Fizika | Energetika » Regősné Knoska Judit - Porszén és biomassza elégetése

KORSZERÛ ENERGETIKAI BERENDEZÉSEK 4.1 2.8 Porszén és biomassza elégetése Tárgyszavak: porszén és biomassza elégetése; égetésmodellezés; emissziók; toxikus anyagok; korom; kátrány. A szén 27%-át adja a világ primerenergia-felhasználásának. A világ áramtermelésének 34%-a szén (elsősorban porszén) alapú. A fejlett országokban áttértek a földgázalapú áramtermelésre a CO2-emissziók Kyotoi Jegyzőkönyv szerinti csökkentése érdekében A fejlődő országokban ugyanakkor tovább nő a szénfelhasználás részaránya. A széntüzelésű erőművek hatásfokának növelése csökkenti a CO2emissziót, és meghosszabbítja a szénforrások élettartamát. Egyre több erőművet állítanak át biomassza-tüzelésre A porított tüzelőanyagok esetében nagy (0,5-1 MW/m3) az égés intenzitása és a hőszállítási sebesség (0,1–1 MW/m2), ezért jól alkalmazhatók fluid ágyas rendszerekben is. A porszén elégetése A szén égetésének

folyamata (1. ábra) alapján kidolgozhatók a számítógépes modellezés alapjául szolgáló almodellek A porszén elégetésekor a szenet 5–400 µm-es szemcseméretűre őrlik, összekeverik az égetési levegő egy részével, amely a szenet az égőhöz szállítja. Az égő bemeneténél a szenet összekeverik a szekunder égetési levegővel, a megfelelő égetési feltételek kialakítása érdekében. A kis NOx-kibocsátású égőkben a pótlevegőt másodlagos és harmadlagos levegőre osztják Homlok- vagy tangenciális tüzelést alkalmaznak A levegőáramok és az égő hőkibocsátása közötti kölcsönhatások meghatározzák a szénrészecskék kémiai reakciójának sebességét, a primer és a szekunder reakciózónák sztöchiometriai viszonyait, hőmérsékletüket, valamint a láng stabilitását, a faszén kiégését, az NOx-képződést és a hamu el nem égett széntartalmát. A reakciósebességeket a hőmérséklet-eloszlás és a reakcióidő mellett

az illó anyagok és a szabad gyökök turbulens keveredése, az égéstermékek és a turbulenciának a faszén kiégésére gyakorolt hatása határozzák meg. Számítógépes áramlási modellekkel (CFD, computational fluid dynamic modell) leírható a szén égetőkamrában történő elégetésének folyamata, de a tervezéskor szükséges a mennyiségi eredmények ismerete is. A szén égését leíró modellek legtöbbje egyszerűsített égési és párolgási lépésekből áll, a számítástechnika korlátozott volta és a szén égetése során lezajló folyamatok pontos ismeretének a hiánya miatt. A szén égését leíró modellek négy lépés ből állnak: hevítés, párolgás, az illó és a szilárd anyagok elégetése. A modellekkel előre jelezhető a teljesítmény, az NOx-képződés és a hamu el nem égett széntartalma. heterogén reakciók homogén reakciók NO-képződés és bomlás hamu deszorpció (-CNO) a kiégés kémiája NO magas

hőmérsékletű bomlás NHx N2 adszorpció (-CNO) NO (-CO) + N2 HCNNCO NO faszén gyökök képződése CHx, NHx, O, H, OH a faszén égési modellje szén illó anyagok alacsony hőmérsékletű párolgás hő 1. ábra A szén elégetésének folyamata CO CO2, H2O Az égetőkamra teljesítménye Az égetés első lépése a szén és biomassza osztályozása. A szén égési tulajdonságai a szén fűtőértékét és a láng hőmérsékletét meghatározó elemi széntartalom növekedésével javulnak. A szén illótartalma meghatározza a láng stabilitását, a fix karbon és illóanyag aránya pedig a láng egyéb tulajdonságait. Az osztályozási módszerek alapja a szén elemi C- és H-tartalma közötti összefüggés alapján felvett „elszenesedési diagram”, amely az öregedés (átalakulás) fokát jelzi. Az ún vitrinit visszaverődési együttható a szén és a belőle keletkező kátrány reaktivitásának jelzője Az együttható változása az

