A vezetékes földgázzal üzemelő készülékek tüzeléstechnikája
2015/12. lapszám | Stiebel József | 8558 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Újsághír: „A magyar gázfelhasználás mintegy 40 %-a Ausztria felől érkezik”. Ez sok kérdést felvet, de máris megnyugtatnak, hogy ezen a gázmennyiség is nagyrészt orosz gázt tartalmaz. Tekintettel azonban az Európa nyugati részén kiépített vezetékhálózatra, az tartalmazhat akár holland, algériai, norvég stb. gázt is.
Gyors ütemben épül a horvátországi Krk szigeten a folyékonyföldgáz-átadó állomás, amely képes lesz az amerikai, sőt szaúdi gáz-tankerhajókból való lefejtésére. A meglévő vezetékekre való csatlakozás után ez Magyarországon is elérhető lesz, és a Lengyelországban meglévő nagy mennyiségű, relatív kis mélységben található, könnyen kitermelhető palagázt még nem is említettük. A híreket olvasva felmerül a kérdés: Milyen összetételű lesz a szolgáltatott földgáz a jövőben? Lehetséges, hogy a gázösszetétel egy fűtési szezonon belül is változhat egy keveset? Érdekel ez minket egyáltalán?
Minden, gáztüzelésű berendezéssel kapcsolatban lévő felhasználó rendelkezik olyan tapasztalattal, hogy a gáztűzhely lángszíne leginkább télen változik, egyszer kékes, egyszer pirosas árnyalatú. Ezzel egy időben mintha a víz is nehezebben melegedne fel, és a főzési idő is meghosszabbodik. A gázművektől kapott számlán szereplő díj a szolgáltatott fűtőértékre vonatkozik, abban nem látható változás. Sokan valamilyen turpisságot feltételeznek, azt gondolják, hogy itt tisztességestelen manipuláció folyik, változtatják a gáz összetételét, biztosan sok benne a levegő.
Ismeretfrissítésképpen
Alsó fűtőérték (fűtőérték): az egységnyi tüzelőanyag elégetésekor felszabaduló hőmennyiség, ha a keletkezett égéstermék a tüzelőanyag hőmérsékletére visszahűtve, a keletkező nedvesség gázállapotban van jelen.
Felső fűtőérték (hőérték): az egységnyi tüzelőanyag elégetésekor felszabaduló hőmennyiség, ha a keletkezett égéstermék a tüzelőanyag hőmérsékletére visszahűtve, a keletkező nedvesség vízállapotban van jelen.
Adott gázfajtával üzemelő gázkészülékeken más gázfajtát égetve el a felszabaduló energiamennyiségek csak akkor egyenlők, ha az égőn kiáramló gáz mennyisége és a felső fűtőérték szorzata azonos. Ez az úgynevezett Wobbe-szám.
Ebben a szakcikkben ezekre a kérdésekre keressük a válaszokat, szeretnénk megmagyarázni, mi is történik tulajdonképpen.
Először is rögzítenünk kell, hogy minden gázszolgáltató mindenkor valóban az elfogyasztott gáz fűtőértéke szerint számláz. Tulajdonképpen erre nincs is ráhatása, a gáz fűtőértékét automata rendszerek garantálják. Akkor mégis változik valami? A megoldás valójában a gáz összetételében rejlik.
Az alábbiakban megmutatjuk néhány lelőhely gázösszetételét, hogy megérthessük a problémát. (Az egyes lelőhelyek adatai 40-50 évvel ezelőttiek, az 1. táblázatban szereplő példákat csak a probléma megértésének segítésére közöljük.)
1. táblázat
Magyarországi lelőhelyek metán etán propán bután pentán Budapest, „O” pont 1971 94,3 1,6 0,4 0,2 0,08 1973 94,15 1,9 0,43 0,2 0,1 Hajdúszoboszló Borsodi „O” pont 1973 89,2 5,4 0,5 0,1 0,05 Kardoskút – Városföld Tiszaújfalu 1971 88,4 3,4 1,9 1,2 0,4 Déli távvezeték Kardoskút „O” pont 1973 90,3 1,85 1,3 0,94 0,34 Szank–Városföld 1971 85,8 5,5 2,7 1,4 0,4 1973 87,85 3,9 2,0 1,4 0,45 Szeged 1968 86,9 3,7 2,7 2,1 1,0 Zalaegerszeg 1972 86,9 4,2 1,75 2,85 0,3 1973 85,15 3,05 1,9 1,7 0,73 Néhány további gázmező termelésének összetétele, százalékosan Algéria Hassi R’Mel 79,6 7,6 2,7 1,4 3,6 Sandusky, USA, Ohio 83,5 12,5 McKean Country, USA 67,0 32,7 Deep Lake, USA 98,5 0,9 0,2 0,1 Groningen, Hollandia 81,85 3,3 nitrogén 14,0%
A táblázatból jól látható, hogy az egyes lelőhelyek gázösszetételei egymástól erősen eltérők. A gázszolgáltatónak adott keverékből, változó összetétel mellett azonos Wobbex értéken kell biztosítani a földgázt. Amennyiben az érkező gáz több inert (nem éghető) gázt tartalmaz, a hiányzó fűtőértéket nagyobb fűtőértékű gáz, például propán bekeverésével biztosítják. A gázszolgáltatók igyekeznek az egyes területeken azonos összetételű gázt biztosítani. Ismert Magyarországon olyan szolgáltatói terület, ahol a gáz összetétele lényegesen eltér a többitől. Ezeken a helyeken a gázkészülékek beállításával korrigálnak (más fúvókát kell alkalmazni).
