4. Elméleti vizsgálatok
4.1. Biogázokkal végzett elméleti vizsgálatok
A biogázok tüzeléstechnikai paramétereinek meghatározásánál az elsődleges cél annak megállapítása volt, hogy a biogázok magas CO2 tartalma milyen hatással van a tüzeléstechnikai paraméterekre. A nyers biogázokban jelenlévő víztartalom hatását nem vizsgáltam, mert az egyszerűen, hűtéssel is elválasztható a gáznemű kompo-nensektől.
A CO2 nem éghető gáz, jelenléte a tüzelőanyag-levegő keverékben kedvezőtlen, mert a felszabaduló hőt elnyeli. Jelenléte a nitrogénnél is kedvezőtlenebb, mivel mo-láris hőkapacitása nagyobb és magas hőmérsékleten disszociál amivel további hőt von el az égés során.
A számítások során azt vizsgáltam, hogy a biogáz növekvő CO2 tartalma hogyan hat a biogáz tüzeléstechnikai paramétereire. A biogázok metánszáma a 4.3. ábra fel-használásával meghatározható. A CO2 tartalom növekedése 100% CH4–ról lineárisan növeli a metánszámot. Ha figyelembe vesszük, hogy a földgáz metánszáma típusától (A – D) függően 73-95%CH4 (4.3. ábra), látható, hogy egy tipikus 40 V/V% CO2 tar-talmú biogáz kopogástűrése sokkal jobb, ami lehetővé teszi a biogáz üzemű moto-roknál a nagyobb kompresszióviszony alkalmazását.
Az alsó és felső robbanási határ és oxigén-határkoncentráció látható a 4.4. ábrán.
Megfigyelhető, hogy ~70 V/V% CO2 tartalomig az alsó és a felső robbanási határ is növekszik, e felett a felső robbanási határ csökken, majd 77 V/V% CO2 felett már nem robbanóképes a biogáz. Vagyis a CO2 tartalom növekedésével az egyre dúsabb
keve-0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 20 40 60 80 100 80 60 40 20 MN [%CH4]
CH4 [V/V%]
CH4+CO2=100V/V% CH4+H2=100V/V%
D típusú földgá z A típusú földgá z
100 80 60 40 20 0
0 20 40 60 80
H2[V/V%]
CO2[V/V%]
CH4[V/V%]
CH4+CO2 keverék CH4+H2 keverék D típusú földgáz A típusú földgáz
rékek robbanóképesek, de a robbanóképes tartomány ~70 V/V% CO2 tartalomig lé-nyegében közel megegyezik a referenciáéval. A felső robbanási határ növekedését alátámasztja az inert tartalom növekedésével csökkenő oxigén-határkoncentráció.
40 V/V% CO2 tartalmú biogáz esetén már csak 10,8 V/V% oxigénre van szükség a tü-zelőanyag-levegő keverék robbanásához. Tehát a biogázok biztonságtechnikai szem-ponttól nem jelentenek kisebb kockázatot, mint a földgáz, mivel a robbanóképes tar-tományuk közel megegyezik a referenciának tekintett földgázéval, annak ellenére, hogy a minimális robbanóképes koncentrációjuk levegőben nagyobb, mint a földgá-zé.
4.4. ábra: Alsó és felső robbanási határ és az oxigén-határkoncentráció változása a biogáz CO2 tartalmának növekedésével (293 K, 101325 Pa)
A 4.5. ábrán a fűtőérték, égéshő, Wobbe-szám és relatív sűrűség értékek láthatók különböző biogáz CO2 tartalmak mellett. Figyelembe véve, hogy az MSZ ISO 1648 szabvány szerint a tüzelőanyag fűtőértékének ±5%-os tartományban tartása földgáz esetén minőségi követelmény, látható, hogy földgázról biogázra váltás esetén már igen kis CO2 tartalomnál sem tartható a referencia 35,9±5% MJ/m3. Hasonló ered-mény adódik a Wobbe-szám vizsgálata során. A Wobbe-szám a berendezés üzemel-tetése szempontjából az egyik legfontosabb paraméter. A gáz Wobbe-száma a beren-dezés hőterhelését határozza meg. A tüzelőanyag Wobbe-számának változása módo-sítja a berendezés hőterhelését, továbbá a légfelesleg-tényező is megváltozik, ha nincs a berendezés olyan légfelesleg szabályozóval ellátva, amely állandó füstgáz oxigén tartalomra szabályoz. Ha egy gázminőségre érzékenyebb berendezést üzemeltetünk, akkor a tüzelőanyag Wobbe-szám ingadozását adott tartományon belül kell tartani.
