ForestPress fotók
2013. szeptember 16. – A fáról, mint a legfontosabb megújuló energiaforrásról rendeztek konferenciát az innoLignum keretében szeptember 13-án, a soproni MKB Arénában. A fatüzelés energetikai és környezetvédelmi összefüggései címmel Fehér Sándor tartott előadást a NymE FMK, Faanyagtudományi Intézet kutatói - Fehér Sándor Komán Szabolcs, Szeles Péter, Antalfi Eszter – által végzett elemzésekről.
Ma már egyértelmű, hogy az emberiség az energiapazarló életmódja, valamint a környezetet szennyező tevékenysége miatt, a természeti erőforrások, elsősorban a fosszilis energiák - a szén, a kőolaj és a földgáz - kimerüléséhez fog vezetni. Az energiaforrások folyamatos csökkenése mellett egyéb globális problémák is megoldást igényelnek, a túlnépesedés és a légköri szén-dioxid szintjének növekedése a legégetőbb.
A fenti problémák megoldásának egyik útja a megújuló energiaforrásokat hasznosító technológiák fejlesztése, illetve az azokkal kapcsolatos kutatások kiterjesztése újabb és újabb területekre. A megújuló energiaforrások egyik legfontosabb pillére - különösen hazánkban - a biomassza.
A biomassza felhasználás egyáltalán nem új módszer az energianyerésre. A kis és közepes gazdaságok számára igen nagy jelentőséggel bír, mint energiaforrás. A kutatások egyértelműen arra utalnak, hogy a hazai energiatermelés megújításában kulcsszerepe van, illetve lesz a különböző biomasszák - mezőgazdasági, erdőgazdasági és hulladék - felhasználásának energianyerés céljából. A biológiai eredetű szervesanyag-produktumok, még az olyan mezőgazdasági potenciállal rendelkező országban is, mint Magyarország, egyik legfontosabb forrása az energiaerdők és az energetikai faültetvények. Az energiaerdők speciális céllal létesített és üzemeltetett erdők, míg az energetikai faültetvények energiatermesztésre létesített faültetvények, amelyek elsődleges fafajai a fűzfélék, az éger, a nemesnyárak és az akác. Különösen a gyorsan növő fafajok jöhetnek szóba az energetikai faültetvényeknél.
A fatüzelés energetikai környezetvédelmi jellemzői
A különböző biomasszák energianyerési célú felhasználását azok fűtőértéke, hamutartalma és egyéb égésjellemzői határozzák meg jelentős mértékben Az egyes fafajok energetikai jellemzőire viszont az adott fafaj genetikai tulajdonságai, szöveti szerkezete, makroszkópos jellemzői, illetve az állomány kora van hatással.
A fa, mint tüzelőanyag tulajdonságai közül négy összetevő az, amely az energetikai hasznosítás tekintetében főleg meghatározó: a sűrűség, a fűtőérték, a nedvességtartalom, valamint a hamu mennyisége és annak alkotói. Számos vizsgálat irányult már a fűtőérték meghatározásra a különböző fafajoknál. A különböző fajok között a fűtőérték tekintetében nincs jelentős különbség, amennyiben azok tömegre vonatkoznak.
A biomassza energetikai hasznosítása során keletkező éghetetlen salak, a nagyobb teljesítményű tüzelőberendezéseknél speciális üzemeltetési gondokat vet fel. Ez egyrészt a tüzelőberendezés károsodásával, másrészt a nagy mennyiségben keletkező hamu elhelyezésével kapcsolatos. Ezen problémák elsősorban a tüzelőanyag megtermelése során a talajból a biomasszába beépülő kémiai elemek jelenlétével és azok hatásával magyarázható. A környezetkímélő eltüzelés szempontjából elsősorban a nitrogén-, a klór- és a kéntartalom érdekes, míg tüzeléstechnikai szempontból - főleg a salaklágyulás és olvadás - az alkáli (nátrium, kálium) és alkáli földfémek (magnézium, kalcium) jelenléte lényeges. A hamutartalom mennyisége sem mellékes. Az egyes kutatások szerint minden 1 százalék hamutartalom-emelkedés 0,2 M J fűtőérték-csökkenést okoz szárazanyag-kilogrammonként. Ez azonban nem ilyen egyértelmű. Méréseink szerint viszont egyes fafajoknál a kéreg fűtőértéke nagyobb, mint a fatesté, például az akác esetében.
