Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME Gépészmérnöki Kar, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Témavezető: Dr. Józsa Viktor

Alternatív tüzelőanyagok alkalmazása egy új, ultra alacsony károsanyag-kibocsátású égőben

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A fenntarthatóság érdekében az energiafogyasztási szokásainkat jelentősen át kell alakítani. Számos hőtechnikai folyamat jelenleg azonban gazdaságosan megvalósíthatatlan tüzelés nélkül. Jó hír, hogy alternatív tüzelőanyagok segítségével sokat tehetünk a környezetünkért, mivel 1000 K hőmérséklet felett a tüzelőanyag eredete másodlagos. A gázturbinák és a közepes teljesítményű, konvektív hőcserélős kazánok pár évtizeddel ezelőtt nem előkevert lánggal üzemeltek, amelynek bár meglehetősen egyszerű volt a szabályzása, a túlzó károsanyag-kibocsátás fejlesztéseket sürgetett. Itt fontos megemlíteni, hogy a szénhidrogének égése során elkerülhetetlenül keletkezik szén-dioxid és vízgőz, azonban a szénmonoxid (CO) és a nitrogénoxidok (NOx) olyan szennyezők, melyek koncentrációja megfelelő tervezéssel jelentősen visszaszorítható, így kutatásaim során is e két szennyezőre fókuszáltam elsősorban. Napjaink berendezései a kezdeti megoldásokhoz képest egy nagyságrenddel alacsonyabb NOx-kibocsátással bírnak, V-alakú, előkevert lángot alkalmazva a kompakt égőben. Viszont a szabályozások szigorodása és a kisebb környezetkárosító hatást szem előtt tartva az említett szennyezőket praktikusan néhány ppm koncentráció nagyságrendjében célszerű tartani a jelenlegi 100 ppm helyett. Bár nagyobb tűzteret kíván meg, a sokszor szabad szemmel alig látható térfogati égéssel a V-alakú lángokhoz képest legalább feleződik a NOx-kibocsátás, csökken az égési zaj, valamint a mechanikai és az üzemeltetők fiziológiai terhelése. A térfogati égésé lenne tehát a jövő? A három említett lángtípust az 1. ábra mutatja be.

1. ábra. Lángképek. Balról jobbra: nem előkevert egyenes [1], előkevert V-alakú és térfogati láng [S1].

A kutatóhely rövid bemutatása

A kutatáshoz az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Jendrassik György Hőtechnikai Laboratóriuma biztosítja az infrastruktúrát. A laboratóriumban Dr. Józsa Viktor vezetésével a 2017-ben alapított tüzeléstechnikai kutatócsoportunk által 2018-2019-ben tervezett és megépített tesztpadon történnek a mérések félipari környezetben, hazai és nemzetközi partnerek folyamatos bevonásával, fejlett optikai mérőeszközök kölcsönzésével.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Napjaink legintenzívebben kutatott tüzelési koncepciója a MILD (Moderate or Intense Low-Oxygen Dilution – oxigénkoncentráció-csökkentés), ami térfogati vagy láng nélküli tüzelés néven is ismert. Ez utóbbi elnevezés eredete, hogy a láng szabad szemmel nem látható vagy nagyon halvány. A tüzelési módszer elmélete bár fél évszázados, relatíve kevés alkalmazásban találkozhatunk vele. Ennek a legfőbb oka, hogy az alacsony égési hőmérsékletű és károsanyag-kibocsátású tüzelés eléréséhez nem csak a reaktánsok gyulladási hőmérséklet fölöttire történő előmelegítése, de az oxidálószer hígítása is szükséges inert gázzal, vagy füstgáz visszakeringtetéssel [2]. Az oxidálószer (jellemzően levegő) hígítása N₂ vagy CO₂ gázzal laboratóriumi körülmények között megoldható, azonban ipari méretekben nem gazdaságos [3,4]. A füstgáz visszakeringtetése legegyszerűbben az égőtéren kívüli rendszer segítségével történik, ami az iparban a teljes tüzelőberendezés átalakítását igényli [5]. Kedvezőbb módszer a tűztéren belüli visszakeringtetés.

