ZPLYŇOVÁNÍ V EXPERIMENTÁLNÍM REAKTORU S PEVNÝM LOŽEM Jan Najser, Miroslav Kyjovský V příspěvku je prezentováno využití biomasy dřeva a zbytků ze zemědělské výroby jako obnovitelného zdroje energie k výrobě elektrické energie zplyňováním. Je zde popsána technologie zplyňování ve zplyňovači s pevným ložem, vlastnosti produkovaného plynu. Cílem je použití vyrobeného plynu v kogenerační jednotce s pístovými spalovacími motory k výrobě elektrické energie a tepla. Klíčová slova: biomasa, zplyňování, spalování, kogenerace, kogenerační jednotky ÚVOD Biomasa představuje v podmínkách nejen České republiky a dalších středoevropských států jeden z nejperspektivnějších obnovitelných zdrojů energie. Biomasa je organická hmota rostlinného nebo živočišného původu a má obnovitelný charakter. Je záměrně získávána jako výsledek výrobní činnosti nebo se jedná o využití odpadů ze zemědělské, potravinářské a lesní výroby nebo z komunálního hospodářství. Efektivní a ekologické využití biomasy má minimální negativní vliv na životní prostředí. Z hlediska lokální produkce má biomasa nejatraktivnější použití u malých a středních zdrojů. Při klasickém spalování je produkováno pouze teplo. Pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla je nutné biomasu zplynit a produkovaný plyn lze použít pro pohon spalovacího motoru, malých plynových turbín. Podobným způsobem lze zpracovat tříděný odpad obsahující spalitelné materiály [1]. Plyn ze zplyňování však obsahuje nečistoty zabraňující jeho přímému použití. V rámci projektu grantové agentury ČR č.101/04/1278 a projektu MPO-TANDEM FT-TA2/061 byly zkoumány vlastnosti plynu vyrobeného zplyňováním biomasy ve zplyňovacích technologiích různé konstrukce. Kvalita vyrobeného plynu byla sledována s ohledem na předpokládané použití v kogeneračních jednotkách s pístovým spalovacím motorem. ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY Proces zplyňování je termochemický pochod, při kterém postupně dochází k oxidaci uhlovodíků a vodní páry z paliva, a k jejich následné bezprostřední redukci na hořlavé plyny, destilační produkty a minerální zbytek. Proces probíhá za přístupu kontrolovaného množství okysličovadla (obvykle vzduchu nebo vodní páry) a potřebného reakčního tepla. Hlavní snahou při zplyňování je transformovat co největší podíl energie paliva do co nejvyššího energetického obsahu plynu. Zplyňování je z několika hledisek výhodnější než klasické spalování. Proces umožňuje transformaci špatně manipulovatelného, málo hodnotného paliva (odpadní biomasa, tříděný organický odpad) v plynnou formu jednoduše použitelnou pro další výrobu energie [2]. U malých a středních zdrojů umožňuje nejen produkci tepla, ale i výrobu elektrické energie, kdy produkovaný plyn pohání plynový spalovací motor napojený na elektrický generátor. V blízké budoucnosti je možná i výroba elektrické energie pomocí palivových článků, které by dosahovaly větší účinnosti. K podstatným výhodám zplyňování patří také snižování emisí škodlivých látek, a to nejen sloučenin síry, chlóru a dusíku, ale i pečlivě sledovaných organických perzistentních látek (POP). TYPY ZPLYŇOVACÍCH REAKTORŮ Pro zplyňování biomasy je nejrozšířenější sesuvný reaktor, přičemž jako zplyňovací médium je nejčastěji používán vzduch. Podle směru proudění zplyňovacího media rozlišujeme souproudý a protiproudý typ. Další typ zplyňovače používaný zejména pro velké výkony je reaktor s fluidním ložem. Hlavní typy zplyňovacích reaktorů jsou na Obr.1. Ing. Miroslav Kyjovský, VŠB TU Ostrava, VEC, 17. listopadu 15/2172, Ostrava Poruba, miroslav.kyjovsky@vsb.cz / 147 /
