Experimentální zplyňování biomasy ve fluidním zařízení úskalí Jiří Kubíček 23 FSI VUT v Brně, Energetický ústav Abstrakt Příspěvek je zaměřen na některá specifika a úskalí fluidního zplyňování biomasy, zvláště u zařízení v experimentálním provozu. Pozornost je věnována především technickým problémům, které jsou s tímto typem zařízení spojeny. Úvod Od roku 2000 probíhá na Odboru tepelných a jaderných energetických zařízení Energetického ústavu FSI VUT v Brně intenzívní výzkum zplyňování biomasy a vybraných odpadů za účelem energetického využití produkovaného energoplynu v rámci kogeneračního cyklu, tedy v tepelné centrále se současnou výrobou tepelné a elektrické energie. K tomuto účelu je v těžkých laboratořích odboru umístěno experimentální zplyňovací zařízení BIOFLUID 100, které zplyňuje výše uvedené suroviny v atmosférické fluidní vrstvě (viz. obr. 1). Během výzkumu se na zařízení vyskytlo mnoho provozních problémů, které musely být odstraněny, nebo alespoň eliminovány. Některé z těchto provozních problémů a další specifika technologie fluidního zplyňování budou v tomto článku zmíněny. Zejména: problematika dávkování paliva; ztráty nedopalem, recirkulace polokoksu a odvod popelovin z fluidní vrstvy; stabilita a bezpečnost; energetická náročnost provozu a měření veličin charakterizujících kvalitu provozu. Obr. 1. Experimentální zplyňovací zařízení BIOFLUID 100 1 zásobník paliva; 2 hrablo, 3 šnekový dopravník paliva; 4 reaktor; 5 dmychadlo, 6 cyklónový odlučovač tuhých částic, 7 šnekový dopravník polokoksu, 8 výstup energoplynu, 9 zásobník popela, 10 ohřívač vzduchu; červenými tečkami jsou zvýrazněna některá kritická místa dané technologie 23 Ing. Jiří KUBÍČEK, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Technická 2, 616 69 Brno. E-mail: jri.kubicek@seznam.cz -104-
Dávkování paliva Fluidní zařízení se vyznačuje poměrně malým průtočným průřezem. Pro kruhový půdorys je jeho průměr přibližně dán vztahem: 4 m& pv D = K [m] (platí pro spodní část, kde ještě nedochází k vývinu plynu) π w kde D [m] je průměr fluidního reaktoru, m& pv [kg.s -1 ] hmotnostní tok paliva, K [m 3.kg -1 ] poměrné množství vzduchu na 1 kg paliva (pro dřevní hmotu K 0,52 až 0,6 N. V. Tuyen [1]) a w [m.s -1 ] rychlost ve fluidní vrstvě (mezi prahovou rychlostí fluidace a rychlostí úletu řádově desetiny až několik jednotek m.s -1 ). Vzhledem k nutnosti zajistit plynulou dodávku paliva do reaktoru s možností regulace jeho hmotnostního toku připadá z dopravních systémů do úvahy prakticky jen šnekový dopravník. Reaktor a zásobník jsou tedy spojeny šnekovým dopravníkem. Problémem zásobníků z jejichž spodní části má plynule odcházet sypký materiál je tzv. klenbování, čili tvorba klenby, která zamezuje volnému propadávání materiálu výsypným otvorem. Zda se vytvoří, anebo nevytvoří klenba závisí především na smykovém napětí dávkovaného materiálu, které je v podstatě funkcí jeho zrnitosti a vlhkosti. Výpočet smykového napětí a navržení správného průřezu výstupního otvoru, při němž nebude docházet ke klenbování, jsou velmi problematické. Zjednodušené vztahy vedou k poměrně velkým průměrům výstupního otvoru. V praxi by to pak s ohledem na malý průřez zplyňovacího reaktoru znamenalo nutnost použít kónický šnekový dopravník, což je varianta přinejmenším nestandardní. Kromě dostatečně velkého výsypného otvoru je několik dalších možností jak zajistit plynulé plnění šnekového dopravníku, a sice: rozrušování klenby proudem vzduchu, různými vibračními mechanismy, nebo speciálními vestavbami. Bližší informace k tématice klenbování poskytuje např. A. Anděl [2]. Na zařízení Biofluid 100 bylo k omezení tvorby