Kutatócsoportunk által nem régiben kifejlesztett MTC (Mixture Temperature-Controlled) keverékhőmérséklet-szabályozott tüzelési koncepció a MILD tüzeléshez hasonlóan térfogati tüzelést valósít meg. Ezáltal a V-alakú lángokhoz képest jobb keveredést és homogénebb hőfelszabadulást eredményez, amely következtében csak minimális NO_X- és CO-kibocsátás lép fel. A koncepció újdonsága a MILD tüzeléshez képest, hogy nincs szükség füstgáz-visszakeringtetésre, ami a fő gátja a gázturbinás alkalmazásoknak, így például a repülésben való alkalmazásnak.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Az alternatív folyékony tüzelőanyagok közül a zsírsavalapúakat a legkörülményesebb tüzelni. Ezeket biodízellé könnyű alakítani, nem mellesleg ezek a tüzelőanyagok a gyakorlatban jól ismertek és kompatibilisek a jelenlegi gépeinkkel, nem úgy, mint például a hidrogén. Az alábbi példák minden esetben modell tüzelőanyagként értendők, melyek jól reprezentálják a hasonló anyagok égését, így az eredmények például algákból kinyert biodízelek esetén is érvényesek. Kókuszmetilészter (CME) tüzelés esetén beláttuk, hogy a térfogati tüzelés megvalósítható [S2], így a bemutatott kutatásban a kevésbé illékony használt sütőolaj-alapú biodízel (WCO) és pálmametilészter (PME) tüzelését vizsgáltam. A kutatás célja behatárolni a stabil térfogati tüzelést eredményező paramétereket, beleértve a tüzelőanyag fizikai-kémiai tulajdonságait és az üzemi paramétereket is.

Módszerek

A tesztpad sematikus elrendezése a 2. ábrán látható. Az égőtér előtti keverőcsőbe egy levegő segédközeges porlasztón keresztül jut be a tüzelőanyag, ahol az előmelegíthető, perdületes égéslevegővel elkeveredik. Amennyiben a keverőcső (égő) szájánál a gyulladási hőmérsékletet nem éri el a keverékhőmérséklet, a tűztér egy későbbi szakaszában, térfogati tüzelés valósul meg.

A tüzeléses kísérletek során a légfelesleg, az előmelegítési hőmérséklet, valamint a porlasztónyomás hatását vizsgáltuk. A bemutatott esetekben biodízeleket (B100) és dízellel (D) képzett, 25, 50 és 75 V/V%-os elegyeket (B25, B50, B75) vizsgáltunk.

 

2. ábra. A tesztpad elrendezésének részlete.

 

A mérések optikai értékeléséhez spektroszkóppal, fotoelektron-sokszorozóval és digitális kamerával rögzítjük a lángok kemilumineszcens intenzitását és a lángképeket. Akusztikai értékeléshez az égőtér alsó harmadába beépített mikrofonnal végezzük a méréseket. Az anyagáramok fizikai jellemzőinek folyamatos regisztrálása mellett jegyezzük a füstgázösszetételt, így a tüzelés károsanyag-kibocsátását.

A CME, PME és WCO tüzeléses kísérletek során három lángalakot figyelhettünk meg: egyenes, V-alakú és térfogati lángokat. Több percen át tartó, folyamatos, stabil égés azonban csak egyenes és térfogati lángok esetén alakult ki. Az olyan mérési beállításokban, ahol nem egy állandó lángalak volt látható, azt tapasztaltuk, hogy a láng alakja kb. 1 Hz-es frekvenciával váltakozik két lángalak között, ezeket az üzemállapotokat az ipari gyakorlatban szükséges elkerülni, így ismeretük kritikus. A 3. ábra a mérések során készült, válogatott lángképeket mutat be. Balról az első képen egy fényes, sárgán világító, egyenes lángot láthatunk. Alacsony porlasztónyomás mellett nagyobb tüzelőanyagcseppek keletkeznek. A keverőcsőben nem elég hosszú a cseppek tartózkodási ideje a teljes elpárolgáshoz, így cseppégés történik az égőtérben, ami koromképződéssel jár. Ez később teljesen kiég, sem a füstgázban, sem az égőtér falán nem látható koromlerakódás, azonban a lokálisan kialakuló magas hőmérsékletű zónák nagy NOx képződést eredményeznek.

A második képen egy kisebb, kompaktabb, kékes-lila színű egyenes láng látható. Magasabb porlasztónyomással kisebb cseppek keletkeznek, melyek teljesen el tudnak párologni a keverőcsőben, így a tűztérbe kellően homogén levegő-tüzelőanyaggőz keverék érkezik. A harmadik képhez tartozó mérési beállításban egyenes és V-alakú lángok váltakoztak. Látható a V-alakú láng alsó kék tölcsére és az egyenes lángra jellemző sárga lángnyelvek.

Az utolsó két kép térfogati égésekről készült, melyek többnyire alacsony fényességű, szabad szemmel alig látható, kék lánggal jellemezhetők. A bemutatott lángok egy-egy fényes felvillanás eredményei. A CME esetén a lila színezet a tüzelőanyaghoz kötött oxigén miatti különböző reakcióutaknak köszönhető, melyet Chong és társai is megmutattak napraforgó-biodízel tüzelésekor [6].