elemi széntartalom függvényében a változik (2 ábra) vitrinit-visszaverődés antracit kis illóanyag-tartalmú nagy illóanyag-tartalmú Rmax, % szub-bitumenes lignit 2. ábra A vitrinit-visszaverődés változása a széntípus függvényében A hamu tulajdonságait befolyásolja az égetőberendezés kialakítása. A kazánokban a túlhevítő csövek térköze és a hamueltávolító elhelyezése függ a hamu mennyiségétől és salakosodásától. A szuperkritikus állapotú kazánoknál nagyobb a hőáram és a kemencéből távozó gáz hőmérséklete A szénhez 60–80%-ban ásványi anyagok (agyag, karbonátok, pirit, kloridok, szulfátok, nitrátok) kötődnek, amelyek mennyisége fontos az égetőkamra teljesítménye szempontjából, de nem befolyásolják jelentősen a szén égési tulajdonságait. Az inert hígítóanyagok jelenléte ugyanakkor kihat a láng hőmérsékletére és a keletkező CO2 mennyiségére A hamutartalom és a hamu tulajdonságai

befolyásolja salakosodást, az eltömődést és a hamu el nem égett széntartalmát. A szénrészecskék hevítését egyszerű égetési modellel írják le. A sugárzás vagy konvekció útján történő hőátadást, illetve a szénrészecskék fajhőjét nehéz mennyiségileg meghatározni. Miután a folyamatok gyorsan mennek végbe, a szénrészecskék felfűtési sebessége meghatározza a párolgás során keletkező termékek jellegét: nagyobb fűtési sebességek esetén több illékony vegyület keletkezik. Szükséges a részecskék mozgásának ismerete és a bomlás matematikai modellezése, amely során feltételezik, hogy a részecske-részecske kölcsönhatás elhanyagolható, a részecskék nem reagálnak, illetve nem hasadnak a felmelegítés vagy a kiégetés során. Az átmérő változása kihat a reakció előrehaladására Több egyenlet ismert a párolgás vagy az oxidáció során az átmérő és a részecsketömeg közötti összefüggés

leírására Szükséges továbbá a részecskék gázáramban végzett felhevítésének a meghatározása a részecske hőmérséklet időbeni változásának a sebességét leíró hőmérleg segítségével. A részecskék fajhője függ a részecskék hőmérsékletétől: kezdetben nő, 772 K-en maximális értéket ér el, majd csökken, 1 és 2 kJ/kg, K között nem lineárisan változik. A párolgás kezdetekor – különösen a nagy nedvességtartalmú szén esetén – csökken a hőátadás sebessége. Az égés akkor kezdődik, amikor a részecskék hőmérséklete eléri a gyulladási hőmérsékletet. Az illékony vegyületek gyors kiáramlása a hűtő közelében és az el nem égett részecskék csökkentik a gáz hőmérsékletét, és sugár irányú sebességteret hoznak létre, amely elvezeti a környező gáz hőjét. A forró gázból vezetéssel történő hőátadás sebessége sugárirányú vezetés/konvekció-egyenlettel írható le, amelynek a megoldása

a részecskét érő hőáramot adja meg A gyors párolgás során mintegy felére csökken a hőátadás. A párolgás nem homogén folyamat, az anyag egy része max. 1 m/s sebességgel kiáramlik a pórusokból vagy a lyukakból Az egyszerű molekuláris diffúziómodell tehát nem alkalmas ezen folyamatok mennyiségi leírására Néhány párolgási modell jelezheti a részecskék átmérőjének a változását a hevítés és a cseppfolyósodásuk függvényében, valamint a buborékok képződését a gázfejlődés miatt. Kölcsönhatás figyelhető meg a tüzelés kezdeti szakaszában a tüzelési sebesség, a párolgás kinetikai modellje és a faszén égése között. A teljes párolgási folyamatot leíró modell kidolgozásakor két eset vizsgálatára került sor – Hagyományos láng esetén (1673 K) a részecske felmelegedése elsősorban hővezetéssel történik. Fontos a részecskék sugárzási vesztesége a lánghőmérséklet elérésekor 50 µm kezdeti