klenby více-méně úspěšně použito současně dvou opatření, a sice: otáčivého hrabla a vestavby nad šnekem se záporným násypným úhlem (viz. obr. 2). Dále je pro zajištění plynulé dodávky paliva vhodné, aby jeho vstupní vlhkost byla nižší než 20 % (relativní), lépe 15 % a odvisle od typu zásobníku udržovat dostatečnou výšku hladiny paliva nad úrovní výsypného otvoru. Při dávkování paliva ze stébelnatých rostlin je zapotřebí posekat stébla na optimální délku, aby docházelo k fluidizaci a materiál se nepěchoval v místě zaústění šnekového dopravníku do reaktoru. Shodou okolností mají stébelnaté rostliny často nízký bod tavení, resp. spékání popelovin (např. sláma) a při zapěchování se tak může vlivem tlaku a teploty vytvořit velmi tvrdá, často neodstranitelná minerální hmota. Obr. 2. Vestavba v zásobníku paliva (vlevo), uzávěry fluidní vrstvy (vpravo) -105-
Ztráty nedopalem, operace s fluidní vrstvou Po vstupu do reaktoru částice paliva postupně vyhořívají, resp. jsou zplyňovány a jejich velikost se snižuje. Až dosáhnou daného rozměru (závisí od hustoty a tvaru částice, rychlosti fluidního média ve volném průřezu a hustotě fluidní vrstvy), jsou strhnuty proudem plynu a odnášeny ven z reakčního prostoru. Hrubší frakce je odloučena v cyklónovém odlučovači, jemné částice odcházejí ven ze zařízení. Jelikož kritická velikost částice a její úlet je dán mnoha parametry, není zaručeno, že bude využita veškerá organická hmota, kterou obsahuje. Vzniká tak tzv. nedopal, nebo polokoks, který je již dále po stránce energetické obtížně využitelný. V případě fluidního zplyňovače je procento nevyužitého organického materiálu poměrně vysoké, což má negativní dopad na energetickou bilanci tohoto zařízení. Polokoks, který prošel cyklónem se usazuje spolu s kondenzujícími dehty (vedlejší produkt zplyňovací reakce) na stěnách potrubí a vytváří obtížně odstranitelné nánosy. Vzhledem k přítomnosti dehtu není jednoduché částice z plynu odfiltrovat. Část nedopalu, který je v cyklónu odloučen, je možno recirkulovat zpět do reakčního prostoru. Zde je ovšem další kritický bod. U fluidních zařízení existuje řada různých uzávěrů (např. sifónový uzávěr viz. obrázek 2), které umožňují vracet materiál zpět do lože. Funkce většiny z nich je však podmíněna dmýcháním plynu do svodové trubky, což by v případě zpyňovače přinášelo jisté obtíže. Pro dmýchání dřevoplynu by bylo zapotřebí speciálního zařízení, vzduch by na druhou stranu zapříčinil zahoření polokoksu ve svodové trubce, v lepším případě by ředil již vyrobený plyn. Na zařízení Biofluid 100 je k recirkulaci polokoksu použit šnekový dopravník. Toto řešení ale také není zcela vhodné, neboť vzhledem k neznámému množství odloučeného nedopalu nebylo možno správně navrhnout otáčky podavače a jeho provoz musí být tudíž dis-kontinuální (dle odhadu obsluhy). S daným tématem souvisí i odvod popelovin z reakčního prostoru. Biomasa obsahuje malé procento popelovin. Pokud bychom však uvažovali o zplyňování odpadu, může docházet i u experimentálního zařízení, které se vyznačuje poměrně krátkou dobou provozu, k nadměrnému zahušťování fluidní vrstvy popelovinami a následně k nestabilitě provozu. Vynášecí zařízení v tomto případě většinou nepřipadá z ekonomických ani technických důvodů v úvahu. Stabilita, bezpečnost U experimentální fluidní jednotky je nutno klást důraz na plynulost dodávky paliva, neboť i malé výkyvy v jeho přísunu jsou důvodem nestability provozu. Je to způsobeno především malými rozměry celého zařízení. Ve fluidní vrstvě se tak nachází poměrně malé množství hmoty a kapacita naakumulovaného tepla, které by vyrovnávalo změny v dodávce paliva, je