Paliwa gazowe z drewna - prace realizowane w Katedrze Technologii Paliw

Transkrypt

1 Paliwa gazowe z drewna - prace realizowane w Katedrze Technologii Paliw Stanisław Porada Wydział Energetyki i Paliw Katedra Technologii Paliw Kraków, r.

2 Dlaczego OZE? Ograniczone zasoby paliw kopalnych Zagrożenia związane z ocieplaniem klimatu Zwiększanie udziału energii pochodzącej z tych źródeł w globalnej produkcji energii jest różna w różnych krajach. W krajowych warunkach istotną pozycję wśród odnawialnych źródeł energii zajmuje biomasa, która może być konwertowana do różnych nośników energii w takich procesach jak piroliza, spalanie czy też zgazowanie. W bilansie biomasy duże znaczenie posiada drewno 2

3 Udział [%] Udział źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w Polsce na przestrzeni ubiegłych lat , ,4 6,8 7, ,9 5 5, Rok 3

4 Udział [%] Udział biomasy w strukturze energii odnawialnej w Polsce na przestrzeni ubiegłych lat 92 90,8 91, , ,0 85,5 85, , Rok 4

5 Produkty termochemicznej konwersji biomasy 5 S. Porada; EiP

6 Badania procesów pirolizy biomasy 6

7 Dlaczego piroliza? Pośród procesów energochemicznego przetwórstwa biomasy szczególnie ważną rolę odgrywa proces pirolizy. Piroliza biomasy może być realizowana w skali przemysłowej jako samodzielny, niezależny proces dostarczający użytecznych produktów stałych, ciekłych i gazowych Piroliza jest również wstępnym i nieodłącznym etapem większości technologii utylizacji biomasy. Przebieg pirolizy wpływa na dalsze etapy takich procesów jak spalanie czy też zgazowanie biomasy 7

8 Dlaczego piroliza? (2) Dla przykładu: Substancje lotne wydzielające się podczas pirolizy mogą kontrolować zapłon, temperaturę i stabilność płomienia w procesie spalania biomasy Piroliza determinuje aglomerację i wydymanie cząstek oraz reaktywność i fizyczną strukturę karbonizatu Wydzielanie sadzy, odgrywającej dużą rolę w transporcie ciepła, jest związane z tworzeniem się smoły podczas pirolizy Rozkład temperatury i skład produktów w procesie zgazowania biomasy w dużej mierze są uzależnione od zasięgu przebiegu reakcji pirolizy. 8

9 Dlaczego piroliza? (3) Rozkład temperatury i skład produktów w procesie zgazowania biomasy w dużej mierze są uzależnione od zasięgu przebiegu reakcji pirolizy. W ostatnich czasach piroliza wzbudza uwagę w związku z wdrażaniem technologii utylizacji odpadów komunalnych i przemysłowych. 9

10 Warunki pomiarów Metoda termowolumetryczna Warunki nieizotermiczne Szybkość ogrzewania: 3K/min Temperatura końcowa: 1200 K Masa próbki: 1g 10

11 Schemat stanowiska do badania kinetyki pirolizy i hydrozgazowania węgli R - reaktor, RV - zawór redukcyjny, F - Filtr, FL - przepływomierz, P - manometr, TP - regulator-programator temperatury pieca, C - chłodnica, TS - zbiornik kondensatu, GC - chromatograf gazowy 11

12 Charakterystyka drewna sosnowego Właściwość, symbol Wymiar Wartość Zawartość wilgoci, W a % wag. 7,6 Zawartość popiołu, A a % wag. 0,2 Zawartość części lotnych, V a % wag. 78,8 Ciepło spalania, Q s J/g Zawartość węgla, C daf % wag. 51,7 Zawartość wodoru, H daf % wag. 5,84 Zawartość siarki, S t % wag. 0,06 12

