1

Zgazowanie biomasy

Zgazowanie biomasy

Zgazowanie biomasy

Zgazowanie biomasy

Technologia

Technologia

Technologia

Technologia

Witold

Witold

Witold

Witold Warowny

Warowny

Warowny

Warowny

Politechnika Warszawska

Wydzia

ł

Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii

ul.

ul.

ul.

ul.

Ł

ukasiewicza 17,

ukasiewicza 17,

ukasiewicza 17,

ukasiewicza 17, 09

09

09

09----400

400

400

400 P

P

P

P

ł

ock

ock

ock

ock

2

1. Zgazowanie biomasy
2. Instalacje zgazowania

3. Energetyczne zastosowanie

biopaliw II-giej generacji

3

Wprowadzenie

Proces termicznej konwersji, w obecności tlenu lub/i pary wodnej, biomasy w

postaci stałej do palnych gazów nazywa się jej zgazowaniem.

Teoretycznie każdy rodzaj biomasy stałej (zawierający przecież podstawowe składniki

C,H,O) po uprzednim jej osuszeniu (5-35% wilgoci) i uformowaniu do odpowiedniej
postaci wsadowej może być zgazowywana.

Proces zgazowania składa się z szeregu procesów cząstkowych, w tym pirolizy,
spalania, redukcji i reformingu.

W reaktorze zgazowania z biomasy otrzymuje się gazowy produkt, który następnie jest
oczyszczany i może być wykorzystywany dwojako:

1. do produkcji energii cieplnej i elektrycznej (kotły, silniki, turbiny)
2. do produkcji paliw w katalitycznych procesach syntezy

Zgazowanie biomasy jest dzisiaj postrzegane jako alternatywne źródło dla paliw
konwencjonalnych, głównie jako technologia produkcji, na bazie gazu syntezowego
(wodór + tlenek węgla), bio-paliw II generacji:

wodór, metan, metanol, DME (dwu-metylo eter), metanol, benzyna Fischer-
Tropscha, diesel Fischer Tropscha i mieszanina alkoholi (etanol, propanol,
butanol i wyższe)

4

Wybrane elementy procesu zgazowania

1.

Surowiec: biomasa w postaci stałej

rośliny energetyczne (np. wierzba, topola, …)

zasoby i odpady rolnicze (np. słoma, siano, kukurydza,
łodygi)

odpady z leśnictwa i przemysłu drzewnego (np. pnie,
kora, ścinki, trociny, etc.)

odpady komunalne (np. plastyk)

2. Postać biomasy

pelety, brykiety, postać rozdrobniona, etc

3. Czynniki zgazowujące:

tlen, powietrze, para wodna, nawet dwutlenek węgla i
ich mieszaniny.

4.

Parametry i warunki:

temperatura i ciśnienie, współczynnik równowartości,
warunki powierzchniowe,

szybkość podawania, stan podgrzania i wartości
kaloryczne reagentów, stopień przemiany i sprawności,
zużycie ciepła,

szybkość przepływu gazu, katalizatory, itd.

5. Procesy chemiczne i reakcje

Reakcje pirolizy, spalania, redukcji, oczyszczania
chemicznego, itd.

6. Procesy fizyczne

np. transfer masy, odzyskiwanie ciepła, operacje (np.

wprowadzenie substratów lub usuwanie popiołu).

7. Produkt (gaz surowy):

- substancje palne (wodór, tlenek węgla, lekkie

węglowodory, głównie metan, siarka i inne)

-

substancje niepalne (dwutlenek węgla, azot, woda)

-

substancje toksyczne (tlenek węgla, związki siarki i

azotu, chlor)

Rys. 1 Skład gazu obliczony

jako funkcja współczynnika równowartości

Source:Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass

Technology Group, The Netherlands, 2005.

5

ŹRÓDŁA

BIOMASY

Plantacje roślin

energetycznych

Odpady

komunalne

Odpady

z leśnictwa

Zasoby rolnicze:

słoma, siano, rzepak

Odpady

z przemysłu

drzewnego

Odpady

z rolnictwa

Poleko, 22 listopada 2007

6

Charakterystyka biomasy

(do zgazowania)

-

wartość opałowa

-

ciężar nasypowy (gęstość)

-

skład elementarny

-

wilgotność

-

zawartość części lotnych

-

zawartość i skład popiołu (części mineralnej)

-

duża reaktywność

-

wewnętrzne katalizatory

-

zanieczyszczenia, np. alkalia, trucizny

7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

W

a

rt

o

ś

ć

o

p

a

ło

w

a

[

M

J

/k

g

]