Obr. 1 Hlavní typy zplyňovacích reaktorů Protiproudý reaktor V protiproudém reaktoru proudí plyn v protisměru k palivu a prochází spalovacím, redukčním, pyrolýzním a sušícím pásmem. Jeho konstrukce je jednoduchá a navíc je schopen zplyňovat i materiál z vysokou relativní vlhkostí. Jeho nedostatkem však je, že vyrobený plyn má vysoký obsah dehtu, což zabraňuje přímému využití ve spalovacích motorech. Plyn se musí čistit, většinou na bázi vodní pračky, kde se většina primárních pyrolýzních produktů oddělí ve formě olejové vrstvy. Vyčištěný plyn však obsahuje značné množství lehčích nenasycených uhlovodíků, které způsobují u dlouhodobého provozu spalovacích motorů problémy technického charakteru [3]. Souproudý reaktor V souproudém reaktoru proudí plyn stejným směrem jako palivo. Výpusť plynu má na dně reakční nádoby a redukční zóna je pod spalovací zónou. Dehet tvořící se v pyrolýzně-oxidační zóně musí projít horkou spalovací zónou dříve než opustí zplyňovač, zúčastní se tak spalování nebo se rozkládá na lehčí uhlovodíky. Uhlíkaté lože za redukčním pásmem částečně zachycuje prachové částice. Přestože je stupeň využití paliva menší (30-70% nedopal), výhřevnost plynu je dostatečně vysoká (až 6,5 MJ.m -3 ). Vycházející plyn má nízký obsah dehtu, a je možno ho přímo využít pro malou kogenerační jednotku se spalovacím motorem [3]. Fluidní reaktor Dalším reaktorem pro zplyňování biomasy je reaktor fluidní. U tohoto typu dochází ke zplyňování ve fluidním loži a složení produkovaného plynu řadí tento typ někam mezi souproudý a protiproudý reaktor. Díky neomezené konstrukční velikosti a flexibilitě je hlavním kandidátem na průmyslové použití. Obsah dehtu v produkovaném plynu je minimálně pětkrát větší než u souproudého reaktoru, je možné však dosáhnout snížení obsahu dehtu seřízením poměru primárního, sekundárního a terciálního vzduchu. Použitím vhodného materiálu fluidního lože, které má katalytické účinky a adsorpční vlastnosti, lze dosáhnout nejen další snížení obsahu dehtu, ale i snížit koncentraci nežádoucích sloučenin síry a chlóru v plynu. To je hlavní výhodou fluidního reaktoru [4]. / 148 /
Tab. 1 Vlastnosti produkovaného plynu Složení plynu / reaktor Protiproudý Souproudý Fluidní H 2 [% vol] 10 15 15 20 10 15 CO 2 [% vol] 15 20 8 15 15 20 CO [% vol] 15 20 25 30 15 20 CH 4 [% vol] 2 5 1 1,5 1 3 C + 2 [% vol] 5 < 1 2 3 N 2 [% vol] 43 47 45 50 45 55 Prach [g.m -3 ] 1 20 1 20 5 50 Dehet [g.m -3 ] > 100 0,1 1 1 20 Výhřevnost [MJ.m -3 ] 5,5 7 5 6,5 4,5 5 Výstupní teplota [ C] 150 300 750 850 600 750 POŽADAVKY NA ÚPRAVU SUROVINY Úprava suroviny je požadována u téměř všech druhů biomasy z důvodu velkého rozptylu fyzikálních, chemických a tvarových vlastností. Rozdílné vlastnosti biomasy mají za následek nezbytnost biomasu upravovat, a to zvláště v případě, kdy chceme použít biomasu jako palivo do zplyňovače. Potřeba systému úpravy biomasy je dobře známa, ale je špatně chápána. Požadavky na paliva pro různé druhy zplyňovačů ukazuje následující tabulka. Tab. 2 Požadované vlastnosti na palivo u jednotlivých zplyňovačů [6] Typ zplyňovače Souproudý Protiproudý Fluidní Unášivý Velikost mm 20 100 5 100 10 100 < 1 Vlhkost % < 20 < 50 < 40 < 15 Obsah popela % < 5 < 15 < 20 < 20 Zrnitost - stejnorodá téměř stejnorodá stejnorodá stejnorodá Sypná hmotnost kg.m -3 > 500 > 400 > 100 > 400 Teplota tavení popela C > 1250 > 1000 > 1000 > 1250 Postup úpravy záleží na vlastnostech biomasy a na požadavcích na zplyňované palivo. Následující hlediska ovlivňují postup úpravy: hrubé materiály jako okenní rámy potřebují být rozděleny ve