Barion Pixel

VGF&HKL szaklap

Kérdőjelek a fatüzelés körül II.

2012/5. lapszám | Chiovini György |  9291 |

Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Általánosan elfogadott törekvés, hogy az épületek fűtési energiaigényét csökkentsük. Ismeretes, hogy az Európai Uniónak is igen becsvágyó tervei vannak e téren. Ugyanakkor a maradó fűtési célú energiafelhasználás primerenergia-forrása is változóban van. A magyar energiastratégia három tézise: versenyképesség, fenntarthatóság, biztonságos ellátás. Ebbe jól beleillik a fatüzelés, mert költsége kedvező, és a fa folyamatosan újratermelődik.

Áttérés zajlik földgázról fára és egyéb szilárd tüzelőanyagokra. Tüzeléstechnikai szempontból a földgáz egy kiváló termék. Ehhez képest a fa tüzelése sokkal nehezebb feladat. Ha tehát más szempontok miatt fát kell versenyképesen (gazdaságosan) és fenntartható (környezet- kímélő) módon eltüzelni, meg kell találni a módját, hogy a hátrányokat a lehető legkisebbre csökkentsük. Ma ez kiemelten vonatkozik a fatüzelés okozta PM10 (szállópor, finompor) légszennyezés korlátozására. A különböző helyzetfeltáró vizsgálatok eredményeiből látszik, hogy az újabb tüzelőberendezések emissziós jellemzői jobbak a korábban gyártottakéinál. De nem lenne reális döntés a meglévők azonnali selejtezése, újjal való pótlása. A természetes cserélődés mellett arra kell törekedni, hogy a még várhatóan hosszú ideig használatban maradó berendezésekből származó PM10-kibocsátást csökkentsük, lehetőségek szerint a legnagyobb mértékben. A lakóépületek, főképp a családi házak fűtésére, igazodva a tüzelőberendezés szükséges mérsékelt egységteljesítményéhez, jellemzően hasábfát és pelletet használunk. A pellet kedvezőbb, mert összetétele homogénebb és mérete kisebb. Ez utóbbi miatt az adagolás egyszerűbben automatizálható. Ebből eredően kisebb az üzemeltetési hibák valószínűsége. Összességében a pellettel működő tüzelőberendezések emissziója kedvezőbb. Helyes a javító intézkedéseket inkább a hasábfatüzelésre összpontosítani. Hasábfát tüzelhetünk kályhában, kandallóban, kazánban. Az eltüzelt fa mennyisége alapján célszerű a figyelmet a hasábfakazánokra irányítani.

Így ég a fa

Ismeretes, hogy a földgáztüzelés emissziós jellemzője (részecske kg/TJ) nagyságrendekkel jobb a fatüzelésénél. A magyarázat a földgáz és a fa különbségében rejlik. Jól működik egy tüzelőberendezés, ha a tüzelőanyag maradéktalanul elég, az égéstermék nem tartalmaz elégetlen vagy csak kedvezőtlen módon elégett összetevőket. Földgáz-, azaz metántüzelésnél ez jól megvalósítható, a legegyszerűbb tüzelőberendezés is beszabályozható korom- és CO-mentes üzemre. Egészen más a helyzet, ha szilárd anyagot, így tűzifát égetünk. A fa is – akár a metán – alapvetően szén- és hidrogénatomokból áll, de sokkal nagyobb molekulák alkotják, és halmazállapota nem légnemű, hanem szilárd. A fa eltüzelése emiatt négy szakaszban történik (1. ábra). Az első szakasz lényegében csak előkészület az égéshez. Ekkor a fa nedvességtartalma távozik, gőzzé válik. A második szakaszban a fát alkotó molekulák hő hatására átalakulnak, felbomlanak és meggyulladnak. A harmadik szakaszban együtt zajlik a fagázok (hidrogén, különböző szénhidrogének, szén-monoxid) lánggal történő égése, és a bomlás során keletkező faszén láng nélküli izzása. Az utolsó szakasz a kiégés, a teljes oxidáció. Mindegyik szakaszra meghatározott és növekvő hőmérséklettartomány jellemző. A légnemű égéstermékek (szén-dioxid, vízgőz) a légkörbe távoznak, a szilárd égéstermékek hamuként a tüzelőberendezésben maradnak. Ez az egyszerű, de lényegében mégis helyes modell nem szól PM10-keletkezésről. Ehhez a valóságos tüzelőberendezésben történő égés részletesebb vizsgálatára van szükség.