szénrészecskeátmérőnél az idő–hőmérséklet görbe exponenciális, a végső hőmérséklet felének eléréséhez szükséges idő 10 ms – A csöves kemencében a részecskék fűtése a fűtött falból történő sugárzással és az előmelegített gázokból történő hővezetéssel megy végbe. 1673 K falhőmérséklet esetén a véghőmérséklet felének eléréséhez szükséges idő sugárzás esetén 15 ms, sugárzás és hővezetés esetén 5 ms. Egy nagyságrendnyi különbség van a fűtési sebességek között a tagolt és az egyfokozatú égők esetében. A párolgás korai szakaszában az illó vegyületek felszabadulásának sebessége azonos nagyságrendű a fizikai hőszállítás sebességével. Ha a fűtési sebesség 104 K/s-nél nagyobb, a gáz és a részecske hőmérséklete közötti különbség korlátozza a hőszállítást. A külső hőszállítási mechanizmusok (sugárzás, vezetés/konvekció) lassabbak a belső, vezetéssel

történő hőszállításnál, ezért csak a két külső modellt kell figyelembe venni. Az elmúlt 40 évben több párolgási modellt fejlesztettek ki, amelyek többnyire a komplex párolgási megközelítést alkalmazzák. A legegyszerűbbek egy- vagy többlépcsős tapasztalati modellek, amelyekben az Arrheniusegyenletekkel írják le a súlyveszteség időbeni változását. Ezek az egyenletek azonban inkább biomassza vagy műanyag esetében alkalmazhatók. A kétlépcsős modellek figyelembe veszik a fűtési sebesség hatását az illékony frakció keletkezésének a jelzésére. Egy másik megközelítés az aktiválási energiamodell, amely feltételezi, hogy a párolgás párhuzamosan végbemenő reakciókon át zajlik. A modell – amely új paraméterként bevezeti az aktiválási energia deviációjának fogalmát – a szén fiziko-kémiai szerkezetén és a részecskék pirolízisén alapul, és több széntípusra és folyamatparaméterre kiterjesztve

általánosítható. A modell segítségével jelezhető a cseppfolyósodás és a faszén szerkezetének változása a párolgás során. Három számítógépes modell terjedt el, amelyek segítségével jelezhetők a szén párolgása során keletkező vegyületek. Az FG-DCV (funkciós csoport depolimerizálás, párolgás) modellel becsülhető továbbá a faszén, kátrány és a gázfázisú termékek kitermelése és meghatározható a nitrogén megoszlása a szén, a kátrány és a gáz fázisú termékek között. Az illékony vegyületek égése az alábbi egyenletek szerint zajlik: illékony vegyület + O2 CO + H2O CO + 0,5 O2 CO2 A sebességet a keveredés sebessége határozza meg, és számítógéppel modellezhető. A láng hőmérsékletét a keletkező illó vegyületek égéshője határozza meg Az illékony vegyületek elégetésekor a turbulens, nem kevert lángokban nincs kémiai egyensúly a gyökök koncentrációja, a kioltás, a koromképződés és a

szennyeződések keletkezése tekintetében. Ezt a turbulens áramlás számítása során a lamináris lángréteg-megközelítéssel veszik figyelembe A reakciózóna szerkezete a turbulens áramlás során azonos a látszólag állandó, egydimenziós lamináris lángéval. A turbulencia a láng torzulását eredményezi A torzulás mértéke befolyásolja a koncentráció-gradienst a reakciófelületen, amelyet a skalár disszipációs sebesség fejez ki. A láng felületének skalár disszipációja leírja a láng diffuzív–-reaktív jellemzőit. A szén illó alkotórészeinek az elégését leíró lángrétegmodellben a helyi hőmérsékletet és a vegyületek koncentrációit a keverék összetétele befolyásolja. A turbulens láng lamináris lángrétegekből áll, amelyeket a hidrodinamikai áramlási mezők megnyújtanak és eltorzítanak A lángrétegmodellben feltételezik, hogy a lángfront görbületének sugara sokkal nagyobb, mint a vastagsága, ezért a