A fás biomasszák viszonylag alacsony N, Cl és S tartalommal rendelkeznek, és a kéreg kivételével, alacsony is a hamutartalmuk (2. táblázat). Hamujuk azonban legtöbbször viszonylag magas nehézfémtartalommal (például cink, réz, króm, kobalt, ólom, kadmium, nikkel) jellemezhető, ami az emisszió és a hamuhasznosítás szempontjából hátrányos tulajdonság.
A hamu összetétele természetesen függhet a fa termőhelyétől, a kortól, a fafajtól és a fa részeitől, mint az ág, tuskó, hajtás, geszt, álgeszt, kéreg arányától. A biomasszák égetése során különböző gázok is keletkeznek, mint szén-monoxid, szén-dioxid, kén-dioxid, stb. Jelentőségük környezetvédelmi szempontból eltérő.
Különösen kritikus tényező a klorid tartalom, amely az égetés során fém-halogenidek, klórozott szénhidrogének és sósavgáz képződéséhez vezethet.
A NymE Faipari Mérnöki Kar TÁMOP program keretében folyó „Környezettudatos energiahatékony épület" kutatás-fejlesztési projekt „Dendromassza alapú energiaforrások" címet viselő alprojektjének kutatásai a különböző fafajú dendromassza részek (törzsfa, ágfa, kéreg) fűtőértékeit befolyásoló tényezők meghatározására és a kapcsolódó környezetvédelmi összefüggések feltárására irányulnak.
A vizsgálatok külön foglalkoznak a hagyományos erdőgazdálkodásból kivett tűzifa, valamint az energetikai ültetvényekről származó alapanyagok energetikai és környezetvédelmi kérdéseivel. A dendromassza alapú energiaforrások alprojekt célja az eddigi fa alapú biomassza kutatások eredményeinek kiegészítése, illetve az energetikai kutatások területén található bizonytalanságok megszüntetése a hazai alapanyag bázison alapuló átfogó kutatási projekttel.
A konferencia utolsó előadását Kocsis Zoltán tartotta „A dendromassza alapú pelletálás energiaszükségletének csökkentésére irányuló kutatások” címmel a NymE FMK, Gépészeti és Mechatronikai Intézet kutatói - Kocsis Zoltán, Varga Mihály, Németh Gábor - által elvégzett vizsgálatok alapján
Jelen kutatásokat a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0068 jelű, „Környezettudatos, energiahatékony épület" című projekt keretében megvalósuló „Dendromassza alapú energiaforrások" alprojekten belül végezték el. Az alprojekten belül a pelletálhatósági vizsgálatokat és a pelletek energetikai hasznosíthatóságát is vizsgálják. Fő céluk a por-forgács állapotú anyag pelletálásához kötődő energiafelhasználás racionalizálása és a pellet racionális energetikai hasznosításának vizsgálata.
A dendromassza alapú tüzelőanyagok esetén a tömörítési eljárásokkal (például a pelletálással) a térfogatsúlyt változtatják elsősorban. A fő tüzeléstechnikai jellemző, a fűtőérték esetén az alapanyaghoz képest nagymértékű változást nem tapasztaltak, hiszen az alapanyag tulajdonságát elsősorban az elemi összetevők aránya (szén, hidrogén, oxigén, nitrogén, kén) szabja meg, ami adott, tehát a pelletálás során ezen nem változtattak. Érdekes kérdést vet fel azonban, hogy a pelletálás során sokszor 80-90C fokos hőmérséklet - melyet a matrica furatai és a por-forgács halmaz közötti, valamint a halmazon belüli súrlódás eredményez - hatására a fában lévő lignin kissé meglágyul, tulajdonképpen részben ez is eredményezi, hogy mint természetes kötőanyag, növeli a pellet szilárdsági tulajdonságait. A por-forgács állapotú anyag pelletálásának energiaszükséglete elsősorban a tömörítés mértékétől, az „alapanyag" szemcseösszetételétől, nedvességtartalmától függ.
