Ugrás a tartalomhoz

Környezettechnika

dr. Barótfi István

Mezőgazda Kiadó

1.5. A biomassza energetikai hasznosítása

1.5. A biomassza energetikai hasznosítása

A biomassza a napenergia energiacélú közvetett hasznosítása a biológiai jelenségek tudatos alkalmazásával. A mező-és erdőgazdasági termelés tulajdonképpen a napenergia transzformációja: a Föld felszínére érkező napenergiát a növényi klorofil kémiai energiává alakítja át, amely táplálék, élelem, nyersanyag, energiaforrás stb. A jelenlegi energiaforrásaink (szén, kőolaj, földgáz) is az évmilliókkal ezelőtt földre érkezett napenergia biológiailag megkötött és tárolt alakja. A MTA egyik vizsgálata szerint az egyéb célra már nem hasznosítható melléktermék évi mennyisége 277 × 1016 Joule, amelyet potenciális energiaforrásnak is lehet megcélozni.

A biomassza fogalom alatt

  • a szárazföldön és vízben található, összes élő és nemrég elhalt szervezetek (mikroorganizmusok, növények, állatok) tömegét,

  • a mikrobiológiai iparok termékeit,

  • a transzformáció után (ember, állat, feldolgozó iparok) keletkező valamennyi biológiai eredetű terméket, hulladékot kell érteni.

(Maga az ember is biológiai tömeg, azaz biomassza, nem tartozik bele a biomassza rendszerezésbe, – de az ember által termelt melléktermék már igen.)

A biomassza keletkezése alapján:

  • elsődleges biomassza: a természetes vegetáció (mezőgazdasági növények, erdő, rét, legelő, kertészeti növények, a vízben élő növények),

  • másodlagos biomassza: állatvilág, illetve az állattenyésztés fő-és melléktermékei, hulladékai,

  • harmadlagos biomassza: a feldolgozó iparok gyártási mellékterméke, az emberi életműködés mellékterméke. A biomasszából előállítható termékek, a mindennapi szóhasználatban: élelmiszer, takarmány, ipari alapanyag, energiahordozó, szerves trágya, növényi tápanyag stb.

Hazánkban az évenként keletkező elsődleges biomassza 54 millió tonna (szárazanyagban számítva), amelyből a mezőgazdasági termelés 46 millió tonna, az erdészeti termelés 8 millió tonna.

Az elmúlt évek kutató-fejlesztő munkájának eredményeképpen egyeztetett állásfoglalás szerint az energiacélú hasznosításra évenként keletkezett mennyiség:

  • primer biomasszából, mezőgazdasági melléktermékből 251 PJ

  • secunder biomasszából (állattenyésztési hulladék) 91 PJ

  • tercier biomasszából (feldolgozás hulladékai) 75 PJ

E potenciál még tovább növelhető az erdészeti, faipari hulladékok mennyiségével, 4,9 millió tonna szárazanyagot megközelítőleg 30 PJ energiatartalommal.

Elméletileg bizonyított, hogy a művelt földterületeken évente átlagosan 25 GJ/ha elsődleges energiahordozó keletkezésével lehetséges számolni; – a szélső értékek 10–l00 GJ/ha, termelési kultúrától, művelési módtól függően. Ez az energiaforrás mint melléktermék, hulladék jelenik meg, évenként és szükségszerűen.

Az utóbbi években főleg az iparilag fejlett mezőgazdasággal rendelkező országokban az élelmiszer túltermelést a közvetlen energiatermeléssel tervezik levezetni: nő az energiacélra termesztett cukorrépa, édescirok, faapríték, burgonya (szeszkrumpli), manióka, gabonafélék stb. termelése, sőt a kifejezetten energetikai célra nemesített növény (pl. elefántfű) termelésre is. Ilyen megoldás a magyar mezőgazdaság számára is kibontakozási lehetőséget kínál az EU csatlakozás során.

A biomassza energetikai célú hasznosításának lehetőségeit az előállított energiahordozó halmazállapota szerint tárgyalják:

  • biomassza mint szilárd energiahordozó, hőenergiatermelésre,

  • alternatív folyékony energiahordozó, hajtóanyag céljára,

  • biogáz, tüzelő ás hajtóanyag céljára.

1.5.1. Szilárd halmazállapotú biomassza energiahordozó

Biomassza, mint szilárd energiahordozó tüzeléssel hőenergiatermelésre használható. Tüzelési célra a szántóföldi és erdőgazdasági melléktermékek ill. hulladékok egyaránt hasznosíthatók.

A szántóföldi növénytermesztés melléktermékei közül a különböző gabonafélék szalmája, a kukoricacsutka, kukoricaszár, valamint néhány egyéb növény szármaradványa használható fel tüzelési célokra is.

Az ültetvények melléktermékei közül a szőlővenyige és a gyümölcsfanyesedék jöhet számításba, valamint erdőgazdaságokban, fatelepeken, fafeldolgozó üzemekben keletkező, továbbfelhasználásra már alkalmatlan fahulladékok. (1.5. táblázat)

1.5. táblázat. Melléktermékek mennyisége és jellemzői

1-5. táblázat - Melléktermékek mennyisége és jellemzői

Melléktermék

Szalma-bála

Kukorica-csutka

Kukorica-szár

Napraforgó-venyige

Nyesedék-venyige

Fa-hulladék

Termelt mennyiség [106 t/év]

4,5–7,5

10,0–13,0

1,0–1,2

0,4–1,0

1,0–1,2

1,0–1,5

Eltüzelhető mennyiség [106 t/év]

1,5–2,0

3,0–4,0

0,4–0,6

0,3–0,4

0,5–0,7

0,5–0,7

Nedvességtartalom betakarításkor %

10–20

40–65

30–40

30–35

30–45

20–45

Nedvességtartalom tárolás után %

13–15

22–43

12–20

18–25

15–20

15–25

Fűtőérték [MJ/kg] (18% nedvességtart. mellett)

13,5

13,0

13,5

11,5

14,8

15,0


Keletkezési hely szerint vizsgálva a különböző melléktermékeket azt tapasztaljuk, hogy a szántóföldi melléktermékek nagytömegű előfordulása a kiterjedt szántóterülettel rendelkező megyékre (Bács-Kiskun, Békés, Szolnok, Hajdú-Bihar, Fejér, Tolna) jellemző. Az 1.23. ábra a melléktermékek megyénkénti előfordulását mutatja.

