Ugrás a tartalomhoz

Mezőgazdasági (növénytermesztés, állattartás, erdészeti) hulladékok kezelése és hasznosítása

Dr. Czupy Imre, Vágvölgyi Andrea (2011)

A faanyag energetikai hasznosítása előtt vizsgálandó paraméterek

A faanyag energetikai hasznosítása előtt vizsgálandó paraméterek

A biomassza energetikai hasznosításának három szakaszát különböztetjük meg.

  1. Az első szakasz a termesztés, amely során a biomassza létrejön.

  2. A második szakasz tartalmazza a betakarítást, és azokat az előkészítő tevékenységeket, amelyek eredményeként a biomassza energetikai hasznosításra alkalmas állapotba jut

  3. A harmadik szakasz a hasznosítás, amelyben az energiahordozó és a hasznosító illesztése történik meg, és amelyben a hasznosítás hatékonyságát, valamint a környezetre gyakorolt hatásokat (emissziók) vizsgáljuk. (Marosvölgyi, 2002.)

A faanyag vizsgálatakor különböző paraméterek vizsgálatát kell elvégezni melyek a következők.

Elemi összetétel

A kémiai összetételt a fában jelenlevő elemek minősége és mennyisége jellemzik.

5.1. táblázat - A fa elemi összetevői (Nussbauer, 1994)

Elem Mérték (m/m) Érték
Carbon G/kg 450
Hidrogén G/kg 60
Oxigén G/kg 440
Nitrogén mg/kg 900
Kén mg/kg 120
Klór mg/kg ≺ 0,01
Kadmium mg/kg 0,11
Cink mg/kg 14,57
Réz mg/kg 1,3
Fluór mg/kg ≺ 0,01
Ólom mg/kg 0,98
Króm mg/kg 0,94

5.2. táblázat - Fontosabb növényi anyagok kémiai összetétele CHN analízissel mérve (hamu ~1,0-1,7%)

Anyag Nyárfa Akác Miscanthus Kendertörek
C, %(m/m) 48,9 48 46,6 47,1
H, %(m/m) 6,4 6,8 6,8 6
N, %(m/m) 1,6 1 0,2 1,2
O, %(m/m) 43,2 47,2 46,5 45,7
Égéshő (kJ/kg) 17650 19830 17810 19340

Vegyi összetétel (cellulóz, lignin stb.)

A fában különböző funkciót ellátó morfológiai részek különíthetők el. A sejtfal anyaga három vegyületből áll: a vázanyagot képező makromolekuláris cellulózból, a kötőanyag szerepét betöltő aromás szerkezetű ligninből, valamit az ezekkel szoros összeköttetésben lévő hemicellulózból, vagy poliózokból. Ezen makromolekuláris komponensek mellett extraktanyagokat is találunk a faanyagban, mint kismolekulás vegyületeket. Osztályozásuk kémiai felépítésük alapján történhet: alkoholok, mono-, di és oligoszacharidok, alifás savak, fenolok (pl.: tanninok), terpének és származékaik (Németh, 1997.).

5.3. táblázat - A fontosabb fafajok vegyi összetétele ( % ) (Marosvölgyi, 2002; Németh,1998)

Sorszám Fafaj Pentozán Cellulóz Lignin Egyéb Égéshő (KJ/kg)
1. Lucfenyő 11,3 57,84 28,29 2,57 19950-21100
2. Erdeifenyő 11,02 54,25 26,35 8,38 -
3. Bükk 24,86 53,46 22,46 0,78 19720-19910
4. Nyír 27,07 45,3 19,56 8,07 -
5. Nyár 23,75 47,16 18,24 10,85 18815-18855
6. Cser 22 45 22 10 -


Az 5.3. táblázatban bemutatott jellemzők ismerete azért szükséges, mert a fontos alkotók tulajdonságai nagymértékben eltérőek, és így jelentősen befolyásolják a gázosodási, égési, és tömörítés során a kötési folyamatokat. A vegyületek hő hatásra átalakulnak, és kigázosodási- valamint elgázosodási folyamatok mennek végbe, ezért a fát illó-, szilárd éghető és hamu százalékokkal is jellemezzük

Nedvességtartalom

A nedvességtartalom függ a fafajtól, a farész korától, a vegetációs időszaktól, a kitermelést követő tárolástól stb.

Nedvességtartalom (u %)

  • élőnedves 40-47 %;

  • természetes száradt 25-30%;

  • légszáraz 15-20 %;

  • szárított 9-12 %;

  • abszolút száraz (ASZ) 0%. (Marosvölgyi, 2002.)

Fűtőérték, égéshő

Az égéshő az a hőmennyiség, amely a tüzelőanyag tömeg-, illetve térfogategységének tökéletes elégésekor szabadul fel.

A gyakorlatban inkább a fűtőérték fogalmát használják, amely az égéshőtől abban különbözik, hogy az égéstermékek víztartalma az égés után nem cseppfolyós, hanem gőz halmazállapotban van jelen, azaz az égéstermék hűlésekor nem adja le a párolgáshőt. A fűtőérték tehát kisebb, vagy egyenlő az égéshővel.