1. a tüzelés négy szakasza. Az első szakasz lényegében csak előkészület az égéshez. Ekkor a fa nedvességtartalma távozik, gőzzé válik. A második szakaszban a fát alkotó molekulák hő hatására átalakulnak, felbomlanak és meggyulladnak. A harmadik szakaszban együtt zajlik a fagázok (hidrogén, különböző szénhidrogének, szén-monoxid) lánggal történő égése, és a bomlás során keletkező faszén láng nélküli izzása. Az utolsó szakasz a kiégés, a teljes oxidáció.

Káros emisszió

Egy hasábfakazán égéstermékében a szén-dioxid és vízgőz mellett egyéb összetevők is mérhetők: szén-monoxid, korom (elégetlen szén), különböző szerves és szervetlen vegyületek (2. ábra), köztük igen veszélyes, egészségre fokozottan ártalmas vegyületek is. Az egész probléma bonyolultságát mutatja, hogy már mintegy 500 különböző vegyületet találtak a fatüzelés égéstermékében. Ha a fenntarthatóság követelményét komolyan vesszük, akkor a fát csak nagyon csekély PM10-kibocsátás mellett tüzelhetjük el. Ennek alapvetően két útja van. Ne keletkezzen PM10, ha mégis keletkezik, ne távozzon az égéstermékkel, hanem válasszuk le. Törvényszerű-e, hogy egy hasábfakazánban PM10 keletkezik? Lényegében igen. Ennek oka a tűzifa, mint tüzelőanyag összetétele. Ismeretes, hogy a fa nagy része cellulóz és lignin. Ezek szénből, hidrogénből és oxigénből felépülő óriásmolekulák.

Tartalmaz azonban a fa még sok egyéb szerves és szervetlen anyagot is. Fémeket és nemfémeket, például ként, klórt, nitrogént, legtöbbször valamilyen vegyület alakjában. A fa eltüzelésekor ezek a vegyületek átalakulnak, és a hőmérséklet, illetve oxigénkoncentráció függvényében új vegyületek képződnek. Ezek között vannak illékony vegyületek is, melyek méretüket tekintve PM10-nek számítanak. A fő égéstermékkel együtt távoznak, és a légkört szennyezik. Ez egy a fatüzeléssel együtt járó folyamat, de önmagában még elviselhető következményekkel. Hasonlóan az a PM10 kibocsátás is, amit az ekkor keletkező, de nem illékony vegyületek okoznak. Ezek nagy része a hamuba kerül. A legfinomabb frakciókat azonban a huzat magával ragadja, és szintén a légkört szennyezik. Egyébként a fa égéstermékében a szilárd részecskék között nem csak PM10 méretűek vannak. Ellenkezőleg, több az ennél nagyobb. Ezek azonban, mint ülepedő por, nem maradnak tartósan a levegőben. Ilyen értelemben kevésbé károsak. A fatüzelés PM10-kibocsátásának zöme abból ered, hogy
• nem megfelelő a tüzelőanyag,
• nem megfelelő a tüzelőberendezés, és
• nem megfelelő az üzemeltetés.

2. fatüzelés égéstermékei és keletkezési forrásai. Egy hasábfakazán égéstermékében a szén-dioxid és vízgőz mellett egyéb összetevők is mérhetők: szén-monoxid, korom (elégetlen szén), különböző szerves és szervetlen vegyületek, köztük igen veszélyes, egészségre fokozottan ártalmas vegyületek is.

A tüzelőanyag hatása

Megfelelő a tűzifa, ha tiszta és száraz. Ezzel szemben lehet szennyezett, és víztartalma meghaladhatja a természetes száradással elérhető kb. 20 százalékot. A szennyeződés két dolgot jelenthet. Az erdőből származó fára föld tapadhat. Ennek nagyobb része a hamuba kerül, de a finomabb részecskék az égéstermékhez keverednek, kijutnak. Sokkal nagyobb veszélye van annak, ha nem közvetlenül az erdészetből származó tűzifát égetünk. A feldolgozott, majd eltüzelésre szánt fa festék-, ragasztó-, favédőszer- stb. tartalma szinte biztosan PM10-forrássá válik. Bár az ilyen tüzelőhöz rendszerint olcsón hozzá lehet jutni, de ez a gyakorlat súlyos környezetszennyezés! A frissen kivágott fa súlyának nagyjából fele víz. Nyilvánvaló, hogy így elégetni gazdaságtalan, de a környezetre nézve is káros. A légszáraz, tehát kb. 20% vizet tartalmazó fa eltüzelésekor is az történik, hogy az égéskor felszabaduló hő egy része a víz elgőzölögtetésére fordítódik. A hasábfakazánok nem kondenzációs üzeműek. A vízgőz az energiatartalmát magával viszi. Ha a tűzifa csak kevés vizet tartalmaz, a hőelvonó és hőtermelő folyamatok aránya olyan, hogy a tűztérben létrejön a kiégéshez szükséges 800-1000 °C hőmérséklet. Nedves fa esetében azonban a nagyobb hőelvonás miatt a hőmérséklet csökken, emiatt a fagázok és a korom kiégése nem lesz tökéletes, különböző elégetlen szénhidrogének és korom jelenik meg az égéstermékben. Ezek gyakorlatilag mind PM10-nek tekintendők.

