Tüzeléstechnika Tüzelőanyagok jellemzése L. Szabó Gábor Debreceni Egyetem Műszaki Kar Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszék l.szabo.gabor@eng.unideb.hu

Bevezetés

Tüzeléstechnika A tüzeléstechnika a tüzelőanyagok elégetése során lejátszódó folyamatokkal foglalkozó tudományterület. Tüzelőanyag az a nagy mennyiségben rendelkezésre álló természetes vagy mesterséges éghető anyag, amelynek elégetése (oxidációja) közben jó hatásfokkal hőenergia keletkezik. Halmazállapota szerint lehet szilárd, folyékony vagy gáznemű

Tüzelőanyagok állapot- és anyagjellemzői Állapotjellemzők Anyagjellemzők Hőmérséklet (T; [°C], [K]) Nyomás (p; [Pa], [mbar], [bar]) Sűrűség (ρ [kg/m3]) Fajtérfogat (ν (nű); [m3/kg]) Folyáspont Fajhő (c [J/kg·K]) Molekula tömeg (M; [kg/mol]) Gázállandó (R; [J/mol·K]) Hővezetési tényező (λ; [W/m·K]) Dinamikai viszkozitás (η; [N·s/m2]) Kinematikai viszkozitás

Tüzelőanyagok tüzeléstechnikai jellemzői összetétel relatív gázsűrűség égéshő és fűtőérték gyulladási hőmérséklet, lobbanáspont, gyulladáspont a gyújtási koncentráció határai normál lángterjedési sebesség Wobbe-szám

Összetétel Gázösszetétel: Az adott, szennyező anyagoktól mentes gázkeverék kémiailag egynemű alkotók térfogataránya vagy térfogatszázaléka. Általában komatográffal határozzák meg. Mértékegysége: [tf%], m3/m3 Térfogatarány: Egy adott komponens térfogata osztva a keverék teljes térfogatával. Jele: ri, mértékegysége [m3/m3]

Relatív gázsűrűség Az éghető gázkeverék és a levegő sűrűségének aránya a gázkeverék és a levegő sűrűsége azonos állapotra vonatkozik Jele: d Mértékegysége: [-] pl.: földgáz d~0,6

Gyulladási hőmérséklet, lobbanáspont, gyulladáspont Gyulladási hőmérséklet: Az a legkisebb hőmérséklet, amelyen a tüzelőanyag égése önként végbemegy. Feladat a gyulladás megindítása és a robbanásveszély elkerülése, ez a földgáznál ~640 [°C] Lobbanáspont: az a hőmérséklet, amelynél a felületen, és a felette lévő térben a gőz belobban de tovább nem ég. Gyulladási pont: az az olajhőmérséklet, amelynél az olajgőz belobban és 5 [s]-nál tovább ég.

Gyújtási koncentráció és normál lángterjedési sebesség A gyújtási koncentráció határai: A gáz-levegő elegyek gyulladási határai, földgáznál 5-15 [%] Normál lángterjedési sebesség: A gyulladási sebesség az a sebesség, amivel az égés a gázkeverékben terjed. A lángsebesség lángfront mozgási sebessége a gázéhoz viszonyítva.

Égéshő (Felső fűtőérték) Az egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégésekor a kémiailag kötött energiára jellemző átalakulási hő, ha a gáz, az égési levegő és a keletkezett füstgáz hőmérséklete azonos (0 [°C]), akkor az égéstermék víztartalma folyékony halmazállapotú és a levegő nitrogéntartalma nem oxidálódik. Jele: Hf Mértékegysége [kJ/m3], [MJ/m3], [kWh/m3] vagy [kJ/kg] Értéke földgáznál kb. Hf~40 [MJ/m3]

Fűtőérték (Alsó fűtőérték) Az egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégésekor a kémiailag kötött energiára jellemző átalakulási hő, ha a gáz, az égési levegő és a keletkezett füstgáz hőmérséklete azonos (0 [°C]), akkor az égéstermék víztartalma gőz halmazállapotú és a levegő nitrogéntartalma nem oxidálódik. Jele: Ha Mértékegysége [kJ/m3], [MJ/m3], [kWh/m3] vagy [kJ/kg] Értéke földgáznál kb. Ha~36 [MJ/m3]

Wobbe-szám A gázégőből kiáramló gázkeverékre jellemző a kémiailag kötött energia árama az azonos állapotra jellemző égéshő és a kiáramló térfogat szorzata: Ebből a tüzeléstechnikai jellemzőket egy oldalra rendezve nyerjük a (felső) Wobbe-számot:

Alsó, felső és bővített Wobbe-szám A felső Wobbe-szám Az alsó Wobbe-szám Bővített Wobbe-szám:

