Já n o s M. Beér
(Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Mass. USA)
Az előrelátható jövőben a fosszilis tüzelőanyagok továbbra is dom i
náns szerepet fognak játszani a világ villamosenergia term elésében. A globális villamos energia kapacitás 1993-ban kb. 2800 GW volt, ami az International Energy Agency becslése szerint 2010-ig 3900 és 4500 GW közötti értékre fog em elkedni (1 GW = 109 watt). A növekedés nagy része Délkelet-Ázsia erősen fejlődő országaiban, Kínában, Indiában és In
donéziában várható, ahol az évi villamosenergia igény 6-8 %-kal em elke
dik. Ö sszehasonlításképpen az OECD fejlett ipari országaiban 1,4 %-os évi növekedéssel számolhatunk.
A villamos erőm űvek fő energiahordozója a szén, ami az erőm űvek több mint 50 %-át táplálja. Ezt a világ kb. 3000 millió tonna évi szénter
m elésének túlnyomó része szolgáltatja. A szén a legbőségesebben ren
delkezésre álló és legolcsóbb tüzelőanyag. A jelenlegi fogyasztás mellett a globális szénkészletek több mint 200 évre elegendőek.
A nagymértékű szénfelhasználásnak azonban lényeges problémái van
nak, főleg a széntüzeléseknek a környezetet erősen szennyező hatása miatt. A szennyezőanyagok részben égésterm ékek (nitrogén- és kénoxi- dok, széndioxid), részben éghető szerves anyagok (szénm onoxid, szén- hidrogének, korom ) és a szénham u szervetlen ásványi vegyületei, fő
képp nehézfémek. A légszennyező anyagok hatására savas eső és föld
közeli ózon keletkezhet, és az ún. üvegházi gázok (C 0 2, CH4) globális melegedést okozhatnak. A finom szemcsem éretű (subm icrom eter) szál
lóhamu, a felületén abszorbeált gáz- és gőzfázisú szennyezőanyagokat szállítja a szervezetbe.
A környezetvédelm i szervek egyre szorosabb törvényes szabályokkal korlátozzák az egészségre és a környezetre káros szennyező kibocsátá
sokat. Új erőművi technológiai eljárások állnak rendelkezésre, hogy ele
get tegyenek a korszerű környezetvédelm i előírásoknak. Nagyon lénye
ges az is, hogy ezek az új szénfelhasználási m ódszerek gazdaságosak le
gyenek. A gazdaságosság azért nagyon fontos, hogy az iparilag fejlődő országokban, ahol a közeljövőben a legnagyobb erőművi beruházásokat tervezik, az erőm űvek telepítői ne érezzék azt, hogy részükre a környe
zetvédelmi költségek m egengedhetetlenül magasak.
A tiszta szénfelhasználási technológiáknak két főcsoportja van: a) a szennyező anyagok kibocsátását csökkentő eljárások és b) a villamose
nergia term elés term odinam ikai hatásfokának em elését biztosító korsze
rű körfolyamatok.
Különös figyelmet érdem el a szennyező kibocsátások csökkentésének az a módja, amelyik a tüzelési folyamat változtatásával éri el eredm énye
it, mert ennek a költségei viszonylag alacsonyak.
N itrogénoxidok kib o csá tá sá n a k csökkentése a z égésfolyam at m ódosí
tásával. Az égés okozta szennyező kibocsátások közül a nitrogénoxidok (NOx) külön figyelmet érdem elnek, egyrészt széles körű légköri hatásuk miatt, másrészt m ert a keletkezésük és elem észtésük befolyásolható az égésfolyamat módosításával. Légköri hatásuk főképpen a sárga füstköd és a földközeli ózon keletkezésében nyilvánul meg. Ez utóbbi az élő környezetre kártékony erős oxidáló hatása miatt. A füstköd és az ózon a nitrogénoxidok és a szénhidrogének naphatású fotoreakciójának term é
kei. A szénhidrogének főleg a belsőégésű m otorok égésterm ékeivel ke
rülnek a légkörbe. A nagyvárosok közelében nyáron, erős napsütésben az ózonkoncentráció gyakran meghaladja az egészségre káros határérté
ket, és ezért a környezetvédelm i hatóságok ezt különösen figyelik.
A nitrogénoxidok a fosszilis tüzelőanyagok levegőben történő elégeté
sénél keletkeznek. Három fő forrásuk van:
a) atom os oxigénnek a levegő nitrogénjével való m agas hőm érsékletű reakciója oxigéndús égésnél („termális" NO)
b) szénhidrogén töredékek (CH, CH2) a levegő nitrogénjével való re
akciója tüzelőanyagdús égésnél („prom pt” NO), és
c) a tüzelőanyag m olekulában lévő heterociklikus nitrogén vegyületek oxidációja.