1-23. ábra - Melléktermékek megyénkénti előfordulása

Melléktermékek megyénkénti előfordulása


A mezőgazdasági melléktermékek között a legnagyobb energetikai jelentősége a szalmának van. Az elmúlt években közel 1,7 millió hektáron termeltek kalászos gabonát, s ennek 80%-án búzát. A statisztikai adatok szerint a gazdaságok a szalmának csak 59%-át takarították be valamilyen formában, a többi a tarlón elégetésre, vagy beszántásra került. Egyes vélemények szerint a beszántás, illetve a talajerő visszapótlás ezen módja lenne a hasznosítás legjobb formája. A nagy cellulóztartalmú anyag talajba juttatása azonban káros, ún. szénhidrát hatást vált ki, ami csak nagymennyiségű nitrogénműtrágya kiszórásával ellensúlyozható. A szalmafélék legnagyobb részét, évente mintegy 3 millió tonnát hagyományosan almozásra, istállótrágya készítésére használnak fel. A pillangósok, az árpa, a zab szalmájának jelentős tápértéke van. A búzaszalma ammóniás és nátronlúgos feltárással, valamint hőközléssel emészthetővé tehető és így állati takarmányként felhasználható. Az ipar a szalmát cellulóz előállításra, illetve papírgyártásra használja fel. A felhasznált mennyiség nem jelentős, és elsősorban csak a papírgyár környékén elhelyezkedő gazdaságokra terjed ki. A megtermelt mennyiségnek csak mintegy felét használják fel, a másik fele rendelkezésre áll hőtermelés céljára. A szalma égési tulajdonságai jók, betakarításkori nedvességtartalma alacsony (10–20%).

A szalmát ma általában kis-és nagybálásan takarítják be. A szalmabálák tárolása szérűn kazalba rakva végezhető. A jól fedhető négyszög keresztmetszetű, négy bála szélességű és négy bála magasságú kazalban 300–400 db bála helyezhető el. A szögletes bálák gondosabb takarást igényelnek, egyes helyeken fóliával takarják a kazlakat.

A szántóföldeken a legnagyobb mennyiségben a kukorica melléktermékei keletkeznek. A több mint 12 millió tonna melléktermék 90%-a a szár és levél, kb. 10%-a a kukoricacsutka.

A kukoricaszár hasznosítás jelenleg legelterjedtebb módja a beszántás, mely a vetésterület kb. 93–94%-án történik. A cellulózhatás elkerülése érdekében a talajba nagymennyiségű nitrogénműtrágyát is ki kell juttatni, ami jelentős mértékben növeli a költségeket.

A leveles kukoricaszár tápértéke valamivel nagyobb, mint a gabonafélék szalmájáé, így takarmánykénti hasznosítása is előnyösebb. A korán betakarított kukoricaszárból a kérődzők számára viszonylag jó minőségű siló készíthető. A nagybálákban betakarított kukoricaszár ballaszttakarmányként is számításba vehető. A különböző tények együttes hatására várhatóan a kukoricaszár 4–6%-át fogják takarmányozási célra felhasználni.

Hőenergia nyerés céljaira az új technológiákat is figyelembe véve igen jelentős mennyiségű kukoricaszár áll rendelkezésünkre. A tüzelésre való hasznosítást azonban a kukoricaszár magas, 40–65%-os nedveségtartalma nagyon megnehezíti. A nedvességtartalom nagysága nagyban függ a betakarítás időpontjától és a betakarításkori időjárástól. Sajnos ezideig még nem sikerült olyan technológiát találni, amellyel a kukoricaszár nedvességtartalmát nagyobb ráfordítások nélkül, természetes úton, 15–20%-ra lehetne csökkenteni.

Jelenleg a kukoricaszárat egyéb tüzelőanyagokkal keverve tüzelik a legtöbb helyen. Újabban a szár megszárításával és brikettálásával is próbálkoznak, így nemesített, jó minőségű tüzelőanyagot nyerünk, de jelenleg még igen drágán.

A kukoricacsutka nagyobb mennyiségben, kb. 50 000 ha vetésterületről a hibridüzemeknél áll rendelkezésünkre, ahol a főtermék betakarítása csövesen történik. A hibridvetőmag-üzemekben a csutka jól felhasználható a hőenergia előállítására, ugyanis a vetőmag szárítása csövesen történik, tehát a csutka is szárításra kerül. A keletkező nagymennyiségű 12–16%-os nedvességtartalomra leszáradt csutka fedezi a vetőmagszárítás hőigényét.

A kukoricaszárat szecskázva vagy bálázva takaríthatják be. A szecskázott kukoricaszár hosszabb időre nem tárolható. A kukoricaszár bálák tárolása is a nagy nedvességtartalmuk miatt fokozott gondosságot és körültekintést igényel. A bálák a bálázás után közvetlenül nem kazalozhatók, mert öngyulladás léphet fel. A bálákat egysorosan tárolják, így viszont azok nagy területet foglalnak el, és a beázás elleni védelem sem megoldott.