Különböző állapotok térfogatai Gáztérfogat Állapotjelzők Vízgőztartalom Neve M.E. Hőmérséklet Nyomás Fizikai normál Nm3 0 [°C] 101.325 [Pa] Száraz Gáztechnikai normál gnm3 15 [°C] Telített Standard m3st 1013,25 [mbar] száraz Üzemi m3 A ténylegesen előforduló érték

Szilárd, folyékony és gáz halmaz állapotú tüzelőanyagok

Szilárd tüzelőanyagok Magyarországi felhasználásuk 1950-es évektől csökken, de napjainkban reneszánszukat élik. Általános jellemzőjük, hogy a keletkező égéstermék, a tökéletlen égés folytán a gáztüzeléshez viszonyítva nagyobb mértékben tartalmaz port, és szilárd részeket. Biomassza készülékek jó hatásfokkal rendelkeznek. Három nagy csoportra oszthatóak: Hagyományos tüzelő anyagok: fekete és barna szén, Radioaktív tüzelő anyagok: urán Biomassza tüzelőanyagok: fa, pellet, brikett

Fontosabb szilárd tüzelőanyagok és fűtőértékük frissen vágott fa 6,8 [MJ/kg] szárított fa 15 [MJ/kg] lignit 15 [MJ/kg] barnaszén 17 [MJ/kg] feketeszén 24 [MJ/kg] Fabrikett 18 [MJ/kg] Fapellett 20 [MJ/kg]

Fa, mint tüzelőanyag A fa égésekor a hő hatására keletkező gázok égnek el. Ha a fa nedves, akkor a keletkező energia jelentős része elhasználódik a víz elpárologtatására. Az égés 20 % esetén optimális. A fa CO2 semlegesen ég el, égése alatt csak annyi széndioxidot ad le, amennyit növekedése alatt felvett. Az egyik legrégebbi tüzelőanyagunk. Napjainkban reneszánszát éli, mert jó hatásfokú készülékeket fejlesztettek ki. Hátránya: A mai hazai gyakorlat alapján, egyszerűen „elfogyhatnak” az erdők. A fa nedvesség - energia összefüggése: Kivágáskor kb 50-60% a nedvesség tartalma, fűtőértéke kb. 2 kWh/kg 1 év száradás után 25-35% a nedvesség tartalma, fűtőértéke kb. 3,4 kWh/kg 2 év száradás: nedvesség tartalom kb. 15-25%, fűtőértéke kb. 4 kWh/kg

A különböző fa fajták fűtőértéke 20%-os nedvességtartalom mellett Fa fajta Fűtőértéke [kWh/kg] bükk 3,73 lucfenyő 3,95 fenyő 4,18 tölgy 3,92 kőris 3,81 akác nyárfa 3,69

Faapríték A faapríték erdőgazdaságokban készül, speciális aprítógépek segítségével. A kivágott fatörzseket ill. ágakat darabokra aprítják, majd szállítókocsival viszik a tároló helyre, vagy közvetlenül felhasználóhoz. A faapríték minősége a nedvességtartalomtól, az aprított anyagtól, az aprítás minőségétől és az apríték homogenításától függ. A frissen készült apríték nedvességtartalma 50% körül van, amelyet 10-20 %-ra kell csökkenteni szárítással. Minél nagyobbak a méretbeli eltérések, annál nehezebb az anyagot egyenletesen mozgatni és égetni. Az újabb fejlesztések nyomán alkalmas folyamatos fűtési feladatok ellátására.

Pellett, brikett Kényszer szárított tüzelő anyagok. A pellet a növényi alapanyagokból, fás- és lágyszárúakból (és a belekevert kötőanyagokból) egyaránt sajtolással, préseléssel nyert 6-12 [mm] átmérőjű és 2-5 [cm] hosszúságú henger alakú granulátum, melynek igen jók a fizikai tulajdonságai (alacsony 10-15 [%]-os nedvességtartalom, 17-19 [MJ/kg] fűtőérték, 1 [%] körüli hamutartalom) A fapelletek, fabrikettek használata terjedőben van. Ezeknél fűrészport préselik, ami így a fűrészpornál könnyebben ég el, ugyanakkor a fánál jóval homogénebb szemcseméretű és emiatt jobban automatizálható. A briketthez képest csupán annyi a különbség, hogy a brikett átmérője nagyobb, 100-155 [mm], egyébként a többi tulajdonsága és az előállítás módja is hasonló.

