Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

ALTERNATÍV GÁZNEMŰ TÜZELŐANYAGOK ENERGETIKAI HASZNOSÍTÁSA GÁZMOTOROKBAN

PhD értekezés

írta:

Kovács Viktória Barbara

témavezető:

Dr. Meggyes Attila egyetemi tanár

Budapest 2012

Köszönetnyilvánítás

Elsősorban szeretnem megköszönni témavezetőmnek, Dr. Meggyes Attilának a munkám magas szintű szakmai felügyeletét és mindennemű támogatását. Köszönet- tel tartozom az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék minden kedves dolgozójá- nak munkámhoz nyújtott segítségükért. Külön szeretném megköszönni Dr. Gróf Gyulának, Dr. Bereczky Ákosnak, Dr. Bihari Péternek és Groniewsky Axelnek a szakmai konzultációkat és jó tanácsokat, illetve Bednarik Józsefnek, Schmerl Gábor- nak a mérőrendszer kialakításában nyújtott segítségét, továbbá Lukács Kristófnak a kiértékelő szoftver biztosítását.

Külön köszönet illeti meg Dr. Török Ádámot a kutató munkám során nyújtott rengeteg segítségéért.

* * * Az értekezésben bemutatott téma kapcsolódik:

- a 3/018/2001 számú „Alacsony fűtőértékű gázok környezetbarát hasznosítása”

című NKFP projekthez.

- a „Biomass Heat Pipe Reformer” című EU-5 projekthez.

- a „Magas inert tartalmú- és biogázok tüzelési tulajdonságainak vizsgálata” című T 046860 azonosító számú OTKA projekthez.

- a „HIRICE – Magas hidrogén tartalmú megújuló gázok hasznosítása belső égésű motorban” című TÉT_10-1-2011-0035 azonosító számú projekthez.

Tartalomjegyzék

Jelölések jegyzéke

1. Bevezetés ... 1

1.1. Célkitűzés ... 1

1.2. Értekezésemben érintett kutatási terület bemutatása ... 2

2. Bio- és pirolízisgázok bemutatása ... 4

2.1. Előállítás, lelőhely ... 5

2.1.1. Biogázok ... 5

2.1.2. Pirolízisgázok ... 8

2.2. Vizsgált bio- és pirolízisgázok ... 11

3. Tudományos előzmények ... 13

3.1. Az alternatív gáznemű tüzelőanyagok energetikai hasznosítási lehetőségei ... 13

3.2. A bio- és pirolízisgázok motoros hasznosítási lehetőségei ... 14

3.2.1. Az alternatív gáznemű tüzelőanyag eltérő összetételének hatása motor üzemére ... 15

3.2.2. Biogázok motoros hasznosítása terén elért eredmények ... 15

3.2.3. Pirolízisgázok motoros hasznosítása terén elért eredmények ... 17

3.2.4. Következtetések ... 19

4. Elméleti vizsgálatok ... 21

4.1. Biogázokkal végzett elméleti vizsgálatok... 26

4.2. Pirolízisgázokkal végzett elméleti vizsgálatok ... 33

4.2.1. A tüzeléstechnikai tulajdonságok elméleti vizsgálata ... 33

4.2.2. Paramétervizsgálat ... 40

4.3. A számítási eredmények gyakorlati ellenőrzése ... 44

5. Motoros kísérletek alternatív gáznemű tüzelőanyagokkal ... 47

5.1. Biogázok gázmotoros mérési eredményei... 49

5.2. Pirolízisgáz földgáz keverékek gázmotoros mérési eredményei ... 61

6. Módszer a kutatási eredmények gyakorlati felhasználására ... 72

7. Kutatási tevékenység eredményének összefoglalása ... 77

7.1. Kitekintés ... 78

8. Tézisek ... 80

Saját publikációk jegyzéke ... 83

Irodalmi hivatkozások jegyzéke ... 87

Mellékletek ... 92

Jelölések jegyzéke

1. Mennyiségek, latin betűk

jelölés mértékegység jelentés

ARH V/V% alsó robbanási határ

√b - összegzési tényező

m³/s tüzelőanyag fogyasztás

b^e m³/kWh fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás

c J/(kg·K) fajhő

CO^2,max m3 CO2/m3fg füstgáz maximális CO² koncentrációja

E mg/kWh fajlagos szennyezőanyag-kibocsátás

FRH V/V% felső robbanási határ

H^s MJ/m³ fűtőérték

Hⁱ MJ/m³ égéshő

l m hajtórúdhossz

L0 m3levegő/m3tüza elméleti levegő szükséglet

MN %CH⁴ metánszám

n - relatív sűrűség

m kg tömeg

kg/s tömegáram

OHK V/V% oxigén-határkoncentráció

W effektív teljesítmény

p Pa nyomás

W hőáram

, J hatásosan közölt hő

R J/(kg·K) specifikus gázállandó

- korrelációs együttható

- determinációs együttható

s m lökethossz

T K hőmérséklet

T^ad K adiabatikus lánghőmérséklet

u cm/s lamináris lángterjedési sebesség

- normalizált lamináris lángterjedési sebességek átlaga

̅ cm/s átlagos kiáramlási sebesség

V m³ térfogat

V/V% oxidáló közeg oxigén tartalma

, m3keverék/m3tüza elméleti tüzelőanyag – levegő keverék térfogat

V^0,n m^3n.fg/m^3tüza elméleti fajlagos száraz füstgáz mennyiség

V^0,sz m^3n.fg/m^3tüza elméleti fajlagos nedves füstgáz mennyiség

m³ tüzelőanyag mennyisége

Wo MJ/m³ Wobbe-szám

x n/n móltört

̅ cm/s lángterjedési sebességek átlaga

Z - kompressziós tényező

2. Mennyiségek, görög betűk

jelölés mértékegység jelentés

α ° félkúpszög

- földgáz – megújuló gáz elméleti tüzelőanyag – levegő keve- rék térfogat arány

, V/V% füstgáz elméleti szén-dioxid tartalma , V/V% füstgáz elméleti nitrogén tartalma !, V/V% füstgáz elméleti nedvesség tartalma

, V/V% füstgáz elméleti oxigén

Φ_" m3O2/m3komponens elméleti oxigén igény

# - földgáz – megújuló gáz fűtőérték arány

$ - hatásfok

ϕ ° főtengelyfok

% - adiabatikus kitevő

λ - légfelesleg tényező

ρ kg/m³ sűrűség

ξ - bináris változó értéke: A, F

&' cm/s j-ik tüzelőanyag lángterjedési sebességeinek szórása

φ ft° főtengelyfok

3. Indexek

h hasznos

j futóindex k futóindex n normalizált

4. Rövidítések

AVL Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List BioHPR Biomass Heatpipe Reformer

CCGT Combined Cycle Gas Turbine (kombinált ciklusú gázturbinás erőmű) CR Compression Ratio (kompresszióviszony)

CFB Circulating Fluidized Bed (cirkulációs fluidágy) FSI Fuel Stratified Injection (közvetlen befecskendezés) LPG Liquide Propane Gas (folyékony propán gáz)

SPI Single Point Injection (központi befecskendezés) MPI Multi Point Injection (hengerenkénti befecskendezés)

NM nem metán

sz.a. szárazanyag

1. Bevezetés

A XX. század végére egyértelművé vált, hogy a növekvő népesség emelkedő élet- színvonalát biztosító egyre növekvő energiaigények kielégítésére a fosszilis tüzelő- anyagok önmagukban hosszú távon nem jelenthetnek megoldást, hiszen a jelenlegi a kutatási eredmények szerint a készletek globális szinten, típustól függően mindössze 50-200 évre elegendők [1], [2], [3].

A növekvő energiaigények kielégítése mellett kiemelt szempont lett a környezet- védelem [4]. Egyre fontosabbá vált a fosszilis tüzelőanyagok elégetése során keletke- ző szennyezőanyagok, köztük elsősorban a klímaváltozásban főszereplőnek gondolt szén-dioxid miatt ezek más energiahordozókkal való helyettesítése [5], [6].