A szőlővenyige és gyümölcsnyesedék nagytömegű előfordulási helyei eltérőek a szántóföldi melléktermékekétől, és az egy-egy gazdaságban keletkező mennyiség is lényegesen kisebb (200–600 tonna). A szőlővenyigében és gyümölcsnyesedékben bővelkedő megyék: Bács-Kiskun, Borsod-Abaúj-Zemplén, Heves, Pest, Szabolcs-Szat-már, Zala. A szőlővenyige és gyümölcsfanyesedék önmagában is, de egyes helyeken a szántóföldi melléktermékekkel együtt jelentős tüzelő-anyagforrás lehet.

A nagyüzemi szőlőültetvények évenkénti metszése során keletkező venyige menynyisége jelentős (150–200 ezer tonna). Ennek a nagyobbik részét ma még a szőlősorokból történő kihúzást követően a szabadban elégetik. Kisebbik részét pedig, ahol erre megvannak az eszközök összezúzzák és a talajba keverik. A venyige viszonylag ma-gas fűtőértéke miatt jól tüzelhető. A venyige apríték, illetve a venyigebálák kazalban jól tárolhatók.

A gyümölcsfák ritkító metszése során évente valamivel kisebb, 4–5 évenként a felújítások során nagyobb mennyiségű nyesedék keletkezik. Az éves mennyiség kb. 400–500 ezer tonna. A nyesedék fűtőértéke a venyigéhez hasonlóan viszonylag magas és aprítva jól tüzelhető. A száraz körülmények között készített apríték kazalban jól tárolható.

1.5.1.1. Melléktermékek előkészítése tüzelésre

A melléktermékek a betakarítás és betárolás után legtöbbször még nem tüzelhetők el közvetlenül a tüzelőberendezésekben, hanem még különböző előkészítő műveleteket igényelnek.

a) Előfeldolgozás nélküli kiszolgálás

Azoknál a tüzelőberendezéseknél, amelyek tűzterében a mezőgazdasági melléktermékek a betakarítás utáni állapotban (bálázott, szálas, vagy szecskázott formában) elégethetők, a tüzelőberendezések kiszolgálása közvetlenül a tárolóhelyről történhet. A legtöbbször ilyen esetekben is a tüzelőberendezés közvetlen közelében, a naponta eltüzelendő mennyiség tárolására alkalmas előtárolót létesítenek. A kisméretű szalmabálák kézi rakodással és gépi szállítással juttathatók el és adagolhatók a tüzelőberendezés behordó szerkezetéhez.

A nagybálát egészben fogadni tudó tüzelőberendezések kiszolgálása közvetlenül traktoros homlokrakodóval vagy a tüzelőberendezéshez kialakított kötöttpályás anyagmozgató rendszerrel történhet a közelben levő előtárolóból. Az előtárolók feltöltésére a betakarításkor használatos rakodó és szállítóeszközök alkalmasak.

A hosszúszálú szálas anyagot fogadni képes tüzelőberendezések kiszolgálásához felhasználhatók a bálabontó gépek, amelyek a kötözőanyaguktól megszabadított különböző alakú és méretű, kis-és nagybálákat feldarabolva, szálas formában, szabályozható mennyiségben a tüzelőberendezés behordó szerkezetére adagolják. Egyes melléktermék-tüzelőknél a bálabontó szerkezet a tüzelőanyag adagoló szerkezet szerves része.

A szecskázva betakarított melléktermékek ömlesztve szállíthatók a tüzelőberendezéshez. A szállítójármű ürítése a fogadóasztalra történik, amelyről szabályozható mennyiségben adagolható az anyag a tüzelőberendezésbe. Az aprított tüzelőanyagot szállítócsiga, szállítószalag, rédler, vagy pneumatikus szállító adagolhatja és szállíthatja a tüzelőberendezésbe.

Egyes előtárolóknál hidraulikusan működtetett kitároló berendezés juttatja az anyagot a szállító rendszerbe. Egyszerű megoldás az, mikor fedett előtároló térből az ömlesztett anyagot traktoros toló-lappal juttatják a megfelelően kialakított fogadóműre, amely a tüzelőberendezés táplálását látja el.

b) Előaprítás

A rövid szecskával üzemelő tüzelőberendezéseket rendszerint aprító-szecskázó gépekkel is felszerelik, amelyek a kívánt méretűre darabolják a tüzelőanyagot és azt az előtárolóba juttatják.

A szálas anyagot szecskázni képes aprítók kiszolgálásához felhasználhatók a bálabontó adagoló gépek. Ezek a gépek közvetlenül az aprítóberendezésbe juttatják az elődarabolt szalmát vagy kukoricaszárat. A csak előaprított anyagot fogadó tüzelőberendezések melletti szecskázók elé bálabontó-aprító gépek állíthatók a technológiai sorba. Ezekkel a szükséges méretőűre előaprítható a kis-, vagy nagybálás tüzelőanyag.

c) Aprítás, keverés

A szecskázott melléktermékeket igénylő, aprító nélkül épült tüzelőberendezések kiszolgálására 4–5 cm méretű szecskát előállító szecskázók és zúzók használhatók. Hengeres és szögletes bálák aprítására egyaránt alkalmasak a bálabontó aprító gépek.

Az aprított melléktermékekkel üzemelő tüzelőberendezésekhez szükségesnek látszik olyan univerzális tüzelőanyag fogadó-gépsor kialakítása, amely nemcsak a szántóföldi melléktermékeket képes fogadni, hanem a szőlő és gyümölcsfanyesedék, vágástéri fahulladék fogadását és aprítását is megoldja.