Kőolaj párlatok A kőolaj hevítése 360 [°C] fölé hevítik, majd visszahűtés A 360 [°C] fölötti nehézolajokat és kenőolajokat nyernek ki 210…360 [°C] gázolaj 180 [°C] alatt benzin

Fűtésre használt olajok Ipari rendszereinkben, Nagy-Britanniában Nyersolajból, lepárlással állítják elő, így mesterséges tüzelőanyagok Tüzelőolajok: könnyű olaj, égésjavító adalékokat tartalmazó lepárlási termék, jele:TÜ TÜ 20/40: Tüzelőolaj 20 °C szállítható/40 °C porlasztható Fűtőolaj: nehéz olaj, a kőolaj feldolgozás lepárlási maradéka, Jele F, FA, ha kénszegény FA 60/130: Kénszegény fűtőolaj, 60 °C szállítható/130 °C porlasztható

Benzin Sűrűsége 730…780 [kg/m3] Fűtőértéke 42,9 [MJ/kg] vagy 32 [MJ/liter] Gyorsan és jól párologjon: 180 [°C]-ig a benzin 90 [%]-a párologjon el. A benzin különböző forráspontú szénhidrogének keveréke, nincs egyetlen forráspontja. A kisebb forráspontú összetevők könnyítik a hidegindítást, de melegben a tüzelőanyag-szivattyúban és a porlasztóban képződő gőzbuborékok üzemzavart okoznak (kavitáció) A benzin kompressziótűrése legyen nagy, hogy a sűrítési ütemben fölmelegedve ne gyulladjon meg önmagától a szikragyújtás előtt.

Gázolaj Sűrűsége 815…855 [kg/m3] Fűtőértéke 42,43 [MJ/kg] vagy 35,8 [MJ/liter] Gyúlékonynak kell lennie. A gyulladási késedelem a befecskendezés kezdőpillanata és az égés kezdete közötti kb. 1 [ms] idő. Minél kisebb a gázolaj gyulladási késedelme, annál gyúlékonyabb. Értéke függ: a gázolaj kémiai tulajdonságaitól, a levegő és a gázolaj közötti hőmérsékletkülönbségtől, a porlasztás finomságától a gázolajcseppek és a levegő keveredésétől.

Gázolaj A gázolajban kémiailag kötött állapotban van a kén, ez a motorban kéndioxiddá ég el, károsítja a környezetet. A kéntartalomnak 0,05 [%]-nál kisebbnek kell lennie, mert a magas kéntartalom a NOx tárolót tönkreteszi. A hideg gázolajban parafinkristályok válnak ki, és ha ezek mérete túl nagy, eltömítik a tüzelőanyagszűrőt. Az előírások szerint a téli gázolaj parafintartalmának olyannak kell lennie, hogy a gázolaj még (-15) [°C]-on is szűrhető legyen (hideg szűrhetőségi határ hőmérséklete). Télen a gázolaj tulajdonságát 30...50 [%] petróleum hozzáadásával javítják. A befecskendező szivattyú és a porlasztó mozgó részeit a gázolaj keni, ezért fontos, hogy viszkozitása még 60...70 [°C]-on se csökkenjen le.

Gázcsaládok Első gázcsalád Második gázcsalád Harmadik gázcsalád A, B, C 23,0<[Wobbe-szám]<33,5 Második gázcsalád H, L, E, S 37,8<[Wobbe-szám]<56,5 Harmadik gázcsalád B/P, P, B 77,4<[Wobbe-szám]<92,4 A felső Wobbe-szám gáztechnikai normálállapoton [MJ/m3]-ban. Részletesen az MSZ-EN 437/1999 szabvány foglalkozik velük.

Első gázcsalád Gyártott gázok, legkisebb a fűtőértékük hidrogénben gazdag Wobbe-szám: 23,0-33,5 [MJ/m3] A: városi gáz (1900-1920 közötti vezetékekben megy) B: koksz kemence gáz C: szénhidrogén-levegő elegy (pl. biogáz)

Második gázcsalád metánban gazdag gázok H: 45,7-54,7 [MJ/m3] Nagy Wobbe-számú földgáz. L: 39,1-44,8 [MJ/m3] Nagy inert tartalmú gáz fő összetevője a nitrogén. Alacsony Wobbe-számú földgáz. E: 40,9-54,7 [MJ/m3] S: A hazai nagy széndioxid tartalmú inert gázokat tartalmazza Wobbe szám: 37,8-56,5 [MJ/m3]

Harmadik gázcsalád A legnagyobb fűtőértékű gázok cseppfolyósított szénhidrogéngázok P: Propán B: Bután P/B: Propán-bután keverékek háztartási célokra Wobbe szám: 77,4-92,4 [MJ/m3]

Köszönöm a figyelmet !