 

3. ábra. Válogatott lángképek a tüzeléses tesztekből. Balról jobbra: CME B25 0,3 bar 250 °C, PME B50 0,9 bar 200 °C, WCO B100 0,3 bar 250 °C, CME B50 0,3 bar 250 °C, WCO B75 0,9 bar 200°C.

Eddigi eredmények

Az eddigi eredményekből a térfogati tüzelés kialakulásának körülményeit és a tüzelési módra jellemző alacsony CO- és NO_X-kibocsátást mutatom be 4,2%-os füstgáz oxigéntartalom mellett végzett mérésekre. A 4. ábrán láthatjuk a megfigyelt lángalakokat. Magas biodízel tartalom mellett a 150 °C-os égéslevegő-előmelegítési hőmérséklet nem volt elegendő a cseppek megfelelő elpárolgásához, ezért nem jött létre folyamatos, önfenntartó égés. A CME rövidebb szénláncú zsírsavakat tartalmaz, mint a PME vagy a WCO, így kisebb a viszkozitása és az illékonysága, ami lehetővé teszi több mérési beállításban a stabil térfogati égést. Mindhárom biodízel 25 V/V%-os elegye hasonló tartományban mutatott térfogati égést, nagy porlasztónyomás és alacsony égéslevegő-előmelegítési hőmérséklet mellett.

Az 5. ábra mutatja a mért NO_X-kibocsátást 15%-os füstgáz-oxigéntartalomra átszámítva, a gázturbinás erőművekre vonatkozó szabályozásokkal való összehasonlíthatóság kedvéért. A 2015/2193-as EU irányelv 75 mg/Nm³ maximális NO_X-kibocsátást határoz meg új berendezésekre. Láthatjuk, hogy még alacsony porlasztónyomású, magas égéslevegő-hőmérsékletű, sárgán világító egyenes lángok esetén sem haladjuk meg ezt a határértéket. Ami az ipar számára lényegesebb eredmény, az a különböző lángalakok esetén mért kibocsátáscsökkenés aránya. Összevetve a 4. és 5. ábrákat, beazonosíthatók a lángalakok szerinti egyes üzemállapotok. Ismert, hogy a hőmérséklet csökkenésével csökken a NO_X-kibocsátás. Azt vehetjük észre, hogy a stabil térfogati égést elérve pedig drasztikusan lecsökken a NO_X-kibocsátás értéke. Térfogati égés alkalmazásával a NO_X-kibocsátás 20 mg/Nm³ alatt tartható, ami várhatóan a jövőbeni szigorúbb határértékeknek is eleget fog tenni. A CO-kibocsátás minden mérési beállítás és tüzelőanyag esetén méréshatáron aluli volt, ami a tüzelőanyag teljes elégésére utal.

4. ábra. A mérési beállításokban tapasztalt lángalakok. Egyenes (e, sárga), térfogati (t, kék), egyenes és V-alakú között váltakozó (e-v, rózsaszín), és egyenes és térfogati között váltakozó (e-t, zöld) lángok. A sraffozott beállításokban nem sikerült állandó égést fenntartanunk.

 

5. ábra. NO_X-kibocsátás 15%-os füstgáz-oxigéntartalomhoz átszámítva.

 

Várható impakt, további kutatás

Tüzeléses kísérleteink szerint alacsony illékonyságú folyékony tüzelőanyagok is tüzelhetők nagyon alacsony károsanyag-kibocsátással, amit térfogati tüzelésen keresztül érünk el. Minden mérési beállításban 20 mg/Nm³ alatti NO_X-kibocsátást mértünk, ami jóval alacsonyabb, mint a 2015/2193-as EU irányelv 75 mg/Nm³ maximális NO_X-kibocsátás értéke új gázturbinás erőművekre. A tüzelés CO-kibocsátása minimális, pár mg/Nm³ volt, ami a tüzelőanyag gyakorlatilag teljes elégésére utal. A koncepció ipari alkalmazhatóságát demonstráltuk.

A további kutatások célja a láng optikai vizsgálata sáváteresztő szűrők, illetve részecskekép-alapú lézeres méréstechnika (PIV) segítségével. Ezek a mérések elősegítik a térfogati égés elméleti folyamatainak jobb megértését és az ipari alkalmazásokba való hatékonyabb implementálást.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája (kumulált IF: 36,26):

[S1] Józsa V., Tóthpálné Hidegh Gy., Csemány D., Kardos R.A., Cheng Tung Chong: Dynamics and emission of nearly flameless combustion of waste cooking oil biodiesel in an ultra-low emission swirl burner without oxidizer dilution. Fuel, vol. 319, Paper: 123743, 12 p. (2022)

