Tüzelőberendezések a biomassza eltüzelésére [2]

A biomassza (fitomassza) tüzelőanyagként történő hasznosítása elsősorban ott kedvező, ahol az új típusú tüzelőberendezés beruházója, egyúttal a bioenergia-forrás tulajdonosa is, tehát ott, ahol a biomassza keletkezik és a közelben, 20-30 km-es körzeten belül el is tüzelhető.

A biomassza (fitomassza) - mint tüzelőanyag - előnyei a hagyományos széntüzeléssel szemben:

• megújuló energiaforrás, széndioxid kibocsátása a zárt ciklus miatt a környezetre nem káros (üvegházhatás)

• melléktermék - tehát "gyártása" nem igényel külön energiát - szemben a költséges és a környezetet terhelő szénbányászattal

• a bányáktól távol eső helyeken is sokkal egyenletesebb eloszlásban képződik, így szállítása kevésbé költséges

• fűtőértéke megközelíti (13-16 MJ/kg) a barnaszenekét, és meddőt nem tartalmaz

• hamutartalma 2-8 %, amely közvetlenül felhasználható talajjavításra

• homogén formában (brikett, pellett, faaprítók) komfortossága azonos a szénnel, de annál sokkal környezetbarátabb, mert pora nem szennyező, kéntartalma alacsony és nem tartalmaz egyéb környezetszennyező anyagot sem

• alkalmazásukkal elősegíthető a fenntartható fejlődés és kímélhető a Föld fosszilis tüzelőanyag tartaléka.

A biomassza tüzelőberendezések legfontosabb részegységei:

• tüzelőanyag tároló a kitároló szerkezettel,

• tüzelőanyag szállító rendszer,

• tüzelőanyag és levegőadagoló rendszer,

• hőcserélő (kazán),

• hamu (salak) eltávolító berendezés,

• füstgázelvezetés - kémény,

• szabályozó és védelmi berendezés.

A biomassza (fitomassza) elégetése többféle tüzelőrendszerrel valósítható meg. Ezek a következők:

• Felső átégetésű tüzelés. A kis kézi adagolású "mindent égető" hasábfakazánban a tüzelőanyag hosszú felhevítési idővel és nagymértékű kigázosítással jut el az égő fázisig. A légfojtással megoldott teljesítményszabályozás rossz kiégetést biztosít. Megfelelő üzem csak a névleges teljesítménynél vagy puffer tároló alkalmazásával érhető el. Teljesítmény tartomány 1 kW - 1 MW.

• Alsó átégetésű tüzelés (4.7.a. ábra). Itt a tüzelőanyagnak csak az alsó része ég. A levegőfojtásos szabályozás nem olyan rossz elégetést eredményez, mint a felső átégetésüknél. Gyakran a rostély és a huzatcsatorna is vízhűtéses. Meghibásodási lehetőségek - hasonlóan mint az előzőnél - minimálisak. Teljesítmény tartomány:

25 kW - 2 MW.

• Előtéttüzelő berendezések (4.7.b. ábra). itt következetes szétválasztása történt az elégetésnek és a hőcserének.

Az elégetés egy elkülönített, samott falazatú tűztérben nagy égési hőmérséklet, 1000 ^oC felett megy végbe. A csigás adagolás esetén egynemű felaprított tüzelőanyaggal (pl. faapríték) dolgozik. Így az elégetés is tökéletes. Nagy teljesítményhatárok és viszonylag jó szabályozhatóság jellemzi. Az előtéttüzelő térben egy forró redukáló gáz képződik. Így másodlagos levegő bevezetésre van szükség. Teljesítmény tartomány: 35 kW-8 MW.

• Izzitóteres tüzelés (4.7.c. ábra). Az elégetés egy dézsa alakú tűztérben történik. A samott-téglával kifalazott magas térben az előtéttüzelő berendezéséhez hasonló jó elégetés érhető el. Utólagosan is beépíthető egy meglévő kazánba.

• Rostélyos tüzelés (4.7.d. ábra). A rostélyok kialakítása nagyon változatos lehet. Sík-, ferde-, lépcsős rostélyok és ezek kombinációi merev kivitelben, mozgatható kivitelek, mint henger-, teljes vagy részadagoló rostély (pl.

szalagformájú láncrostély, stb.). A kiviteli formától függően magasabb nedvességtartalmú melléktermékeknél is alkalmazható. Teljesítmény tartomány: 200 kW - több MW.

• Befúvásos tüzelés (4.7.e. ábra). Kimondottan száraz és apró szemcsés tüzelőanyag használható fel. Főképpen nagyüzemű berendezésként használják. Itt nagyobb a lehetősége annak, hogy a füstgázzal együtt apróbb részecskék is távoznak a tűztérből. A füstgáztisztítással szemben nagyobbak a követelmények.

• Örvényrétegű tüzelés (4.7.f ábra). Ez a tüzelési rendszer is mind többször kerül az érdeklődés előterébe. Az örvényréteg biztosítja az alsó tűztérben a magas egyöntetű hőmérsékletet, ami a tökéletes elégetés feltétele.

Ennél a tüzelési módnál is több variáció található meg, nevezetesen az örvényrétegű (mely egyszerű és olcsó berendezés és a kisebb teljesítményű berendezéseknél alkalmazható), valamint a felülről induló örvényrétegű, mely a nagyobb teljesítményeknél alkalmazható. Az örvényrétegű tüzelést elsősorban a több MW-os nagyberendezéseknél használják, de a kutatások a kisebb teljesítményeknél történő használatuk tekintetében is eredménnyel kecsegtetnek.