A kutatások azt mutatták, hogy a nitrogénoxidok égésbeni keletkezése erősen csö kkenthető a levegő szakaszos adagolásával, vagyis azzal, hogy az égést levegőszegényen indítják meg, és a levegő többi részét a lánghoz fokozatokban adagolják. Több olyan eljárást fejlesztettek ki, amelyek meglévő berendezések átalakításával az NOx kibocsátást a tör
vényes határ alatt képesek tartani. Ezek közül említést érdem elnek az ún. „alacsony NOx égők”, amelyek kifejlesztésében az égés kémiai kine
tikája és a tüzelő anyag/levegő keveredés aerodinam ikája egyaránt fon
tos szerepet játszik. A tüzeléstechnika problémája, hogy a szakaszos tü
zelés ne hosszabbítsa meg túlságosan a láng hosszát és ne növelje a füst
gáz éghető nyom koncentrációit (korom, CO, szénhidrogének).
Egy másik NOx csökkentő folyamat az ún. „NO újraégetés”, amely a szénhidrogén töredékeknek NO-val való reakcióján alapszik. Ez utóbbi reakciónak az. eredm ényeként cyanid (HCN) keletkezik, ami további re
akciók során ammónia vegyületek útján az ártalmatlan N2-vé alakítható át. Egy széntüzelés magas NO tartalmú égésterm ékébe a teljes hőterhe
lés 10-15 %-át kitevő földgázt tüzelnek be, amivel enyhén redukáló, ma
gas hőm érsékletű lángzónát terem tenek. Ebben a lángzónában az égés
term ékek NO koncentrációja 60-70 %-kal csökkenthető. A fenti eljárások előnye, hogy költségük az égés utáni füstgázkezeléses NOx csökkentő eljárásokéhoz képest alacsony.
A villamosenergia termelés hatásfokának növelése; kom binált g á z/g ő z
tu rb in a körfolyam atok. A szennyeződés-kibocsátások arányosak a fel
használt tüzelőanyag m ennyiségével és ezért fordítottan arányosak a rendszer hatásfokával. Az 1 kWh termelt energiára eső COz kibocsátást különböző körfolyamatoknál és tüzelőanyagoknál az 5. ábra mutatja.
Magasabb hatásfok és a tüzelőanyag kisebb C/H aránya (földgáz<olaj<
<szén), csökkentik az égésnél keletkező C 02-t.
A kombinált gáz/gőzturbina körfolyamat hatásfoka meghaladja mind az egyedüli gázturbina (Brayton ciklus), mind a gőzturbina
(Rankine-ciklus) hatásfokát. Ez a két körfolyamat alkalmas kombinációra, mert a hőm érséklet tartom ányaik kölcsönösen kiegészítik egymást. (Brayton:
1600-900K; Carnot: 900-300K).
Egy kom binált gáz/gőzturbina ciklus sémáján a gázturbina kipufogó gázai gőzt term elnek egy hőhasznositó kazánban. Ennek a rendszernek további előnye, hogy a kazánban a gázturbinából kilépő, nagy oxigén
tartalmú (13-15 % O z) gázzal szenet is lehet tüzelni. Megjegyzendő, hogy az ilyen adalékos kazántüzelések a kombinált rendszer hatásfokát, amely 58-60 %-ot közelíthet meg, valamelyest csökkentik. Ezzel szem ben áll a rugalm asabb üzem eltetés és csökkentett tüzelőanyag költség.
Kutatási és fejlesztési szem pontból a széntüzeléses kom binált körfolya
m atok jelentenek különös kihívást. Ezek a rendszerek három nagyobb csoportban tárgyalhatok:
a) közvetett széntüzelések, am elyekben széntüzeléssel nagynyomású levegőt hevítenek és ezzel a hőléggel földgázt égetnek egy gázturbina égőkamrájában, hogy a gáz hőm érsékletét tovább emeljék a turbinába való belépése előtt.
b) közvetlen tüzelések, ahol a szén nagynyomású égésterm ékei, gáz
tisztítás után, belépnek a gázturbinába, és
c) nyom ás alatti szénelgázosító rendszerek, m elyekben az éghető gáz, tisztítás után, a gázturbina égőkam rájában komprimált levegővel ég el.