Az Európai Únió éghajlat- és energiapolitikájában 2020-ra számottevő előrelépést kíván elérni a következő célkitűzések megvalósítása révén [7], [8]:

− az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának legalább 20%-kal történő csökkentése az 1990-es szinthez képest (ha a többi fejlett ország is köte- lezettséget vállal arra, hogy saját kibocsátását hasonló mértékben mér- sékli, a kibocsátás csökkenés mértéke a 30%-ot is elérheti),

− a megújuló energiaforrások (szél- és napenergia, biomassza stb.) ará- nyának a jelenlegi hozzávetőleg 8,5%-ról 20%-ra történő növelése a tel- jes energiatermelésben,

− az energiafogyasztás 20%-kal történő csökkentése a 2020-ra prognoszti- zált szinthez képest az energiahatékonyság javítása révén.

Fentieknek megfelelően az Európai Únió megújuló energiapolitikájának alapja a környezetvédelem. Cél a CO2 és egyéb szennyező anyagok kibocsátásának csökken- tése az ellátásbiztonság növelése mellett, olyan megújulókon alapuló helyi és regio- nális fejlesztésekkel, melyekkel a vidék gazdasági és szociális fejlődése elősegíthető [9].

1.1. Célkitűzés

Értekezésemben a gáznemű fosszilis tüzelőanyagok helyettesítésére alkalmasnak ígérkező szén-dioxid semlegesnek minősülő és megújulónak számító alternatív gáz- nemű tüzelőanyagok (bio- és pirolízisgázok ) energetikai hasznosíthatóságát vizsgá- lom elméleti és gyakorlati módszerekkel. Az értekezésem célja a bio- és pirolízisgázok gázmotoros energetikai célú felhasználási lehetőségeinek és korlátai- nak feltárása, amennyiben a gázokat inert tartalmuk leválasztása, illetve az összeté- telük megváltoztatása nélkül kívánjuk hasznosítani, lehetőségek szerint legfeljebb minimális motorkonstrukciós vagy üzemi módosítások mellett.

Az értekezés nem tér ki az alternatív gáznemű tüzelőanyagok előállításával kap- csolatos kérdésekre. Az elgázosítás lehetséges alapanyagainak feltárása, új előállítási technológiák kidolgozása, a gázkihozatal növelése, a gázminőség javítása illetve a lokális és globális bio- és pirolízisgáz potenciál meghatározása nem képzi a kutatá-

som tárgyát. Értekezésemben rövid áttekintést nyújtok a fellelhető bio- és pirolízisgáz típusokról, azok összetételéről és a lehetséges előállítási módszerekről.

Az értekezés továbbá nem foglalkozik a bio- és pirolízisgázok energetikai hasznosí- tásának gazdasági és társadalmi kéréseivel sem. Az alternatív gázok előállításával, elosztásával, szállításával, felhasználásával kapcsolatos költség-haszonelemzés; illet- ve a gazdasági és társadalmi hatékonyság megállapítása sem képezi a kutatásom tár- gyát.

1.2. Értekezésemben érintett kutatási terület bemutatása

A bio- és pirolízisgázok energetikai hasznosíthatóságának vizsgálatához meg kell határozni ezen gázok tüzeléstechnikai tulajdonságait, amit az összetételük jelentősen befolyásol. Az összetétel elsősorban az elállítási technológiától függ, ezért értekezé- sem második fejezetében röviden ismertetem a különböző energetikai hasznosításra alkalmasnak ígérkező bio- és pirolízisgázok típusait és előállítási technológiáit, illet- ve bemutatom az általam kiválasztott és vizsgált bio- és pirolízisgáz keverékeket.

A harmadik fejezetben rövid áttekintést nyújtok a bio- és pirolízisgázok energeti- kai hasznosítási lehetőségeiről. A különböző hasznosítási lehetőségek közül a gáz- motoros hasznosítás lehetőségeinek feltárása vizsgálatom tárgya, ezért kizárólag e terület szakirodalomban fellelhető motoros kísérleteinek eredményeit elemzem.

A soron következő fejezetekben bemutatom a vizsgált gáznemű tüzelőanyagokkal végzett saját számítási és mérési eredményeimet.

A negyedik fejezetben elméleti vizsgálataim eredményeit ismertetem. Számítá- sokkal meghatároztam, hogy a különböző bio- és pirolízisgázok alapvető tüzelés- technikai tulajdonságai a földgázéhoz képest hogyan alakulnak. Elvégeztem a gyul- ladási határok, gyulladáshoz szükséges minimális oxigénszükséglet, metánszám, fűtőérték, égéshő, Wobbe-szám, relatív sűrűség meghatározását. Továbbá megvizs- gáltam, hogy a gázösszetétel, illetve a tüzelési viszonyok változása milyen hatással van a fenti paraméterekre. Elvégeztem az adiabatikus lánghőmérséklet és lamináris lángterjedési sebesség számítását a CHEMKIN reakciókinetikai szoftver és az alapve- tően metán égését leíró GRI 3.0 mechanizmus segítségével. Ismertetem továbbá a bio- és pirolízisgázok mért és számított lamináris lángterjedési sebességek összehasonlí- tásának eredményeit. A lamináris lángterjedési sebesség méréseket a tanszéken le- gyártott kisméretű kísérleti égőn végeztem.

Az ötödik fejezetben a bio- és pirolízisgázok gázmotoron végzett mérési eredmé- nyeit ismertetem. A méréseket a BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszékének Jendrassik György Hőtechnikai Laboratóriumában rendelkezésre álló kapcsolt hő és villamos energia előállítására is alkalmas WISCON TOTAL TM27 típusú gázmotoron végeztem. Megvizsgáltam, hogy biogázzal, illetve pirolízisgázzal üzemeltetett motor üzemi paraméterei hogyan alakulnak a hagyományos földgáz üzemhez képest.

Meghatároztam a motor teljesítményét, hatásfokát, fogyasztását és károsanyag kibo- csátását, illetve a hengerben kialakuló nyomást és a hőközlés függvényt.

A hatodik fejezetben bemutatom az általam készített algoritmust, amellyel a szá- mításaimat és a gázmotoros mérési eredményeimet felhasználva meghatározhatók a különböző bio- és pirolízisgázok motoros hasznosíthatóságának lehetőségei, korlátai.

A hetedik fejezetben összefoglalom a kutatási tevékenységem eredményeit, és rö- vid kitekintést adok a további kapcsolódó kutatási lehetőségekről, végül a nyolcadik fejezetben ismertetem az új tudományos eredményeimet.

2. Bio- és pirolízisgázok bemutatása

A bio- és pirolízisgázok előállításának és hasznosításának környezetvédelmi és energetikai vonzata jelentős. Megújuló energiaforrásoknak tekintjük ezeket, ameny- nyiben alapanyaguk rövidtávon regenerálódó biomassza vagy szerves hulladék.

A fenntartható gazdaságot szolgálják, szemben az évmilliók alatt kialakuló, de vi- szonylag rövid idő alatt kimeríthető fosszilis energiaforrásokkal [10]. Elsődleges elő- nyük, hogy előállításuk és energetikai hasznosításuk révén a szerves hulladékok ár- talmatlanítása és egyben a hulladéklerakók tehermentesítse is megtörténhet. Hulla- dékból nyerhetünk energiát, így az üvegházhatást okozó CO² kibocsátás mérsékelhe- tő, mivel csökken a fosszilis energiahordozók felhasználása [11].

További előnyt jelent, hogy kapcsolt hő- és villamosenergia-termelő rendszerek- ben felhasználva lehetőséget teremtenek a decentralizált energiatermelésre. Így nő a villamosenergia-betáplálás biztonsága, javul az ellátásbiztonság; illetve csökkennek a villamos hálózati veszteségek, ami további tüzelőanyag megtakarítást jelent [12].

A szerves hulladékok hasznosítására mutat gyakorlati példát a 2.1. ábra.

A hasznosítás súlypontja az integrált hulladékgazdálkodás, melynek előnye a lokális és globális környezetvédelem, a decentralizált külső hatásoktól független energia- termelés, a vidéki területek népességmegtartó képessége, valamint ökológiai és öko- nómiai szempontból is optimális megoldás [13].