Ha ezt meghaladó a Wobbe-szám változás, akkor a berendezést a tüzelőanyaghoz be kell szabályozni. Jelenleg a Wobbe-szám megengedett ingadozási tartományára Ma-gyarországon külön előírás nincs, azonban kutatásokkal alátámasztott, hogy a be-rendezés megfelelő üzemeltetésének biztosítása érdekében ezt a paramétert is célsze-rű a ±5%-os tartományban tartani [82].
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 10 20 30 40 50 60
0 10 20 30 40 50 60 70 80
OHK [V/V%]
ARH, FRH [V/V%]
CO2 [V/V%]
ARH FRH OHK
4.5. ábra: Fűtőérték, égéshő, Wobbe-szám és relatív sűrűség változása a biogáz CO2 tartalmának növekedésével (273 K, 101325 Pa)
A 4.5. ábrán látható, hogy a biogáz CO2 tartalmának növekedésével a Wobbe-szám csökkenése jelentősebb a fűtőérték csökkenésnél, a relatív sűrűség jelentős növekedé-se miatt. A fentiek alapján földgáz tüzelőanyagról biogázra váltás enövekedé-setén teljesít-ménycsökkenés várható. További problémák adódhatnak, ha a biogáz összetétele időben változik, ami a biogáz telepeken gyakran előfordulhat. Ebben az esetben a hőerőgép megfelelően működhet a beállított biogáz összetétellel, azonban ha ettől akár már kismértéken (2-3 V/V%) eltérő CO2 tartalmú biogáz érkezik a hőerőgépbe egyik paraméter sem tartható a kívánt ±5%-os tartományban.
Az égés során hasznosítható hő és az égéslefutás szempontjából az adiabatikus lánghőmérséklet és a lamináris lángterjedési sebesség alapvető tüzeléstechnikai pa-raméter. Az adiabatikus lánghőmérséklet az égés során kialakuló elméleti legmaga-sabb hőmérséklet, ami megszabja a reakcióentalpiát, vagyis az égés során felszabadu-ló hőt. A lamináris lángterjedési sebesség, vagyis a lángfront terjedési sebessége befo-lyásolja az égéstörvényt, vagyis a hőfelszabadulás sebességét.
A sztöchiometrikus keverékekre CHEMKIN szoftverrel meghatározott adiabati-kus lánghőmérsékletek és a lamináris lángterjedési sebességek számítási eredményei 4.6. ábrán láthatók. A számításokat minden esetben standard állapotban, vagyis 298 K kiindulási hőmérsékleten és 101325 Pa állandó nyomáson végeztem.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
0 10 20 30 40 50 60
0 10 20 30 40 50 60 70 80
n [-]
Hs, Hi, Wo [MJ/m3]
CO2 [V/V%]
Hs Hi Wo n
4.6. ábra: Adiabatikus lánghőmérséklet és a lamináris lángterjedési sebesség a biogáz CO2 tartalmának függvényében (298 K, 101325 Pa, λ=1)
Az adiabatikus lánghőmérséklet csökkenése ~30 V/V% CO2 tartalomig közel lineá-ris, majd a CO2 tartalom további növekedésével a csökkenés egyre intenzívebbé vá-lik. A gyulladási határhoz közeli 75 V/V% CO2 tartalomnál csak 1700 K körüli.
A lamináris lángterjedési sebességek csökkenése jelentősebb, a teljes vizsgált CO2 tartományban közel lineáris. 75 V/V% CO2 tartalomnál 6,5 cm/s körüli, ami a referen-cia érték ~15%-a. A lángterjedési sebesség csökkenése a biogázokra jellemző 40 V/V% CO2 tartalomnál is jelentős, ami kedvezőtlen lehet a lángstabilitás szem-pontjából. Ha a hőerőgép nem alacsony égési sebességre méretezett, a lángot lefúj-hatja a kiáramló keverék. A biogázok gázmotoros felhasználásánál az alacsony égési sebességet figyelembe kell venni az előgyújtás beállításánál, különben a keverék ki-égése túlzottan elhúzódhat az expanziós szakaszba, vagy szélsőséges esetben akár a kipufogási szakaszba is.