A tüzelőanyag nedvességtartalmának beállításához, illetve a tüzelőanyag homogenitásának biztosításához szükség lehet az előtárolóba kerülő melléktermékek és egyéb, főleg ipari, papíripari-, faipari stb. hulladék-anyagok összekeverésére a tüzelő előtt. Különösen az őszi időszakban a nagy nedvességtartalmú kukoricaszár tüzelése esetén szükséges pl. gabonaszalma, fahulladék bekeverésével javítani a tüzelőanyag minőségét. A keverés a különböző anyagokat aprító berendezések, vagy az előtárolót töltő gépek párhuzamos üzemeltetésével lehetséges.

d) Brikettálás

A mezőgazdasági és erdészeti melléktermékek hagyományos tüzelőberendezésben való eltüzeléséhez az egyik lehetőség az anyag tömörítése. Ezt a gyakorlatban brikettálásnak vagy pelletálásnak nevezik.

Brikettnek nevezzük – az ismert prések adottságaiból kiindulva – az ∅ 50 mm vagy ennél nagyobb kör, négyszög, sokszög, vagy egyéb profilú tömörítvényeket, melyeket mező-és erdőgazdasági melléktermékekből állítanak elő. Brikettet dugattyús és csigás préseken gyártanak.

Pellet elnevezést kapott a körcellás, görgős préseken készített ∅ 3–25 mm-es tömörítvény, mely a takarmányliszt üzemek létesítéséhez vált széles körben ismertté. A tüzelésre szánt nagyobb tömörségű ∅ 10–25 mm-es pelletnek „tűzipellet” megnevezést adtunk.

A tüzelési célra alkalmas biobrikett, vagy tűzipellet legfőbb jellemzője a nagy sűrűség, tömörség (1–1,3 g/cm3), melyet 800 bar-nál (800 kg/cm2-nél) nagyobb nyomással lehet elérni.

A melléktermékekből a biobrikettet rendszerint kötőanyag nélkül készítik. Gyakran célszerű különböző melléktermékek összekeverése, ill. bekeverése. A fűrészpornak, fenyőfakéregnek, viasznak adalékanyagkénti hozzáadása a szalmához javítja a biobrikett szilárdságát, de lehet az adalékanyagnak kondicionáló (nedvességtartalom beállító) szerepe is.

A különböző melléktermékek nedvességtartalma és tömöríthetősége igen változó, de az előállítás során a végtermék, a biobrikett vagy tűzipellet 1–1,3 g/cm3 tömörségű, és nedvességtartalma legfeljebb 10–12% lesz.

A tömörségen kívül az alacsony nedvességtartalom az, mely igen kedvező tüzeléstechnikai tulajdonságokat ad a brikettált mellékterméknek. A biobrikett ezenkívül csak éghető (meddő nélküli) anyagokat tartalmaz.

A biobrikett-gyártás céljára elsősorban a 20% alatti nedvességtartalmú melléktermékek vehetők számításba.

A brikettálásra ajánlott, mezőgazdasági üzemben keletkező melléktermékek:

  • a kalászosok szalmája,

  • a repce és szójaszalma,

  • kukoricaszár,

  • egyéb hulladék szalmaféleségek.

Az ipari feldolgozás során keletkező anyagok:

  • nád, len és kender pozdorja,

  • rizshéj és napraforgóhéj.

Erdészeti és faipari melléktermékek:

  • fűrészpor, csiszolatpor,

  • faforgács, fahulladék,

  • fakéreg.

Magyarországon a biobrikett-gyártásra igénybe vehető szalma mennyisége mintegy 1 millió tonnára becsülhető anélkül, hogy a szalma hagyományos felhasználási területein – állattartás, talajerővisszapótlás stb. – hiány keletkezne. A szalmafelesleg elsősorban az Alföldön és az állattartással nem, vagy mérsékelten foglalkozó gazdaságokban keletkezik, éppen ott, ahonnan a legtávolabb esnek a szénbányák.

A kukoricaszárból is jó minőségű biobrikett készíthető, de nagy hátránya, hogy a 30–50%-os nedvességtartalma miatt az alapanyag-előkészítés energiaigénye, és ezzel a költségráfordítás nagysága is megnő.

A szántóföldi melléktermékek közül a szalmafélék begyűjtésére és tárolására már kialakult a technológia, a gépsor pedig hazai gyártóktól szerezhető be. Jól szervezett betakarítási technológiával a betakarítási költségek elfogadható szinten tarthatók.

Az ipari alapanyag – a fűrészpor, faforgács, fakéreg, nád, len és kender pozdorja – a feldolgozó üzemek mellékterméke, helyben rendelkezésre áll és a helyszínen brikettálható.

A brikettálási eljárások során a présben a 800 kg/cm2 feletti nyomás és annak révén kialakuló 80–150 °C hőmérséklet hatására jön létre az apríték részecskék adhéziós és eddig ismeretlen fizikai, esetleg vegyi folyamattal lejátszódó összetapadása és megjelenik a gépből kijövő 60–80 °C hőmérsékletű biobrikett, mely természetes úton hűl le.

A melléktermékek éppen a különböző fizikai tulajdonságaiknál (apríték nagyság, sűrűség, térfogatsúly, súrlódási tényező stb.) és anyagösszetételüknél (rost-, cellulóz-, nedvességtartalmuknál) fogva a brikettálás során különbözőképpen viselkednek. A brikettprések funkcionális szerkezeteit a gyártók ezen ismeretek birtokában gyártják.

A présgépek legfontosabb részegységei a présfej, a tömörítést végző szerkezeti elemek (a csiga, görgő vagy dugattyú) és a préshüvely, melynek kiképzése, kúpossága és a présfej hűtése vagy fűtése meghatározó az optimális préselési nyomás és hőmérséklet kialakulása szempontjából. A préshüvely kialakításán kívül az alapanyag nedvességtartalma van jelentős befolyással az elvárható adhéziós tapadás kialakulására.