2.1. ábra: Biohulladékok hasznosításának gyakorlati körfolyamata [13]

A bio- és pirolízisgázok tüzeléstechnikai vizsgálatának célja a gázok energetikai felhasználhatóságának alátámasztása és megkönnyítése. A gázok tüzeléstechnikai tulajdonságai elsősorban az összetételüktől függenek, amit az előállítási technológiá- juk jelentősen befolyásol. Célszerű tehát bemutatni, hogy a bio- és pirolízisgázok hogyan és milyen körülmények között keletkeznek, melyek az alapvető előállítási technológiák, a gázok milyen összetétellel rendelkeznek, illetve milyen hasznosítási lehetőségek léteznek.

2.1. Előállítás, lelőhely

Biomasszából több módszerrel lehet gázt kinyerni. A bio- és pirolízisgázok előállí- tási technológiája alapvetően különbözik. A biogázok biológia úton – tehát mikroor- ganizmusok közreműködésével – keletkeznek ezzel szemben pirolízisgázok termikus úton állíthatók elő.

Fermentációval biogáz állítható elő és komposzt marad vissza. A biomassza száraz lepárlásával, vagyis hagyományos pirolízissel pirolízisgáz állítható elő és faszén (koksz), illetve folyékony fázis marad vissza. A biomassza elgázosításával nyerhető a legjobb hatásfokkal termikus úton pirolízisgáz, ahol a visszamaradó termékek kát- rány és hamu [14].

2.1.1. Biogázok

Biogáz szerves anyagok anaerob körülmények közötti bomlásakor, illetve a bio- massza zárt térben történő fermentációja (erjesztés, rothasztás) során mikroorganiz- musok közreműködésével keletkező gáz. Biogáz minden olyan szerves anyag tartal- mú hulladékból nyerhető, amely biológiailag bontható anyagot tartalmaz, pl. trágya, fekália, élelmiszer-ipari melléktermékek és hulladékok, zöld növényi részek, háztar- tási hulladékok és kommunális szennyvizek. A keletkezésük mennyiségénél fogva jelenleg három fajta hulladék alkalmas biogáz termelésre: kommunális hulladék, me- zőgazdasági hulladék, állati trágya és szennyvíziszap. A két utóbbiból igen jó minő- ségű, magas CH⁴ tartalmú biogázt lehet kinyerni [15], [16].

A szerves anyagok anaerob lebontása komplex folyamat, ahol négy összefüggő részfolyamatot tudunk elkülöníteni.

A folyamat első részében, ahol főleg fakultatív baktériumok vesznek részt, a bio- massza legnagyobb részét kitevő fehérjék, szénhidrátok és zsírok enzimatikus úton, hidrolízis során aminosavakra, zsírsavakra, glicerinre és monoszacharidokra hasí- tódnak.

A második fázis az acidogenezis (savképződés), ahol főleg anaerob baktériumok dominálnak. Az acidogenezisben az előző fázis termékeiből főleg alkoholok és savak képződnek. Ebben a folyamatban elsősorban savképző baktériumok (esherichia, pseudomonas, clostridium, bacillus) vesznek részt, ezért a folyamat pH csökkenéssel jár együtt.

A harmadik részfolyamatban a magasabb rendű zsírsavakból oxidáció révén ecet- sav, szén-dioxid és hidrogén keletkezik.

A befejező részfolyamat a ß-oxidáció, amikor a metanogén baktériumok metánt és szén-dioxidot állítanak elő [17].

A folyamatban keletkező gáz általában 50-70% metánt és 50-30% szén-dioxidot tartalmaz, melynek fűtőértéke 20-30 MJ/m³ (2.1. táblázat). A hulladék anyagtól és a folyamat körülményeitől függően a biogáz tartalmazhat még 0,6-3% nitrogén, 1-6%

hidrogén, 0,1% szén-monoxid és 0,2% kén-hidrogén gázokat is [15], [18].

alapanyag metántartalom [%] szén-dioxid tartalom [%] fűtőérték [MJ/m³]

települési hulladék ~50 ~50 ~18,5

állati trágya ~65 ~35 ~24,0

szennyvíziszap ~70 ~30 ~26,0

2.1. táblázat: Különböző eredetű, kezeletlen biogáz összetétele és fűtőértéke [19]

A lebontástól függően általában a szerves alapanyag 1 kilogrammjából hozzávető- legesen 0,5 m³ biogáz képződik. A biogáz képződés szempontjából a leghatékonyab- bak a zsírok, majd a fehérjék és a szénhidrátok [17]. 1 kg zsírból, fehérjéből és szén- hidrátból képződő gáz mennyisége és CH4:CO2 aránya eltérő (2.2. táblázat: ). Minden kiindulási alapanyag esetén visszamaradnak nem gázosodott részek, ez az úgyneve- zett fenéktemék [20].

alapanyag gázkihozatal m³ gáz/kg sz.a.

CH4

[mól/mól sz.a.]

CO2

[mól/mól sz.a.] CH4:CO2

zsírok 1,43 25 12 2:1

szénhidrátok 0,83 9 9 1:1

fehérjék 0,72 6 2 3:1

2.2. táblázat: Különböző kiindulási szerves anyagokból keletkező biogáz elméleti mennyisége és összetétele [20], [21]

Az anaerob fermentációval előállított megfelelő mennyiségű és minőségű biogáz képződésének számos feltétele van, a legfontosabbak ezek közül:

a) az állandó és kiegyenlített hőmérséklet, megfelelő keveredés, kellően aprított szervesanyag,

b) a már említett acidogén és metanogén baktériumok különböző és egymással szimbiózisban tevékenykedő törzseinek jelenléte,

c) magas víztartalom (70-75%), közel semleges pH (6,5-7,5) és megfelelő tápanyag- tartalom a metanogén baktériumok számára, melyben a C:N aránya 25:1.

Mindezek mellett figyelembe kell venni az anaerob lebontás szempontjából gátló és/vagy toxikus anyagokat is. A biogáz keletkezése elméletileg +4 és +98 ^oC között lehetséges. Minden hőmérsékleti tartományban a metanogén baktériumoknak más- más törzse tevékenykedik. Technológiai megvalósítás szerint három hőmérséklettar- tomány különböztethető meg: a pszichofil zóna, azaz környezeti hőmérsékleten való biogáztermelés; mezophil zóna, azaz +28 és +36 ^oC között történő biogáztermelés; és a termophil zóna, azaz +48 és +53 ^oC hőmérsékleten történő biogáztermelés [22].

A biogáz gyártáshoz alkalmazható technológiát meghatározó tényezők: a feldol- gozandó szerves anyag szárazanyag tartalma, a hulladékok egyéb fizikai-kémiai tu- lajdonságai, és keletkezési ütemük [19]. A berendezés technikai színvonalától függő- en a szerves anyagok lebontásának időtartama 2 órától (biogázreaktor) 25 évig (hul- ladéklerakó) is terjedhet. A gyakorlatban alkalmazott biogáz-technológiák a fentiek- nek megfelelően sokfélék lehetnek, a legmegfelelőbben alkalmazható eljárást mindig a helyi körülmények, lehetőségek és adottságok összessége határozza meg.

A biogázok előállítása leggyakrabban biogáz reaktorokban (fermentor) történik.

A fermentoros biogáz előállító technológia az alapanyag konzisztenciájától függően nedves, illetve félszáraz eljárásokra osztható. A nedves biogáz gyártás alapanyaga általában hígtrágya vagy élelmiszer-ipari szervesanyag-tartalmú folyadék, melyek- nek szárazanyag-tartalma 2-8%, amiben a szervesanyag-tartalom 40-60% közötti.

A félszáraz eljárás a felhasznált alapanyag összetételében tér el a nedves eljárástól.

A biogáz reaktorba (fermentor) előre tervezett variáns alapján összeállított anyagot juttatnak, melynek konzisztenciáját különböző mezőgazdasági melléktermékekkel, leggyakrabban szalmával állítják be [22]. Az alkalmazott „variánstól” függően a ke- letkező gáz mennyisége és minősége igen eltérő lehet, ezért számos kutatás folyik a legjobb variánsok kidolgozására, melyekkel a legtöbb és egyben a legmagasabb me- tán tartalmú biogáz nyerhető ki [23], [24], [25].