A közvetett széntüzelésű rendszerben a műszaki problém a anyagtech
nológiai vonatkozású. A nagynyom ású (12-15 atm) léghevítő hőm érsék
let tűrése a jelenlegi technológia mellett 1000K léghevítést tesz lehetővé ötvözött acélcsöves léghevítő alkalmazásával. Korszerű gázturbina tech
nológia 1Ó00K turbina belépő hőm érsékletet enged meg. Ennek a hő
m érsékletnek az eléréséhez szükséges gáztüzelés a teljes hőfelhasználás
nak kb. 50 %-át teszi ki. Am ennyiben a léghevítés foka em elhető volna, az lehetővé tenné a földgáz tüzelési hányadának csökkentését. A m aga
sabb hőm érsékletű léghevítők kerámikus anyagot igényelnének, amely a kazántüzelési oldalon az olvadó salak agresszív vegyi tám adásának kell hogy ellenálljon. A kerámikus hőkicserélők kifejlesztés alatt állnak, gya
korlati alkalm azásuk 10-15 éven belül várható. A közvetett tüzelésű rendszerek becsült hatásfoka eléri a 45—47 %-ot. Különös előnyük, hogy földgáz felhasználásával növelik a szénenergia-hasznosítás hatásfokát.
A közvetlen tüzelésű rendszerek jelenleg nyomás alatti fluidtüzelések alkalm azásán alapulnak. Ennél a tüzelésmódnál a szén égésterm ékei, amelyek maximálisan 1100K hőm érsékletűek, gáztisztítás után (porózus
keramikus szűrők) lépnek be a gázturbinába. A műszaki kihívás a gáz
tisztítás m egoldásában áll és főképpen a kerámikus szűrők szilárdsági in
tegritását érinti. Az egyes szűrők üzemalatti törése a gázturbina súlyos m eghibásodásához vezethet. A fluidágyas tüzelés gázturbinás alkalmazá
sának hátránya az égésterm ékek alacsony turbina-belépő hőfoka. Ezt a gázturbina égőkamrájában történő póttüzeléssel emelni lehet. A póttüze
lés történhet földgázzal vagy széngázzal, a szén részleges kigázosításának termékével. A póttüzelés nélküli közvetlen széntüzelésű kom binált cik
lusok hatásfoka 38-40 % körüli, ami póttüzeléssel 46-47 %-ra em elhető.
A szénelgázosító kom binált körfolyam atokban a szén magas nyom á
son történő teljes gázosításának gázfázisú term ékét, gáztisztítás után, gázturbina-égőkam rában tüzelik el, és a turbinából kilépő gázok érzé
kelhető hőjét kazánban hasznosítják. A Texaco gázosítóban szén-víz zagyot oxigén áram ban gázosítanak el. A magas hőm érsékleten a salakot folyékony állapotban távolítják el. Noha az oxigént előállító berendezés emeli a beruházás költségeit, az oxigén használata csökkenti az égéster
m ékek töm egáram át és ezzel tisztításuk költségét. A széntüzeléses kom binált körfolyamatok közül az elgázosító rendszernek legnagyobb az ígérete korai alkalmazásra.
Szuperkritikus gőzparam éterű (300 atm 593°C) szénportüzeléses rend
szerek egyszerű Rankine ciklusban üzemeltetve elérik a 40-42 % hatásfo
kot. A nagy kazángyártó vállalatok az USA-ban ezeket a „tiszta” szén
technológiával üzem elő erőm űveket még az évtized vége előtt, teljes ga
ranciával tervezik versenyképes árakon (kb. $ 1200-1 300/kW ) piacra b o csátani. További hatásfok javulás várható (+3 %) a K alina ciklus alkalma
zásától, am elyben a m unkaközeg ammónia-víz keveréke. Ennek a for
ráspontja az elpárolgás folyamán növekszik és ezért a vízhez képest ki
sebb hőm érsékletkülönbséggel képes a lehűlő füstgázok hőm érsékletét követni. Ez növeli a term odinam ikus hatásfokot. A Kalina ciklus jelenleg kifejlesztés alatt áll, az eredm ények biztatóak, nagyüzemi bevezetése a következő évtizedben várható.
A széntüzelésű villamos erőművek fajlagos létesítési költségei magasabbak ($1250-2000) a földgázt hasznosító gáz/gőzturbina kom binált ciklusoké
nál ($ 650-950). Ennek ellenére, minthogy földgáz korlátozottan áll ren
delkezésre, energiabiztonsági és nemzetgazdasági meggondolások, alaperő
művek létesítésénél általában szén felhasználásához vezetnek. Az is várható, hogy a magas hatásfokú „tiszta” szénerőm űvek létesítési költségei csök
kenni fognak, ahogy nagyobb számmal kerülnek az erőművi gyakorlatba.
M agyar vonatkozású erő m ű vi tüzelési kérdések. A magyar szénvagyon a környező országokéval összehasonlítva szerény, és főleg gyenge minő
ségű lignit/barnaszenekből áll. A magyar villamosenergia term elésnek csak 20 %-át táplálja szén, de a szénnek mint energiahordozónak a jövő villamosenergia ellátásában fontos szerep jut.
