TERMOKINETIKAI MODELLEZÉS

A modellezés célja azon paraméterek megkeresése, melyek segítségével a biomassza optimális elgázosítása valósítható meg. A modellvizsgálat során meghatározhatjuk előállított gáztermék összetételét, fűtőértékét, továbbá azt is, hogy milyen egyéb kémia-energetikai tulajdonságokkal rendelkezik a szintézisgáz. Ezen paraméterek kulcsfontosságúak a hatékony energia-termelés megvalósításához. Ahhoz, hogy a biomassza elgázosítás során a hőmérsékletének és légfelesleg tényező értékének függvényében a felszabaduló gáz milyen összetevőket és azokat milyen mennyiségben tartalmaz szükséges meghatározni az elemi összetételt.

4.1. A modell alapegyenlete

A kibővített modellegyenlet levegő gázosító közeg alkalmazása esetén a moláris anyagmegmaradás tétele alapján a következő módon írható fel:

CHkOl + Nm · H2O + m · O2 + (3,76 · m + an) · N2 =

= x1 · H2 + x2 · CO + x3 · H2O + x4 · CO2 + x5 · CH4 + x6 · O2 + x7 · NO + x8 · NO2 + x9 · N2

+ x10 · N2O + xi · CdHfOg (1) ahol:

Nm – a tüzelőanyag egy mólnyi karbon-tartalmára vonatkoztatott nedvességtartalma;

m – a moláris oxigénigény;

3,76 – a nitrogén és az oxigén aránya a levegőben;

an – a tüzelőanyag nitrogéntartalma;

x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, 9, 10, xi a keresett értékek, azaz a keletkező gázösszetevők moláris mennyisége, amelyek a modellegyenlet megoldásával adódnak.

4.2. Az egyensúlyi állandók módszere

A paraméteres alapegyenletek megadása azért szükséges, mert ezeket felhasználva építettük fel a modellvizsgálatokat. A bemeneteli összetételek függvényében és a keletkező termékek ismeretében felírt (1.) összefüggés jobb oldalán ismeretlen mennyiségeket tartalmaz. Az egyenlet megoldására az egyensúlyi állandók módszerét választottuk, ami a Gibsz-féle szabad-energia minimalizálásának elve ((2.) összefüggés) alapján oldja meg az egyenletet. Az egyenlet megoldására a Gaseq nevű szoftvert használtuk [3].

· = ·

· + · ∑ + · (2)

157 ahol:

p – a rendszer nyomása;

G – a Gibbs-féle szabad energia;

Gi – 0 az i-dik alapanyag 1 mol anyagmennyiségre vonatkoztatott fajlagos szabad energiája normál légköri nyomás esetén;

xi – az i-dik alapanyag anyagmennyisége a keverékben;

R – az egyetemes gázállandó;

T – pedig a rendszer hőmérséklete.

A G/RT hányados egyensúlyi minimumát az elemi összetétel határozza meg.

Az elhanyagolások és egyszerűsítések figyelembevételével a kezdeti és peremérték-feltételek:

Karbon egyensúly: 1 = x2 + x4

Hidrogén egyensúly: k + 2·n = 2·x1 + 4·x3 Oxigén egyensúly: l + n + 2·m = x2 + x3 + 2·x4 Víz-gáz reakció egyensúlyi állandó:

=

A légfelesleg tényező ( ):

λ = !"#é"!%& (3)

ahol:

'( 'é()* – a tökéletes égéshez tartozó elméleti moláris oxigénigény.

4.3. A Gaseq szoftver

A fentebb ismertetett számítási módszert alkalmazza a Gaseq nevű szoftver. Kémiai egyensúlyi folyamatok elemzése céljából fejlesztették ki, így ideális a használata az gázosítási eljárások vizsgálatára. A művelet szimulálásával megfigyelhettük, hogy a bemenő paraméterek változtatása hogyan befolyásolja a gázosítás során keletkező gáz összetételét.

A szoftver megnyitása után meg kell adnunk néhány beállítást, hogy a számítás a megfelelő feltételek mellett történjen (1. ábra). Elsőnek az angolszász mértékegységet SI mértékegységre célszerű állítani, ilyenkor a szoftver két nagy szövegdoboza is színt vált.

Ezután válaszuk ki azt a lehetőséget, ahol a modellezés egy előre meghatározott hőmérsékleten és nyomáson történik. Ezeket az érékeket adjuk is meg a szoftver középső nagy szövegdobozában, ügyelve rá, hogy a hőmérséklet Kelvinben, a nyomás atmoszférában legyen. Mind ezek után bevisszük a gázosítani kívánt alapanyag elemi összetételt és a gázosító közeget. Ilyenkor befolyásolhatjuk a nedvességtartalmat és a légfelesleg tényezőt is.