4.7. ábra - biomassza tüzelő berendezések [2]

A 4.8. ábrán a biomassza közvetlen eltüzelésére szolgáló korszerű berendezések elvi kialakítására látunk két példát. Az a) változat kézi adagolású, mely nem igényli a tüzelőanyag túlzott mértékű aprítását, a b) változat viszont gépesített adagolással ellátott. Mindkét megoldásnál sor kerül a másodlagos (szekunder) levegő előmelegítésére is.

4.8. ábra - biomassza közvetlen eltüzelésére szolgáló berendezések elvi vázlata

A megújuló energiaforrások

A 4.8. ábra jelölései: 1. elsődleges levegő, 2. égetőkamra, 3. előmelegített másodlagos levegő, 4. lánckiégető zóna, 5. hőcserélő, 6. apríték adagoló csiga.

Az alsó- és felsőátégetésű tüzelést megvalósító berendezések készülnek különböző méretűre bálázott melléktermékek közvetlen eltüzelésére is. A 4.9. ábrán egy ilyen alsóátégetésű bálatüzelő kazán látható.

4.9. ábra - alsóátégetésű bálatüzelő kazán

Az átégető tüzelésű kazánokkal folyamatos hőtermelés valósítható meg. A teljesítmény - mint említettük - a levegő mennyiségének változtatásával (fojtás) csak kismértékben szabályozható, ugyanis az égéshez szükséges oxigén viszonylag nagy mennyiségben van jelen magában a tüzelőanyagban. Fojtással a tüzelés minősége romlik.

A biomassza tüzelésnél a hőtermelés szabályozása a tűztérbe bejuttatandó tüzelőanyag mennyiségének a változtatásával valósítható meg leginkább. A költséges adagolóberendezések miatt kezdetben csak a nagyobb teljesítményű berendezéseknél használták. Ma már a kisebb teljesítményeknél is mind általánosabbá válik.

A szabályozott üzemű melléktermék tüzelő berendezések csoportjában az előtéttüzelők sikeresen alkalmazhatók a kisebb teljesítményigénynél is. Az előtéttüzelő berendezéseket elsősorban faapríték eltüzelésénél használják, de készültek bála, pellet stb. tüzelésére is. (20 - 120 kW teljesítmény tartomány).

A biomassza tüzelésnél a füstgázokkal szilárd részecskék (pernye, por) is távoznak a hőhasznosító berendezésekből. Leválasztásukra un. pernye ciklont kell alkalmazni. Fokozott környezetvédelmi előírások

esetén szűrők beépítésére is sor kerülhet. A modern tüzelőberendezés szabályozó rendszere - a technika mai állása szerint - folyamatos mikroprocesszoros teljesítményellenőrzésen (Fuzzy-logik) és lambda-szondás füstgáz elemzésen alapul.

A szabályozás a gyakorlatban szigorúan meghatározza a káros anyag kibocsátást és a tüzelés hatásfokát.

Különbséget kell tenni a teljesítmény- és az égésszabályozás között.

A teljesítményszabályozás a napi és a szezonális hőingadozás kiegyenlítésére szolgáló hő teljesítmény beállítása. Ez közvetlenül a pillanatnyilag szükséges hő teljesítményhez elégetendő tüzelőanyag szabályozásával vagy a puffer tároló segítségével (ha a hőigény 50 % alá esik) közvetetten valósítható meg.

Az égésszabályozással ugyanakkor a káros anyag kibocsátás minimalizálása a cél, melyet általában az égéshez juttatott levegő szükséges mértékre történő szabályozásával érnek el.

A fatüzelésnél a közelmúltig az égéshez szükséges levegőmennyiség beállítása egyetlen légszelep segítségével történt, a primer- és szekunder levegő arányának változtatására nem volt mód. A szabályozásnak ez a módja nincs tekintettel a mindenkori égéstér-viszonyokra (tüzelőanyag minőség-, mennyiség- jelleg) és oda vezet, hogy a nem optimális elégetés következtében csökken a hatásfok és megnő a károsanyag kibocsátás.

A kazán hasznosításánál az egyetlen beállítási értéket figyelembe vevő szabályozásnál fennáll a veszélye annak, hogy a tüzelőberendezés ki-be kapcsolásos üzemben, ellenőrizetlen átmeneti szakaszokban megemelt károsanyag kibocsátással üzemel. A víz térfogatáramának, az elmenő- és visszatérő hőmérsékletének figyelembevételével kialakított teljesítményszabályozás ezt a hibaforrást kiküszöböli.

A jó hatásfok és tökéletes tüzelőanyag kiégetés elérés érdekében a primer és szekunder levegő adagolásának arányát is szabályozni kell. A szabályozás vezérlőszerkezetének minél több mért információt kell kapnia (pl.: a füstgáz CO, - CO2, - NOx és egyéb oxidálható anyag tartalma stb.).

A fenti szabályozási elvek megtalálhatók a legújabb un. harmadik generációs készülékeknél (Holzvergaserkessel). Ezek a készülékek kielégítik a mai szigorú emissziós előírásokat is.

Teljesítmény tartományuk: 10-80 kW.

A kisteljesítményű tüzelő berendezések körét a 4 kW - 140 kW termikus teljesítményhatárú tüzelőberendezések jelentik.

Ezek károsanyag kibocsátására Magyarországon jelenleg nincs szabályozás. Ebben a körben is a fokozatos károsanyag-kibocsátás szigorítás a cél.