Folyadéktüzelés károsanyag és kemilumineszcens emissziójának elemzése változó porlasztónyomás és levegő-előmelegítés mellett
Hidegh Gyöngyvér1, Józsa Viktor
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki kar, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Absztrakt: A folyékony üzemanyagok várhatóan még több évtizedig a fő energiaforrást fogják jelenteni kiváltképp az interkontinentális közlekedésben és szállítmányozásban. A fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség enyhítése végett ezeket keverhetjük, vagy akár helyettesíthetjük megújuló alternatívákkal. Kutatásunk során kókuszmetilészter és gázolaj elegyeket vizsgáltunk. Az újonnan fejlesztett égőtér lehetőséget ad a nagy térfogatban való tüzelés megvalósítására, ami kifejezetten alacsony szén-monoxid és nitrogén-oxid kibocsátást eredményez.
1. BEVEZETÉS
A fenntarthatóság elérése érdekében gyökeres változtatásra van szükség a fosszilis energiafelhasználásban. A tüzelőanyag-használat elhagyása azonban, kiváltképp a repülésben, nem megoldott, ezért a fosszilis tüzelőanyagok helyettesíthetősége meghatározó kihívást jelent napjainkban [1]. A közlekedésben és az erőművi felhasználásban is potenciális alternatívát jelentenek a biodízelek. Bár ezek a gázolajtól eltérően tartalmaznak oxigént, összefoglalóan a fizikai-kémiai tulajdonságaik nagymértékben hasonlítanak hozzá, lehetővé téve azt, hogy meglévő tüzelőberendezéseinkben közvetlen a gázolajhoz keverve alkalmazhassuk őket. Ezt több országban, köztük Magyarországon is megteszik a szabályozásoknak megfelelően, ezzel jelentősen ösztönözve a biogázolaj előállítást [2]. Bizonyos biodízeleknél azonban korlátozó tényező lehet az alkalmazásban a gázolajénál magasabb hőmérsékleten lévő dermedéspont [3].
Az alternatív tüzelőanyag meg kell feleljen az egyre szigorodó károsanyag-kibocsátási határértékeknek. Az erőművi technológiákban elterjedten alkalmaznak bioüzemanyagokat elsősorban az NOX kibocsátás csökkentése érdekében [4]. Szója, pálma és kókusz biodízelek tüzelésekor a legalacsonyabb CO és NO kibocsátást is a kókusz esetén mérték [5]. Jelen kutatásunk során gázolaj, kókuszmetilészter és ezek elegyeinek tüzelésével foglalkozunk.
2. A MÉRŐRENDSZER ÉS A VIZSGÁLATI MÓDSZEREK
A mérőrendszer vázlata az 1. ábrán látható. A folyamatos üzemanyagellátás érdekében a folyékony tüzelőanyag a 2. ábrán látható egyik nyomásalatti tartályból érkezett az égőbe. A szállított mennyiséget egy előzetesen kalibrált Omega FPD3202 típusú áramlásmérő regisztrálja.
A tüzelési teljesítmény és a légfelesleg-tényező a vizsgálatok során egységesen rendre 13,3 kW és 1,25 volt. A tüzelőanyag porlasztását egy levegő-segédközeges porlasztó valósította meg, a pg
1 Felelős szerző. E-mail címek: hidegh@energia.bme.hu, jozsa@energia.bme.hu
porlasztási túlnyomást 0,3 és 0,9 bar között változtattuk 0,15-os lépésközzel. Az égéslevegő- mennyiség változtatásával a légfelesleg-tényező állandó értéken való tartásához megfelelően állítottuk porlasztólevegő-áramot, amelyet egy előzetesen kalibrált Omega FMA1842A típusú áramlásmérő regisztrált. Ezzel a légárammérés bizonytalansága a 20-100 liter/perces méréstartományban 1 liter/perc. Az égéslevegőt egy frekvenciavezérelt oldalcsatornás fúvó szállította, a légáramot egy előzetesen kalibrált, 5%-os leolvasási pontosságú Fuji Electric FWD050D2-A52 típusú ultrahangos áramlásmérő regisztrálta. Az égéslevegő előmelegítése 150- 350 °C között 50 °C-os lépcsőkben valósult meg egy PID szabályzós 11,8 kW-os Hertz PH92 típusú elektromos fűtővel. Az égő felépítését a 3. ábra szemlélteti. A 45°-os lapátállásszögű gyűrűs perdítőelem külső és belső átmérői rendre 40 és 21 mm voltak, ami S = 0,787 perdületszámot eredményez.