nedostatečná. Kromě reakcí na změnu hmotnostního toku reaguje zařízení ve značné míře i na změnu vlhkosti v palivu, a to zvýšením obsahu dehtů v plynu (nežádoucí). Nestabilní režim provozu se vyskytuje také například v případě, kdy uzávěr zásobníku paliva není zcela těsný a část plynu proudí skrze šnekový dopravník ven ze zařízení. Dochází tak k odhořívání paliva v koncové části šneku, jeho nadměrnému ohřevu a změnám v dodávce paliva a tlakových poměrech v reaktoru (kolísání tlaku). S malými rozměry zařízení souvisí i relativně velké tepelné ztráty, které nejsou u velkých zařízení vlivem příznivějšího poměru průměru reaktoru k tloušťce izolace tak patrné. Při návrhu a provozu zplyňovacího zařízení je všeobecně nutno dbát na bezpečnost, a to především se zaměřením na níže uvedené oblasti. Není-li správně navrhnut zásobník paliva, může dojít k tvorbě výbušné směsi plynů a v krajním případě k jeho explozi. Tento problém je v praxi často řešen zaváděním malého množství vzduchu do horní části zásobníku o vyšším tlaku. Ten zamezuje tomu, aby se plyn dostával přes šnekový dopravník do zásobníku paliva. -106-
Dalším potencionálním nebezpečím pro obsluhu jsou látky obsažené v plynu, jmenovitě oxid uhelnatý, který má vyšší afinitu na krevní barvivo než kyslík a způsobuje tudíž mdloby až udušení a PAH, které jsou mutagenní a karcinogenní a zvyšují sensitivitu organismu. Oxid uhelnatý je jednou z hlavních složek plynu a vyskytuje se v koncentracích okolo 12 až 20 % obj. PAH se jako součást dehtu vyskytují v koncentracích řádově 0,0x až 0,x g/nm 3. Z tohoto důvodu je nutno plyn na výstupu spalovat, např. v polním hořáku za podpory zemního plynu. Pokud nedochází k únikům plynu do nevětraného prostoru a obsluha používá předepsaných ochranných prostředků (rukavice, brýle, popř. respirátory), je riziko eliminováno na minimum. K enviromentální tématice je vhodné ještě poznamenat, že plyn obsahuje řadu aromatických látek, které, ač ve stopových množstvích, zatěžují blízké okolí charakteristickým zápachem. Energetická náročnost provozu Fluidní zplyňovací zařízení je oproti sesuvným zplyňovačům, kde dochází ke zplyňování v pevné vrstvě sypaného materiálu, energeticky náročnějším zařízením. Především jde o nutnost dmýchat do reaktoru stabilní množství vzduchu při tlaku, který je schopen pokrýt ztráty v přívodních potrubích (včetně ohřívače vzduchu), ztráty ve fluidní vrstvě a ve všech zařízeních, které za technologií následují. Tlaková ztráta fluidní vrstvy je přitom obecně vyšší, než tlaková ztráta při proudění plynu pevnou vrstvou částic. Za účelem dosažení vyšší kvality zplyňovacího procesu a generovaného plynu je vhodné ohřívat přiváděný vzduch. V poloprovozních podmínkách by bylo vzhledem k nízké výstupní teplotě plynu (pod 500 C díky velkým tepelným ztrátám) a vzhledem k jeho zaprášení technicky náročné ohřívat vzduch vystupujícím plynem ve výměníku. Prakticky se proto řeší tento požadavek elektrickým nebo plynovým ohřevem. U zmíněných sesuvných zplyňovačů není nutno vzduch předehřívat, neboť k ohřevu dochází postupným průchodem vrstvou horkého materiálu. V neposlední řadě je nutno napájet soustavu podávání paliva, která se však u podobých zařízení příliš neliší. Měření složení plynu Složení plynu lze měřit některou z kontinuálních, nebo dis-kontinuálních metod, většinou však s použitím poměrně drahých aparátů (viz. např. G. Baumbach [3]). Přitom je nutno míti na paměti, že plyn obsahuje nízko-kondenzující látky (dehty), které mohou daný přístroj ucpat, v horším případě zničit. Proto je vhodné do odběrové větve zařadit filtrační blok, který sestává přinejmenším z promývačky s podchlazeným