A magyar gázvezetékekben szolgáltatott földgáz nagy része jelenleg Oroszországból származik, amelynek kb. 98%-a metán. A Magyarországon kitermelt gázok összetétele ettől eltérő, ráadásul a hajdúszoboszlói gáz összetétele sem azonos a Dél-Alföldön kitermelt gázéval. Ezekben csak 78-88% metán van, a többi etán, illetve egyéb összetevők.
Alapvetések
A tüzelésre felhasznált gázok úgynevezett nyílt szénláncú alkánok, amelyek egymástól a szénatomszámunkban térnek el, ezért fizikai tulajdonságaik sem azonosak. Néhány fontosabb gázösszetevőt ki is emelünk a 2. táblázatban.
2. táblázat
Gázösszetevők megnevezése vegyjele forráspontja metán CH4 –162 °C etán C2H6 –89 °C propán C3H8 –42 °C bután C4H10 –0,5 °C pentán C5H12 36 °C
Jól látható, a különbség a gázösszetételben az úgynevezett metiléngyök (CH2). A különböző gázoknak természetesen eltér a fűtőértékük, és az elégetésükhöz szükséges égési levegő mennyisége is. 1 kg szén tökéletes égésekor 33,8 MJ, 1 kg hidrogén elégése kapcsán 142 MJ hő keletkezik.
Az égési folyamat a fenti gázok esetében a következőképpen játszódik le:
- metán: CH4 + 2O2 = CO2 + 2 H2O
- etán: C2H6 + 3,5 O2 = 2 CO2 + 3 H2O
- propán: C3H8 + 5 O2 = 3 CO2 + 4 H2O
- bután: C4H10 + 6,5 O2 = 4 CO2 + 5 H2O
- pentán: C5H12 + 8 O2 = 5 CO2 + 6 H2O
A valóságos égési folyamat ettől eltérő, mivel a levegő 21%-a oxigén, 78%-a viszont nitrogén, amely jó esetben nem képezi az égési folyamat részét, csupán átmegy azon. A valóságban azonban a nitrogén is oxidálódik, de ez nem cél, a gázkészülékgyártók ezt igyekeznek minimalizálni.
Az oxigén-, illetve az égésilevegő-szükséglet jele L, ami az egyes gázok elméleti elégéséhez szükséges. Ez az érték megmutatja, mennyi normál m3 oxigén, illetve levegő kell egy normál m3 gáz tökéletes elégéséhez (3. táblázat).
3. táblázat
Egy normál m³ gáz tökéletes elégéséhez szükséges oxigén gázfajta O2min (Nm³/Nm³) Lmin (Nm³/Nm³) metán 2 9,524 etán 3,5 16,667 propán 5 23,810 bután 6,5 30,952 pentán 8 38,095 4. táblázat
Az egyes tiszta gázok fűtő-, illetve hőértéke gázfajta fűtőérték (kJ/Nm³) hőérték (kJ/Nm³) hidrogén 10826,6 12795,7 metán 35 949,1 39886,8 etán 64 615,7 70 557,6 propán 93 910,3 101 980,4 bután 122 572,3 132 691,0 pentán 146 039,8 158 127,5
A fentiekből következik, hogy eltérő gázösszetétel mellett más és más az egyes gázfajták égésilevegő-szükséglete és fűtőértéke. Hasonló teljesítmény eléréséhez a gázfajtától, összetételétől függően más a szükséges elégetendő gázmennyiség, és ahhoz eltérő arányú égésilevegő-mennyiség szükséges. Természetesen tudni kell, hogy a tökéletes égéshez szükséges levegőmennyiségnél többet kell a gázégőhöz biztosítani – légfelesleg-tényező –, hogy a nem megfelelő gáz–levegő keveredés miatt mégis minden gázmolekula eléghessen. A többlet levegőbevezetés gázégőtől, gázkészüléktől függő tényező. Értéke nyílt égésterű készülékek esetében 1,4-1,6. Természetesen a többlet levegő is szobahőmérsékleten kerül az égéstérbe, azonban a füstgáz hőmérsékletén távozik, ami veszteséget okoz a rendszerben, az elméletihez képest. Ez a hatásfoktényezőkben jelenik majd meg.
