Zgazowanie Opracowano na podstawie: LILIANA BONDER, MAREK MIROSZ Przegląd technologii zgazowania biopaliw stałych TOMASZ CHMIELNIAK, ZDZISŁAW ŻUROMSKI ZGAZOWANIE BIOMASY W UKŁADACH MAŁEJ MOC NA PRZYKŁADZIE GAZOGENERATORA FIRMY ZAMER dr inż. Grzegorz Barzyk dr Barzyk Consulting 1
Zgazowanie to konwersja, poprzez proces częściowego utleniania węgla zawartego w paliwie w gaz, którego głównymi składnikami są: wodór i tlenek węgla. Gaz może być użyty jako paliwo, źródło wodoru lub materiał do produkcji w przemyśle petrochemicznym. Światowa moc gazogeneratorów wynosi obecnie ponad 50 000 MW mocy cieplnej i wzrasta o około 10% rocznie 2
Jest to technologia bardziej przyjazna środowisku niż spalanie bezpośrednie, m.in. ze względu na minimalizację powstawania tlenków i migracji metali ciężkich do spalin oraz wyższej sprawności systemów kogeneracyjnych. 3
Biomasa wykorzystywana do celów energetycznych nazywana jest biopaliwem. Biomasa jest jedynym zasobem energii odnawialnej, który może być źródłem paliw i produktów opartych na węglu. Biopaliwa stałe mogą być zużywane na cele energetyczne w procesach bezpośredniego spalania, gazyfikacji oraz pirolizy. Biomasę można pogrupować w następujący sposób: odpady leśne, ścinki, kora, zieleń, liście, gałęzie, odpady drewna z przemysłu papierniczego i meblarskiego, odpady z likwidacji upraw ogrodniczych, odpady drewna (trociny, pył szlifierski), drewno rozbiórkowe oraz z opakowań, rolnicza (z upraw, produkcji żywności i hodowli zwierzęcej), inna biomasa roślinna powstająca w czasie uprawy i pozyskania, oraz przetwarzania przemysłowego produktów (siano, słoma, kiszonka, konopie, kukurydza, trzcina cukrowa i bagienna, łuski itp.), uprawy energetyczne (trawy, wierzba, topola, eukaliptus, słomy, ziarna upraw zbożowych), inne paliwa biopochodne (papier i karton, stałe odpady komunalne MSW, paliwa RDF, osady ściekowe).. 4
Technologia zgazowania Klasyczna technologia zgazowania polega na zmianie składu paliwa przez podgrzewanie oraz reagowanie chemiczne z utleniaczami w warunkach ich ograniczonego dostępu, tzn. braku tlenu w stosunku do stechiometrycznego zapotrzebowania tlenu (λ = 1) niezbędnego do całkowitego utlenienia paliwa, dzięki czemu straty ciepła są mniejsze, a spaliny nie zawierają cząstek stałych. 5
Utleniacze stosowane w procesach zgazowania to: tlen, powietrze atmosferyczne, mieszanina pary wodnej, tlenu i CO2, mieszanina pary wodnej i powietrza, para wodna. 6
W zależności od sposobu dostarczenia ciepła do zgazowania, proces może zachodzić: bezpośrednio (zgazowanie autotermiczne), część biopaliwa dostarczanego do reaktora ulega spaleniu (20-30%), pośrednio (zgazowanie allotermiczne), ciepło do zgazowania pochodzi ze spalania biopaliwa w oddzielnym urządzeniu i dostarczane jest do reaktora za pomocą stałego, ciekłego lub gazowego nośnika. 7
Części lotne przechodzą do fazy gazowej, będącej mieszaniną metanu, wodoru, tlenku węgla i dwutlenku węgla. Pozostałość mineralna przekształcana jest w popiół. W procesie tworzą się również produkty uboczne, jak kondensujące się lotne i ciekłe substancje smoliste. Smoła zawiera aromatyczne i poliaromatyczne węglowodory, głównie toluen, naftalen oraz fenol (w temperaturze poniżej 800oC). 8
zawartość smół zmniejsza się jednak wraz ze zwiększaniem temperatury procesu, w temperaturze 900oC tworzy się o 50% mniej smoły niż w 700oC. Zmienia się również skład smoły, przy temperaturze 900oC benzen stanowi 50% zawartości wszystkich związków aromatycznych 9
procesy fizyko-chemiczne zachodzące w kolejnych etapach zgazowania: 10
Temperatura w strefie utleniania powinna być utrzymana w zakresie 700-900oC (dla biopaliwa nie może przekroczyć 1000oC). Gdy jest niższa od zalecanej wartości, dwutlenek węgla nie jest całkowicie redukowany do tlenku węgla, nawet jeśli czas kontaktu CO2 z węglem zawartym w paliwie jest długi. Jeśli temperatura przekracza wartość wymaganą, to popiół topi się i formuje się żużel, powodujący zawieszanie wsadu w strefie redukcji i w konsekwencji zatykanie przepływu gazu 11