A biogáz CO2 tartalmának növekedése mellett a légfelesleg-tényező (λ) változtatá-sának hatását is megvizsgáltam az adiabatikus lánghőmérsékletre és a lamináris lángterjedési sebességre. Az adiabatikus lánghőmérséklet számítási eredményei a CO2 és légfelesleg függvényében a 4.7. ábrán láthatók. A Tad(CO2, λ) felület a követ-kező polinommal adható meg, ami 0-77 V/V%CO2 tartalom és λ =0,85-1,15 tarto-mányban 0,9994 determinációs együtthatóval közelíti a CHEMKIN-nel számított eredményeket. A közelítő polinom alkalmazói célokat szolgál, mert a vizsgált tarto-mányban az adiabatikus lánghőmérséklet számítása elvégezhető az időigényes és licenszköteles CHEMKIN program nélkül.
_>`(CO, b) = 1 1 d' ∙CO ∙ b'
Y 'e^
Y e^
(13) ahol d' együttható értékeit a következő 4.2. táblázat tartalmazza:
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300
0 10 20 30 40 50 60 70 80
u [cm/s]
Tad [K]
CO2 [V/V%]
Ta d u
j
i 0 1 2 3 4
0 71192,2 -300006 481375 -338077 87739,7 1 -19,5421 32,5193 -13,9852 -9,8547·10-2 0 2 3,8783·10-2 -1,7964·10-1 4,0513·10-2 0 0
3 4,5281·10-4 1,6412·10-3 0 0 0
4 -2,2622·10-5 0 0 0 0
4.2. táblázat: Tad(CO2, λ) polinom aij együtthatói
A referenciagáz legnagyobb számított adiabatikus lánghőmérséklete 2236 K, ami dús keveréknél közel a sztöchiometrikushoz alakul ki, λ = 0,98-nál. Az adiabatikus lánghőmérsékletek maximumai (Tad,max,2D és Tad,max,3D görbék) a referenciához hasonló-an közel a sztöchiometrikus keverékeknél alakultak ki, λ ≈ 0,98 körül. A CO2 tartalom növekedésével a maximális adiabatikus lánghőmérsékletek hasonlóan a sztöchiometrikus keverékeknél meghatározottakhoz csökkenek. Ez a csökkenés 30%
CO2 tartalomig közel lineáris, majd egyre intenzívebbé válik. A biogázok adiabatikus lánghőmérsékletének a légfelesleg változtatására való érzékenysége a növekvő CO2 tartalommal nő, amit az izokoncentrációs görbék csúcsosodása, azaz növekvő abszo-lút meredeksége mutat.
4.7. ábra: Adiabatikus lánghőmérséklet változása a biogáz CO2 tartalmának növekedésével illetve az alkalmazott légfelesleg változtatásával (298 K, 101325 Pa)
A lamináris lángterjedési sebesség számítási eredményei a CO2 és légfelesleg függvényében a 4.8. ábrán láthatók. Az u(CO2, λ) felület a következő polinommal adható meg, ami 0-77 V/V%CO2 tartalom és λ =0,85-1,15 tartományban R2=0,9998 de-terminációs együtthatóval közelíti a CHEMKIN-nel számított eredményeket. A köze-lítő polinom alkalmazói célokat szolgál, mert a vizsgált tartományban a lamináris
lángterjedési sebesség számítása elvégezhető az időigényes és licenszköteles CHEMKIN program nélkül.