13 dv/dt, cm 3 /g K 0,6 Zmiany szybkości wydzielania się metanu i wodoru w funkcji temperatury pirolizy drewna sosnowego metan wodór 0,4 0, Temperatura, K 13

14 dv/dt, cm 3 /g K Zmiany szybkości wydzielania się węglowodorów C 2 -C 3 w funkcji temperatury pirolizy drewna sosnowego 0,01 0,008 etan eten propan 0,006 propen 0,004 0, Temperatura, K 14

15 dv/dt, cm 3 /g K Zmiany szybkości wydzielania się tlenków węgla w funkcji temperatury pirolizy drewna sosnowego 0,4 0,35 0,3 tlenek węgla ditlenek węgla 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Temperatura, K 15

16 Wydajności gazowych produktów pirolizy drewna sosnowego oraz stopień konwersji C do węglowodorów C 1 -C 3 oraz tlenków węgla Składnik CH 4 C 2 H 6 C 2 H 4 C 3 H 8 C 3 H 6 CO CO 2 H 2 Suma Wydajność, cm 3 /g 22,2 1,5 0,8 0,3 0,8 102,1 58,9 153,0 Stopień konwersji, [%] 2,3 0,3 0,2 0,1 0,2 10,6 6,1 19,8

17 Przemiany substancji organicznej biomasy pękaniem najsłabszych wiązań tj. mostków metylenowych i tlenowych pomiędzy alicyklicznymi lub aromatycznymi pierścieniami, jednocześnie rozkładowi ulegają grupy funkcyjne takie jak: karboksylowe, karbonylowe, metoksylowe czy też alkilowe. w wyniku procesów krakingu tych ugrupowań powstaje duża ilość wolnych rodników, które w znacznej części są lotne. rodniki te są bardzo reaktywne i mogą podlegać wtórnym reakcjom repolimeryzacji prowadzącym do tworzenia wielkocząsteczkowych ugrupowań lub stabilizacji przy udziale wodoru w efekcie czego powstają małocząsteczkowe, lotne związki.

18 Obliczenie parametrów kinetycznych reakcji tworzenia się gazowych węglowodorów n = 2 metan powstaje w wyniku przebiegu trzech reakcji składowych, węglowodory C 2 -C 3 tworzą się w pojedynczych reakcjach.

19 Obliczenie pozornych parametrów kinetycznych reakcji tworzenia się gazowych węglowodorów Reakcja Składnik k 0, g/cm 3 s E, kj/mol V 0, cm 3 /g 1 Metan ,35 6, ,96 10, ,18 5,37 1 Etan ,80 1,28 1 Eten ,67 0,69 1 Propan ,93 0,26 1 Propen ,11 0,69

20 Obliczone krzywe kinetyczne reakcji składowych tworzenia się metanu w procesie pirolizy drewna sosnowego oraz stopień dopasowania obliczonej krzywej kinetycznej metanu do danych eksperymentalnych

21 Badania kopirolizy biomasy i węgla 21

22 Charakterystyka badanych surowców Analiza techniczna Analiza elementarna, % Próbka Wilgoć, W a, % Popiół, A a, % Części lotne, V daf, % Ciepło spalania Q s, MJ/kg C daf H daf S t a Wierzba 7,2 1,9 81,9 17,64 50,7 7,00 0,07 Staszic 3,1 3,5 37,4 26,919 82,1 4,98 0,60

23 dv/dt [cm 3 /g*k] Zmiany szybkości wydzielania się metanu w procesie pirolizy badanych materiałów 0,20 Wierzba 0,16 Węgiel Wierzba+węgiel 0,12 0,08 0,04 0, Temp. [K] 23

24 dv/dt [cm 3 /g*k] Zmiany szybkości wydzielania się wodoru w procesie pirolizy badanych materiałów 1,00 0,80 Wierzba Węgiel Wierzba+węgiel 0,60 0,40 0,20 0, Temp. [K] 24