A tüzelőberendezés hatása

A hasábfakazánok alapvetően kétfélék. Kedvező emissziós tulajdonságúak a faelgázosító kazánok. A hőbomlási (gázosodási) szakasz elkülönül a kiégési szakasztól. A két részfolyamat két tűztérben zajlik. A közönséges hasábfakazánokból sokkal több működik, és emiszsziós tulajdonságaik általában rosszabbak. Pontos adatok nélkül is állítható, hogy a hasábfakazánokból kibocsátott PM10 túlnyomó része az ilyen berendezésekből származik. Ezek között is vannak hagyományos kialakításúak és továbbfejlesztett változatok. A legtöbb hasábfakazánt az jellemzi, hogy egyszerű szerkezetű, természetes huzattal működik, a hasábfa adagolását kézzel végezzük, és kézzel kell az égéslevegőt is szabályozni. A továbbfejlesztett változatokból nagyobb beszerzési áruk miatt kevesebb működik. Szerkezetük bonyolultabb, ventilátor szállítja az égési levegőt, és az optimális légfelesleg beállítását automatika végzi. Ettől függetlenül megfo- galmazható egy hasábfakazánnal, mint tüzelőberendezéssel szemben támasztott köve-telmény. Megfelelő a tüzelőberendezés, ha szerkezete és műszaki állapota biztosítja a tökéletes kiégés feltételeit:
• a hőbomlásból származó fagázok és korom, valamint az égéslevegő kedvező arányát,
• kellő keveredését,
• a reakciókhoz szükséges hőmérsékletet és tartózkodási időt.

Ezzel szemben sok káros összetevő keletkezik és távozik a nem megfelelő légfelesleg, keveredés, tűztér-hőmérséklet, illetve az éghető anyagok rövid tartózkodási ideje miatt. Ide sorolhatjuk az elégetlen szenet, a kormot, a különböző illékony és kondenzálódó szerves vegyületeket. Ezek között vannak az egészségre legveszélyesebb PM10-részecskék is. Káros összetevő ezenkívül a tökéletlen égésből származó szén-monoxid. A tökéletes kiégés feltételeinek megvalósítására való törekvés mellett el kell fogadni azt a tényt, hogy fatüzelésnél még jó műszaki állapotú, megfelelő kéményre kötött, alkalmas tűzifával táplált, szakszerűen kezelt berendezés is bocsát ki PM10-et. A cél természetesen az, hogy ez minél kevesebb legyen, de teljes kiküszöbölése nem reális. A gyártmányfejlesztőknek kell azon dolgozni, hogy tüzelőberendezéseink e tekintetben minél jobbak legyenek. A gyakorlatban a hasábfakazánok főleg két okból működnek a lehetségesnél rosszabb emisszióval. Az egyik ok a kémény és a kazán nem megfelelő illesztése, a másik pedig a rendszer rossz műszaki állapota, a karbantartás, a tisztítás elhanyagolása.

3. A keletkező égéstermék felül távozik, miközben a hőcserélőn áthaladva lehűl. Ehhez elég a természetes huzat, amit a kémény biztosít. Hátránya ennek az elrendezésnek, hogy a kiégés feltételei változnak.

A közönséges hasábfakazánok és a faelgázosító kazánok közötti különbség csökkenthető. Utóbbiak előnye abból származik, hogy a kiégés feltételeit jobban biztosítják. Ezen úgy is lehet javítani, hogy bizonyos szerkezeti változtatással kiküszöböljük az egyszerű hasábfakazán alapvető hibáját. A legegyszerűbb szerkezeti kialakításnál a rostélyon át alulról vezetjük be az elsődleges égési levegőt, és feljebb vezetjük be a másodlagos égési levegőt. A keletkező égéstermék felül távozik, miközben a hőcserélőn áthaladva lehűl (3. ábra). Ehhez elég a természetes huzat, amit a kémény biztosít. Hátránya ennek az elrendezésnek, hogy a kiégés feltételei változnak. Begyújtás után az égés kiterjed az egész töltetre. Az időegység alatt elégő fa és keletkező égéstermék mennyisége eleinte folyamatosan nő, majd egyre csökken. Közben a tűztér szabad térfogata egyre nagyobb lesz. Az áramlási és hőmérsékleti viszonyokat nem lehet tartósan az optimumon tartani. Ezt küszöböli ki az ún. alsó leégés. Egyszerre mindig csak a töltet alsó része ég. A kiégés a rostély alatt, illetve a tüzelőanyagot tartalmazó tér mellett történik (4. ábra). Az áramlási és hőmérsékleti viszonyok állandók, optimálisak. Az elsődleges és másodlagos levegő jobban szabályozható. Összességében jobb a kiégés, kedvezőbb a hatásfok és az emisszió. Gyártanak ilyen elrendezésű kazánokat természetes kéményhuzatra is, de jobban szabályozható az égés, ha ventilátoros befúvást vagy égéstermék-elszívó ventilátort alkalmazunk. Mindennek „ára” a bonyolultabb és drágább kialakítás.