5. táblázat
Példa a gázösszetételre 1995-ből. A fővárosban az ellátást egy körgyűrű biztosítja, amelynek több betáplálási pontja van. Ezek egyikén Oroszországból, másik pontján magyar lelőhelyről származó gáz érkezik. orosz gáz magyar gáz metán, CH4 97,877 tf% 88,101 tf% etán, C2H6 0,638 tf% 4,78 tf% propán, C3H8 0,176 tf% 0,921 tf% bután, C4H10 0,061 tf% 0,30 tf% hexán, C6H14 0,018 tf% 0,213 tf% nitrogén, N2 1,120 tf% 1,531 tf% szén-dioxid, CO2 0,107 tf% 4,150 tf% fűtőértéke 9,422 kWh/Nm³ 9,533 kWh/Nm³ Wobbe-szám 13,91 kWh/Nm³ 13,192 kWh/Nm³
Minden egyes gázkészülék üzembe helyezésekor a tüzelés vizsgálata, műszeres ellenőrzése és beállítása kötelező. Ez gyakorlatilag az optimális gáz–levegő keverék beállítását jelenti, az adott gázösszetételre.
A fentiekből több dolog is következik
Amennyiben a szolgáltatott gáz összetétele mégis változik, mert például a körvezetéken az egyik betáplált gáz nyomása csökken, a másiké növekszik, a keveredési ponton lévő fogyasztóknál a szolgáltatott gázösszetétel is változhat. Hangsúlyozzuk, hogy ezt a szolgáltatók igyekeznek elkerülni, de a tapasztalat szerinti eltérés ebből ered.
Látható, hogy a keletkező füstgáz javarészt szén-dioxid és vízgőz keveréke. Ezen két gáz egyesülésekor szénsav (szóda) keletkezik. A levegőben mindenkor jelenlévő nitrogén egy része minden igyekezet ellenére is oxidálódik (elég), NO2, illetve NO3 keletkezik. Ezek egyesülve a jelenlévő vízgőzzel salétromos elegyet, illetve salétromsavat alkotnak, melyek lecsapódási hőmérséklete, illetve harmatpontja az összetétel, a külső nyomás és a légfelesleg függvénye. Mikor tehát lecsapódik, ez egy savas folyadék lesz, melynek PH-értéke 3,7-4,1 körül mozog. A fentiek miatt a kazánok füstgázhőmérsékletét 120 °C körül állítják be. Amennyiben ennél kisebb, a kazán- és kéményrendszerben történő lecsapódás savas korróziót okoz. A keletkező „gyenge” sav mindent elmar, csak nagyon drága anyagok állhatnak neki ellen.
Ez magyarázat a kondenzációs kazánok árára is, ahol a füstgázból a lehető legtöbb energiát hasznosítani akarják, tehát a harmatpont alá hűtik, ezzel a keletkező füstgáz egy része savas folyadék formájában távozik a rendszerből. A füstgáz hőmérséklete alacsony, vagyis a természetes huzat már nem távolítja el a tüzelés helyéről, tehát ventilátor segítsége szükséges.
A gázkészülékgyártók törekednek a hatásfok és a biztonság növelésére, ezért a készülékfejlesztésben a következő irányok figyelhetők meg. A nyílt égésterű készülékek 1,4-1,6 égéslevegő-feleslege nagy hatásfokromlást és rendszerveszteségeket okoz, ha a hőtermelő nem tud alkalmazkodni teljesítményével az igényekhez. Ebből kiindulva fejlesztették ki a változtatható teljesítményű (modulációs) kazánokat. A biztonságos, zárt égésterű kazánok (az égési levegőt kintről szívják) égésilevegő-feleslege kis teljesítmény esetében 4,8-5,0 is lehet. A drágább, illetve a kondenzációs készülékek esetében már az égési levegő ventilátora is fordulatszám-szabályozott, amivel megteremtették a lehetőséget arra, hogy minden teljesítménytartományban az égésilevegő-felesleg azonos, optimális lehessen, javítva a készülék hatásfokát. Ugyancsak megvan a feltétele, hogy a gázszelep és a levegőventilátor villamos modulációja a gázösszetételnek megfelelően is történhessen, ezzel alkalmazkodva a gázösszetétel-változásokhoz is.
Tekintettel arra, hogy a jövőben Magyarországon is a fentiek szerinti, egymástól erősen eltérő összetételű földgázok kerülhetnek a vezetékrendszerbe, a hasonló, jövőbe mutató technológiák megismerése egyre fontosabb lesz. A következő számban igyekezünk megmutatni, milyen technikák alkalmasak a változó összetételű földgázok minden esetben optimális tüzelésére.
(A gázösszetételre vonatkozó adatok Meszléry Celesztin egyetemi jegyzeteiből származnak.)