A biogáz termelés másik sajátos területe a kommunális hulladéklerakó helyeken spontán keletkező biogáz (depóniagáz) összegyűjtése. A depóniagáz kinyerésére ak- kor van lehetőség, ha a lerakás prizmás rendszerben történt. A gázelvezetés a lerakó biztonságos üzemeltetése szempontjából is elengedhetetlen feladat. Korábban a ke- letkezett gázt ártalmatlanítás céljából „elfáklyázták”, azonban megfelelően össze- gyűjtve energetikai hasznosításra is alkalmas [26].

A hulladéklerakó megfúrása, majd becsövezése után az összekötött csővezetéke- ken keresztül a biogáz elvezethető. Az újabb hulladéklerakókat – „bioreaktorként”

üzemeltetve – már a telepítésnél gázgyűjtő rendszerrel látják el, illetve biztosítják a megfelelő nedvesség és levegőellátást, aminek köszönhetően a gázkihozatal mennyi- sége nő és minősége is javul [27]. Ezek az aktív depressziós gázgyűjtő rendszerek a keletkezett gázt tulajdonképpen kiszivattyúzzák a lerakott hulladékból. Az ilyen rendszerrel ellenőrizhető a keletkezett gáz szivárgása. Az összegyűjtött depóniagáz- zal már energiatermelő berendezés, pl. gázmotor üzemeltethető [28].

A szervesanyag-tartalmú kommunális hulladék depóniákból hozzávetőlegesen 10 évig lehet gazdaságosan depóniagázt kitermelni. Prizmás hulladéklerakás esetén 40% szervesanyag-tartalmú kommunális hulladék tonnájából elméletileg 280 m³ gáz nyerhető ki, aminek ~60%-a hasznosítható. A keletkező gáz közel 50% metán és ugyanennyi szén-dioxid tartalmú.

A keletkező metán mennyisége a kommunális hulladék összetételétől függ [15].

A lerakásról szóló EU irányelv szerint az 1995-ben képződött települési szerves hul- ladéknak 2006-ban csak 75%-át, 2009-ben legfeljebb 50%-át, 2016-ban pedig csak 35%- át lehet lerakni [29]. A fentiek miatt a lerakókon a gázkihozatal a jövőben csökkenni fog, ezért várhatóan hosszútávon a lerakók jelentősége a biogáz előállítás terén egyre kisebb lesz.

2.1.2. Pirolízisgázok

A pirolízisgázok előállítása eltér a biogázokétól, nem fermentációval, vagyis mik- robiológiai úton, hanem hőbontással, tehát termikus úton állíthatók elő.

A pirolízisgázok alapanyaga lehet biomassza, települési szilárd hulladék [30], egyéb hulladékok, és szennyvíziszap. Előállítási technológiától függően az alapanyag (első- sorban a települési szilárd hulladék és a szennyvíziszap) megfelelő előkészítése elen- gedhetetlen a hőbontáshoz. A magas nedvességtartalmat célszerű lecsökkenteni, il- letve a fém és ásványi anyagokat el kell távolítani. Létezik azonban olyan technológia is, amely minimális előkészítést igényel, ennek megfelelően nem szükséges a fém és ásványi anyagok eltávolítása sem [31].

Az eltérő előállítási technológia következtében a pirolízisgázok összetétele külön- bözik a biogázokétól. A biogázok főleg metánból és széndioxidból állnak, a pirolízisgázokban inert gázként a CO2 mellett számottevő mennyiségű N2 is jelen lehet, illetve a CH4 mellett nem elhanyagolható a H2 és CO, mint éghető komponen- sek jelenléte sem.

A pirolízisgázok előállítási folyamata endoterm, tehát a termikus bontáshoz hőt kell bevinni a reaktorba. A pirolízisgázok termikus bontása száraz lepárlással (ha- gyományos pirolízissel) vagy elgázosítással valósítható meg. Az elgázosítás történhet indirekt úton külső hőforrással, ahol a hőt a fal adja át az elgázosítandó közegnek vagy felhevített szilárd inert anyagot vezetnek be a reaktorba, és ismert az un.

„hőcsöves” megoldás. A szükséges energiaközlés történhet direkt úton belső hőfor- rással, ahol az elgázosítandó közeg egy részének oxidációja szolgáltatja a hőt a fo- lyamathoz. Az oxidálószer lehet levegő vagy oxigén, amit az elgázosítandó közeghez

„kell keverni”. Az elgázosításhoz szükséges gázosító reagens adagolása, ami vízgőz vagy CO² lehet [32]. Amennyiben az elgázosítandó közeg érintkezik levegővel (oxi- génnel) aerob elgázosításról, ha az elgázosítás levegőtől elzárt körülmények között játszódik le anaerob elgázosításról beszélünk.

A száraz lepárlás során az elgázosítandó közeget legalább 500 °C-ra kell hevíteni.

A keletkező termékek arányát a száraz lepárlás időbeni lefolyásának sebessége hatá- rozza meg. A 2.2. ábra a koksz, a folyadék és a gázhozam arányát mutatja a reakció- idő és a hőmérséklet függvényében.

Jól látható, hogy a legnagyobb gázhozam kis reakcióidő és magas hőmérséklet mellett érhető el. A reakcióidő csökkentése (ami a pirolizálandó biomassza szemcse- méretének csökkentésével érhető el) kis hőmérsékleteknél nem célszerű, mivel ott ez a folyadék frakciónak kedvez. A gáz frakció főbb komponensei és átlagos arányuk az alábbiak: 9 V/V% CH4, 3 V/V% C2H4, 47 V/V% CO, 38 V/V% CO2, 3 V/V% H2. A szá- raz lepárlás hátránya, hogy alacsonyabb hőmérsékleten magas gázkihozatal mellett is jelentős lehet a visszamaradó koksz aránya [33].

2.2. ábra: A gáz-, a pirolízis folyadék és a koksz hozam alakulása a reakcióidő és a hőmérséklet függvényében [33]

Az elgázosítás szerves anyagok hővel való lebontása éghető gázokká oxigén rész- beni jelenléte mellett. Az 1990-es Környezetvédelmi Törvény hatályba lépése előtt a

„levegőben szegény” kórházi hulladékégető egységek működtek ezen az elven.

Az elgázosítás során a részleges oxidáció kevés oxidálóanyag (oxigén, levegő) jelen- létében jön létre [34]. A pirolízisgázok keletkezésének részfolyamatai megegyeznek a száraz lepárláséval, kiegészülve a gázosító reagens bevezetésével, aminek segítségé- vel a visszamaradt folyékony és szilárd fázisok is gáz komponensekké bonthatók (2.3. ábra).

2.3. ábra: A pirolízis és a gázosítás részfolyamatai [32]

Az elgázosításhoz nem csak a gázosító reagens jelenléte elengedhetetlen, hanem a pirolizációs hőmérsékletnél magasabb, legalább 700-900°C-os hőmérséklet szükséges.

Az elgázosítás során nyert pirolízisgáz főbb komponensei a következők: CH4, C2H4, CO, CO2, H2 és H2O. Az elgázosítás jóval hatékonyabb a száraz lepárlásnál, mivel a folyamat végén a visszamaradó hamu a kiindulási száraz faanyagnak mindössze 0,5 m/m%-a.

A pirolízisgáz összetétele az elgázosítási technológiától függ. Külső hőforrás al- kalmazása esetén a gázelegybe inert anyag nem kerülhet, mivel a hőközlés falon át történik, ami egyben a teljesítőképesség korlátját is jelenti. A gázosító reagens mellé

gáznemű folyadék koksz

idő [s]

hőmérséklet [°C]

1000

500

0,01 1 100 10000

gáznemű folyadék koksz

idő [s]

hőmérséklet [°C]

1000

500

0,01 1 100 10000

levegő adagolásával növelhető a teljesítmény, de így inert anyag is kerül a gázelegy- be, ami rontja a keletkezett gáz minőségét [32].

