SPOSOBY KONWERSJA BIOMASY W CELU POPRAWY JEJ WŁAŚCIWOŚCI PALIWOWYCH

Transkrypt

1 SPOSOBY KONWERSJA BIOMASY W CELU POPRAWY JEJ WŁAŚCIWOŚCI PALIWOWYCH Szymon Szufa Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka 1. WSTĘP a Polska i Europa energetyki jak i na potrzeby transportu. Elektrownie oraz jako podstawowe paliwo w strumieniu paliwowym bardzo negatywnie na zaburzenie efektu cieplarnianego. Unii Europejskiej, które CO 2 porównaniu ze stanem z roku Zwarzywszy na te obwarowania z roku na rok wzrasta zainteresowani do - nego paliwa spalanego nergetycznych, szerokie i rozproszone, lokalne wykorzystanie biomasy pozwoli na w biomasy paliwa w elek a. podczas wzrostu w trakcie procesu fotosyntezy. Niestety rozproszone zasoby biomasy oraz mocno drogi zyskanie energii cieplnej i elektrycznej z biomasy nie jest technologii wykorzystania biomasy jako paliwa bardzo jest gazowej postaci [1]. Z termodynamicznego punku na podzieli dwie grupy, pierwsza z nich to grupa biomasy

2 ca -parowego zgazowania do mieszaniny dwutlenku i tlen wodoru. Gaz poprzez zastosowanie technologii dobrze poznanej i stosowanie lu, czyli paliwa -Tropscha [2]. ajbardziej racjonalnym w 2 i dwutlenku siarki SO 2 metody jak toryfikacja czyli wysokotemperaturowe suszenie biomasy w specjalnych W ania w blokach cieplnych Dodatkowo ynosi 50% tej samej masy dodanie nowego elementu do systemu instalacji cieplnej. Niestety wszystkie te metody palania biomasy. metody obróbki biomasy jak suszenie, rozdrabnianie, peletyzacja, toryfikacja, peletyzacja z

3 2. TECHNIKI WSTĘPNEJ OBRÓBKI BIOMASY 1) Suszenie biomasy: ania biomasy, procesy mik encji ob specjalnych suszarniach wymaga wcze zchniami. korzystne w biomasy w sposób naturalny, zmianami pogodowymi. drewna na wolnym powietrzu ulega ono samoczynnemu procesowi suszenia. W odpowiednio aromatyczne) Woda zawarta w paliwie generuje wiele problemów oraz jest zastosowanie solarnej suszarni biomasy, w którym ogrzane sitowym owietrzne kolektory zastosowane w eksploatacji. W bardzo n opa procesem spalenia przeznaczona na odparowanie k alenia mokrym Podsumowuj granicy 25%, a op -18%.

4 Rys.1. [4] 2) Rozdrabnianie biomasy: mielenie i jest podstawowym biomasy w celu jej spalenia w kotle. Metoda rozdrabniania wykorzystywana jest zazwyczaj p celu enia kosztów transportu. Magazynowanie rozdrobnionej biomasy niesie niestety t gazów cieplarnianych (CH 4, N 2 nagrzewaniem, które nie zawsze realizacji transportem i kolejno jako paliwa w krótkim okresie czasu. 3) Peletyzacja biomasy: Kanada rynek produkcji pelet o i go w naszym kraju pelet. surowcem do produkcji granulat, odpady drzewne z tartaków oraz odpadami do produkcji granulatu wióry i trociny. granulatu ze, kory oraz dukcja peletu biomasy t specjalnej prasie rotacyjnej, bez stosowania i lepiszcza [5] m ów. S w postaci pelet odznacz (8- dowiska substancji a Niestety pelet nadal musi

5 nadal procesy gnilne i ulega biodegradacji. Biomasa w postaci peletu publicznej i w budownictwie jednorodzinnym jest bardzo korzystne, szczególnie tam gdzie Rys ) Piroliza biomasy: Piroliza biomasy jest to pierwszy z etapów procesu spalania, piroliza to rozszczepiani zredukowanej (przy niedoborze tlenu) jaki jest p 600 º jej przebiegu na jest spalania, i nie jak proces gazyfikacji czy spalanie. Z w porównaniu do spalania czy gazyfikacji co znacznie zmniejsza koszty tego transportu paliwa. Podstawowymi produktami pirolizy jest biopaliwo olejem pirolitycznym biool biomasy do z w celu wzrostu 60 do 75%), oraz niewielkiej i spalania do dalszego procesu pirolizy. Metoda ta polega na szybkiej dekompozycji biomasy (degradacji polimerów i grup OH) (10-18%) w temperaturze -550 ºC do procesowi pirolizy. Piroliza jest procesem zaawansowanym technologicznie oraz bardzo wydajnym [6]. ktem pirolizy infrastruktura do jego Piroliza powoduje powstanie wymogu precyzyjnej kontroli parametrów procesu, szczególnie kontroli temperatury oraz c produktów pirolizy, która jest przeprowadzana celem unikni termicznego rozpadu iej pirolizy nie jest w chwili