25 dv/dt [cm 3 /g*k] Zmiany szybkości wydzielania się etanu w procesie pirolizy badanych materiałów 0,05 Wierzba 0,04 Węgiel Wierzba+węgiel 0,03 0,02 0,01 0, Temp. [K] 25

26 dv/dt [cm 3 /g*k] Zmiany szybkości wydzielania się tlenku węgla w procesie pirolizy badanych materiałów 0,40 Wierzba 0,30 Węgiel Wierzba+węgiel 0,20 0,10 0, Temp. [K] 26

27 Wydajności gazowych produktów pirolizy badanych próbek Próbka Uzysk [cm 3 /g] CH 4 C 2 H 6 C 2 H 4 C 3 H 8 C 3 H 6 H 2 CO CO 2 Wierzba 15,8 1,1 0,9 0,3 0,4 143,6 80,9 52,3 Węgiel 33,8 4,0 1,1 1,1 1,1 234,8 36,6 29,3 Wierzba +węgiel 20,2 1,9 0,7 0,5 0,6 173,3 56,4 45,3 27

28 Przemiany substancji organicznej biomasy Z przebiegu prezentowanych krzywych kinetycznych reakcji tworzenia się gazowych produktów pirolizy drewna wynika: jest to skomplikowany, wieloetapowy proces powodem tego jest złożona struktura drewna, które składa się z trzech głównych komponentów o całkowicie odmiennej budowie chemicznej, a mianowicie: celulozy, hemicelulozy ligniny.

29 Kinetyka pirolizy drewna sosnowego - podsumowanie głównym gazowym produktem pirolizy drewna sosnowego jest wodór, którego wydajność wynosiła 153 cm 3 /g, wydajność tlenku węgla jest prawie dwukrotnie wyższa niż ditlenku węgla, całkowity stopień konwersji pierwiastka C zawartego w drewnie do badanych produktów gazowych osiąga prawie 20 %, wyniki obliczeń potwierdziły słuszność przyjętych założeń. Tworzenie się metanu jest wynikiem przebiegu trzech reakcji składowych, których szybkości można opisać równaniem reakcji drugiego rzędu

30 Badania procesów zgazowania biomasy 30

31 ZALETY PROCESÓW ZGAZOWANIA wysoka sprawność dają produkt paliwo gazowe o wysokich walorach użytkowych są procesami dobrze kontrolowalnymi są przyjazne dla środowiska z uwagi na znaczne obniżenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery, w tym również ditlenku węgla umożliwiają całkowite usunięcie i deponowanie ditlenku węgla 31 S. Porada; EiP

32 ZALETY PROCESÓW ZGAZOWANIA (2) umożliwiają wytwarzanie lub kogenerację wodoru, energii elektrycznej i czystych paliw ciekłych odznaczają się dużą elastycznością w zakresie możliwych produktów mogą być wykorzystywane w energetyce rozproszonej zgazowywanie biomasy wspólnie z węglem umożliwia osiąganie korzyści technologicznych i środowiskowych charakterystycznych dla obu tych surowców 32 S. Porada; EiP

33 Zalety zgazowania biomasy w porównaniu ze spalaniem: szerokie możliwości wykorzystania produkowanego gazu (produkcja energii cieplnej i elektrycznej, surowiec w przemyśle chemicznym itp) zmniejszenie ilości zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery zwiększenie sprawności konwersji do energii cieplnej i elektrycznej możliwość stosowania biomasy w formie surowej, np. o wysokiej zawartości wilgoci 33 S. Porada; EiP

34 Schemat instalacji do badania kinetyki zgazowania węgli para wodną M PW ARP WP DW R CHŁ M R- reaktor W- wytwornica pary PW- pompa wody CHŁ- chłodnica ZK- zbiornik kondensatu MP- rotametr DW-podajnik węgla ARP- regulator przepływu argonu M-manometr F-filtr RC-reduktor Argon do analizy chromatograficznej F RC ZK Analizator CO; CO 2 MP 34