Külső hőforrás alkalmazásakor a hőközlés történhet felhevített inert szilárd anyag bekeverésével is. A gyakorlatban egyszerűsége miatt a cirkulációs fluidágyat (CFB) használják [35], melyben inert töltetként kvarchomokot alkalmaznak [36]. Egy CFB- ből távozó nyers gáz hidrogénből (30-40 V/V%), szén-monoxidból (15-20 V/V%), szén-dioxidból, kevés szénhidrogénből és az oxidáció körülményeitől függő mennyi- ségű nitrogénből áll. A felsoroltakon kívül jelentős mennyiségű kátrány (5-75 g/m³) is van a keletkezett gázban, melynek eltávolításáról gondoskodni kell [37]. A forró pirolízisgáz tisztítására szekunder reaktorban kerül sor általában kalcinált dolomit és reformált, nikkelalapú katalizátorok segítségével. A nikkelalapú katalizátorokkal a 700–800 °C-os termékgázból a kátrány 98%-át el lehet bontani CH⁴, CO és H² gázok- ká [38].

Viszonylag új technológia a külső hőforrással történő elgázosításra a Biomass Heatpipe Reformer (BioHPR) gázosító, amit a Müncheni Műszaki Egyetemen 6 kon- zorciumi taggal többek között a BME - Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék közreműködésével fejlesztettek ki [39], [40]. Ennél a berendezésnél, a hőt az elgázosí- tandó közeg közé bevezetett forró folyékony alkáli fémmel töltött „hőcsövek” szol- gáltatják., biztosítva az elgázosításhoz szükséges 800 °C-ot, így a kátrány mennyisége jeltősen csökken [41].

A Nyugat-Magyarországi Egyetemen (NYME) végzett kísérletek szerint belső hő- forrás alkalmazása esetén nagyobb teljesítmény érhető el, ekkor az elgázosítandó kö- zeg egy része oxidálódik, vagyis hőtermelési célra hasznosul. Az oxidálószer ideális esetben tiszta oxigén, ekkor nem kerül inert anyag (nitrogén) a termék gázba. A leve- gővel történő elgázosításnál jelentős, közel 60 V/V% összes inert tartalma is lehet a keletkezett gáznak. A nyersgázban a nitrogén mellett CO² is mindig jelen van [32].

A 2.3. táblázat tartalmazza a külső és a belső hőforrással történő elgázosítással előál- lított vízmentes gázösszetételeket.

komponens külső hőforrás belső hőforrás, NYME [32]

BioHPR [39], [40] NYME [32] levegő oxigén (becsült összetétel)

CH⁴,V/V% 8-9 13-15 2 3

H²,V/V% 40-50 40-45 24 41

CO, V/V% 15-20 15-20 16 28

CO²,V/V% 20-25 25-30 16 28

N²,V/V% 1-2 0 42 0

2.3. táblázat: Külső és belső hőforrásos elgázosítás vízmentes gázösszetételei

2.2. Vizsgált bio- és pirolízisgázok

A kutatásom során a bio- és pirolízisgáz keverékeket a számítások és a mérések során egyaránt ideális, nedvességmentes, „tiszta” – tehát kátrány és hamumentes – kísérleti gázkeverékekkel modelleztem, mivel az elgázosítás, a gáztisztítás, illetve az elgázosítási folyékony és szilárd melléktermékek hatásának vizsgálata nem képezték a kutatásom tárgyát.

A lángterjedési sebesség méréseihez a kísérleti gázkeverékeket a Linde Gáz Ma- gyarország Zrt. – Különleges gázok osztályától 40 literes gázpalackban, illetve moto- ros mérésekhez bündelben szereztem be.

A biogázokat CH⁴ és CO² elegyekkel modelleztem 10 V/V%-tól ~80 V/V%-ig ter- jedő szén-dioxid tartalmakkal. Az összehasonlító számításokat és a lángterjedési se- besség méréseket egy tipikusnak mondható 40 V/V% szén-dioxid tartalmú biogáz keverékkel végeztem (2.4. táblázat: ), amiből a mérésekhez egy 40 literes gázpalack került beszerzésre. A gázmotoros mérésekhez szükséges biogáz keveréket CO² és földgáz keverékéből állítottam elő, mivel a mérések során a földgáz CH4 tartalma 98% feletti volt, így nem volt szükséges külön CH4 gázpalack.

A pirolízisgázokat három különböző kísérleti keverékkel modelleztem. Vizsgál- tam egy tipikusan külső hőforrással és két belső hőforrással előállított keveréket.

A külső hőforrással előállított gázkeverék megválasztásánál a Müncheni Műszaki Egyetemmel együttműködésben fejlesztett BioHPR kísérleti üzeme során a BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék által mért gázösszetételek szolgáltatták az alapot. A mérések átlagát véve a 2.3. táblázat: ban látható külső hőforrással történő elgázosításra vonatkozó vízmentes gázösszetételt határoztam meg. A BioHPR külső hőforrásos, alapvetően levegőmentes technológia, ezért a meghatározott gázkeveré- ket „anaerob pirolízisgáznak” neveztem el.

A belső hőforrással történő elgázosítás gázösszetételeinek meghatározásánál az alapot [42]-ben definiált „szintézisgáz” és „producergáz” összetételek szolgáltatták.

A „szintézisgáz” a tiszta oxigénnel történő elgázosítás, illetve „producergáz” a leve- gővel történő elgázosítás során keletkező gáz. Ezeket az elnevezéseket megtartva az értekezésemben két belső hőforrással történő elgázosításra vonatkozó gázösszetételt határoztam meg.

Kutatásom során vizsgáltam több növekvő szén-dioxid tartalmú biogáz keveréket, illetve egy–egy „anaerob pirolízisgáz”, „producergáz” és „szintézisgáz” keveréket, melyek összetétele a 2.4. táblázatban látható.

pirolízisgázok

külső hőforrás belső hőforrás

levegő oxigén

komponens tipikus bio-

gáz anaerob pirolízisgáz producergáz szintézisgáz

CH⁴,V/V% 60 8 5 3

H²,V/V% 0 38 20 40

CO, V/V% 0 20 20 40

CO²,V/V% 40 20 5 17

N²,V/V% 0 14 50 0

2.4. táblázat: Vizsgált bio- és pirolízisgáz összetételek

3. Tudományos előzmények

3.1. Az alternatív gáznemű tüzelőanyagok energetikai hasznosítási lehetőségei A bio- és pirolízisgázok energetikai hasznosításának lehetőségei megegyeznek a hagyományos gáznemű tüzelőanyagok, pl.: a földgáz vagy a PB-gáz hasznosítási lehetőségeivel. A felhasználás egyik korlátja az, hogy a választott technológia alkal- mazkodni tudjon a biogáz, illetve pirolízisgáz tüzeléstechnikai tulajdonságaihoz, és a gáztermelés ritmusához. Az energetikai hasznosítás másik korlátja az, hogy azt a le- hetőséget célszerű választani, amely nem igényel a biogáz illetve pirolízisgáz előállí- tással szemben bonyolult és költséges minőségi átalakítást.

Ennek megfelelően kisebb biogáz termelő telepeken a bio- és pirolízisgáz felhasz- nálás elsődleges területei lehetnek:

− fűtés (lakóépület, növényház, üvegház, fóliasátor),

− sütés-főzés,

− melegvíz-előállítás a háztartásban és mezőgazdasági tevékenységeknél,

− hűtés (trigeneráció),

− stabil munkagépek közvetlen hajtása,

− biogázból hő- és villamosenergia-termelés,

− ipari munkagépek hajtása,

− vagy mezőgazdasági gépek és gépkocsik üzemeltetése.

Kisebb településeken, ill. település részeken a felhasználás lehetősége ugyanaz, mint a kisebb biogáz termelő telepeken, de itt a felhasználók közötti vezetékhálózat megépítésével további alkalmazások és fogyasztási területek adódhatnak.

Nagy biogáz termelő telepeken a felhasználás lehetőségei:

− közvetlen eltüzelés,

− gázból villamosenergia-termelés,

− esetleges gáztisztítás és mosás után a földgázhálózatba való betáplálás (biometán előllítás),

− vagy akár folyékony motorhajtó üzemanyag (pl.: metanol) előállítá- sa [22].

A bio- és pirolízisgázt a közcélú gázrendszerbe közvetlenül betáplálni az eltérő gázösszetétel és egyéb műszaki okok miatt nem lehetséges, a betáplálás előfeltétele a gáztisztítás [43], ami költséges, így célszerű a bio- és pirolízisgázt valamilyen más formában felhasználni. A legegyszerűbb megoldás az, ha a gázt hő (melegvíz, gőz) előállításra használjuk, ami bejuttatható a közcélú hőszolgáltató rendszerbe.