A pelletálás során lejátszódó tömörödés vizsgálatának alapjai
A gyakorlatban manapság egyre nagyobb arányban terjed az egyes mezőgazdasági vagy faipari anyagok pelletálása, amelynél a nyomás eléri vagy meghaladja az 1000 bar értéket (általában 1000-1500 bar). A fapelletek esetén fontos követelmény a tömörödés vizsgálata, hiszen fontos, hogy a pellet állékony legyen és szállítás közben ne essen szét. Az állékonyságot a nedvességtartalom, az elért sűrűség és a préselési hőmérséklet befolyásolja. A por-forgács halmazok tömörödési vizsgálatainak tehát nagy gyakorlati jelentősége van mind a pelletálási, mind pedig a brikettálási technológiák területén. A tömörítési folyamatok hatására az anyag kisebb térfogatú lesz, sűrűsége pedig növekszik. A pellet kiinduló sűrűsége elsősorban a szemcsék méretelosztásától (szemcseméret) függ, a szemcsék sűrűsége azt kevésbé befolyásolja. A fűrészporok laza térfogatsúlya 200-220 kg/m3, míg az elkészült pellet ömlesztett sűrűsége 650-700 kg/m3, tömör sűrűsége 1100-1200 kg/m3 körül van.
A kész pellet jellemző méretei: átmérő: 6-10 mm, hossz: 20-40 mm.
Mivel a pellet az előállítás során a falsúrlódások révén elég jelentősen felmelegszik, ezért a hőmérsékletnek is fontos szerepe van a kialakult pellet tulajdonságaira, elsősorban a sűrűségre és a nyomásviszonyra (felhasznált energiára). Az üzemmeleg (a kilépő pellet hőmérséklete) állapot 80-90C fok körüli. A kísérlet során éppen ezért vizsgálat alá vonták a faanyag tömörödésének hőmérsékletfüggését is. Mint ismert, hő hatására a faanyag plasztikussá válik, vagyis adott sűrűség kisebb nyomással érhető el, és ez az összenyomott anyag a tehermentesítést követően kevésbé rugózik vissza, tehát nagyobb lesz a maradó deformáció mértéke. A hőmérséklet hatása kedvezően hat a tömörödés energiamérlegére, mivel a hőmérséklet emelkedésével a relatív falsúrlódási tényező is csökken. Természetesen a tömörítő csatorna felfűtésekor a hőmérsékleti korlátokat be kell tartani, ugyanis 100C fok feletti hőmérsékleten a farészekből kiáramló parciális vízgőznyomás negatívan hat a kialakult pellet tulajdonságaira, azaz adott nyomáson kisebb pelletsűrűség érhető el, ezáltal előfordulhat, hogy a pellet a tömörítést követően „szétesik".
Az állandó nyomáson tartott faanyag kúszik, vagyis tovább tömörödik. A por-forgács halmazok előzetes tömörítéses vizsgálatai (Prof. dr. Sitkei György által vezetett OTKA kutatások) azt mutatták, hogy még egészen kis összenyomásnál sem rendelkeznek a Hooke-féle rugalmassági tulajdonságokkal. A terhelési ciklus végén mindig visszamarad egy bizonyos mértékű deformáció. A deformáció nagy része a tehermentesítés során nem nyerhető vissza, a feszültség-deformáció viszony az idő mellett a feszültség nagyságától is függ, tehát nemlineáris viszkoelaszticitásról beszélhetünk. Mivel a faanyag nem lineáris viselkedést mutat a gyakorlatban a tömörítés hatására, ezért nehéz egzaktul meghatározni például az energiafelhasználás szempontjából kedvező gyártási paramétereket. Éppen ezért célzott alapkutatásokba kezdtek. A folyamatban lévő kutatások során a pelletálási folyamatra jellemző nyomófejeket készítettek. A tervezésnél kiemelt fontosságú volt a nyomórúd kihajlásra történő méretezése, hisz ez határozta meg a tömörödési magasságot, adott átmérő mellett. A nyomófej tervezésénél a fő szempont az volt, hogy olyan hosszú legyen a tömörítő csatorna, hogy a tömörítés végén a gyakorlatban előforduló hosszúságú pelletet kapjanak eredményül. Az elkészített nyomófejekkel történő mérések lehetővé tették, hogy a faanyag feszültség-deformáció (terhelés-alakváltozás) összefüggéseit az idő függvényében különböző mérési paraméterek figyelembevételével meg tudják határozni.