lángrétegáramlási mező esetében alkalmazható a határrétegfeltétel Az egyenletek megoldhatók a hőmérsékletre és a koncentrációkra, mint független változókra. A megoldások adják a lamináris lángrétegprofilokat A CFD-modell (a számítógépes folyadékáramlás-dinamikai modell) alkalmazásakor a keverékek termokémiai változóinak adatbázisát fel kell készíteni az „OPPDIF”-kódhoz való alkalmazásra. Legyen példa a lángréteg megközelítésre és az „OPPDIF”-kód alkalmazására az illó vegyületek oxidációja és nitrogén-oxidok képződése az égetés során. Megoldják az energiamegmaradás egyenleteit, és leírják a kémiai reakciókat lamináris lángréteg esetén. Bemeneti adat az illékony vegyületek összetétele, az összetétel időfüggvénye. A teljes kitermelést a párolgási sebesség határozza meg, a kitermelés összetétele a részecskék élettartamával változik Az illó anyagok másodlagos reakciókban is részt

vesznek. A kátrányok tüzelőanyagban gazdag terekben képződnek, és a kátrány elégése előtt korommá alakulnak. A domináns folyamat a másodlagos pirolízis alatt 1000 K feletti hőmérsékleten a kátrány korommá alakulása, amelyet a kátrány oxigéntartalmának CO-á, a hidrogéntartalmának H2-é, a nitrogéntartalma 2/3 részének HCN-é alakulása kísér. A nitrogén maradéka a koromba kerül A nagy kátránymolekulák a koromba kerülnek, és nem alakulnak át kis molekulákká. A szekunder pirolízis kezdeti szakaszában a kátrányból történő koromképződés a domináns reakció. A C2H2-addíció jelentős lesz a reakció előrehaladásával a kátránymennyiség növekedése során, mert a koromba kerülő nitrogén mennyisége állandó marad, míg a korom mennyisége nő, azaz a korom tömegének a növekedését nitrogénmentes vegyületek okozzák. A teljes korommennyiség egyenlő a kátrányból és a gáz fázisból származó korom

mennyiségével. A gázfázisú vegyületekből a párolgás során keletkező korom meghatározásának modellje figyelembe veszi a koromszemcsék képződését, növekedését, oxidációját, a termofór hatásokat, valamint a korom/NOx kölcsönhatásokat. Tüzelőanyagban gazdag körülmények esetén a primer zónában vagy a kiégés során jelentős a korom/NOx-kölcsönhatás, amely a primer reakciózónában keletkező gyökökön át zajlik. A kátrány másodlagos reakciói három, egymás mellett zajló reakcióval modellezhetők, amelyekben korom, hidrogén, könnyű szénhidrogének és CO keletkezik. Az „FG-DCV”-modellel jelezhető a szén nitrogéntartalmának az eloszlása a pirolízis termékei között (HCN képződése másodlagos reakciókban, koromba kerülés). A lángréteg modell alkalmazható akkor is, ha – információt akarunk nyerni a szabad gyökök és a nem stabil vegyületek természetéről, – az illó vegyületek nitrogéntartalmának

és az NOx-emisszióknak a meghatározásakor. Az NO mennyisége kezdetben gyakorlatilag nulla, mert a jól kevert szakaszokban elegendő idő áll rendelkezésre a reakciók lezajlásához és a láng hőmérsékletén a koncentrációk közel vannak az egyensúlyi értékekhez. A láng szerkezetét levegőáramminták és a kémiai hőkibocsátás sebessége alapján határozzák meg. A tüzelőanyag/levegő keverék összetételének az éghetőségi határon belül kell lennie. Az összetételt a hőstabilitás, a kémiai hőkibocsátás sebessége és a hőveszteség határozza meg. A széntüzelés esetében ez a levegősebesség, a levegőfelesleg és a szén részecskeméretének a függvénye. Az első paraméter csökkentésekor, illetve a második két paraméter növelésekor nő a láng stabilitása Fontos az égő paraméterezése, mert ez befolyásolja a gázsebességeket. A lángfront stabilitását a gázfázisban levő illó vegyületek koncentrációja, a levegő és