A füstgáz CO, NO és oxigén tartalmát egy Testo 350 típusú füstgázelemző készülék mérte, ennek megfelelően a légfelesleg-tényező állandó értéken való tartásához a konstans tüzelőanyag szállításhoz úgy állítottuk a légszállítást, hogy a füstgáz oxigéntartalma minden mérési pontban 4,2% legyen. A CO, NO és O2 szenzorok bizonytalansága rendre 3 ppm, 2 ppm és 0,2 V/V%. Az OpLab Kft. által gyártott spektroszkóp egy Hamamatsu S3904-1024Q típusú 1024 pixel felbontású nMOS érzékelővel rendelkezik. Hullámhossztartománya 260-580 nm, ami 0,3125 nm-es spektrális felbontást eredményez. Az eszköz rögzítése fix volt, fókuszát a keverőcső szája fölötti térfogatra állítottuk. A spektrométer mellé egy Fujifilm HS10 típusú fényképezőgépet helyeztünk, amely minden mérési pontban három képet készített. A hőmérsékletszenzorok mindegyike B-osztályú Pt100 típusú ellenálláshőmérő, kivéve az előmelegített égéslevegő és a füstgáz esetében, ahol a magas hőmérséklet miatt K-típusú termoelemek lettek beépítve.
1. ábra. A tüzelőberendezés.
2. ábra. Tüzelőanyag tartályok.
3. ábra. Az égő felépítése.
A vizsgált tüzelőanyagok szabványos gázolaj (D) és telített zsírsavakból álló kókuszmetilészter (CME) és ezek elegyei voltak. A CME zsírsavösszetételét az 1. táblázat foglalja össze. A 100 V/V% CME-t tartalmazó tüzelőanyagra a továbbiakban B100-ként, míg az elegyekre a BX-ként hivatkozunk, ahol X a térfogatszázalékos CME tartalmat jelöli.
1. táblázat. A CME zsírsavösszetétele.
Zsírsav Felépítés Részarány [%]
Kaprilsav C8:0 6.78
Kaprinsav C10:0 5.61
Laurinsav C12:0 51.00
Mirisztinsav C14:0 18.51
Palmitinsav C16:0 9.26
Sztearinsav C18:0 1.66
Olajsav C18:1 6.06
Linolsav C18:2 1.12
3. AZ EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE
Az összes beállítást figyelembe véve két lángalak volt megfigyelhető a mérések során:
egyenes lángalak és térfogati égést jellemző, nagy térfogatot kitöltő, az égőszájról felemelkedett lángalak. Előfordult olyan beállítás, ahol mindkét lángalakot körülbelül 1 Hz-es frekvenciával váltakozva láthattuk. Gázolaj tüzelés esetén a megfigyelt lángalakokat a 4. ábra mutatja be.
Magasabb porlasztási túlnyomáson és égéslevegő-előmelegítési hőmérsékleten a tüzelőanyag kisebb cseppekre szakadt és intenzívebben párolgott, így a kialakult lángfront homogénebb, az égés zajosabb volt. Magasabb porlasztónyomáson és alacsonyabb levegő-előmelegítési hőmérsékleteken a tüzelőanyag oxidációja a tűztér akár egy teljes térfogatszeletét kitöltve valósult meg, amely egyidőben kiemelkedően alacsony CO és NO kibocsátáshoz vezetett. Az egyenes és
térfogati lángok közötti váltakozó állapotot tapasztaltuk a 4. ábrán a sárga keretes elemelkedett lángot mutató felvétel esetében.
Habár a 4. ábrán a legalacsonyabb égéslevegő előmelegítési hőmérséklet 150 °C volt, alacsonyabb hőmérsékletek is vizsgáltunk, azonban a tüzelőanyag párolgása nem volt megfelelő, így nem jött létre folyamatos, önfenntartó égés. B75 és B100 esetén legalább 200 °C-os égéslevegő előmelegítési hőmérsékletre volt szükség a stabil égés kialakulásához.
4. ábra. Lángképek gázolaj tüzelés esetén. Sárga keret: egyenes- és térfogati között váltakozó lángalak.
A kemilumineszcens spektrum vizsgálata során a spektrométer fix rögzítéséből kifolyólag csak az egyenes lángalakok elemzésére volt lehetőségünk. A szénhidrogénlángok színképében megjelenő számos kemilumineszcens csúcs azonosítását Gaydon [6] lángemissziós spektroszkópia című könyve alapján végeztük. Az egyes üzemállapotok összehasonlíthatóságára azonban csak a 310 nm-en emittáló OH gyököt találtuk megfelelőnek, mivel a többi csúcs esetén az alacsony jel- zaj arány nem tette lehetővé megfelelő azonosításukat. Az OH* emissziót az 5. ábra segítségével értékeljük. Az 5a ábra szerint egy adott égéslevegő hőmérsékleten ábrázolva az eredményeket a gázolaj láng esetében volt a legmagasabb értékű az OH* intenzitás, azt a tiszta CME láng OH*
intenzitása követte és ezeknél alacsonyabb OH* intenzitást mértünk az elegyek esetében minden összetartozó üzemállapotban. A porlasztónyomás növelésével csökkent az OH* intenzitás. Az 5b ábra szerint egy adott porlasztónyomáson ábrázolva az eredményeket, a levegő-előmelegítés hatása az OH* intenzitás-viszonyokra kevésbé egyértelmű, azonban a trendek analóg módon előbbi megállapításainkkal arra engednek következtetni, hogy a keverékképzés és -égés miatt kialakuló eltérő reakcióutak a tiszta gázolaj és CME tüzelőanyagokhoz képest alacsonyabb OH*
emisszióhoz vezetnek minden üzemállapotban.