6 -olej. Proces pirolizy jest wykonywany w Rys.3 Odmiennym procesem w stosunku do szybkiej pirolizy jest piroliza wolna zachodzi wraz ze procesem pirolizy co powoduje, wraz korozji chlorkowej. pirolizy typu szybkiego surowiec drzewny ulega konwersji w paliwo infrastruktura magazynowo-. Olej pirolityczny w turbinach i silnikach typu Diesel [7]. Pomimo tego, e oleje oleju. biomasy. 5) Płukanie biomasy. ukanie biomasy to proces którego dochodzi do usuwania icz przeprowadzone. W wyniku korozyjna biomasy, procesy formowania substancji alkalicznych i chloru. z jej suszeniem. 6) Toryfikacja (karbonizacja, uwęglanie bądź prażenie biomasy). Toryfikacja to pochodzenia francuskiego (oznacza biomasy to inaczej proces

7 wysokotemperaturowego suszenia biomasy poprzez dostarczanie energii cieplnej w atmosferze pozbawionej tlenu, przy udziale gazów inertnych takich jak azot lub argon celem, którego jest termo-chemiczna obróbka biomasy w produkt o polepszonych [8]. Proces toryfikacji biomasy energetycznych na proces mielenie. Dodatkowo hydrofobowe, gazynowanie biomasy jest u modyfikacji struktury polimerów: hemicelulozy, ligniny oraz w mniejszym stopniu jako proces termo-chemicznej degradacji przeprowadzany jest w warunkach bez -300 ºC Toryfikacji nie jest procesem procesu biomasy badanym i wykorzystywanym jak do tej pory jedynie w skali lab Rys.4. Widok toryfikatu TOP Pellets holenderskiego Instytutu ECN (z ang. Energy Research Center of Netherlands) t w kim zakresie temperatur ( ºC) i powoduje wzrost w wyniku dekompozycji reaktywn tych w rozprawie doktorskiej jednego z holenderskich doktorów proces [9]. Etap pierwszy to reakcja w wyniku, którego powstaje ubytek masy na poziomie 25-30% pierwotnej masy maksimum, p etap ubytku masy jest szybszym, lecz mniej intensywnym etapem, którego przebieg hemicelulozy. Drugi etap znaczn z oraz hemicelulozy. Proces termicznego rozpadu biomasy drzewnej jest procesem kompleksowym ych frakcji drewna. W mikroskopowej celulozy otoczonych teczkami hemicelulozy.

8 frakcje drzewne charakt trzy podstawowe strefy na krzywej ubytku masy: hemiceluloza, ºC, celuloza, druga obok hemicelulozy wyniku procesu toryfikacji w zakresie temperatur ºC i lignina, której zakres temperaturowy ubytku masy j 500 º biomasy, którego zakres temperaturowy wynosi od 200 do 300 º zy ubytek masy dwóch nikach biomasy drzewnej - w ligninie i hemicelulozie a najmniejszy przy degradacji celulozy. w produktów toryfikacji [10]. Właściwości Jednostka Drewno Toryfikat Pelet drzewny Pelety toryfikatu Niska Wysoka Niska Wysoka Zawartość %W 35% 3% 10% 7% 5% 1% Wilgoci Wart. Opałowa Sucha MJ/kg Pierwotna MJ/kg Gęstość Kg/m Gęstość energetyczna GJ/m Wytrzymałość - - Dobra bardzo dobra pelet Formacje normalna wysoka Ograniczona ograniczona popiołu Natura bardzo hydrofobowa hydrofobowa Hydroroskopowa wysoka Biologiczna możliwa niemożliwa Możliwa niemożliwa degradacja Wpływ wysoka słaba Normalna słaba sezonowych zmian pogody Właściwości normalna normalna Dobre dobre Rys.5. W zewnej, przed i po poddaniu procesowi toryfikacji pelet peletu drugiej generacji Instytutu ECN (z ang. Energy Research Center of Netherlands) Toryfikacja jest procesem iku, którego ubytek masy jest na poziomie 30% co odpowiada redukcji wilgoci oraz ubytkowi substancji lotnych energii pierwotnie zawartej w biomasie. Proces fluidalnym, piecu opadowym lub analizatorze termograwimetrycznym TGA dwie metody dostarczania ces, p energii w postaci spaliny, para wodna, woda lub olej. Drugi sposób polega