az égési sebesség határozza meg. A szén égésének folyamatában (3. ábra) három zóna figyelhető meg • • szén-faszén illó anyag a szénből távozó illóanyag-tartalom oxidált faszéntermékek faszén nyers szén hőátadás sugárzással és konvekcióval hamu folyadék η2 = a szénből távozó illóanyag-tartalom η1 = a gázfázis teljes tömege a szénből távozó összes anyag a gázfázis teljes tömege gőz 3. ábra A szén égésének folyamata, az illó vegyületek és a faszén képződésének a bemutatásával – I. zóna: irányító lépés a kémiai reakció Ebben a zónában a mért aktiválási energia egyenlő a valós kémiai aktiválási energiával, a reakció rendje azonos a kémiai reakciók rendjével. Miután a reakció sebessége a pórusokban lassú, a reagáló oxigén gyorsan pótlódik a külső rétegből – II. zóna: a reakciósebesség a kémiai reakciók és pórusokból történő diffúzió sebességével

jellemezhető. A részecskefelszín hőmérsékletének a növekedésével a szén és az oxigén közötti reakció olyan gyors lesz, hogy az oxigénkoncentráció a pórusokban kisebb, mint a gázkoncentráció, a részecske belsejében pedig nulla. – III. zóna: magas hőmérsékleteken a részecske felszínén a reakció olyan gyorsan végbemegy, hogy az oxigénkoncentráció a részecske felszínén nullára csökken. Az aktiválási energia kicsi A reakció sebességét az oxigénmolekuláknak a környező gázból a külső felületre való átvitelének sebessége irányítja. Általános gyakorlat, hogy a faszénégés sebességét arányba állítják a külső felszínével. Az aktiválási energián alapuló Baum-Street-modellt és a belső reaktivitás modelljét alkalmazzák. Az utóbbi modellel kifejezhető a kémiai reaktivitás, kizárva a belső felület hatását Lehetőség van különbséget tenni az egyes szénféleségek reaktivitása között, a heterogén

folyamatok alapján. A faszén égetésének alapmechanizmusa: 2Cf + ½ O2 = 2 C(O) C(O) CO + Cf C’(O) + C’(O) CO2 +Cf ahol Cf a szén szabad aktív helye, C(O) immobil vagy mobil felszíni oxigénvegyületek. Két típusú (gyengén és erősen) adszorbeált oxigén létezik A gyengén kötött atomok molekuláris oxigént képeznek E megközelítés alapján meghatároztak egy egyenletet a szénoxidáció teljes aktivációs energiájának a kiszámítására. Állandósult állapotot feltételezve, a reakciósebességet kis hőmérsékleteken a deszorpció, közepes hőmérsékleteken a migrálás, magas hőmérsékleteken a disszociáció irányítja. A fluid ágyban és az égetés során a domináns reakció a CO keletkezése. Magasabb hőmérsékleteken az aktív helyek száma csökken, a szén grafit jellegű lesz. A hét aromás gyűrűt tartalmazó grafén szerkezetet alkalmazzák molekuláris modellezésre egy aktív hely stimulálásához. A mechanizmus magában

foglalja szemi-kinon csoportok képződését és CO-felszabadulást. A belső reaktivitás értékek megkaphatók kis (500–100 oC) hőmérsékleteken vagy a láng, vagy a csöves kemence hőmérsékletén. A kinetikai adatok az oxigéntartalom függvényében 1 vagy 0,5 értékűek, de 0 és 1 között is változhatnak az égési körülmények függvényében. A 0,5 érték a legtöbb esetben megfelelő. Problémát jelent, ha ezen értékeket légköri nyomásnál nagyobb nyomásértékre extrapolálják, ez azonban ritkán fordul elő, mert kevés égetőmű üzemel növelt nyomáson. A faszén heterogén égetése kémiájának leírását nehezíti a párolgási és a szénégetési folyamatok közötti átfedés, mert a faszén elégetésének kezdeti szakaszában jelentős mennyiségű hidrogén van a szénben. A belső reakciósebesség-modell esetében a méréseket magas hőmérsékleten hajtották végre, ahol diffúzió zajlik. A belső reaktivitásokat 500–1000 o