A biomasszára történő modellezéskor elengedhetetlen megadni az alapanyagot felépítő molekulát. A legideálisabb molekula a cellulóz lenne, ez sajnos nem található meg a programban. Így szükséges keresni a cellulózhoz nagyon hasonló molekulát. A legmegfelelőbb választás a fenol (C6H5OH), ami egy aromás szerkezetű, kristályos szilárd anyag. Végezetül már csak azt kell beállítanunk, hogy mely összetevők keletkezésével kell számolni. Amennyiben egy összetevőt kifelejtünk a listáról, a program automatikus üzenetet küld, így a modellezés során is változtathatunk a paramétereken [4]. A modellezést többféle fafajtára elvégezhetjük, jelen esetben a 2. táblázatban található fafajtákat elemeztük.

158

1. ábra. Gaseq szoftver kezelő felülete

2. Táblázat Biomasszák kémiai összetétele

Fafajta Kémiai összetétel [tömegszázalék/száraz bázis]

C H N S O Hamu

Tölgyfa 53,7 5,4 0 0 40,3 0,6

Bükkfa 51,6 6,3 0 0 41,5 0,6

Akácfa 49,5 5,9 0,4 0 43,3 0,9

Erdei fenyő 50,1 6,1 0,2 0 43,4 0,2 Energiafűz 50,9 5,6 0,2 0 41,8 1,5

Mivel a szoftver nem tartalmazza a megfelelő molekulát így a fenol molekula használatakor szükséges némi korrekciót alkalmazni, hogy megfelelő legyen a kémiai összetétel. A fenol nem tartalmaz elegendő hidrogén- és oxigénmennységet. Ezen kívül a valóságos tüzelőanyagnak van nedvességtartalma, így annak a hozzászámítása is elengedhetetlen volt. A korrekcióhoz szükséges ismernünk a fafajták H/C és O/C arányát, melyet a 3. táblázat tartalmaz.

3. Táblázat Fafajták H/C és O/C aránya

Tölgyfa Bükkfa Akácfa Erdei fenyő Energiafűz

H/C 1,20 1,45 1,42 1,45 1,31

O/C 0,56 0,60 0,66 0,65 0,62

A korrekcióval kiszámított összetétel már helyes közelítése a valóságos biomassza anyagának. A fenoltartalom teljes mértékben magában foglalja a szénmennyiséget. A hidrogénmennyiséget kisebb, az oxigénét viszont nagyobb mértékben kell módosítani. A

159

megkapott mennyigések Gaseq szoftverbe való bevitele és a szimuláció lefuttatása után megkapjuk a tényleges gáz összetételt. A légfelesleg tényező megadásával változtathatjuk a szükséges levegő mennyiségét [4].

4.3. Az elemzési adatok kiértékelése, összegzése

A korábban említett fafajták elgázosításának modellezését 600 és 900 °C közötti hőmérsékleteken végeztük el. A légfelesleg tényező értékét 0,5 és 0,8 között változtattuk. A modellezést megismételtük különböző nedvességtartalmak figyelembe vételével. Minden esetben 1 kg tömegre számoltuk ki az összetételt. A nyomást 1 atmoszférának választottuk.

Az általunk vizsgált fafajták kémiai összetételüket tekintve közel megegyeznek, a számított eredmények jellegüket tekintve nem mutatnak számottevő eltérést, ezért a továbbiakban csak egy bizonyos fafajtának az eredményeit ismertetem. A választott fafajta a tölgyfa, mert az élőfa-készlet a tölgyfából viszonylag nagy.

A modellezések alapján azt tapasztaltuk, hogy széntartalmú tüzelőanyag termikus kezelése során, a légfelesleg függvényében változik a szintézis gázok mennyisége. A λ = 0 közeli hagyományos pirolízis során jellemzően az acetilén (C2H2) és az etilén (C2H4) mennyisége meghatározó. A gázosítási eljárás folyamán viszont az a karbonmennyiség, ami nem oxidálódott, a hidrogénnel egyesülve metán (CH4) formájában szabadul fel. A keletkezett gázkeverék összetétele legnagyobb arányban hidrogénből, szén-monoxidból, széndioxidból, vízgőzből, és metánból áll. Ezek mellett még számos elem és molekula is megtalálható.

4.4. Komponensek részmennyisége

A szén-monoxid mennyiségét vizsgálva, látható, hogy a hőmérséklet növelésével a mennyisége is megnő a szintézisgázban (2. ábra). A hidrogén mennyiségét vizsgálva megfigyelhető, hogy minél alacsonyabb az oxidáló közeg mennyisége, annál több hidrogéngáz fejleszthető (3. ábra). Amennyiben a hőmérsékletet is figyelembe vesszük, akkor 700 °C-on érhető el a maximális hidrogéntermelés. Ez azonban energetikai szempontból nem biztos, hogy a legoptimálisabb, hiszen a hidrogén égése közben keletkező víz kondenzációjával is számolnunk kell, ami rontja a gázunk fűtőértékét. Mivel a hidrogén és a szén-monoxid is energetikailag jól hasznosítható éghető gáz, ezért szükséges keresnünk egy olyan hőmérséklet optimumot, ahol a legkedvezőbb a gázok mennyisége.

2. ábra. 25% nedvességtartalmú, λ = 0,6-os, elgázosítás folyamata során keletkező gázkeverék komponenseinek tömege

160

3. ábra. 25% nedvességtartalmú, λ = 0,6-os, elgázosítás folyamata során keletkező hidrogén tömege