dvou nebo více krocích, mokré materiály, jako je biomasa z údržby veřejných prostor, vyžadují více energie na sušení než suchá biomasa, jakou je demoliční dřevo, sušení materiálu vyžaduje mnohem více času ve srovnání s rozdrcením materiálu, mokrá biomasa má obvykle částice o malé velikosti, třídění mokré biomasy má obvykle nižší účinnost než třídění suché biomasy, kladívkové mlýny mohou být užity pouze pro suchou biomasu, pro mokrou biomasu musí být použity sekačky. Charakteristika plynu PLYN VYROBENÝ ZPLYŇOVÁNÍM BIOMASY Při zplyňování dochází za přítomnosti zplyňovacího média a vhodně zvolených reakčních podmínek k tvorbě generátorového plynu. Výhřevnost generátorového plynu je typická 4-7 MJ.m -3, při zplyňování kyslíkem lze dosáhnout hodnot od 14 do 18 MJ.m -3. Surový generátorový plyn obsahuje především CO, CO 2, H 2,CH 4 a N 2, jeli použit vzduch jako zplyňovací médium. Vedle těchto složek jsou v něm obsaženy i další, vesměs nežádoucí složky, kterými jsou prach, dehty, alkálie, sloučeniny síry a dusíku, chlorovodík, fluorovodík aj. Vyšší obsah prchavé hořlaviny je při zplyňování příčinou vyššího množství uhlovodíků a to ve formě permanentních plynů jako / 149 /
ethylen, acetylen, benzen, toluen, xylen. Vysoký obsah vody zapříčiňuje vysokou tvorbu dehtů. Z hlediska spalování v motorech nebo turbínách jsou ethylen, benzen a toluen látkami žádoucími zvyšují celkovou výhřevnost plynu a zlepšují jeho spalovací vlastnosti. Pro palivové články jsou tyto látky nežádoucími. Před použitím plynu ve spalovacích motorech, respektive turbínách, je třeba tento plyn vyčistit [4]. Nároky na čistotu produkovaného plynu stoupají v řadě od spalovacích motorů přes spalovací turbínu až k extrémně nízkým hodnotám potřebným pro bezproblémový provoz palivových článku. Viz Tab.3. Tab. 3 Provozní požadavky na obsah nežádoucích látek v plynu [5] Sloučenina Spalovací motor Spalovací turbína Palivové články Dehet < 50 [mg.m -3 ] < 5 [mg.m -3 ] < 1 [mg.m -3 ] Prach < 5 [ppm] < 1 [ppm] < 0,1 [ppm] H 2 S n. d. < 1 [ppm] 0,06 [ppm] 1 HCl n. d. < 0,5 [ppm] <0,01 [ppm] 2 Alkálie (Na, K, Li) n. d. < 0,1 [ppm] n. d. NH 3 3 Není limitována Není limitována n. d. 1 celková síra 2 celkový chlór 3 zvyšuje emise NOx n.d.-není definována Při srovnání těchto požadavků se složením typického plynu ze zplyňování biomasy lze konstatovat, že bez efektivního čištění nelze dosáhnout požadované kvality plynu. Pro použití plynu ve spalovacím motoru je potřeba sledovat zejména obsah prachu a dehtu. Množství těchto látek v plynu lze efektivně ovlivnit již při jejich vzniku, a to volbou vhodného zplyňovacího reaktoru [5]. Popis zařízení EXPERIMENTÁLNÍ ZPLYŇOVACÍ REAKTOR NA VÝZKUMNÉM ENERGETICKÉM CENTRU Jedná se o zplyňovací generátor s pevným ložem (obr. č. 2, 3). Ze zásobníku paliva je automaticky dopravováno palivo do zplyňovače pomocí šnekového dopravníku. Vyrobený plyn je veden do cyklonu, kde dochází k odstranění části prachových částic. Dále je plyn veden do chladiče plynu, kde se ochladí a v dopalovacím zařízení je spálen. Celá technologie (obr. č. 4) pracuje v podtlaku, který vyvozuje odtahový ventilátor. Do budoucna se předpokládá celou technologii doplnit o další čištění plynu a vyčištěný plyn využívat v kogenerační jednotce, kde bude vyráběna elektrická energie a teplo. Experimentální zařízení je osazeno potřebnou měřicí a řídící technikou (měření teplot, tlaků, řízení otáček šnekového dopravníku a odtahového ventilátoru ap.). Obr. 2 Zplyňovací reaktor pohled zezadu Obr. 3 Zplyňovací reaktor / 150 /