A nyomófej geometriai kialakításából adódóan lehetőségük volt a tömörödési tartományban (karcsúsított szakasz) a faanyagot előmelegíteni, vagyis a tömörödés hőmérséklet-függését is megvizsgálni. Ugyanis a hőmérséklet növekedésével a relatív súrlódási tényező csökken, vagyis ugyanazt a sűrűséget kisebb erőkifejtéssel és vele összefüggésben energiával tudják elérni. A hőközlést a nyomófej karcsú szakasza köré tekert szabályozható villamos fűtőszállal oldották meg.
A karcsúsított kialakításnak az a hátránya, hogy a falsúrlódás miatti nyomásesés nem lesz egyforma a tömörített pellet hossza mentén. Ugyanis minél nagyobb a tömörítő csatorna magasság/átmérő hányadosa (vagyis túl kicsi a csatorna átmérője a magasságához képest), annál nagyobb lesz a relatív falsúrlódás, vagyis annál nagyobb lesz a nyomáskülönbség és ezáltal a sűrűség is a pellet hossza mentén.
Előmelegíteni a faanyagot terjes keresztmetszetében viszont csak ilyen kis átmérőtartományban (jelenleg 6mm) lehetséges jó hatásfokkal, mivel a fa rossz hővezető (jó hőszigetelő). Ezért a további koncepció az volt, hogy még két átmérőtartományban (8mm és 16mm) vizsgálják meg a tömörödési folyamatokat és akkor össze tudják hasonlítani a méréseket (vagyis vizsgálni tudják a falsúrlódás befolyásoló hatását) úgy, hogy a kapott térfogatból visszaszámolják a sűrűségeket. Ehhez viszont a nyomófejet újra el kellett készíteniük a fent említett két mérettartományban.
Kutatás folyamata és jelenlegi állása
Az elsődleges vizsgálatok során fenyő, tölgy és akác légszáraz (-10-12 százalék) anyagokat forgácsoltak el. A gyakorlatban racionálisan is már por-forgács halmazállapotú alapanyagokat alkalmaznak pellet előállítására. Az így keletkezett por-forgácsot rezgő szitasorozattal különböző méretű frakciókra osztottak fel. Fontos volt ismerni a gyakorlatban pelletálásra kerülő frakcióméreteket, hiszen a méréseket is gyakorlat centrikusan hajtották végre. Ennek érdekében mintát vettek a kísérleti pelletáló utánaprítási frakcióiból, amiket szintén szitasorozattal osztályoztak.
A fentiekkel összefüggésben tehát különböző fafajokon, különböző frakció-összetétel és hőmérséklet viszonyok, valamint mérési paraméterek mellett vizsgálják a tömörödést. Ezen mérések és a kiértékelések jelenleg is folynak.
Az alapkutatás fő célja energetikai vonatkozásban az, hogy a különböző mérési paraméterek (fafaj, nyomás, szemcseméret, terhelési sebesség, nedvességtartalom, hőmérséklet, stb.) mellett vizsgálják az előállított pellet tulajdonságait és találjanak olyan optimális paramétereket (alapanyag tulajdonsággal és technológiai paraméterekkel összefüggésben), melyek lehetővé teszik a pellet előállítása során felhasznált energia optimalizálását a minőség megtartása, esetleges fokozása mellett. Meg kívánják határozni azokat a befolyásoló paramétereket/tényezőket, melyek kedvezőtlenül hatnak a pellet tulajdonságaira.
A por-forgács halmazok tömörödésével összefüggő hazai és külföldi szakirodalom hiányos, ezért jelen kutatásaikkal jelentősen hozzá kívánnak járulni mind az elméleti (a por-forgács halmazok tömörödésével összefüggő mechanikai modellek, törvényszerűségek megfogalmazása), mind pedig a gyakorlati (a pelletgyártási technológiák energiafelhasználásának racionalizálása tekintettel a minőségi követelményekre) ismeretek bővítéséhez.