9 minusem jednak h i w analizie termograwimetrycznej to 10 K/min, natomiast, stosunek ubytku masy do ubytku nia wymienionych warunkach. Przy analizie TGA oraz utrudnia a próbki z otoczenia do temperatury przy, której proces toryfikacji zachodzi jest powodem pierwszego etapu dekompozycji, natomiast zbyt wysoka zwi ograniczeniem danej próbki. Odpowiednio dobry kont krótszych czasów przebywania próbek biomasy co niestety jest trudniejsze w praktyce. Istnieje szereg rodzajów reaktorów podobnych do pieca obrotowego lub reaktora gazowego torgazu to przede wszystkim palne niepal woda. biomasie oraz od parametrów przeprowadzania samego procesu toryfikacji. Torgaz zawiera w swo, metan sprawia problemy w wykorzystaniu go jako [11]. Rys.6. Schemat reaktora do procesu toryfikacji biomasy

10 Podczas proc ku pierwiastków do uby paliwowym jest bardziej wydajna w stosunku do iomasy nieprzetworzonej. Storyfikowana biomasa pochodzenia drzewnego 18 do 23 MJ/kg. Niska lgoci - jest nek biomasy fizyko- z biomasy, która. Pelet utworzony z toryfikatu (z ang. torrefied pellets e na tak jak w do magazynowania i transportu co w konsekwencji ogranicza jego zastosowanie w ko w procesie spalania wnym zjawiskom jak skróco. Jednak nawet tak wysoce zaawansowane. W chwili obecnej proces toryfikacji nie jest jeszcze wykorzystywany w skali komercyjnej ze gii elektrycznej i. Rys.7 H/C - t

11 W naszym kra procesem toryfikacji biomasy, w, w której autonomicznej karbonizacji biomasy ( trociny,, aby w przestrzeni jego komory, w której dochodzi do reakcji toryfikacji, uzyska nagrzewu rozdrobnionej biomasy (ok. 280 ºC) tak by zainicjowa tak zaprojektowany aby trwale i w sposób niezawodny i wydajny utrzyma warunki przebiegu reakcji egzotermicznej, re biomasy i reaktora. Dodatkowym atutem tego typu konstrukcji reaktora jest specjalny wilgoci w dostarczanej biomasie. powietrze spaliny -Kompaktowy reaktor -Niskie koszty inwestycyjne -Dobra kontrola Temp. -Wysoka wydajność -Różnorodność paliw używanych w procesie torgaz spalanie Biomasa suszenie toryfikacja torgaz chłodzenie Toryfikat Δp spaliny Wymiana ciepła spaliny Rys.8 7) Peletyzacja z toryfikacją biomasy. P z procesem toryfikacji daje najlepszy produkt odznaczaj

12 paliwowym Energy Research Center of Netherlands, ECN. Metoda ta polega na zastosowaniu do procesu toryfikacji biomasy reaktora typu w wyniku toryfikacji (tzw. torgaz) toryfikat zostaje dodatkowo przetworzony. biomasy o nazwie torgaz posiada lotnych biomasy do samego procesu karbonizacji. Optymalne warunki to warunki, przy których z lgoci jest na poziomie 15 do 20%. Rys.9 1MWh energii elektrycznej energii na mielenie surowców pierwotnych [12].

13 Trociny 0.7 eur/gj Proces TOP (RPA) 2.0 eur/gj Logistyka 2.0 eur/gj 4.7 eur/gj! TORYFIKACJA BIOMASY STAŁA SIĘ OPŁACALNA!!! Top pelet w elektrowniach w pn.-zach. Europie 0.7 eur/gj Trociny 2.2 eur/gj Konwencjon -alne pelety 2.9 eur/gj Logistyka 5.8 eur/gj Rys.10 przeliczeniu na euro/gj. Rys.11. Wykres przeds zawilgocenia paliwa t m = 100 ºC, t pg = 280 ºC oraz V m =32000 Nm3/h