A keletkezett gázok kazánban való elégetése szolgáltatja a melegvíz, illetve gőz előál- lításához szükséges hőt [44].

A hőtermelés megfelelő megoldás, de ennél kedvezőbb is létezik. Az egyik legtöb- bet fogyasztott és legértékesebb energiafajta a villamos energia. Törekedni kell arra,

hogy a biogázokból illetve pirolízisgázokból villamos energiát állítsunk elő. A gázok kémiailag kötött energiája mechanikai munkává alakítható, amit generátorok hajtásá- ra fordítva villamos energia állítható elő. A villamos energia nem csak értékesebb a hőnél, hanem jobban és könnyebben hálózatra táplálható. Hátrányként jelentkezik a villamosenergia-termelés technológia függő hatásfoka [44].

A leghatékonyabb felhasználás kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés, mely so- rán a gázból valamilyen hőerőgéppel villamos energiát termelünk és a hulladékhőt hőtermelésre fordítjuk. Amennyiben például egy gázmotort kapcsolt hő- és villamos energiatermelő rendszerben kogenerációban, vagy esetleg hűtési célokat is kielégítve trigenerációban üzemeltetünk, a veszteségek jelentős mértékben csökkenthetők. Ösz- szehasonlítva a hagyományos és a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelési rendsze- reket megállapítható, hogy míg az első esetében tüzelőanyaggal a bevitt energia kö- zel 50%-a nem hasznosítható, addig a kapcsolt energiatermelés esetén a hasznosulat- lan rész már csak 10% körüli [44], [45].

A bio- és pirolízisgázok energetikai hasznosítása nem csak gázmotorban, hanem gázturbinában vagy akár tüzelőanyag-cellában is elképzelhető. A gázmotorok jelen- tik a legjobb alternatívát, mivel jól integrálhatók a decentralizált energiatermelésbe, köszönhetően annak, hogy a kistérségre jellemző kis teljesítményeken (0,1-4 MW) a gázturbináknál jobb hatásfokkal rendelkeznek [46]. További előnyük, hogy rendkívü- li rugalmassággal és szinte azonnali rendelkezésre állással képesek villamos energiát szolgáltatni [47]. A kombinált ciklusú gázturbinás (CCGT) egységeknek csak közepes (10-20 MW) teljesítményeken van realitásuk a megfelelő mennyiségű biogáz előállí- tására alkalmas nagy mennyiségű biomassza tárolási problémái miatt [48]. Mindezek mellett a gázturbinák ugyan kevéssé érzékenyek a magas inert tartalomra, de érzé- kenyebbek a magas hidrogéntartalomra [49], a szilárd szennyezőanyagokra és a kát- rány tartalomra, mint a gázmotorok [50]. A fentiek figyelembevételével étkezésem- ben a bio- és pirolizis gázok gázmotoros energetikai hasznosíthatóságával, és ennek megfelelően a továbbiakban a szakirodalomban fellelhető gázmotoros hasznosítással kapcsolatos eddigi eredményeket, gázmotoros mérési eredményeket ismertetem.

3.2. A bio- és pirolízisgázok motoros hasznosítási lehetőségei

A bio- és pirolízisgázok motoros hasznosítására több lehetséges alternatíva is el- képzelhető. A kutatás alapvetően két irányban történik: az alternatív gáznemű tüze- lőanyagok hasznosíthatóságát vizsgálják kompresszió gyújtású motorban, illetve szikragyújtású motorban. Kompresszió gyújtású motor esetén ezeket az alternatív gáznemű tüzelőanyagokat elsősorban kettős tüzelőanyagú rendszerek elsődleges tüzelőanyagként alkalmazzák, amikor a gáznemű tüzelőanyagot homogén töltetként juttatják a hengerbe és a gyújtását gázolaj befecskendezéssel valósítják meg. Emellett terjed a homogén keverékképzésű kompresszió gyújtású motorokban történő hasz- nosítás is, amikor a beszívott homogén levegő – tüzelőanyag keverék a kompresszió hatására gyullad be [51]. Szikragyújtású motorban a gáznemű tüzelőanyag és levegő

keverékképzését karburátorral valósítják meg, vagy modernebb központi (SPI), illet- ve hengerenkénti (MPI) vagy direkt (FSI) befecskendezést alkalmaznak.

3.2.1. Az alternatív gáznemű tüzelőanyag eltérő összetételének hatása motor üzemére

Az gáznemű tüzelőanyag inert (CO2, N2) taralma kedvezőtlenül hat a tüzelőanyag tüzeléstechnikai tulajdonságaira, mert a motorba bejuttatott keverék fűtőértéke csök- ken, ami teljesítménycsökkenést eredményezhet. Az inert tartalom azonban kedve- zően hat a kopogástűrésre, azaz magasabb kompresszióviszony alkalmazható. Ezzel azonos tüzelési teljesítmény mellett a fűtőérték csökkenés okozta teljesítménycsök- kenés ellensúlyozható [52].

A gáznemű tüzelőanyag H2 tartalma szintén kedvezőtlenül hat a keverék fűtőér- tékére a H2 kis sűrűsége miatt. A H2 széles gyulladási tartományának köszönhetően a motor szegényebb üzemre is képes, ami kedvező a károsanyag kibocsátás szempont- jából [53], de a H2 nagy égési sebessége visszagyulladást, rendellenes égéslefutást, akár kopogást is eredményezhet [54], [55].

3.2.2. Biogázok motoros hasznosítása terén elért eredmények

A biogázok motoros hasznosíthatóságának megállapításánál elsősorban a magas CO2 tartalom hatását vizsgálták. CO2 tartalomtól függően a biogázok fűtőértéke fele- harmada a földgázénak, ami még nem rendkívül alacsony. Továbbá a magas CO2

tartalomnak köszönhetően a biogázok kompresszió tűrése jobb mint a földgázé, ezért a kísérletek során viszonylag magas kompresszióviszonyú szikragyújtású vagy szik- ragyújtásúvá átalakított kompresszió gyújtású motorokban vizsgálták a biogáz üzem hatását a motorparaméterekre.

Huang és Crookes [56] 1998-ban egy Ricardo E6 típusú egyhengeres négyütemű szikragyújtású, változtatható kompresszióviszonyú (CR=8-15) karburátoros motoron optimális előgyújtás mellett vizsgálta a kísérleti biogáz üzem hatását a teljesítményre és az emisszióra. Megállapították, hogy a teljesítmény csökken, égéskimaradás és egyenetlen üzem tapasztalható, ha a biogáz CO² tartalma 40 V/V% fölé nő, de 40%

CO² esetén is csökken a teljesítmény és a hatásfok 3%-ot. A CO² legfőbb hatása az, hogy csökken a NOx emisszió és növelhető a kompresszióviszony CR=13-15-re.

A kompresszióviszonyt CR=15 fölé nem érdemes növelni, mivel ekkor a nyomásnö- vekedés a hengerben kopogásos égés közeli, és az emissziók is megnőnek. A CO emisszió szegény keverékeknél nem változik, de dús keverékekben 30 V/V% CO² tartalom felett megnő. A motor üzemel nagy CO2 tartalmú biogázokkal is az üzemi körülmények megfelelő megválasztása mellett. Megnövelt kompresszióviszonyú, és emiatt kialakuló nagyobb égési sebességre tervezett motorral elérhető a megfelelő teljesítmény, hatásfok és emisszió.

Crookes [57] 2006-ban ugyanezen a motoron végzett kísérlete alátámasztotta, hogy a várható teljesítménycsökkenés a kompresszióviszony növelésével kiküszöbölhető, ami a NOx emisszió növekedését eredményezné, de a biogáz magas CO2 tartalma el- lensúlyozza ezt. Kimutatta, hogy az inertek NO^x csökkentő hatása nem egyforma, pl.:

a CO2 hatékonyabban csökkenti a NOx emissziót, mint a N2, a magasabb fajhője mi- att, tehát a hatásuk nem kémiai, hanem fizikai.