35 Schemat instalacji do badania kinetyki zgazowania węgli para wodną 35

36 dv/dt [cm 3 /g*min] Wodór 15 at (drewno bukowe) C 700 C 800 C 900 C czas [min] 36

37 dv/dt [cm 3 /g*min] Tlenek węgla 15at (drewno bukowe) C 700 C 800 C 900 C czas [min] 37

38 dv/dt [cm 3 /g*min] 50 Dwutlenek węgla 15at (drewno bukowe) czas [min] 600 C 700 C 800 C 900 C 38

39 stopień konwersji węgla [%] Stopień konwersji drewna bukowego 15 at C 700 C 800 C 900 C czas [min] 39

40 dv/dt, cm 3 /g*min Szybkość tworzenia się wodoru (900 C, 15 at) czas, min Biomasa Mix Węgiel 40

41 dv/dt, cm 3 /g*min Szybkość tworzenia się tlenku węgla (900 C, 15 at) Biomasa Mix Węgiel czas, min 41

42 Porównanie wydajności gazowych produktów zgazowania, cm 3 /g (900 C, 15 at) CO CO2 CH4 H2 Biomasa Mix Węgiel 42

43 dv/dt [cm 3/ g*k] Zmiany szybkości wydzielania się metanu w funkcji temperatury hydrozgazowania badanych materiałów 2,0 1,6 1,2 węgiel węgiel+wierzba wierzba 0,8 0,4 0, Temperature [K] 43

44 dv/dt [cm 3/ g*k] Zmiany szybkości wydzielania się etanu w funkcji temperatury hydrozgazowania badanych materiałów 0,08 węgiel węgiel+wierzba 0,06 wierzba 0,04 0,02 0, Temperature [K] 44

45 Wydajności gazowych produktów hydrozgazowania badanych próbek Uzysk [cm Próbka 3 /g] CH 4 C 2 H 6 C 2 H 4 C 3 H 8 C 3 H 6 Σ C 1 C 3 Wierzba 66,14 5,17 0,53 0,45 0,15 72,44 Węgiel 275,79 15,74 1,88 1,44 0,77 295,62 Wierzba+ węgiel 196,01 12,22 1,39 0,73 0,41 210,76

46 Stopień konwersji C w badanych próbkach do węglowodorów C 1 C 3 Próbka Stopień konwersji C do węglowodorów C 1 C 3 [%] CH 4 C 2 H 6 C 2 H 4 C 3 H 8 C 3 H 6 Σ C 1 C 3 Wierzba 7,69 1,20 0,12 0,16 0,05 9,22 Węgiel 19,27 2,20 0,26 0,30 0,16 22,19 Wierzba+ węgiel 17,1 2,13 0,24 0,19 0,11 19,78

47 Dziękuję za uwagę 47

48 Reaktor zgazowania typu EKOD 1 - reaktor zgazowania 2 - śluza 3 - zespół transportowozaładowczy 4 - zespół usuwania popiołów 5 - przewód doprowadzający gaz do układu spalania 6 - instalacje powietrza 7 zespół palnika i komory spalania Technologia: Moc: Paliwo: Reaktor przeciwprądowy 2,5-3,5 MWt Drewno, odpady produkcyjne granulacja: < 300 mm Czynnik zgazowujący: Powietrze 48 S. Porada; EiP

49 Viking 49 S. Porada; EiP

50 Zgazowania biomasy w gazogeneratorze Foster Wheeler z oczyszczaniem gorącego gazu 1) biomasa; 2) układ zasilania gazogeneratora; 3) stały nośnik ciepła; 4) para niskociśnieniowa; 5) reaktor fluidalny; 6) kocioł - ekonomizer; 7) woda zasilająca główny kocioł; 8) sorbent; 9) filtry; 10) popioły lotne; 11) komora paleniskowa głównego kotła 50 S. Porada; EiP

51 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 51