5. ábra. OH* emisszió egyenes lángok esetén. a) Telőmelegítés = 350 °C, b) pg = 0,3 bar.
A károsanyag kibocsátás mérés eredményeit a 6. ábra segítségével ismertetjük. A CO kibocsátás minden üzemállapotban alacsony, 20 ppm alatti volt. Kivételt képez ez alól a B75, amely esetében a mért CO emisszió több beállításban is jelentősen eltér a többi tüzelőanyag esetén mértektől. A NO kibocsátás alapján egyértelműen következtethetünk a lángalakra. Egyenes lángok esetén a NO emisszió magas volt, 80-200 ppm közötti. Térfogati égés esetén azonban rendkívül alacsony, 20 ppm alatti.
6. ábra. CO és NO emisszió. a) és b) 0,3 bar porlasztónyomáson, c) és d) 0,9 bar porlasztónyomáson.
0 10 20 30 40 50
150 200 250 300 350
CO [ppm]
Telőmelegítés[°C]
a)
CME B75 B50 B25 D
0 40 80 120 160 200
150 200 250 300 350
NO [ppm]
Telőmelegítés[°C]
b)
0 10 20 30 40 50
150 200 250 300 350
CO [ppm]
Telőmelegítés[°C]
c)
0 40 80 120 160 200
150 200 250 300 350
NO [ppm]
Telőmelegítés[°C]
d)
4. ÖSSZEFOGLALÁS
Jelen kutatásunk során egy folyadéktüzeléses előpárologtatós, előkeveréses, szegény keverékkel üzemelő égő spektroszkópiai és károsanyag-kibocsátás vizsgálatával foglalkoztunk. A változtatott paraméterek a porlasztási túlnyomás, az égéslevegő előmelegítési hőmérséklete és a tüzelőanyag típusa volt. A tüzelési teljesítmény 13,3 kW, míg a légfelesleg-tényező 1,25 volt. A vizsgálatok tárgyát képző tüzelőanyagok kereskedelmi forgalomban kapható gázolaj, kókuszmetilészter (CME) és különböző arányú elegyeik voltak. Két különböző stabil üzemállapotot figyelhettünk meg a lángalak tekintetében, egyenes lángot és az égőszájról elemelkedett, térfogati égést eredményező lángot. A kemilumineszcens emisszió mérésére szolgáló spektroszkóp fókusza fix pozícióban, a keverőcső szája fölött volt, ezért spektrális szempontból az egyenes, keverőcsőhöz kapcsolódó lángok értékelésére volt lehetőségünk. A spektrumokat a szénhidrogénlángokat jellemző gyökök közül a 310 nm-es hullámhosszon emittáló OH* jellemezi a legjobban. Adott égéslevegő-előmelegítési hőmérsékleten az OH* intenzitás folyamatosan csökken a porlasztási túlnyomás növelésével. A vizsgált üzemállapotok nagyrészében a gázolaj OH* intenzitása a legnagyobb, ezt követi a CME , majd az elegyek OH*
intenzitása. A mérések során a CO kibocsátás 20 ppm alatti volt. Az egyenes lángok esetén a NO kibocsátás viszonylag magas, 80-200 ppm volt, míg a térfogati égés során rendkívül alacsony, 20 ppm alatti. A kibocsátási értékek 4,2 %-os füstgáz oxigénszint mellett értendők.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
A kutatás az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-19-3-I-BME-243 és ÚNKP- 19-4-BME-213 kódszámú, Új Nemzeti Kiválóság Program, a Boyai János Kutatási Ösztöndíj és a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatásával, az NKFI Alapból az OTKA- FK 124704 projekten keresztül valósult meg.
IRODALOMJEGYZÉK
[1] Bolwig S, Bazbauers G, Klitkou A, Lund PD, Blumberga A, Gravelsins A és munkatársaik. Review of modelling energy transitions pathways with application to energy system flexibility. Renew Sustain Energy Rev 2019;101:440–52.
doi:10.1016/j.rser.2018.11.019.
[2] IEA. Technology roadmap: Delivering sustainable Bioenergy. 2017.
[3] Chiong MC, Chong CT, Ng JH, Lam SS, Tran MV, Chong WWF és munkatársaik. Liquid biofuels production and emissions performance in gas turbines: A review. Energy Convers Manag 2018;173:640–58. doi:10.1016/j.enconman.2018.07.082.
[4] Liu K, Wood JP, Buchanan ER, Martin P és Sanderson VE. Biodiesel as an Alternative Fuel in Siemens Dry Low Emissions Combustors: Atmospheric and High Pressure Rig Testing. J Eng Gas Turbines Power 2010;132:1–9. doi:10.1115/1.3204617.
[5] Chiong MC, Chong CT, Ng JH, Tran MV, Lam SS, Valera-Medina A és munkatársaik.
Combustion and emission performances of coconut, palm and soybean methyl esters under reacting spray flame conditions. J Energy Inst 2019;92:1034–44.
doi:10.1016/j.joei.2018.07.003.
[6] Gaydon AG. The spectroscopy of flames. 2. kiadás. Chapman and Hall Ltd., London;
1974. doi:10.1007/978-94-009-5720-6.