A szántóföldi melléktermékek hengeres bála formájában érkeznek a brikettüzem előtároló terébe. Az előtárolóban célszerű néhány napi brikettprés kapacitásnak megfelelő mennyiségű bálát elhelyezni fedél alatt.

A hengeres báláknak az előtárolóból a bálabontóba rakására traktoros villásemelőt, targoncát, vagy munkabiztonsági szempontból a legjobban megfelelő liftet, vagy könnyű futódarut lehet alkalmazni.

Az ipari feldolgozás során keletkező alapanyagok, pl. a fűrészpor előtárolására tárlósilókat építenek, amelyekből a brikettpréshez a mennyiségi adagolás szabályozható.

1.5.1.2. Melléktermék-tüzelő berendezések

A nagy fajtérfogatú, alacsony energiasűrűségű biomassza nehézkes szállítása meghatározza a felhasználható mennyiségeket és ezzel együtt a teljesítményméreteket. Ez a teljesítményméret Nyugat-Európában 10 kW–10 MW között alakult ki. Ilyen széles teljesítménytartomány és az előzőekben bemutatott sokféle tüzelőanyagforma miatt nagyon különböző tüzelőberendezések alakultak ki.

A melléktermék-tüzelő berendezések egyik legáttekinthetőbb felosztását a működés folyamatossága szerinti csoportosítás mutatja. Ennek megfelelően megkülönböztetünk szakaszos és folyamatos üzemű mellék-termék-tüzelő berendezéseket.

A szakaszos üzemű biomasszatüzelő berendezések többségét a hagyományos tüzelőanyagoknál használt kályhák, kazánok átalakításával hozták létre. A tűztér kialakítása szempontjából keresztégős, átégős és alsóégésű tüzelőberendezések használatára egyaránt találunk példákat. (1.24. ábra)

1-24. ábra - Alsóégésű kazán metszete

Alsóégésű kazán metszete


Speciálisan mezőgazdasági mel-lék-terméktüzelő berendezést ún. átégetős kazánt mutat be az 1.25. ábra. A kazánban kör, szögletes szalmabálák egyaránt eltüzelhetők. Ezekkel a berendezésekkel folyamatos hőtermelés valósítható meg. A folyamatos hőtermelés mellett azonban a teljesítmény nem, vagy csak igen kis mértékben változtatható. Ez azzal függ össze, hogy a biomassza összetételéből következően az égéshez szükséges oxigén nagy mennyiségben van jelen magában az anyagban és így az égési folyamat a levegő mennyiségének változtatásával alig befolyásolható. A biomassza tüzelésénél a hőtermelés szabályozásának járható útja a tűztérbe bejuttatandó tüzelőanyag mennyiségének változtatása. Ilyen berendezéseket azonban csak nagyobb teljesítmények esetén használnak a költségesebb adagolóberendezések miatt. Az ilyen bio-massza-tüzelők elsősorban nem annyira a kazánok tűztér-kialakításában különböznek egymástól, mind inkább a tüzelőanyag folyamatos ill. automatikus beadagolásának műszaki megoldásában.

1-25. ábra - Átégős kazán szalmabálákra és hasábfára

Átégős kazán szalmabálákra és hasábfára


A folyamatos melléktermék-tüzelő berendezések csoportja az ún. előtét-tüzelők. Ezek a berendezések kisebb teljesítményigénynél is sikeresen alkalmazhatók folyamatos szabályozott üzemre, csupán egy meglevő tüzelőberendezésre van szükség, amely elé egy nemcsak adagolást biztosító előtétet helyeznek (1.26. ábra). Az előtéttüzelő berendezéseket elsősorban faapríték eltüzelésénél használják.

1-26. ábra - Egyszerű faapríték előtét tüzelőberendezés

Egyszerű faapríték előtét tüzelőberendezés


1.5.2. Folyékony biohajtóanyagok

A folyékony halmazállapotú biomassza alkalmazásának célja általában motorhajtóanyag, vagy annak kiegészítése. A folyékony ún. biohajtóanyagok két csoportját különböztetik meg: a növényi eredetű alkoholokat és a növényi olajokat.

1.5.2.1. Alkoholok

Az alkoholok motorikus célú felhasználását a motorok szerkezeti kialakítása némileg korlátozza. Az alkohol benzinhez képest kisebb energiatartalma miatt ugyanazon utazási teljesítmény eléréséhez 25–50%-kal nagyobb mennyiségre van szükség, tehát az üzemanyagtartályokat nagyobbra kell készíteni, de azonos teljesítmények esetén a keverékképzésben résztvevő szerkezeti elemeket is növelt paraméterekkel kell konstruálni.

A szélesebb körben használt etanolt cukorból, vagy keményítőből élesztővel végzett fermentációval és folyamatos desztillációval nyerik. A legnagyobb mennyiséget cukornádból (Brazília) és kukoricából (USA) nyerik. Etanol és benzin keverésével kedvező körülmény állítható elő a motorüzem részére, mivel a keverés során növekszik a tüzelőanyag oktánszáma és oxigén tartalma. Így könnyebbé válik és tökéletesebb lesz az égés. Az alkoholok előállításához a növény valamely részének tartalmaznia kell cukrot, keményítőt, vagy cellulózt.

Az alkohol előállítása történhet:

  • cukor kivonásával és fermentációval,

  • keményítő hidrolízisével és fermentációval,

  • a cellulóz hidrolízisével (fa) és fermentációval.

