Dr. Czupy Imre, Vágvölgyi Andrea (2011)
A biomassza energetikai hasznosításának három szakaszát különböztetjük meg.
Az első szakasz a termesztés, amely során a biomassza létrejön.
A második szakasz tartalmazza a betakarítást, és azokat az előkészítő tevékenységeket, amelyek eredményeként a biomassza energetikai hasznosításra alkalmas állapotba jut
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.
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 |
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
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.)
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 |
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.