Az üzemeltetés hatása

Nagyon jelentős hatása van a PM10-kibocsátásra az üzemeltetésnek. Minden műszaki berendezésre igaz, hogy egy bizonyos üzemállapotban működik a legjobb jellemzőkkel. Ez rendszerint a névleges terhelése. Ehhez képest a részterhelés vagy a terhelésváltás romlást jelent. Ugyanígy az indulás vagy leállás is kedvezőtlen üzemállapotok.

4. Egyszerre mindig csak a töltet alsó része ég. A kiégés a rostély alatt, illetve a tüzelőanyagot tartalmazó tér mellett történik. Az áramlási és hőmérsékleti viszonyok állandók, optimálisak.

Ez fokozottan igaz a hasábfakazánokra. Aki a gyakorlatban találkozott ilyen tüzelőberendezéssel, az jól tudja, hogy a begyújtás jókora füsttel jár. Amíg a négyszakaszos égési modellben leírt áramlási és hőmérsékleti viszonyokat el nem érjük, az égéstermék nagyon sok elégetlen és tökéletlenül elégett anyagot tartalmaz. Ezt úgy is megfogalmazhatjuk, hogy megfelelő hasábfa, megfelelő kazánban elégetve is okoz PM10-kibocsátást a begyújtás során. Fordítva: a szakszerűtlen, elhúzódó, sikertelen begyújtás megengedhetetlen légszennyezés. A vonatkozó mérések szerint az elégetlen szerves vegyületek túlnyomó hányada a begyújtásnál keletkezik, távozik (5. ábra). Ehhez hasonló a töltet leégése után esedékes adagolás. Ennek feltételei jobbak: a tűztér meleg, a gyulladáshoz rendelkezésre áll a parázságy. Ezért fontos, hogy az adagolás időpontját jól válasszuk meg.

Nem gyakorlatias, de elképzelhető, hogy a fát kisebb adagokban, sűrűbben rakjuk a kazánba. Dr. Thomas Nussbaumer, svájci tüzeléstechnikai szakember mondta ironikusan: „A tiszta fatüzelés feltétele, hogy pontosan félóránként egy száraz hasábot teszünk a tűzre.” A fánál sokkal kedvezőbb tüzeléstechnikai jellemzőjű földgáz esetében sem egyszerű a részterheléses üzem. A fejlesztések eredményeképp ma már használhatjuk a jól leszabályozható („moduláló”) gázkazánokat. A hasábfakazánoknál korántsem ilyen kedvező a helyzet. A légfelesleg beállítása, az arányszabályozás könnyebb, ha mind a tüzelőanyag, mind az égéslevegő mennyiségét tudjuk változtatni. A hasábfával töltött kazánnál nincs más lehetőség, mint az égéslevegő csökkentése. Kevesebb levegő, kevesebb hőfelszabadulás, kisebb kazánteljesítmény. Ám ebben az esetben megváltoznak az égés feltételei. Ha a kazánt kisebb teljesítményre kényszerítjük, rosszabb lesz az égéstermék összetétele, nő a PM10-kibocsátás.

5. A vonatkozó mérések szerint az elégetlen szerves vegyületek túlnyomó hányada a begyújtásnál keletkezik, távozik.

Ez az üzemeltetés ellentétes azzal a törekvéssel, hogy a fát környezetbarát módon tüzeljük el. A megoldás az, hogy a hőtermelés és -fogyasztás kényszerkapcsolatát megszüntetjük. A hőigény nap- és évszak szerint változó. Ha fedezetéül nem közvetlenül a kazán szolgál, hanem egy a kazán által töltött hőtároló (puffer), akkor a hőfogyasztás változhat a kazánüzemtől függetlenül. A kazán viszont optimális üzemmódban hőt termel, feltölti a hőtárolót. Hasábfakazánt hőtároló nélkül nem lenne szabad üzemeltetni. (Folytatjuk)

FatüzelésSzilárd tüzelés