1-6. táblázat - Cukortartalmú növényi alapanyagokból előállítható szeszmennyiség

Anyag

Keményítő (%)

Cukor (%)

Szeszmennyiség (hl fok)

Burgonya

12–20

0,5–1,5

0,1–0,115

Kukorica

65

2–3

0,33–0,35

Rozs

65

4

0,36

Búza

65

1,4

0,35–0,36

Zab

53

0,28

Rizs

70

0,40–0,45

Árpa

58

0,36

Csicsóka

16

0,06–0,09

Vadgesztenye

50

0,25

Napraforgó

25–28

0,09–0,1

Rizshéj

25–28

Fahulladék

fenyő

56

0,2

lombos

47

0,16–0,17


A cukortartalmú növényi alapanyagok egységnyi mennyiségéből az 1.6. táblázatban jelzett szeszmennyiség állítható elő. A cukornád kivételével a felsorolt növények Magyarországon viszonylag kedvezően termeszthetők. A magyarországi környezeti viszonyok között 1 ha területen előállítható tiszta szesz mennyisége:

cukorrépa

3248 lit/ha

csicsóka

4230 lit/ha

cukorcirok

3200 lit/ha

kukorica

2115 lit/ha

burgonya

1861 lit/ha

búza

1767 lit/ha

zab

927 lit/ha

rozs

900 lit/ha

A cukorrépa termesztésére Magyarország éghajlata megfelelő. A jó termelés egyik feltétele, a megfelelő csapadékmennyiség azonban hiányzik. A termesztéstechnológiailag korszerű, a technológiához szükséges géprendszer rendelkezésre áll. A termelés növelésének ma lehetséges feltétele a terület növelése. A jelenleginél több répa termelésének a géppark növelése is feltétele. A jelenleg termelt mennyiség feldolgozása bérfeldolgozással megoldott. Biztonságos hazai feldolgozáshoz a feldolgozó kapacitás bővítésére van szükség.

A burgonya termesztésére hazánk éghajlata megfelelő. A csapadék mennyisége a termesztés eredményességét döntően befolyásolja. A termesztés technológiai folyamatában kidolgozott, jó színvonalú, de elsősorban nagyüzemi méretekre szabott. A gépesítés a talaj-előkészítéstől a betakarításig magas színvonalon megoldott.

A kukorica termesztésére az aszályos évektől eltekintve jók a természeti viszonyaink. A magas színvonalú termesztéstechnológia jól kiegészül a gépparkkal, ami a ta-laj-előkészítéstől a vetésen, növényvédelmen keresztül a betakarításig mindent felölel. A termelt mennyiség növelésének lehetséges útja a jelenlegi termelési színvonal megtartása mellett a terület növelése.

A búza-árpa-rozs-zab termesztésére hazánk éghajlata jó. A termesztéstechnológiája magas szinten megoldott. A gépesítés a termesztés minden fázisában megfelelő. A termelés mennyiségének további fokozása a talajerőutánpótlás növelésével lehetséges, de ez környezetvédelem szempontjából már megengedett. A termelt mennyiség továbbnövelését az értékesítési nehézségek megfontolás tárgyává tették. Motorhajtóanyaggá a felesleges felhasználható.

Az édescirokból a gyengébb termőképességű talajokon hígtrágya öntözéssel hektáronként 60–70 t zöldtömeg termelhető. Ez a talaj kukorica gazdaságos termesztésére egyébként alkalmatlan. A megtermelt zöldtermés 35–40%-a egyszerű és olcsó eljárással cukroslé formájában a helyszínen kinyerhető. A kivont cukrosléből fermentálással alkohol állítható elő, a visszamaradó növényi részből pedig jó minőségű takarmány készíthető. A technológia jelenleg hazánkban csak kísérleti jellegű.

A rizs termelésének feltételei hazánkban aránylag kis területen vannak meg. Nagy ráfordításai miatt nem versenyképes más gabonanövények termesztésével. Ezért a rizstermesztés növelésének nincs reális lehetősége.

Az előzőkben főként az etilalkohol előállításáról beszéltünk. Motorhajtóanyagként metilalkohol (metanol, illetve faszesz) is számításba jöhet, biomasszából (fahulladékból) való előállítása csak akkor válhat jelentőssé, ha a földrajzi környezet mindenképpen determinálja, vagyis igen nagy mértékben áll rendelkezésre hulladékot képző biomassza, s a terület fosszilis energiahordozókban, pl. földgázban szegény. A felhasználása is nehézségekbe ütközik, mivel a benzinnel nem elegyedik (etilalkoholos, metanolos benzinkeverék készítése szükséges).

A cukortartalmú oldatok fermentációs átalakítása ma már jól ismert és megalapozott technológia. Különbséget kell tenni az élelmiszeripari célú szeszgyártás és az ipari célú szeszgyártás között.

Az üzemanyagcélú alkoholgyártásnál kevésbé kell a tisztítást és a finomítást számításba venni és emiatt a gyártási folyamat kevésbé költségigényes. Az élelmezésre előállított cukrot már nem gazdaságos motorhajtóanyagnak átalakítani és felhasználni. Az ipari célú etanol előállítás világszerte legnagyobbrészt a növényi keményítőalapú anyagokból történik, főként kukoricából és buzogányos cirokból állítják elő. 1 liter alkohol előállításához átlagosan 2,7 kg kukorica szükséges.

A magyar mezőgazdaságban előforduló hajtóanyag célú nyersanyagok l ha-ra eső hozamánál a legjelentősebb a csicsóka. A hagyományos növények részére kevésbé alkalmas területeken is elfogadható termésátlaggal termeszthető. Tekintve, hogy gépsora és termesztése speciális igényeket is felvet, jó energiakihozatala ellenére is csak igen körültekintő szervezéssel, más növényekkel és környezeti adottságokkal együtt célszerű termeszteni. A gazdaságossági vizsgálatok azt mutatják, hogy csak nagykiterjedésű területeken célszerű az alkoholcélú növény előállítás, amelynek közvetlen közelében létesítik a fermentáló, desztilláló üzemet.