A nagy hatásfokú tiszta széntechnológiák a magyar viszonyokra is al
kalmazhatók. Ezt egy a következőkben tárgyalt példa illusztrálja. Homola Viktor (ERŐTERV) 1992-ben részletes számításokat végzett egy bükk
ábrányi lignit tüzelésű kombinált gáz/gőzturbinás erőmű tervezésére. A köz
vetett széntüzelésű kom binált ciklusban a lignit fluidágyas kazánban kerül eltüzelésre, ahol m észkőadalékkal az égésnél felszabaduló kéndioxid le
köthető. Az alacsony égési hőm érsékletnél (1100K) a ham u a fluidágyas tüzelésben nem alkot olvadt salakot és szárazon távolítható el. A kazán nagynyom ású hőléget és gőzt termel. A hőlég 13 atm nyomású és 1030K hőm érsékletű. A levegőt gázturbinába való belépése előtt földgáz vagy desztillált olaj póttüzelése tovább hevíti 1330K-ra. A kazánban termelt gőz túlhevítve gőzturbinában kerül hasznosításra. A gázturbina teljesít
ménye 142 MW, a gőzturbináé 123 MW. A körfolyamat hatásfoka r|—45%.
A villamosenergia költsége, 6,2 <t/kWh versenyképesnek m utatkozott m ind atom erőm űvekkel, m ind konvencionális szénerőm űvekkel (8,6
<t/kWh) való összehasonlításban.
K övetkeztetések. A következő két évtizedben a villamosenergia terme
lés jelentős növekedése várható, különösen az iparilag fejlődő országok
ban. A hőerőm űvek kutatási és fejlesztési problém ái között az erőművi hatásfok növelése kom binált gáz-gőzturbinás ciklusok alkalmazásával és a környezetet szennyező kibocsátások csökkentése dominálnak. A ki
sebb teljesítményű fogyasztási centrum okhoz közel eső erőm űvek részé
re földgáztüzeléssel nagyon magas, 60 %-ot m egközelítő hatásfokot lehet majd elérni viszonylag alacsony erőm ű létesítési költséggel. A nagyobb, ún. alaperőm űvek tüzelőanyaga főleg szén lesz a világ nagy szénvagyo- na és az alacsony szénár miatt. A szén széles körű felhasználásának fel
tétele, hogy a széntüzeléses gáz/gőzturbina ciklusok m ielőbb alkalma
zásra kerüljenek, és hogy a szennyező kibocsátásokat mind a meglévő, mind az új erőm űvekben erősen csökkentsék. A rendelkezésre álló tech
nológiák főbb kategóriái a széntisztítás (fizikai és kémiai), a tüzelési fo
lyamat m ódosítása úgy, hogy szennyező anyagok égésfolyamatbeli ke
letkezését elnyomja, és a füstgáz égés utáni tisztítása. A kutatás kihívása, hogy a rendelkezésre álló technológiákat olcsóbbá és üzembiztosabbá
tegye, és hogy új, hatásosabb technológiákat fejlesszen ki. A jelenleg ki- fejlesztés alatt álló rendszerek közül a Rankine körfolyamatú szuperkriti
kus gőznyom ású „tiszta” szénportüzelések, a széngázosító kom binált ciklus (IGCC), a nyomás alatti fluidágyas ciklus és a közvetett széntüze
lésű földgáz póttüzeléses körfolyamat erőművi bevezetése várható a kö
vetkező évtizedben.
A haladott erőművi technológiák hazai alkalmazása intenzív kutatást és ipari fejlesztést igényel, ami a magyar m érnöktársadalom és az energi
aipar részére sokat ígérő lehetőségeket nyit meg.
Bibliográfia
Air Pollution Control Costs fór Coal Fired Power Stations. IEA Perspectíves 17, 1995.
The Industry Summit, World Econoraic Fórum. MIT 1993. J. M. Beér, Panel Discussion on The Future of Power Generation.
Advanced power generation. IEA Coal research 1EACR/55 1993 Developments on NOx abatement and control. IEA Report 1996
Lévai, A. and Jászay, T.: „Present and Future Electric power Systems in Eastern Europe, The Possibilities of Broader Cooperation” Energy and the Environment in the 21st Century MIT Press Cambridge Mass. 1990
Beér, J. M.: „Stationary Combustion: The Environmental Leitmotiv” Hoyt C Hottel Plenary Lecture, 22nd Symposium (Intn’) on Combustion, The Combustion Institute Pittsburgh, Pa., 1988. pp 1-16.
Beér, J. M. and Homola, V.: „Innovative Technologiacal Initiatives to Upgrade Power plants” IEA-USDOE-USAID Int’l Conf in Clean Coal Utilization, Budapest, Hungary 1992.