acetonem (např. v roztoku soli ve vodě), promývačky s vodou, vatového filtru a velmi jemného papírového filtru k odloučení aerosolů dehtu. Měření vlhkosti plynu Použitím standardních přístrojů pro měření složení plynu není možno stanovit poměrný obsah vody a výsledkem je tudíž složení suchého plynu, který je standardně tvořen složkami N 2, CO 2, CO, H 2, CH 4 a vyšších C x H y až po benzen. Vlhkost je tedy nutno měřit zvlášť. Drtivá většina metod a přístrojů pro stanovení vlhkosti plynu je však nepoužitelná z jednoho prostého důvodu, a sice, že oblast počátku kondenzace (rosného bodu) vody se překrývá s oblastí kondenzace dehtů, které, jak již bylo zmíněno ulpívají na chladných plochách a zalepují je. Tím je měření znehodnoceno a stejně tak často i měřící přístroj. Jednou z vhodných metod pro stanovení vlhkosti plynu je vymrazování vody za použití poměrně jednoduché aparatury pro universální měření vlhkosti plynů (Bašus a kol. [4]). Tento postup ale také vyžaduje předchozí odstranění dehtu, nebo podrobný rozbor odebraného vzorku. Obojí není bez problému. Rozbor složení směsi uhlovodíků a vody jsou schopna provést jen značně specializovaná pracoviště. Pro odloučení dehtu pak připadá v úvahu průchod vzorku plynu přes aktivního uhlí, nebo jeho setrvání v zóně s teplotou nad 1200 C. Oblast kondenzace vody a adsorpční schopnosti aktivního uhlí se však jen velmi úzce překrývá a zajištění setrvání vzorku při tak vysoké teplotě je zase velmi náročná a drahá operace. -107-
Na zařízení Biofluid 100 bude v nejbližší době testováno vymrazování vody s použitím aktivního uhlí. Měření průtoku plynu Pro zjištění materiálové a tepelné bilance je často nutné znát průtočné množství generovaného plynu, neboť prostý bilanční výpočet je vzhledem k rozptylu hodnot hmotnostního toku z podávacího šneku poměrně nespolehlivý. Pro zaprášený generovaný plyn lze použít některý ze škrticích orgánů (clona, dýza), nebo ultrazvukový průtokoměr. Vzhledem k teplotám na výstupu z reaktoru (okolo 500 až 700 C) je použití ultrazvukového průtokoměru nemožné (max. 300 C). Měření clonou symetrického průřezu je podmíněno řadou požadavků, jako je ustálený proud plynu, poměrně velké zúžení a především čistota (norma uvádí že clona by měla být vyleštěna). Poslední dvě podmínky jsou vzhledem k zaprášení plynu a obsahu dehtů prakticky nesplnitelné. Použitelná je clona excentrická, která je ovšem nestandardní a je nutno ji nechat specielně vyrobit a ocejchovat (velmi nákladné, i s přihlédnutím k nutnosti použít odolný materiál např. ocel 17 248). Závěr I přes svoji relativní jednoduchost, je konstrukce i provoz experimentálního fluidního zplyňovače poměrně náročnou činností. Z titulu malého měřítka vznikají problémy, které se u velkých zařízení stejného typu nevyskytují, nebo jen v malé míře. Oproti zplyňovačům sesuvným, které lze řešit i podtlakově, se zde vyskytují problémy spojené s dávkováním paliva a odvodem popelovin a je nutno dobře utěsnit veškeré vstupy i výstupy, neboť únik plynu má negativní vliv na pracovní prostředí a na stabilitu provozu. Z hlediska specifik měření jsou zmíněné problémy u všech zařízení prakticky shodné. Použitá literatura: [1] TUYEN, N. V (2003): Experimentální a teoretický výzkum vlastností plynu ze zplyňování biomasy v atmosférické fluidní vrstvě. Vědecké spisy VUT teze, Brno. 32 s. ISBN 80-214-2362-5 [2] ANDĚL, A. (1992): Mechanické pochody. ČVUT, Praha. 175 s. [3] BAUMBACH, G. (1992): Luftreinhaltung. Springer Verlag, Berlin. 431 s. ISBN 3-540-55078-X [4] BAŠUS, V. a kol. (1965): Příručka měřící techniky pro strojírenství a energetiku. SNTL, Praha. 924 s. ISBN 04-023-65-108-