A cellulóz tartalmú mellékterméknél nagy töménységű sósavval hidralizálják a beérkező anyagot. Végeredményben nátriumhidroxidot, illetve nátriumhipokloridot kapnak, amelyeket értékesítenek. Az eljárás egyedüli hátránya, hogy igen magas a fajlagos beruházási igénye.

1.5.2.2. Növényi eredetű olajok

A növényi eredetű olajok energiahordozóként való felhasználása nem újkeletű. A növényi olajok energetikai alkalmazása elsősorban környezetvédelmi okok, másodsorban a hagyományos élelmiszert szolgáló növények túltermelése következtében, túltermelési váltság levezető és foglalkoztatottságot segítő termelés bevezetése céljából jelentős. A növényi olajok nemcsak motorikus hanem tüzelőanyagként is számításba jöhetnek. A növényi olajok összetételüket tekintve közeli rokonságban vannak az ásványolajjal, mivel hasonló zsírsavakból épülnek fel, csupán a zsírsav arány összetételben különböznek. A növényi olaj 97%-át triglicerid alkotja, de ezenkívül foszfatidokat, lecitint, vitaminokat és más nyálkaképző anyagokat tartalmaz. Az olajokat általában sajtolással és oldószeres extrakcióval nyerik ki. Ha a növényi olajokat a kőolajtermékekkel összehasonlítjuk pl. a gázolajjal, akkor feltételezhetjük, hogy bizonyos adottságok mellett a növényi olajok helyettesíthetik a kőolajtermékeket. A közvetlen helyettesíthetőségének azonban igen jelentős műszaki korlátai vannak.

A Magyarországon termelt növények közül igen sokféle mag tartalmaz olajat, így pl. napraforgó, repce, szója, csipkebogyó, kendermag, mogyoró, málnamag, bodzamag, ribizlimag, tökmag, lenmag, kukoricacsíra, mandula, dinnyemag, mák, paprika-mag, ricinusmag, szőlőmag, dió stb.

Jelentős volumenben ezek közül a napraforgó és a repce termeszthető (korlátozottabb mértékben a szója).

A megtermelt mennyiségből sajtolással nyerhető olajmennyiségek:

Napraforgó

1850 × 0,4 = 780 kg/ha

Repce

1740 × 0,4 = 696 kg/ha

Szója

2140 × 0,4 = 434 kg/ha

A növényi olajok motorban való felhasználás szempontjából hátrányos, hogy nehezebben gyullad, nagyobb a viszkozitása, így a porlaszthatósága is, jelentős a kokszosodási hajlama, elégetése során keletkező anyagok rontják a motorok kenőolajának kenési tulajdonságait, emiatt gyakoribb kenőolajcserére van szükség. Ezen olajok önmagukban valójában nem alkalmasak tüzelőanyagként. A növényi olajok motorhajtóanyaggá való átalakításának különféle módszerei ismeretesek.

Repce esetén például az egyik legkézenfekvőbb megoldásnak látszik a kőolaj és a repceolaj együttes feldolgozása, katalikus, hydrokrakk eljárás során. Motorikus alkalmazáshoz az olajat észterezik. A repce metilészter (RME) a repceolaj megbontásából keletkező növényi zsírsavak metilalkohollal való átészterezésével készül. A folyamat során a nagy repceolaj molekula kisebbre bomlik szét. E technológia során a hidegen sajtolt repceolajat nátrium hidroxidos metilalkohollal keverik össze, majd ülepítik és alulról leválasztják a glicerines, felülről pedig a metilészterezett részt.

A begyűjtött repcemagot présekkel kisajtolják, majd kis reaktorokban átészterezik, ún. metanollúg felhasználásával. Utóészterezés után az ülepítőből kikerülő glicerinmentes repcemetilésztert vízzel lúgmentesítik, majd beállítják a kívánt lobbanáspontot, úgy, hogy a felesleges metilalkoholt visszanyerik. A préselésnél keletkezett, ún. repcedarát pellettálják és takarmányként hasznosítják.

A repcemetilészter gázolajhoz viszonyított eltéréseinél a motorüzem szempontján kívül figyelembe kell venni a festékekre, az üzemanyag ellátó rendszerben a tömítésekre gyakorolt hatását, illetve a megváltozott korróziós tulajdonságait is.

Az alkohollal és gázolaj keverékkel járó motoroknál a füstölés mértéke lényegesen kisebb a tiszta gázolajhoz képest. A RME-nél nagyobb a CO és NO2 kibocsátás, mint a gázolajnál, de ezen értékek is jelentősen a hatósági előírások alatt vannak. Jóval alacsonyabb az aldehid, valamint a policiklikus aromás szénhidrogén kibocsátás.

Növényi olajok felhasználásánál hasonló a motorok teljesítménye, mint a gázolajjal működő motorokénak, de a hatásfokuk némiképpen rosszabb, viszont a fajlagos tüzelőanyag felhasználásuk kedvező.

Növényi olajjal működő motoroknál a kenőolajak besűrűsödése hamarabb bekövetkezik, feltehetően a nyers növényi olaj tökéletlenebb elégése következtében, amelyet feltehetően a rosszabb porlasztás okozza. Ennek következtében az olajcserét korábban el kell végezni. A kenőolaj élettartama hozzávetőlegesen 50%-os a hagyományos tüzelőanyagokkal való használathoz képest. A repcemetilészter hajtóanyag hatására a motorban jelentős olajhígulás tapasztalható, amelynek erős viszkozitás csökkenés a következménye. A RME üzem esetén jellegzetes szag tapasztalható, amely azonban nem kifejezetten kellemetlen.