(CO, bc * 1 1 d'∙ CO∙ b'
Z 'e^
Z e^
(14) ahol d' együttható értékeit a következő 4.3. táblázat tartalmazza:
j
i 0 1 2 3
0 -566,541 1677,35 -1507,83 437,124 1 8,1235·10-1 -2,6502 1,5635 0 2 -1,3187·10-3 -7,9334·10-4 0 0
3 -1,9381·10-6 0 0 0
4.3. táblázat: u(CO2, λ) polinom aij együtthatói
4.8. ábra: Lamináris lángterjedési sebesség változása a biogáz CO2 tartalmának növekedésével illetve az alkalmazott légfelesleg változtatásával (298 K, 101325 Pa)
A referenciagáz legnagyobb számított lamináris lángterjedési sebessége 40,9 cm/s, ami dús keveréknél közel a sztöchiometrikushoz alakult ki, λ =0,95-nél. A lamináris lángterjedési sebességek maximumainak (uad,max,2D és uad,max,3D görbék) kialakulási he-lye függ a CO2 tartalomtól. A növekvő CO2 tartalommal a maximális lamináris láng-terjedési sebességek eltolódnak az egyre szegényebb keverékek felé, a referencia ér-tékhez tartozó λ = 0,95-ről λ = 1,09-re. A CO2 tartalom növekedése okozta maximális lamináris lángterjedési sebességek csökkenés hasonlóan a sztöchiometrikus keveré-keknél meghatározottakhoz a teljes vizsgált CO2 tartományban közel lineáris.
A biogázok lamináris lángterjedési sebességének a légfelesleg változtatására való
érzékenysége a növekvő CO2 tartalommal csökken, amit az izokoncentrációs görbék ellaposodása, azaz csökkenő abszolút meredeksége mutat.
A 4.9. ábrán a fajlagos CO2, illetve a többlet CO2 kibocsátás, a maximális füstgáz CO2 tartalom és a fajlagos füstgáz mennyiség változása látható különböző biogáz CO2 tartalmak mellett. Megfigyelhető, hogy a biogáz CO2 tartalmának növekedésével a füstgáz maximális CO2 tartalma nő, a fajlagos nedves füstgázmennyiség csökken, ezzel a tüzelőanyagra vonatkoztatott fajlagos CO2 kibocsátás konstans, mivel a bio-gáz CO2 tatalma és CH4 tartalma is CO2-ként távozik a füstgázzal. Ha figyelembe vesszük, hogy azonos tüzelési teljesítmény eléréséhez a biogáz CO2 tartalmának nö-vekedésével bekövetkező fűtőérték csökkenés miatt fogyasztásnövelés szükséges, akkor a referenciának tekintett földgázhoz képest egyre növekvő többlet CO2 kibo-csátást tapasztalható. Ez 40 V/V% CO2 tartalomnál már kétharmados többlet CO2 ki-bocsátást jelent. Természetesen figyelembe kell venni azt is, hogy a biogázok megúju-lónak tekinthetők, és részben vagy teljesen szén-dioxid semlegesek. A tüzelésük so-rán keletkező CO2 nem növeli az atmoszféra CO2 koncentrációját, mert a biogáz elő-állítására felhasznált biomassza röviddel felhasználása előtt az atmoszférából kötötte meg a CO2-t. Ha figyelembe vesszük, hogy a biogázok teljes életciklusuk során előál-lítási technológiájuktól függően fosszilis energia felhasználást igényelhetnek, akkor már nem mondhatók egyértelműen kedvezőbbnek. CO2 kibocsátás szempontjából akkor válnak kedvezőbbé, ha a kibocsátott CO2 megújulónak nem tekinthető hánya-da kisebb, mint a referencia tüzelőanyag által kibocsátott CO2 mennyisége.
4.9. ábra: Fajlagos CO2- illetve többlet CO2 kibocsátás, maximális füstgáz CO2 tartalom és fajlagos füst-gáz mennyiség változása a biofüst-gáz CO2 tartalmának növekedésével (273 K, 101325 Pa)
Összefoglalás
Az elméleti számítások alapján megállapítottam, hogy a biogázok biztonságtech-nikai szemponttól nem jelentenek kisebb kockázatot, mint a földgáz. Metánszámuk magas, ezért kopogástűrésük jobb a földgázénál. Fűtőértékük, égéshőjük és
Wobbe-0,1 1,0 10,0 100,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
CO2 [V/V%]
CO2 [m3/m3 tüz.a .]
CO2 többlet kibocsá tá s [-]
CO2 ma x [m3/m3f.g.]
Vo,n [m3/m3 tüz.a .]
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.