Roubaud és Favrat [58] 2005-ben egy Lierbherr G 926 Ti 6 turbótöltött intercooleres kogenerációban üzemelő motort vizsgált földgáz helyett 40 V/V% CO² tartalmú biogáz üzemben. Eredményeik szerint a kompresszióviszony 12-ről 13,3-ra növelésével a CO² tartalom okozta teljesítménycsökkenés ellensúlyozható, azonban az előgyújtást minden esetben állítani, növelni kell. Elegendőnek találták az előgyúj- tás állítását, annak ellenére, hogy a kompresszióviszony növelése kedvezőbben hat a hatásfokra.

A vizsgálatok alapján a CO² negatív hatásának kiküszöbölésére célszerű lenne a CO²-t leválasztani, vagy legalábbis mivel a teljes leválasztás nagyon költséges, a bio- gázban található CO2 mennyiségét egy meghatározott értékre csökkenteni [59].

Porpatham és társai [60] 2008-ban egy egyhengeres négyütemű szikragyújtásúvá átalakított kompresszió gyújtású CR=13 kompresszióviszonyú karburátoros motoron optimális előgyújtás mellett vizsgálták, hogy a biogáz CO² tartalmának csökkentése milyen hatással van a motor üzemi paramétereire. Úgy találták, hogy a CO² tartalom csökkentés előnye elsősorban szegény keverékeknél tapasztalható. A CH4 koncentrá- ció növekedésével a teljesítmény és a hatásfok is nő, a THC emisszió csökken, de a NO^x emisszió nem nő, ha a biogáz CO² tartalma 40 V/V%-ról 20 V/V/%-ra csökken.

A CO² tartalom csökkenésével a hengerben megnő a hőfelszabadulás sebessége, ezért az előgyújtást csökkenteni kell. További előnye a CO2 tartalom csökkenésnek, hogy a hengerben mérhető nyomáslefutás szórása csökken köszönhetően a gyorsabb égés- nek.

A biogáz tüzelési tulajdonságainak javítására a CO² tartalom csökkentése mellett többen vizsgálták a H² hozzákeverés hatását.

Porpatham és társai [61] 2007-ben egy egyhengeres négyütemű szikragyújtásúvá átalakított kompresszió gyújtású CR=13 kompresszióviszonyú karburátoros motoron optimális előgyújtás mellett vizsgálták, hogy a biogázhoz 5-10-15 V/V% H2 hozzáke- verés milyen hatással van motor üzemi paramétereire. Megállapították, hogy a H2

adagolásával a motor üzemelési tartománya nő, az égés javul, de nő a keverék kopo- gásérzékenysége, ezért az előgyújtás csökkentése szükséges. Eredményeik szerint 10 V/V% H2 hozzákeverés a legkedvezőbb, mivel a teljesítmény nő és az emisszió csökken. Ennél nagyobb H² tartalomnál azonban már kopogás alakulhat ki, így elen- gedhetetlen a megfelelő gyújtásszabályozás.

Bade Shrestha és Narayanan [52] 2008-ban egyhengeres négyütemű szikragyújtású motoron vizsgálták 50 V/V% CO2 tartalmú depóniagáz, illetve depóniagáz és H2 ke- verék üzem hatását a motor üzemi paramétereire, összehasonlítva a CH4 tüzelőanya- gú referenciaüzem eredményeivel. Eredményeik szerint a biogáz összetétel változá- sának hatása szegény és dús keverékeknél jelentős, sztöchiometrikus keveréknél ke- véssé az. Annak ellenére, hogy a biogáz fűtőértéke csak fele a CH4-énak, biogáz üzem esetén a kompresszióviszony 8,5-ről 12-re és az előgyújtás 12°-ról 25°-ra növelésével a referencia üzemhez hasonló eredmények érhetők el. Kismennyiségű H² adagolása

is javítja az égést és csökkenti a ciklusszórást, különösen dús és szegény keverékek- nél, ezáltal növeli a teljesítményt és hatásfokot. Sztöchiometrikus keveréknél ez a ha- tás nem jelentős.

Song és társai [63] 2009-ben 4 hengeres négyütemű szikragyújtású turbótöltött, eredetileg LPG üzemű motoron 40 V/V% CO² tartalmú biogázra optimált 16°-os elő- gyújtás mellett vizsgálták a biogáz és H² keverék üzem hatását a motorparaméterek- re. Úgy találták, hogy a hatásfok a NOx emisszió és a hengerben mérhető csúcsnyo- más nő, a szegény gyulladási határ kitolódik, miközben a CO² emisszió csökken.

Megállapították, hogy meg kell határozni a H² optimális hozzákeverési arányát, mi- vel teljesítménycsökkenés adódik a túl magas H2 hozzákeverés okozta szállítási vesz- teségek miatt [62]. 2010-ben ugyanezen a motoron optimális előgyújtás mellett meg- vizsgálták a füstgáz visszavezetés hatását a hatásfokra és a NO^x emisszióra földgáz, biogáz és biogáz +5 V/V% H2 üzemben. Úgy találták, hogy H2 adagolás okozta NOx

emisszió növekedés füstgáz visszavezetéssel ellensúlyozható. Összességében megál- lapították, hogy a megfelelő füstgáz visszavezetés és megfelelő H² adagolás megvá- lasztásával jó hatásfokú és alacsony NO^x emissziójú biogáz üzemű motor alakítha- tó ki .

Kornbluth és társai [64] 2010-ben kéthengeres Kawasaki FD 791 DFI motoron op- timális előgyújtás mellett vizsgálták, hogy a depóniagázhoz növekvő mennyiségű (0- 50 V/V%) H2 hozzákeverése milyen hatással van a motor üzemi paramétereire. Meg- állapították, hogy a növekvő H² tartalommal a felső gyulladási határ nő: 50 V/V% H² mellett 40%-kal, emellett csökken a NOx, de nem növekszik a CO emisszió.

3.2.3. Pirolízisgázok motoros hasznosítása terén elért eredmények

Pirolízisgázok motoros hasznosításánál nem csak az esetlegesen előforduló magas inert (CO², N²), hanem a magas H² tartalom is csökkenti a fűtőértéket, ezért a pirolízisgázok fűtőértéke jellemzően ~15%-a földgázénak, ami már rendkívül ala- csony. Ugyan az esetleges inert tartalom kopogástűrésüknek kedvezne, azonban a magas hidrogén tartalmuk miatt magasabb kompresszióviszony esetén öngyulladás- ra hajlamosak. Fentiek miatt a pirolízisgázokat, elsősorban a nagyon alacsony fűtőér- tékű, nagy inert tartalmú producergázokat sokáig nem tartották alkalmasnak az energiatermelésben alkalmazható nagy kompresszióviszonyú belső égésű motoros hasznosításra. A második világháború idején ugyan alkalmaztak szikragyújtású, ala- csonyabb kompresszióviszonyú, szén, vagy biomassza bázisú producergáz üzemű járműveket [65].

Sridhar és társai [65] 2001-ben egy szikragyújtásúvá átalakított háromhengeres nagy kompresszióviszonyú (CR=17) közvetlen befecskendezéses kompresszió gyúj- tású Kirloskar RB-33 típusú motoron optimális előgyújtás mellett vizsgálták a producergáz (19±1 V/V% H2, 19±1 V/V% CO, 2 V/V% CH4, 12±1 V/V% CO2,

2±0,5 V/V% H2O, maradék N2) üzem hatását a motor üzemi paramétereire a Diesel üzemhez viszonyítva. Céljuk a producergázzal kapcsolatos aggályok eloszlatása volt, miszerint nagyon alacsony fűtőértéke miatt jelentős teljesítménycsökkenés várható,

illetve nagy kompresszióviszony mellett öngyulladásra hajlamos. Úgy találták, hogy a producergáz alkalmas belső égésű motoros hasznosításra még magas kompresszióviszony esetén is, mivel CR=17 mellett sem kopog a motor, köszönhető- en az előgyújtás jelentős csökkentésének. Jelentős teljesítménycsökkenés (16%) és hatásfokcsökkentés tapasztalható a Diesel üzemhez képest, mivel a producergázhoz nem megfelelő dugattyú kialakítás miatt nagyobb a falveszteség, ami 30-40 perc teljes terhelésen járatás után a motor túlmelegedését okozza. Ezért elengedhetetlen a meg- felelő égéstér és hűtés kialakítás. A H2 tartalomnak köszönhetően az égéslefutás jobb, ezért kisebb a ciklusszórás. A teljesítménycsökkenés nem olyan jelentős, mivel a producergáz kisebb levegőszükséglete miatt a tüzelőanyag – levegő keverék energia- sűrűsége kevéssé csökken, és ez még a kompresszióviszony növelésével többé- kevésbé ellensúlyozható. Eredményeik alapján a kompresszióviszonyt 17 fölé nem érdemes növelni, így az optimális kompresszióviszony 12-17 közötti.

