka egyrészt a magas inert, másrészt a magas H2 tartalom.
A hidrogén fűtőértéke tömegegységre vonatkoztatva magasabb, de térfogategységre vonatkoztatva sokkal alacsonyabb, mint a metán fűtőértéke (4.5. táblázat).
hidrogén földgáz
Hi [MJ/kg] 119,9 50,03
Hi [MJ/m3] 10,78 35,90
4.5. táblázat: Hidrogén és földgáz fűtőértéke (273 K, 101325 Pa) 0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 10 20 30 40 50 60 70
földgá z a na erob piro. gá z
szintézis gá z
producer gá z
biogá z
OHK [V/V%]
ARH, FRH [V/V%]
ARH FRH OHK
Hasonló eredmény adódik a Wobbe-szám vizsgálata során. A 4.12. ábrán látható, hogy a pirolízisgázok Wobbe-száma még a biogázénál is sokkal alacsonyabb a na-gyon alacsony égéshőjük és a sokkal magasabb relatív sűrűségük miatt. Földgáz tü-zelőanyagról bármelyik típusú pirolízisgázra váltás esetén teljesítménycsökkenés várható, függetlenül attól, hogy a pirolízisgáz mennyi inert- vagy H2 tartalommal rendelkezik.
4.12. ábra: Fűtőérték, égéshő, Wobbe-szám és relatív sűrűség különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén (273 K, 101325 Pa)
A sztöchiometrikus keverékekre CHEMKIN szoftverrel meghatározott adiabati-kus lánghőmérsékletek és a lamináris lángterjedési sebességek számítási eredményei 4.13. ábrán láthatók.
4.13. ábra: Adiabatikus lánghőmérséklet és a lamináris lángterjedési sebesség különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén (298 K, 101325 Pa, λ=1)
0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
0 10 20 30 40 50 60
földgá z a na erob piro. gá z
szintézis gá z
producer gá z
biogá z
n [-]
Hs, Hi, Wo [MJ/m3]
Hs Hi Wo n
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250
földgá z a na erob piro. gá z
szintézis gá z
producer gá z
biogá z
u [cm/s]
Tad [K]
Ta d u
A pirolízisgázok sztöchiometrikus keverékének adiabatikus lánghőmérsékletére nem lehet általános megállapításként elmondani, hogy kisebb, mint a földgázé vagy a tipikus biogázé. A szintézisgáz, ami a legkevesebb inert és a legnagyobb H2 tarta-lommal rendelkezik az egyetlen, aminek adiabatikus lánghőmérséklete eléri a föld-gázét. Ahogy nő az inert tartalom úgy csökken az adiabatikus lánghőmérséklet.
Az anaerob pirolízisgáz lánghőmérséklete 2099 K, ami megegyezik a tipikus biogáz adiabatikus lánghőmérsékletével. A producergáz adiabatikus lánghőmérséklete csak 1973 K, ami már több mint 10%-kal kisebb, mint a földgáz esetén meghatározott 2230 K referencia érték és ~5%-kal kisebb, mint a biogázra meghatározott 2096 K.
A pirolízisgázok sztöchiometrikus keverékének lamináris lángterjedési sebessége jellemzően magasabb, mint a földgázé vagy a tipikus biogázé. A szintézisgáznak van a legnagyobb lamináris lángterjedési sebessége: 81,9 cm/s. Ahogy csökken a H2 és nő az inert tartalom úgy csökken a lamináris lángterjedési sebesség. Így az anaerob pirolízisgáz lángterjedési sebessége 59 cm/s. A producergáz lamináris lángterjedési sebessége csak 44,4 cm/s, ami már közel megegyezik a földgáz esetén meghatározott 40,3 cm/s referencia értékkel.
A biogázokhoz hasonlóan a pirolízisgázok esetén is megvizsgáltam a légfelesleg-tényező (λ) változtatásának hatását az adiabatikus lánghőmérsékletre és a lamináris lángterjedési sebességre. Az adiabatikus lánghőmérséklet számítási eredményei a légfelesleg függvényében különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén a 4.14. ábrán láthatók.
4.14. ábra: Az adiabatikus lánghőmérséklet az alkalmazott légfelesleg függvényében különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén (298 K, 101325 Pa)
A referenciagáz legnagyobb számított adiabatikus lánghőmérséklete 2236 K, ami dús keveréknél közel a sztöchiometrikushoz alakult ki, λ = 0,98-nál. A teljes vizsgált légfelesleg tartomány adiabatikus lánghőmérséklet eredményei közel megegyeznek a sztöchiometrikus keverékeknél tapasztaltakkal. A szintézisgáz adiabatikus lánghő-mérséklete sztöchiometrikus keveréknél megegyezik a referenciának tekintett
föld-1400 1600 1800 2000 2200 2400
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Tad [K]
λ[-]
a na erob producer szintézis biogá z földgá z
gáz adiabatikus lánghőmérsékletével, azonban szegény és dús keverékek felé halad-va a szintézisgáz adiabatikus lánghőmérséklete egyre magasabb a földgázhoz képest, λ = 0,6-nál már 10%-kal. Az anaerob pirolízisgáz adiabatikus lánghőmérséklete a tel-jes vizsgált légfelesleg tartományon kisebb a referenciánál. Az eltérés sztöchiometrikus keverékeknél a legnagyobb: 6%, ami szegény és dús keverékek felé haladva csökken. A legalacsonyabb adiabatikus lánghőmérséklettel rendelkező producergáz esetén az eltérés a teljes vizsgált légfelesleg tartományon ~10%. Az egy-re magasabb hidrogén tartalommal egy-rendelkező pirolízisgázok esetén a maximális adiabatikus lánghőmérsékletek egyre dúsabb keverékeknél alakulnak ki.