C-on mérték hőgravimetriás elemzővel. Ezen a hőmérsékleten a katalitikus reakciók a jellemzőek. Miután a katalitikus reakcióknak kisebb az aktiválási energiájuk, mint a C-O2-reakciónak, nagyobb hőmérsékleteken nem jelentősek, kivéve a Ca-tartalmú szeneket. Nehéz meghatározni, hogyan változik a felületi felszín a szénrészecske élettartamával. A pórusmodell két megközelítést – az izolált és a véletlenszerű – alkalmaz. Bizonytalan az adatok pontossága, bár a II és a II/I zónákban a mikro- és mezoporozitás korlátozott. A 4 ábra a felület változását mutatja be az égés során. szénfajták Thoresby –––– Pittsburg felület – ·· – Betts Lane – – –⋅Asfordby a kiégés %-a 4. ábra A faszén felületének alakulása a szén kiégésének a függvényében A szennyeződések ellenőrzése Az égetőberendezések tervezése során fontos a szennyeződések ellenőrzési módszertanának megfelelő kialakítása.

Egyre szigorodnak az előírások a savas gázok, NOx, SOx, CO2, az illékony szerves szénvegyületek (VOC), a policiklusos aromás szénhidrogének (PAH), a dioxinok és a szilárd szennyeződések mennyiségének vonatkozásában. A CO2-emisszió minimálisra csökkenthető a termodinamikai hatásfok javításával (és ezáltal kevesebb tüzelőanyag felhasználásával), illetve szuperkritikus állapotban üzemelő NO-képződés, ppm égetőberendezések alkalmazásával. Az SO2-t a füstgáz kéntelenítésével távolítják el A szén égetésekor keletkező NOx-nek 80%-a a szén nitrogéntartalmából származik. Vizsgálták az NO és a CO keletkezését és lebomlását A reakciók érzékenyek a szén reaktivitására, sebességük az égetési reakció sebességének a növelésével csökken. A CO a faszén felületén végbemenő oxidáció során keletkezik Az NO-konverzió az NO/CO-arány csökkenésével nő Az NO redukciót a szénfelszín által katalizált

reakció és a szén szabad felületén megkötődött oxigént adó szén okozza. A CO redukciója alacsony hőmérsékleten zajlik, a megkötött oxigénnel reagálva CO2 keletkezik A hőmérséklet növelésével a megkötött oxigén deszorpciójának és a CO keletkezésének a sebessége nő, csökkentve a kötőhelyeket és ezáltal a fenti reakció jelentőségét A reakciókat felhasználják a Langmuir-Hinshelwood-modell esetében az NO CO jelenlétében történő redukciójának a leírására. A korom és az NO reakciója modellezhető: – von Gersum és Roth modelljével (a korom felületi oxidációja NO, O és O2 segítségével) és – az NO redukciója korommal. Az első modell egyszerűbben alkalmazható, a második pontosabb eredményt ad (5. ábra) tüzelőanyag nitrogéntartalma, % 5. ábra NOx keletkezése a tüzelőanyag nitrogéntartalmának a függvényében (különböző tüzelőanyagokkal készített mérések eredményei) A szén égése során a

hamuban kis mennyiségű el nem égett szén marad. Az el nem égett hamu mennyisége a kis NOx-égők használata során nőtt (a kisebb hőmérséklet és a kisebb oxigéntartalmú égetési zóna miatt), csök kentve az égetés hatásfokát. A keletkező hamu nem használható fel az építőiparban, mert széntartalma meghaladja az 5%-ot Az el nem égett szén részlegesen elégett cenoszférákat, tömör szénrészecskéket és kormot tartalmaz. Modellezni kell a porózus faszén képződését és szerkezetét, mert ezek befolyásolják az égési tulajdonságokat (6. ábra) a faszén oxidációmodellje statisztikai változók CBK-modell (HURT) belső reaktivitás hőkezelés teljes reaktivitás Suuberg-modell fizikai tulajdonságok a hamu hatása szénvizsgálat 6. ábra A hamu el nem égett széntartalmának számítógépes modellezése Ez problémát vet fel a belső reaktivitással, a hamuképződéssel és a szén heterogenitásával kapcsolatban. Az