Provoz zařízení Zařízení lze provozovat ve dvou režimech. První režim je spalovací, používá se pro najíždění zplyňovacího zařízení tak dlouho, dokud nedojde k natemperování provozních dílů. Druhý režim je pak režim zplyňovací. Oba režimy jsou automatické, a proto zařízení vyžaduje jen minimální obsluhu. Obr. 4 Technologické schéma zplyňovací jednotky Vstupní surovina Jako palivo je použito dřevních pelet (Obr. č. 5), jejichž vlastnosti jsou uvedeny v Tab. 1, uvažuje se však i o jiných formách vstupní suroviny. Obr. 5 Použité palivo dřevní pelety / 151 /
Tab. 4 Vlastnosti paliva dřevních pelet Výsledky zkoušky Veličina Jednotka Pelety velikost (š x d) mm 6x10-30 sypná hmotnost kg.m -3 720 (>650*) spalné teplo, Q s MJ.kg -1 18,86 (>17,5*) Průměrné složení paliva vlhkost vzorku,w a % hm. 7,0 (>10*) obsah popele, A d % hm. 0,7 (<0,6*) prchavá hořlavina, V d % hm. 77,2 fixní uhlík % hm. 22,1 Elementární složeni paliva (daf) C % hm. 47,87 H % hm. 6,41 O % hm. 45,62 N % hm. 0,1 S % hm. 0,01 Při zplyňování dřevních pelet byly provedeny čtyři odběry plynu a jeden odběr pro zjištění množství dehtů v plynu. Odběry plynů i dehtu byly provedeny při teplotě 1000 C v reaktoru zplyňovače. Složení nejdůležitějších složek plynu je uvedeno v Tab. 5, množství dehtů v plynu je uvedeno v Tab. 6. Tab. 5 Zastoupení nejdůležitějších složek v plynu (čtyři odběry). Tab. 6 Množství dehtů v plynu Složka Jednotka Odběr vzorků při teplotě v reaktoru 1000 C O 2 [%] 0,11 0,11 0,11 0,10 CO 2 [%] 11,50 11,13 11,27 11,22 H 2 [%] 12,71 13,49 12,54 13,41 CO [%] 19,60 21,03 19,62 20,59 CH 4 [%] 1,73 2,22 1,46 2,09 N 2 [%] 53,20 50,67 53,97 51,31 Q s [MJ.m -3 ] 5,27 5,92 5,05 5,73 Množství dehtů ve vzorku Jednotka Teplota v reaktoru 1000 C benzen [mg.m -3 ] 3745 toluen [mg.m -3 ] 38 m+p+o-xylen+ethylbenzen+phenylethyn [mg.m -3 ] 13 styren [mg.m -3 ] 15 C3-benzen suma (nas+nenas) [mg.m -3 ] 0 BTX suma [mg.m -3 ] 3811 kyslíkaté suma [mg.m -3 ] 4 dusíkaté suma [mg.m -3 ] 0 DEHET (mimo BTX) [mg.m -3 ] 1881 / 152 /
ZÁVĚR Jedná se o novou technologii, která je zkoušena. Při prvních zkouškách byly jako palivo použity pelety vyrobené ze dřeva. Provoz s tímto palivem je bezproblémový jak ve spalovacím, tak i ve zplyňovacím režimu a zařízení pracuje automaticky. Byly vyzkoušeny různé režimy zplyňování, kdy byla měněna teplota v reaktoru od 750 C do 1100 C. Tímto se zjišťuje vliv teploty v reaktoru na kvalitu plynu a množství dehtů. V článku jsou uvedeny hodnoty pro 1000 C v reaktoru, další hodnoty se v současné době zpracovávají. Další zkoušky byly provedeny za účelem získání hmotnostní a energetické bilance zplyňovacího zařízení. Cílem projektu je vyrobit plyn, který bude svou kvalitou a čistotou vyhovovat podmínkám, které požadují výrobci kogeneračních systémů. Další část výzkumu bude zaměřena na zvýšení čistoty vzniklého plynu pomocí dolomitového reaktoru a na možnosti využití jiných druhů a forem paliv. POUŽITÁ LITERATURA [1] PASTOREK, Z., JEVIČ, P.: Biomasa: obnovitelný zdroj energie, Praha, 2004 [2] CHRZ a kol.: Zplyňování dřevního odpadu pro náhradu ušlechtilých paliv a pro výrobu elektrické energie, ČEA 1997 [3] SKOBLIA, S., RISNER, H., HUSTAD, J., KOUTSKÝ, B., MALECHA, J.: Sesuvný zplyňovací reaktor, VUT Brno, 2003 [4] VOSECKÝ, M., SKOBLJA, S., MALECHA, J., PUNČOCHÁŘ M.: Experimentální atmosférický fluidní zplyňovací generátor, VŠCHT Praha, 2003 [5] SKOBLIA, S., KOUTSKÝ, B., MALECHA, J., VOSECKÝ, M.: Perspektivy zplyňování a produkce čistého plynu, VŠCHT Praha, 2003 [6] KNOEF H.A.M.: Handbook Biomass Gasification, BTG biomass technology group BV, The Nederlands, 2005, ISBN: 90-810068-1-9 / 153 /
/ 154 /