Az eltolódás kismértékű: az adiabatikus lánghőmérséklet maximumának helye λ = 0,98–ról λ = 0,91-re tolódik.
A lamináris lángterjedési sebesség számítási eredményei a légfelesleg függvényé-ben különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén a 4.15. ábrán láthatók.
4.15. ábra: A lamináris lángterjedési sebesség az alkalmazott légfelesleg függvényében különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén (298 K, 101325 Pa)
A lamináris lángterjedési sebességek közötti eltérés a teljes vizsgált légfelesleg tar-tományon jelentős, hasonlóan a sztöchiometrikus keverékeknél tapasztalathoz. Meg-figyelhető, hogy szegény keverékek felé haladva a különbségek csökkenek, míg dús keverékek felé haladva a különbségek nőnek. A legmagasabb lamináris lángterjedési sebességgel rendelkező szintézisgáz sztöchiometrikus lamináris lángterjedési sebes-sége ~2,5-szerese a földgázra meghatározott 40,9 cm/s-os sztöchiometrikus lamináris lángterjedési sebességének. Szegény keverék felé haladva ez a különbség csökken, dúsabb keverékek felé haladva a különbség nő: λ = 0,6-nál már 13-szoros. Az anaerob pirolízisgáz lángterjedési sebessége sztöchiometrikus és szegény keverékek esetén a referencia 1,5-szerese, dús keverékek felé haladva a különbség nő, akár 5-szörös is lehet. A producergáz lamináris lángterjedési sebessége sztöchiometrikus és szegény keverékeknél megegyezik a földgázéval, de dús keverékeknél 3-szorosa is lehet a referenciának. A hidrogén tartalom növekedésével a maximális lángterjedési
sebes-0 20 40 60 80 100 120 140
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
u [cm/s]
λ[-]
a na erob producer
szintézis biogá z földgá z
ségek dúsabb keverékek felé történő eltolódása jelentősebb, mint az adiabatikus lánghőmérsékleteknél tapasztalt. A referencia λ = 0,95-ről a maximum hely λ = 0,6-ra tolódik.
A nagy lamináris lángterjedési sebesség kedvezőtlen lehet a lángstabilitás szem-pontjából. Ha a hőerőgép nem nagy égési sebességekre méretezett, akkor visszagyul-ladás történhet. A pirolízisgázok gázmotoros felhasználásánál a nagy égési sebessé-get figyelembe kell a venni motor beállításánál, különben rendellenes üzem alakulhat ki.
A 4.16. ábrán fajlagos CO2, illetve a többlet CO2 kibocsátás, a maximális füstgáz CO2 tartalom és a fajlagos füstgáz mennyiség látható különböző pirolízisgázok, föld-gáz és tipikus bioföld-gáz esetén.
4.16. ábra: Fajlagos CO2- illetve többlet CO2 kibocsátás, maximális füstgáz CO2 tartalom és fajlagos füstgáz mennyiség különböző pirolízisgázok, földgáz és tipikus biogáz esetén (273 K, 101325 Pa)
Megfigyelhető, hogy a fajlagos nedves füstgázmennyiség alacsonyabb, de a füst-gáz maximális CO2 tartalma minden pirolízisgáz esetén nagyobb, mint a földgázé.
A tüzelőanyagra vonatkoztatott fajlagos CO2 kibocsátás kisebb, mert a pirolízisgázok kisebb széntartalommal rendelkeznek, ami CO2-ként távozhat a füstgázzal.
Ha figyelembe vesszük, hogy azonos tüzelési teljesítmény eléréséhez a pirolízisgázok alacsony fűtőértéke miatt fogyasztásnövelés szükséges, akkor a referenciának tekin-tett földgázhoz képest többlet CO2 kibocsátás tapasztalható. Ez szintézisgázra több mint kétszeres, anaerob pirolízisgáznál közel kétszeres, producergáznál pedig a tipi-kus biogázéval közel megegyező, több mint másfélszeres többletkibocsátást jelent.
Mivel a pirolízisgázok megújulónak tekinthetők, vagyis részben vagy teljesen szén-dioxid semlegesek, így a tüzelésük során keletkező CO2 nem vagy nem teljes hánya-dával növeli az atmoszféra CO2 koncentrációját. Az elméleti számítások alapján meg-állapítható, hogy a pirolízisgázok abban az esetben kedvezőbbek környezetvédelmi szempontból, ha a kibocsátott CO2 megújulónak nem tekinthető hányada kisebb, mint a referencia tüzelőanyag által kibocsátott CO2 mennyisége.
0,1 1,0 10,0 100,0
földgá z a na erob piro. gá z
szintézis gá z
producer gá z
biogá z CO2 [m3/m3 tüz.a .]
CO2 többlet kibocsá tá s [-]
CO2 ma x [m3/m3f.g.]
Vo,n [m3/m3 tüz.a .]