erőművekben felhasznált szenek esetében nem találtak összefüggést a meddőtartalom és a pirolízis során keletkező szénhidrogéngázok között. A szén égése során keletkező faszén 80%-ban szenet, 10%-ban üreges cenoszférákat és szilárd maradékot tartalmaz. A szén égésének utolsó szakasza jelentősen befolyásolja a szén kiégését. A faszén magas hőmérsékleten deaktiválódik, amit a szén átalakulásának csökkenése is mutat. A deaktiválási folyamatot befolyásolja a szén és a szervetlen anyagok (hamu) közötti kölcsönhatás, a részecskék makroporozitása és a faszén morfológiája. Kiemelt szerepe van a termikus deaktiválási mechanizmusnak A hamu deaktiválása a hamuréteg képződése miatt szintén fontos Nem teljes az égés, amikor a faszén nem reagál elég gyorsan, ami kiizzításhoz vezet, és csökkenti a szén reaktivitását. A lángban reagáló gázfázis nem homogén, az örvények és a kis oxigéntartalom szerepet

játszik a láng kioltásában. Az oxigénkoncentráció felére csökkentése 5-öd részére csökkenti a reakciósebességet, amelynek eredményeként el nem égett VOC-vegyületek és szén keletkezik. Egyre terjed a szénkeverékek erőművekben való alkalmazása. A szénrészecskék nem lépnek kölcsönhatásba egymással, de kölcsönhatás lép fel az illó alkotórészek között, ami befolyásolja a láng hőmérsékletét, együttes hatásuk pedig a párolgást. A szén kiégését tehát az égési hőmérséklet irányítja A fentiek alapján tehát a szenek tulajdonságai nem additívak az összekeverésük során és sok függ az égetés módjától. Ha egy nagy és egy kis illóanyag-tartalmú szenet kevernek össze, a viselkedésük eltérő az egyszerű égőben (vagy csöves kemencében) és a tagolt égőben. Ennek oka, hogy a nagy illóanyag-tartalmú szénből származó illó anyagok felhasználnak bizonyos mennyiségű oxigént és a két szénből

keletkező faszén ezután elég a maradék oxigénnel. A szén égési tulajdonsága függ az illóanyag-tartalomtól A tagolt égőben további oxigént adagolnak a faszén égésének szakaszában (szekunder vagy tercier levegő), a szén másodlagos égését nem befolyásolja az illóanyag-tartalom. Ez a komplex viselkedés a CFD-modellel írható le A porszén elégetése során toxikus emissziók (a nem teljes égés termékei) távoznak a környezetbe (VOC-ok, PAH-ok). A tartózkodási idő egy hagyományos égetőberendezés magas hőmérsékletű zónájában 2 s. A gázok 3 s alatt 1500 oC-ról a füstgáz hőmérsékletére (200 oC) hűlnek. Lamináris láng esetén teljes égés megy végbe, és csak az egyensúlyi CO-mennyiség és az el nem égett szénhidrogének emittálódnak. A valóságban a VOC-ok, a PAH-ok és a CO mennyisége néhány nagyságrenddel nagyobb, mint azt az egyensúlyi számítások alapján becsülték. Ennek oka turbulens örvények keletkezése.

A jó keveredés csökkenti a VOC-emissziót A szén mérgező elemeket (Hg, Pb, Cd, As, Ni) tartalmaz. Az illékony toxikus fémek (pl Hg, Pb) és a mikrométernél kisebb méretű szilárd anyag emissziója kiemelten kezelendő a porszén elégetésekor, mert nem választhatók le a gáztisztítókban. A mikrorészecskék salakot (amelyen a toxikus fémek kondenzálódnak) vagy toxikus fémkondenzátumot tartalmaznak Az emittált fémek egyensúlyi összetétele és megoszlásuk a salak és a levegőbe kerülő vegyületek között könnyen kiszámítható. Nehézséget okoz, amikor szelektív kondenzációs folyamatok zajlanak, és nem egyensúlyban levő vegyületek keletkeznek. A biomassza elégetése Kiemelten fontos az elégetésre kerülő biomassza osztályozása, annak érdekében, hogy a berendezést üzemeltetők ismerjék a betáplálásra kerülő biomassza tulajdonságait. A biomassza elégetés szempontjából fontos jellemzői a keletkező kátrány mennyisége, az