14 8) Hydroliza biomasy. Istnieje szereg procesów hydrolizy biomasy, proces termicznej hydrolizy biomasy to proces w hemicelulozy i celulozy sku wodnym w wyniku dostarczenia energii cieplnej. Hydroliza to kolejna z metod ob [13]. Biomasa, która zbudowana jest z hemicelulozy, celulozy i ligniny ulega konwersji do biopaliwa, przekszt z rodzajów biomasy jest potencjalnym liwa, tzw. biopaliwa pierwszej generacji w wyniku hydrolizy biogaz i etanol [14] Brazylia, w któr bioetanolu pi m loza i bardziej Ry [13]

15 Tradycyjny proces termicznej hydrolizy biomasy polega na podgrzewaniu biomasy ºC do 180 º hydrolizy jes trakcie procesu. 3. PORÓWNANIE TECHNIK WSTĘPNEJ OBRÓBKI BIOMASY Przedstawione w artykule techniki konwersji biomasy [15]. Procesy suszenie, rozdrabniania, brykietowania, peletyzacji, t pr takie etapy jak: suszenie paliwa, rozdrabniania, peletyzacji i toryfikacji paliwowych i w praktyce j technicznie w konwencjonalnych elektrowniach i el opisanych holendersich technologii o nazwie ECN polega na autotermicznej waloryzacji paliw z grupy bio y z upraw jednorocznych), w którym to procesie przeprowadzane jest wysokoefektywne -chemicznej konwersji biomasy do postaci [16]. ECN powstaje produkt o nazwie z ang. TOP Pellet drugiej generacji (TOP Pellet jest wysoka reakty biomasy oraz mocno koncentracja chloru) [17] uktury rodzaju kotle (np. rusztowym ). Ten rodzaj metody konwersji biomasy prakty utrzymaniem dodatko bio nie 20% lub nawet 30%, [18] za

16 TOP Pellet, toczenia i procesy gnilne co pozwala na znacznie owanie oraz transport w porównianiu do peletu z biomasy nieprzetworzonej. Technologia toryfikacji jest komercjalizacji, jej produkt jest bardzo oczekiwany w energetyce. W Holandii i we Francji w roku 2012 [19][20] jedna z firm o nazwie KRAWIETZ Sp. i inwestycyjne w nergii z odpadów i -energetycznego. Tab.1. (+) niewielka poprawa (++) znaczna poprawa (-- (o) bez znaczenia (x) brak danych

17 Literatura: [1] Rickets B., et. Al. 2002: Technology Status Review of waste/biomass Co-Gasification with Coal, Ichem Fift European Gasification Conference, 8-10 April 2002, Noordwijk, The Netherlands [3] A. Cocker- y na potrzeby systemów [4] [5] Techniki Cieplnej i Me [6] Lipinsky, E; Arcate, J.; and Reed T Enhanced wood fuels via torrefaction. Fuel Chemistry Preprints 47 [7] James, J Using torrefied wood as a coal replacement, for superior pellets and cellulosic ethanol production. Agri-Tech Producers, LLC; Columbia, SC. (presentation) [8] Bridgeman T.G., Jones J.M., Shield I., Williams P.T., Torrefaction of reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties, FUEL, 87 (2008) [9] M. J. Prins: Thermodynamic analysis of biomass gasification and torrefaction, Technische Universitet Eindhoven, The Netherlands. energetyce. Wydawnictwo Insty Zabrze-Gliwice [11] Jyuung-Shauu Cher, Allan N.Hayhurst: A simple theoretical analysis of the pyrolysis of an isothermal particie of coal, Combustion and Flame 157 (2010) , Department of Chemical Engineering and Biotechnology, University of Cambridge, UK. [12] Pach, M., Zanzi, R., and Björnbom, E., Torrefied biomass as substitute for wood and charcoal, in Ani, F.N., et al. (ed.), 6th Asian-Pacific Int. Symp. on Combustion and Energy Utilization, Proc. Int. Conf., Kuala Lumpur, Malaysia, pp [13] Termiczna hydroliza biomasy Modelowanie i monitoring, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2010 [15] S. Jimenez, P. Remacha, J. C. Ballesteros, A. Gimenez, J. Ballester: Kinetics of devolatilization and oxidation of a pulverized biomass in an entrained flow reactor under realisitic combustion conditions, Combustion and Flame 152 (2008) [16] Skodras G., Grammelis P., Kakaras E., Sakellaropoulos G.P. 2004: Evaluation of the environmental impact of waste wood co-utilization for energy production, Energy 29 (2004), [17] Sjaak van loo, Jaap Koppejan: The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing [18] F. R. Calle, P. de Groot, S. L. Hemstock, J. Woods: The Biomass Assesment Handbook, Bioenergy for sustainable environment

18 [19] Thermya A continuous torrefaction process from France. Accessed 4/27/2010 at [20]