[S2] Józsa V., Hidegh Gy., Kun-Balog A., Jo-Han Ng, Cheng Tung Chong: Ultra-low emission combustion of diesel-coconut biodiesel fuels by a mixture temperature-controlled combustion mode. Energy Conversion and Management, vol. 214, paper 112908, 12 p. (2020)

[S3] Darwish M., Hidegh Gy., Csemány D., Józsa V.: Distributed combustion of diesel–butanol fuel blends in a mixture temperature-controlled burner. Fuel, vol. 307, Paper: 121840, 10 p. (2022)

[S4] Hidegh Gy., Csemány D., Vámos J., Kavas L., Józsa V.: Mixture Temperature-Controlled combustion of different biodiesels and conventional fuels. Energy, vol. 234, Paper: 121219, 11 p. (2021)

[S5] Hidegh Gy., Csemány D., Vámos J., Tóth J., Józsa V.: Mixture Temperature-Controlled Combustion of Various Conventional and Renewable Fuels. Chemical Engineering Transactions, vol. 83, pp 415–420 (2021)

[S6] Hidegh Gy., Csemány D., Kun-Balog A., Józsa V., Chong Cheng Tung: Experimental investigation of waste cooking oil combustion in a novel turbulent swirl burner., Virtual Edition, 2021. április 14–15., 10th European Combustion Meeting Proceedings Volume, pp. 1414-1419., 6 p. (2021)

[S7] Hidegh Gy., Józsa V.: Correlation analysis of chemiluminescent and pollutant emissions of a liquid-fueled turbulent swirl burner. Journal of the Energy Institute, vol. 93, pp 1390–1398, 10 p. (2021)

[S8] Hidegh Gy., Józsa V.: Folyadéktüzelés károsanyag és kemilumineszcens emissziójának elemzése változó porlasztónyomás és levegő-előmelegítés mellett. Budapest, 2019. november 29., 5. MÉB Égéstudományi Konferencia, CD kiadvány, szerk. Magyar Égéstudományi Bizottság (2020)

[S9] Hidegh Gy., Józsa V.: Temporal and spectral correlation of acoustic and chemiluminescent signal of a liquid-fueled turbulent swirl burner. Lisszabon, Portugália, 2019. április 14–17., 9th European Combustion Meeting,

Proceedings of the 9th European Combustion Meeting, Paper: Paper_S2_AIII_68 , 5 p. (2019)

[S10] Hidegh Gy., Józsa V.: Correlation of chemiluminescent signal and pollutant emission of a liquid-fueled turbulent swirl burner. Nápoly, Olaszország, 2019. január 21–23., First International Conference on Smart Energy Carriers,

Proceedings of the First International Conference on Smart Energy Carriers, Paper: PVI-2 (2019)

[S11] Hidegh Gy., Józsa V.: Diffúzoros kialakítású előkeveréses perdületes égő károsanyag kibocsátása lángcsőben tüzelés esetén. Energiagazdálkodás 59 3–4, 30–33 (2018)

[S12] Hidegh Gy., Józsa V.: Folyékony és elpárologtatott vizes etanol elegyek tüzelésének spektrofotometriai vizsgálata. Energiagazdálkodás 59 1–2, 12–15 (2018)

[S13] Hidegh Gy., Józsa V.: Diffúzor alkalmazása perdületes égő lánglefúvási stabilitásának növelésére. Energiagazdálkodás 57 3–4, 17–20 (2016)

 

Linkgyűjtemény:

Saját publikációk (MTMT)

Google Scholar profil

Tüzeléstechnikai Kutatócsoport

 

Hivatkozások listája:

[1] Peng J, Cao Z, Yu X, Yu Y, Chang G, Wang Z. Investigation of flame evolution in heavy oil boiler bench using high-speed planar laser-induced fluorescence imaging. Appl Sci 2018;8.

[2] Cavaliere A, De Joannon M. Mild combustion. Prog Energy Combust Sci 2004;30:329–66.

[3] Karyeyen S, Feser JS, Jahoda E, Gupta AK. Development of distributed combustion index from a swirl-assisted burner. Appl Energy 2020;268:114967.

[4] Wang Z, Feser JS, Lei T, Gupta AK. Performance and emissions of camelina oil derived jet fuel blends under distributed combustion condition. Fuel 2020;271:117685.

[5] Xing F, Kumar A, Huang Y, Chan S, Ruan C, Gu S, et al. Flameless combustion with liquid fuel : A review focusing on fundamentals and gas turbine application. Appl Energy 2017;193:28–51.

[6] Chong CT, Chiong M, Ng J, Lim M, Tran M-V, Valera-Medina A, et al. Oxygenated sunflower biodiesel: Spectroscopic and emissions quantification under reacting swirl spray conditions. Energy 2019;178:804–13