illóanyag-tartalom és az O2-vel való reakcióképesség. A biomassza csoportosítása: – hulladék alapú (szennyvíziszap, szemétből kivont tüzelőanyag) – növényi alapú (fű, növényi szár, szalma), – vizes alapú (moszat), – faalapú és – egyéb biomassza. H/C-atomarány Az egyes csoportok fizikai és kémiai tulajdonságai jelentősen változnak, ezért maga a csoport nem használható fel a biomassza tulajdonságainak a jelzésére. A biomassza fűtőértéke 10–20 MJ/kg száraz anyag A biomasszák három fő alkotórészből (cellulóz, hemicellulóz és lignin) állnak, az alkotórészek egymástól függetlenül viselkednek. A biomassza várható viselkedésének jelzése az egyes alkotórészek tulajdonságain alapul A biomassza alkotórészei közötti lehetséges kölcsönhatások azonban nem magyarázhatók meg, ezért a megközelítés megbízhatatlan, mert a komponensek összetételének a változása függ a forrásuktól. Egy alternatív

megközelítés a szén osztályozásából átvett rendszereket alkalmazza. Ez az osztályozási mód a van Krevelen-diagramon alapul (7 ábra), amely szerint az a biomassza, amely beletartozik a diagramon kialakított csoportokba, hasonló tulajdonságú, tekintet nélkül a besorolási csoportjára. O/C- atomarány 7. ábra A biomassza osztályozására használt van Krevelen diagram ◇ – cellulóz, † – fa, △ – lignin, ⊏⊐ – szalma/fű, x – vegyes, • – ? A szén elégetéséhez hasonlóan a biomassza elégetése is három lépésből áll: átalakulás faszénné és illó anyagokká, az illó anyagok és a faszén elégetése. A szén égetésekor a szárítás a párolgási folyamat része A biomaszsza nagy víztartalma jelentősen befolyásolja az égetés folyamatát, ezért egy különálló szárítási lépcsőt iktatnak be a technológiai sorba. A párolgási folyamat modellezését a funkcionális csoportmegközelítéssel (FG) végezték, a

kísérletek során búzaszalmát alkalmaztak A kapott eredményeket összehasonlították a szén hasonló körülmények között végzett égetése során nyert eredményekkel A bemenő paraméterek az FG-DVC során kapott eredmények és TGA-vizsgálatok eredményei voltak. A szalma párolgási sebességét TGAadatokból, elsőrendű kinetikát feltételezve számították A modellezés Több kutató modellezte az égést csöves kemencében, CFD-szoftvercsomag alkalmazásával. 130 µm részecskeméretű Thoresby szenet alkalmaztak tüzelőanyagként, 8 tf% O2/N2 volt az oxidálószer A teljes párolgási sebesség modellt alkalmazták Thoresby szénre felvett FG-DVC súlyveszteség–idő görbéknél, 105 K/s fűtési sebesség esetén. Összehasonlították a faszén-kialakulás előre jelzett és kísérletek során kapott értékeit. A Baum-Street modell túlbecsüli a faszénkeletkezést, míg a belső reaktivitás modellje pontosabb, különösen a diffúziós hatások

vizsgálata során. A CFD-modelleket elterjedten alkalmazzák erőművek kazánjainál és kemencéinél. Az égetési vizsgálatok során az NOx-képződést és a hamu el nem égett széntartalmát elemezték. A kis kibocsátású NOx-égőkben a keletkező NOx túlnyomó része a faszén elégésekor keletkezik, a nitrogén oxidálódása mellett. Az NO-á alakulás mechanizmusának és hatásfokának a modelljeit használják fel az égők tervezése során. Az el nem égett szén keletkezésekor kis reakciósebességű folyamatok zajlanak. Gyakran a szén elégetésével kapcsolatos ismereteket alkalmazzák a biomassza elégetésekor is. A számítógépes modelleket módosítani kellett a kisebb hőmérsékletek figyelembevétele érdekében. A szalma és a fűrészpor ugyanakkor úgy égett, mint a porszén. (Regősné Knoska Judit) Williams, A.; Pourkashanian, M: Combustion of pulverised coal and biomass = Progress in Energy and Combustion Science, 27. k 6 sz 2001 dec p

587–610 Williams, A.; Pourkashanian, M stb: The combustion and gasification of coal London: Taylor and Francis, 2000