• Nem Talált Eredményt

Folyadéktüzelés károsanyag és kemilumineszcens emissziójának elemzése változó porlasztónyomás és levegő-előmelegítés mellett

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Ossza meg "Folyadéktüzelés károsanyag és kemilumineszcens emissziójának elemzése változó porlasztónyomás és levegő-előmelegítés mellett"

Copied!
8
0
0

Teljes szövegt

(1)

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

(2)

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.

(3)

1. ábra. A tüzelőberendezés.

2. ábra. Tüzelőanyag tartályok.

(4)

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

(5)

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.

(6)

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)

(7)

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.

(8)

[6] Gaydon AG. The spectroscopy of flames. 2. kiadás. Chapman and Hall Ltd., London;

1974. doi:10.1007/978-94-009-5720-6.

Ábra

1. ábra. A tüzelőberendezés.
3. ábra. Az égő felépítése.
4. ábra. Lángképek gázolaj tüzelés esetén. Sárga keret: egyenes- és térfogati között váltakozó lángalak
5. ábra. OH* emisszió egyenes lángok esetén. a) T előmelegítés  = 350 °C, b) p g  = 0,3 bar

Hivatkozások

KAPCSOLÓDÓ DOKUMENTUMOK

Vizsgáltuk, hogy miként befolyásolja a különböző ideig (0, 1, 2, 5, 10 percig) végzett ózonos előkezelés (~10-100 mg/L elnyelt ózon) a 20 ppm huminsavat

tanévben az általános iskolai tanulók száma 741,5 ezer fő, az érintett korosztály fogyásából adódóan 3800 fővel kevesebb, mint egy évvel korábban.. Az

* A levél Futakról van keltezve ; valószínűleg azért, mert onnan expecli áltatott. Fontes rerum Austricicainm.. kat gyilkosoknak bélyegezték volna; sőt a királyi iratokból

Legyen szabad reménylenünk (Waldapfel bizonyára velem tart), hogy ez a felfogás meg fog változni, De nagyon szükségesnek tar- tanám ehhez, hogy az Altalános Utasítások, melyhez

Alacsony-magas A vizsgált területegység szignifikánsan átlag alatti, míg a szomszédos területegységek szignifikánsan átlag feletti index értékekkel bírnak.. Alacsony-alacsony

ábra baloldali grafikonján szerepl ő E110 mintadarab hidrogéntartalma 2990 ppm, míg a jobboldali grafikonon látható E110 burkolaté 3990 ppm volt, miközben a két

A csökkentett deutériumtartalmú (30±5 ppm) vízzel folyó kutatások során korábban azt tapasztalták, hogy a deutériummegvonás gátolta a sejtosztódást in vitro

20 évesen: Amikor tükörbe néz, azt látja, hogy “túl kövér/túl sovány, túl alacsony/túl magas, túl egyenes/túl göndör” - de mégis úgy dönt, hogy attól még