1.5.3. Biogáz

Biogáz előállításra valamennyi szervesanyag (kivéve a szerves vegyipar termékeit) alkalmas, mint pl.: trágya, fekália, élelmiszeripari melléktermékek és hulladékok (különösen a cukor-, sajt-, burgonyagyárak és üzemek), valamennyi zöld növényi rész, háztartási hulladék, kommunális szennyvizek stb.

A biogáz képződés előfeltétele:

  • a szervesanyag,

  • a levegőtől, oxigéntől elzárt körülmény,

  • a metanogén baktériumok jelenléte.

A biogáz „gyártáshoz” az előző feltételeken túl még:

  • állandó, és kiegyenlített hőmérséklet,

  • folyamatos keveredés,

  • kellően aprított szerves anyag,

  • a metanogén és acidogén baktériumok különböző, s egymással szimbiózisban tevékenykedő törzsei is szükségesek.

A szerves vegyületekből – elméletileg – nyerhető metángáz mennyisége:

CH4 liter

kg nyersanyag

zsírok

1535

fehérjék

587

szénhidrátok

888

A biogáz keletkezése +4…+98 °C között lehetséges, elméletileg. Természetesen minden hőmérsékleti tartományban a metanogén baktériumok más-más törzse tevékenykedik. A különböző technikai szintet jelentő biogáz telepeken a szokásos lebontási hőmérséklet

  • pszichophil zóna, azaz a környezeti hőmérsékleten termelő biogáz berendezés,

  • mezophil, azaz +28…+36 °C között termelő biogáz telep,

  • termophil, azaz +48…+53 °C hőmérsékleten termelő telep.

Az egyes metanogén baktériumtörzsek hőmérsékleti igénye meglehetősen szűk értékek között teszi lehetővé a biológiai degradációt, a nagy hőmérsékleti ingadozás mellett a lebontás időtartama erősen megnő.

A kiindulási szerves anyag – a biológiai törvények értelmében – a gyakorlatban megközelítőleg csak 50%-ban bontható le, a többi elem visszamarad a hígkomposztban, illetőleg a szilárd komposztban.

A túlnyomóan mezőgazdasági eredetű biogáz telepek termelését számosállatra (sz.á.) szokás vetíteni. Általában elfogadható, hogy egy számosállat (500 kg testtömegnyi állat) napi trágya mennyiségéből termelhető energia 0,8 kg tüzelőolajjal egyenlő. A gyakorlatban elérhető szélső értékek: napi 0,2–1,0 kg tüzelőolajnak megfelelő energia termelés.

A számításokban

egy szarvasmarha napi trágyatermelését

6,40 kg szerves anyagnak

egy sertés napi trágyatermelését

0,51 kg szerves anyagnak

számíthatjuk, amelynek szárazanyag tartalma

0,75 szorzó alkalmazásával

megkapható.

A túlnyomóan kommunális, szerves eredetű hulladékok termelését lakosság-egyen-értékben, illetve a szárazanyag-tartalomra vetítetten szokás jellemezni.

Szokás a biogáz termelés hozamát még az erjesztő, a fermentor térfogatára is kifejezni: általában 1 m3 erjesztő térfogatra naponta 1 m3 biogáz termelés elfogadása a szokásos, a közepes technikai színvonalú, mezophil zónában termelő telepeknél. A biogáz gyártáshoz alkalmazható technológia meghatározó tényezője a feldolgozandó szerves-anyag szárazanyag-tartalma: a folyékony szennyvizek, a hígtrágyák biogázas kezelése lényegesen más technikai feltételrendszert kíván, mint a nedves, a félnedves, a szilárd (pl. kommunális) szemét.

A berendezések technikai színvonalától függ a szerves anyagok lebontásának időtartama, amely 2 óra – és 25–30 év között ismert. Ez előbbi a biogáz reaktor, az utóbbi a szemét-depóniák termelésének időtartama.

A hulladék, (hígtrágyák, trágyák és szennyvizek) kezelésénél a kiindulási pont mindenkor a keletkező hulladékok és szennyvizek mennyiségi, kémiai, fizikai tulajdonságai. Ettől függően választandó meg:

  • a kommunális, ipari eredetű, szilárd,

  • a kommunális, az élelmiszeripari eredetű, híg,

  • a mezőgazdasági eredetű, folyékony, hígtrágyák,

  • a mezőgazdasági eredetű szalmás trágyák és hulladékok legcélszerűbb kezelési és hasznosítási technológiája.

A biogáz alap-energiahordozóként, és átalakított energiahordozóként hasznosítható az adott energiavételezési eszközeink csekély átalakításával, a meglévő energiarendszereinkhez kapcsolhatóan – elméletileg.

A biogáz éghető alkotórésze a metán (CH4), fűtőértéke jelentősen függ az egyéb, nem éghető alkotóelemektől (pl. N, CO2). A metántartalom aránya változó a szervesanyagtól, technológiától stb. függően. A metántartalom általában 60% értékkel számítható, így fűtőértéke kb. 22,4 MJ/m3. A biogáz könnyebb, mint a száraz levegő.

Biogáz telep létesítése költséges, mert az anerob fermentációt lehetővé tevő berendezés költséges anyagot, és igen gondos kivitelezést kíván. Ugyanakkor a szervesanyag és a keletkező gáz kis energiasűrűségű, ezért nagy térfogatokra van szükség, és ezt csak növeli a viszonylag hosszú tartózkodási idő.