Sridhar és társai [66] 2005-ben még további két energiatermelésre kialakított gáz- motoron, egy szikragyújtású 12 hengeres négyütemű turbótöltött 12-es kompresszióviszonyú Greaves TBDV12 típusú és egy szikragyújtású hathengeres négyütemű 10-es kompresszióviszonyú Cummins G743G típusú motoron optimális előgyújtás mellett vizsgálták a fent említett producergáz hatását a motorok üzemi paramétereire. Úgy találták, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható, eredetileg földgázra kialakított motorok alkalmasak a nagyon alacsony energiasűrűségű producergáz felhasználására, abban az esetben, ha a producergázhoz megfelelően kialakított karburátorral látják el a motort. Ebben az esetben is 20-30%-os teljesít- ménycsökkenés tapasztalható. A teljesítmény veszteség ellenére előnyként jelentke- zik a károsanyag kibocsátás csökkenése, mivel producergáz üzemben nagyon ala- csony a NOx-, továbbá nullának tekinthető a CO2 kibocsátás.

Shudo és társai [67] 2003-ban egy egyhengeres négyütemű szikragyújtású 13-as kompresszióviszonyú motoron optimális előgyújtás mellett vizsgálták különböző összetételű alacsony fűtőértékű (5-8 MJ/m³) hulladékból előállított pirolízisgáz üzem hatását a motor paramétereire. Úgy találták, hogy még az 5 MJ/m³ fűtőértékű pirolízisgáz is hasznosítható villamosenergia-termelő rendszerben üzemelő belső égésű motorban. A keverék hőkapacitása jelentősen befolyásolja az égéslefutást, ezért a CO² tartalom kedvezőtlenebb, mint a N² tartalom. A magas inert tartalom miatt a szegény keverékeknél (λ>1,5) az előgyújtás csökkentése nélkül is alacsony a NOx ki- bocsátás, de minden esetben magas a CO emisszió, így oxidációs katalizátor beépíté- se szükséges.

Ando és társai [68] 2005-ben egy gázkeverő rendszerrel ellátott szikragyújtású egyhengeres négyütemű változtatható kompresszióviszonyú motoron optimális elő- gyújtás mellett vizsgálták a nagyon alacsony fűtőértékű (~4 MJ/m³) pirolízisgáz hatá- sát a motor üzemi paramétereire. Két gáztípussal mértek: egy H2-ben gazdag (20 V/V%CO, 12 V/V%H², 6 V/V%CO² és 62 V/V%N²) egylépcsős magas hőmérsékle- tű elgázosításból és egy CH⁴-ban gazdag (7,9 V/V%CO, 5,7 V/V%H², 7,2 V/V%CH⁴ és 79,2 V/V%N2) kétlépcsős elgázosításból származó gázzal. Úgy találták, hogy a két

különböző gáz eltérően viselkedett a motorban. A H2 dús gázzal emelt kompresszióviszony (CR=9,4) mellett a földgáz üzemmel közel megegyező hatásfok, de alacsonyabb teljesítmény érhető el. A motor üzemelési tartománya megnőtt, a szegény tartományban egészen λ=2-ig stabilan üzemelt a motor, mivel a légfelesleg- től kevéssé függ az égési sebesség és a gyulladási késedelem. A NOx és THC emisszió alacsonyabb, azonban a CO emisszió magasabb a földgáz üzemhez képest. A CH4

dús gáz magasabb kompresszióviszony (CR=11,9), növelt előgyújtás és kisebb fordu- latszám mellett a H2-dús gázhoz hasonló hatásfokot és teljesítményt eredményezett.

A motor azonban csak nagyon szűk, a szegényebb keverékekhez tolódott légfelesleg tartományban üzemelt stabilan. A NO^x emisszió alacsonyabb, de a CO és THC emisszió magasabb a földgáz üzemhez képest, főleg a stabil üzemelési tartományon kívül. Összességében megállapították, hogy a motor teljesítménye kevéssé függ a fűtőértéktől, mint inkább a producergáz égési tulajdonságaitól, továbbá, hogy a szik- ragyújtású motor kevéssé tűnik alkalmasnak a producergázok hasznosítására, mivel érzékeny a változó gázösszetételre. Kedvezőbb lenne kompresszió gyújtású motor kettős tüzelőanyagú üzemben, mert azzal az instabilitási problémák kiküszöbölhetők lennének.

Srinivasan és társai [69] 2010-ben egy pirolízisgáz üzemre átalakított szikragyújtá- sú négyhengeres négyütemű motorral ellátott Elite 01654-02 típusú hordozható gene- rátoron vizsgálták a pirolízisgáz (16,2-24,2 V/V%CO, 13-19,4 V/V%H², 1,2- 6,4 V/V%CH4, 9,3-13,8 V/V%CO2, a fennmaradó hányad N2) hatását a motor üzemi paramétereire összehasonlítva a benzin üzemmel. Úgy találták, hogy a motor maxi- mális teljesítménye producergázzal mindössze közel 60%-a a benzin üzemben elérhe- tő legnagyobb teljesítménynek, és ez a tökéletlen égés miatt nem a legnagyobb pirolízisgáz fogyasztás mellet érthető el. A motor hatásfoka pirolízisgáz üzemben minden terhelésen számottevően magasabb (másfél-kétszeres) volt, mint azonos ter- helésű benzin üzemben. A pirolízisgáz üzemnél tapasztalt hatásfokot benzin üzem esetén csak az elérhető legnagyobb teljesítmény mellet érte el a motor. A pirolízisgáz üzemben mért THC emissziók minden esetben elhanyagolhatóan alacsonyak voltak (<40ppm). A CO és NO^x emissziók minden esetben számottevően alacsonyabbak (30- 96%-kal, illetve 54-84%-kal) voltak a benzin üzemhez képest, azonban a CO2 emisszió sokkal magasabb (33-167%-kal) volt, a producergáz CO2 tartalma miatt. Összességé- ben megállapították, hogy a villamos teljesítmény növelése és a füstgáz hőjének hasznosítása elengedhetetlen egy pirolízisgáz üzemű lakossági generátor megvalósí- tásához .

3.2.4. Következtetések

Mint az az eddigiekből kitűnik, a motoros hasznosításra irányuló kutatás alapfilo- zófiája legtöbb esetben az, hogy a meglévő motoros rendszerek átalakításával azok alkalmassá váljanak az alternatív gáznemű tüzelőanyagok felhasználására. Legtöbb esetben Diesel vagy benzin üzemű motorokat alakítanak át, ritkábban használnak fel eredetileg is gáz (földgáz) üzemű motort.

A motor konstrukciós jellemzőinek és üzemi paramétereinek megfelelő megvá- lasztásával az új tüzelőanyag típusra kialakított, annak tulajdonságaira optimált mo- torokat hoznak létre, melyek természetesen az adott tüzelőanyaggal a kívánalmak- nak megfelelően üzemelnek. Azonban az alternatív gáznemű tüzelőanyagok felhasz- nálásának szempontjából sokkal érdekesebb az, hogy milyen körülmények, korlátok között helyettesíthetik az eddig felhasznált fosszilis tüzelőanyagokat a már meglévő hőerőgépekben azok átalakítása nélkül.

A kapott eredményekből megfigyelhető az is, hogy a biogázok esetén a motoros kísérletek eredményei jó egyezést mutatnak, addig a pirolízisgázok esetén, az ered- mények szerteágazók, köszönhetően annak, hogy a pirolízisgázok előállítási techno- lógiájuktól függően változatos összetétellel rendelkezhetnek. Így főleg pirolízisgázok esetén még nem alakult ki egy egységes álláspont a motoros hasznosíthatóság terén.