Skład oraz wartość opałowa mieszaniny powstałego gazu zależą od warunków zgazowania (temperatury, ciśnienia, czasu kontaktu CO2 i C w strefie redukcji oraz zastosowanego czynnika zgazowującego i paliwa: znaczna wilgotność (45-58%) materiałów poddawanych zgazowaniu powoduje relatywnie niską wartość opałową produkowanego gazu w granicach 1,6-2,5 MJ/Nm3, korzystne jest prowadzenie procesu w jak najwyższych wartościach temperatury, wówczas składniki palne (CO, H2, CH4) mają zwiększony udział w zachodzących reakcjach; wysoka temperatura zmniejsza zawartość dioksyn w gazie, 12
wzrost ciśnienia oraz udział pary wodnej zwiększa uzysk powstawania metanu, co podnosi wartość opałową gazu, kaloryczność gazu podnosi również wyeliminowanie azotu z utleniacza przez zastosowanie czystego tlenu lub powietrza wzbogaconego tlenem. W przypadku zgazowania w atmosferze powietrza kaloryczność gazu waha się od 4 do 7 MJ/Nm3, zgazowanie czystym tlenem podnosi parametr do 10-12 MJ/Nm3, podawanie pary wodnej daje wartość 15-20 MJ/Nm3. Para wodna powoduje zwiększenie ilości wodoru oraz metanu w powstałym gazie. 13
Gazogeneratory Podstawowym elementem każdej zgazowarki jest gazogenerator inaczej zwany komorą lub reaktorem zgazowania. W komorze tej następuje szereg reakcji fizyko-chemicznych, w trakcie których powstaje gaz. Do zgazowania paliwa wykorzystywane są różne typy systemów, główne to: reaktor ze złożem stałym, reaktor fluidalny ze złożem pęcherzowym, reaktor fluidalny z warstwą cyrkulacyjną, reaktor strumieniowy. 14
15
Reaktory zgazowania ze złożem stałym Gazogeneratory ze złożem stałym różnią się kierunkiem przepływu gazu przez reaktor (skierowany ku górze, ku dołowi oraz horyzontalny) albo kierunkiem przepływu paliwa i gazu (współprądowy, przeciwprądowy oraz skrzyżowany 16
17
W zgazowarkach ze złożem stałym mogą powstawać strefy z wysoką temperaturą powodujące spiekanie popiołu. Jest to efekt dużej nierównomierności rozkładu temperatury wzdłuż wysokości złoża. Problemem jest także długi czas nagrzewania i ograniczenia związane z powiększaniem skali. Główną zaletą tych gazogeneratorów jest wysoka sprawność konwersji materiału wsadowego oraz stosunkowo prosta konstrukcja. 18
Reaktor fluidalny z warstwą cyrkulacyjną W zgazowarce ze złożem fluidalnym powietrze i paliwo jest wymieszane w gorącym złożu z materiału stałego. Materiał złoża składa się zwykle z cząstek krzemionki, biomasy, katalizatora i popiołu. Z powodu silnego mieszania nie jest możliwe rozróżnienie stref w gazogeneratorze suszenia, pirolizy, utleniania i redukcji. Temperatura w całym złożu jest stała, występuje także wysoki stopień kontaktu cząsteczek biomasy i czynnika zgazowującego. W reaktorze ze złożem cyrkulacyjnym materiał złoża wypełnia całą objętość reaktora, powoduje to większa niż w reaktorze pęcherzowym prędkość czynnika zgazowującego wynosząca 5-10 m/s. Unoszony materiał złoża jest separowany i zawracany do reaktora przez cyklon umieszczonyna drodze gazu. 19
Reaktor fluidalny z warstwą pęcherzową W reaktorze pęcherzowym kierunek przepływu czynnika zgazowującego i opadającego wsadu jest przeciwny. Fluidyzowane złoże materiału wsadu wypełnia dolną część reaktora, w górnej strefie zaś przepływa tylko paliwo gazowe z cząsteczkami pyłu i smoły. Czynnik zgazowujący pełni również rolę medium fluidyzującego i jego prędkość wynosi około 1-3 m/s 20
Zgazowanie pośrednie W zgazowaniu pośrednim (allotermicznym) jako utleniacz stosuje się parę wodną. Przetwarzanie paliwa w parze jest procesem endotermicznym, jednak powstaje w nim więcej metanu na jednostkę objętości niż w zgazowaniu bezpośrednim. Ciepło wytwarzane jest w oddzielnym urządzeniu przez spalanie biomasy lub produktów jej przetwórstwa i dostarczane jest do gazogeneratora za pomocą stałego, ciekłego lub gazowego nośnika. Istnieją dwa podstawowe typy reaktorów w zależności od zastosowania zewnętrznego źródła ciepła: gazowy reaktor pośredni i koksowy reaktor pośredni. 21
Budowa zespołu zgazowania biomasy ZEMAR w systemie przeciwprądowym 22
Podstawowym elementami układu są: 1) reaktor, 2) śluza 3) zespół załadowczy, 4) zespół usuwania popiołów 5) przewód doprowadzający gaz do spalania, 6) instalacja powietrza 7) zespół palnika i komory spalania 23