A fa fűtőértéke:

Élőnedves állapotban: 7-10 MJ/kg
Abszolút száraz állapotban: 18-20 MJ/kg

Néhány melléktermék fűtőértékét tartalmazza az 5.5. táblázat.

Az égetés során káros hatást kiváltó anyagok:

Kén mennyisége minimális, elhanyagolható: kb. 0,02 %

Klór, elhanyagolható: 0,01%

Egyéb nehézfémek csak nyomokban találhatók (Ivelics, 2006.)

5.4. táblázat - Néhány melléktermék fűtőértéke

Megnevezés A légszáraz melléktermék fűtőértéke GJ/t)
Szalma 13,0-14,2
Kukoricaszár 10,5-12,5
Napraforgószár 8,0-10,0
Erdei apríték 12,0-14,5
Faipari hulladék 13,0-16,0
Szőlőnyesedék 10,5-12,5
Gyömölcsfanyesedék 10,0-11,0

Hamutartalom

A hamutartalom a biomassza elégetését követően visszamaradó ásványi eredetű anyagok összessége. A hamu mennyisége nagymértékben változik a kéreghányad, a termőhely és a fakitermelési technológiák okozta szennyeződés függvényében (Marosvölgyi, 2002.):

  • Tiszta fa 0,2 – 0,5 %;

  • Tiszta fakéreg 3,5 – 5 %;

  • Vonszolva közelített fa kérge 6,0 –14 %;

  • Keménylombos fa gallyanyaga 2,5 – 3,5 %;

  • Nemesnyár ültetvény faanyaga 0,9 - 3,2%;

  • Nemesnyár levél 9,8 –11,5% (Marosvölgyi, 2002.; Ivelics, 2006.).

A lombos fák hamutartalma magasabb, mint a fenyőké. A szijács több hamut tartalmaz, mint a geszt.

A faanyag hamujában kalcium (800-1000 ppm), kálium (200-1000 ppm), és magnézium (100-200 ppm) vegyületei találhatók. A többi elem koncentrációja 50 ppm alatt van. A legfontosabb nyomelemek: Ba, Al, Fe, Zn, Cu, Ti, Pb, Ni, V, Co, Ag, Mo. (Németh, 1997.)

A fa hamujában található K, Si, tartalom alacsonyabb, Ca, Mg tartalom magasabb, mint a lágyszárú lignocellulózoké. Az utóbbiak a hamu olvadáspontját megemelik, ez előbbiek lecsökkentik. (Ivelics, 2006.)

Különösen fontosak a vizsgálatok azért, mert a biomasszák direkt tüzeléses energetikai hasznosításánál újabban:

  • A káros füstgázelemek képződésének lehetőségeit (SOx, HCl, PCDD, NOx);

  • A korróziót okozó emissziót (Al, Si, K, Na, Ca, Mg, Fe, P);

  • Az aerosol emissziót (Ti, As, Ba, Cd, Co, Cu, Cr, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, V, Zn) is vizsgálni kell.

A hamu Mg, Ca tartalma a hamu olvadáspontját is megemeli, a Si, K, Na tartalom pedig csökkenti. A lágyszárúak hamu olvadáspontja (600-800 °C) alacsonyabb, a fa hamu olvadáspontja magasabb (900-1100 °C) (Hein et Kaltschmidt, 2004)

5.5. táblázat - Nemesnyár klónok és a fűz néhány jelentősebb adata (Ivelics, 2006)

Fafajta N C S H O Nedvesség-tartalom (%) Hamu-tartalom (%) HHV (MJ/kg) HHV (MJ/asz kg)
Nemesnnyár klónok-Királyegyháza Monviso 1,43 48,79 0,16 5,26 38,7 2,66 3 19,537 19,604
Beaupre 1,65 49,27 0,12 5,28 38,04 2,73 2,9 19,804 19,872
Raspalje 1,59 49,36 0,12 5,35 38,33 2,75 2,5 19,671 19,74
BL 1,56 48,67 0,32 5,22 38,57 2,55 3,1 19,81 19,877
AF2 1,3 48,27 0,11 5,24 40,18 2,3 2,6 19,837 19,895
AF1 1,58 48,04 0,17 5,14 39,03 3,04 3 19,537 19,613  
Mátészalka Fűz 1,02 47,51 0,08 5,3 42,61 1,68 1,8 19,91 20,408

Az 5.6. táblázatból megállapítható, hogy a fűz fafaj fűtőértéke magasabb, hamutartalma viszont alacsonyabb, mint a nemesnyár fajtáké. Az „AF2” klón fűtőértéke a legnagyobb az egyes nemesnyár klónok közözött.

Mivel a fa elemi összetétele csak kis intervallumban változik, egyes fafajok égéshője nem különbözik nagymértékben egymástól. Magasabb a nagyobb lignintartalmú fák esetén pl.: fenyőféleségek, és nagyobb szén és hidrogén arányú, nagy gyantatartalmú fák égéshője. Viszont a poliózokat nagyobb mennyiségben tartalmazó fák égéshője kisebb. (Németh, 1998) A fa energetikai sajátosságait tehát elsősorban kémiai összetétele, az égéshője, valamint nedvességtartalma határozza meg.