Paliwo do instalacji zgazowania dostarczane jest w kontenerach i dozowane w górnej części reaktora zgazowania. Załadunek odbywa się przy wykorzystaniu zespołu transportowo-załadowczego oraz luz, których zadaniem jest eliminacja niekontrolowanego przepływu powietrza do reaktora i wydobywania się gazu z aparatu. Jako paliwo wykorzystywane jest drewno odpadowe, dozowane do układu periodycznie w postaci kawałków o maksymalnej granulacji 30-40cm. Powietrze (czynnik zgazowujący) doprowadzane jest obwodowo w dolnej części aparatu (część cylindryczna). Doprowadzone do aparatu paliwo w trakcie przechodzenia w dół reaktora podlega procesom suszenia, pirolizy, zgazowania i spalania karbonizatu. Generowany w trakcie procesu gaz odprowadzany jest z górnej części reaktora. Popiół przechodzi do części stożkowej reaktora i poprzez zespół usuwania popiołów wyprowadzany jest na zewnątrz aparatu. Proces zgazowania realizowany jest w temperaturze 600-800 C i przy ciśnieniu atmosferycznym. 24
W komorze zgazowania usuwane są lotne substancje organiczne pod wpływem wysokiej temperatury i następuje zamiana pozostałego węgla organicznego pod wpływem powietrza i pary wodnej na mieszaninę CO, CO2 oraz H2. Zamiana węgla organicznego następuje w warunkach wysokich wartości temperatury 800-1100oC. Wytworzony gaz palny doprowadzany jest izolowanymi przewodami do palników komory spalania kotła wodnego. Powietrze do spalania (układ kotła) jest wstępnie podgrzewane przeponowo w części stożkowej reaktora. Powstające w procesie spalania gazu spaliny poprzez urządzenie odpylające odprowadzane są do instalacji kominowej. 25
Atmosferyczna zgazowarka z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym CFB Budowa System atmosferycznego zgazowywania CFB opracowany przez fińską firmę Foster Wheeler jest względnie prosty. Składasię z reaktora zgazowującego, Cyklonu separującego materiał złoża cyrkulacyjnegoz gazu oraz rury powrotnej zawracającej cyrkulujący materiał do dolnej części zgazowarki. Poniżej cyklonu zastosowano podgrzewacz powietrza, odzyskujący Ciepło z gorącego gazu. Wszystkie części są wyłożone materiałem ognioodpornym. 26
Zasada działania W zastosowanej technologii rolę czynnika utleniającego spełnia powietrze. Jest ono wdmuchiwane pod wysokim ciśnieniem pod ruszt rozprowadzający powietrze, znajdujący się na spodzie reaktora poniżej złoża. Prędkość powietrza jest tak dobrana, aby wytworzyć złoże fluidalne. Część cząsteczek złoża porywana jest do cyklonu, gdzie następuje odseparowanie materiału od gazu i skierowanie go do dolnej części zgazowarki. Gaz oraz części stałe wydobywają się z dolnej części cyklonu. 27
Cyrkulujące części stałe zawierają koksik, który jest spalany w atmosferze fluidyzującego powietrza. Ciepło z tego procesu wykorzystywane jest w pirolizie i pozostałych endotermicznych reakcjach zgazowania. Nośnikiem ciepła jest cyrkulujący materiał, który również stabilizuje temperaturę procesu. Pył o grubej frakcji opada na dno reaktora i usuwany jest przenośnikiem ślimakowym zaopatrzonym w płuczkę wodną. 28
Podczas normalnej pracy instalacji jej wydajność regulowana jest natężeniem przepływu paliwa. Paliwo kierowane do procesu gazyfikacji nie musi być wstępnie osuszane (dopuszczalny chwilowy poziom wilgotności do 60%) Temperatura procesu kontrolowana jest poprzez ilość podawanego powietrza. Technologia CFB jest wykorzystywana do zgazowania takich materiałów jak: miskantus, kora, trociny, torf oraz inne biopaliwa w jednostkach o mocy od 3 do 70 MW. 29
DO ZAPAMIĘTANIA Najbardziej zawansowanym technologicznie sposobem energetycznego wykorzystania biomasy są układy bazujące na procesach jej zgazowania. Podstawowymi zaletami takiego rozwiązania w stosunku do innych metod energetycznego wykorzystania biomasy są : możliwość wielokierunkowego zastosowania wytwarzanego gazu, który może być wykorzystany do produkcji energii w postaci ciepła, energii elektrycznej lub jako surowiec do produkcji np. metanolu. obniżenie emisji substancji szkodliwych do atmosfery możliwo znacznego zwiększenia sprawności wytwarzania energii elektrycznej możliwość stosowania biomasy w formie surowej, nieprzetworzonej np. o dużej zawartości wilgoci. 30
Dziękuję za uwagę 31