O

N

B

e

n

z

y

n

a

Ł

u

p

in

y

z

ry

ż

u

D

re

w

n

o

S

ło

m

a

W

ę

g

ie

l

d

rz

e

w

n

y

Warto

ść

opałowa niektórych paliw

Charakterystyka biomasy

Typowa biomasa ma wartość opałową w zakresie 12-20 MJ/kg w

przeliczeniu na suchą masę

8

0

100

200

300

400

500

600

700

800

G

ę

s

to

ś

ć

[

k

g

/m

3

]

b

lo

c

z

k

i

d

re

w

n

ia

n

e

w

ió

ry

d

re

w

n

ia

n

e

tr

o

c

in

y

k

o

lb

y

k

u

k

u

ry

d

z

y

w

ę

g

ie

l

w

ę

g

ie

l

d

rz

e

w

n

y

Ci

ęż

ar naypowy (g

ę

sto

ść

)

paliw z biomasy i w

ę

gla

Charakterystyka biomasy

9

Charakterystyka biomasy

2,7

76,6

15

15,1

Winorośl

3,0

78,1

15

15,7

Drzewo oliwne

1,3

70,4

10,4

18,8

Trociny z drewna

0,18-0,24

74,7-75,1

8,3-8,6

18,6

Drewno (pelety)

2,5-2,9

73,8-77,3

8,7-10,1

17,6

Miskant olbrzymi (pelety)

4,3-6,5

70-73

15

16,1-17,3

Słoma

Zawartość

popiołu

[%wag.]

Części

lotne

[%wag.]

Zawartość

wilgoci

[%wag.]

Wartość

opałowa

[MJ/kg]

Biomasa

0.3

0,8

0

0,1

0,0

0,2

S

0.6

1,4

0

0,3

0,1

0,8

N

32.9

10,3

35

43,0

10,9

44,0

O

5,3

5,1

13

6,1

12,0

6,0

H

60.9

82,4

52

50,5

77,0

49,0

C

% wagowy

Węgiel

brunatny

Węgiel

kamienny

Bioetanol

Drewno

Olej

rzepakowy

Słoma

Skład

chemiczny

Bior

ą

c pod uwag

ę

tylko 3 podstawowe
pierwiastki

w

biomasie jej struktur

ę

chemiczn

ą

mo

ż

na

opisa

ć

za pomoc

ą

wzoru sumarycznego

C

1

H

1,4

5O

0,7

W wielu rodzajach biomasy znajduje się również chlor, w niektórych gatunkach słomy

do 0,49 % wag, a w łodydze kukurydzy nawet 1,48 % wag. chloru

W

skład

substancji

nieorganicznych

biomasy

wchodz

ą

głównie

zwi

ą

zki

krzemu,

wapnia,

magnezu,

fosforu, sodu i potasu, przede
wszystkim SiO

2

, CaO, MgO,

Na

2

O, K

2

O, podczas gdy w

w

ę

glu: SiO

2

, Al

2

O

3

i Fe

2

O

3

.

10

Etapy

termicznego procesu konwersji biomasy

Zgazowanie

Piroliza

Źródło:Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass

Technology Group, The Netherlands, 2005.

Biomasa

karbonizat

smoły

Ciepło

Ciepło

O

2,

(powietrze)

H

2

O (para wodna)

O

2

, powietrze

Spalanie

CO
CO

2

H

2

CO

2

H

2

O

Kataliza

popiół

smoły

gazy

11

12

Piroliza biomasy

Proces pirolizy (konwersja termiczna) zachodzi w temperaturze 380–550

o

C pod ciśnieniem 0,1 –

0,5 MPa bez użycia zewnętrznego czynnika utleniającego.

Pirolizę można prowadzić jako proces samodzielny lub jest ona realizowana jako stadium w

procesie zgazowania.

W warunkach pirolizy biomasa ulega rozkładowi na trzy fazy:

- stałą (karbonizat, wegiel drzewny),
- ciekłą (smoła, olej pirolityczny będący mieszaniną związków polarnych)
- gazowe produkty pirolizy, zawierające głównie H

2

, CO, CO

2

, CH

4

, C

2

H

6

, C

2

H

4

, C

3

H

8

,

C

3

H

6

, H

2

O.

W zależności od warunków prowadzania pirolizy rozróżnia się pirolizę wolną (slow pyrolysis) i

pirolizę szybką (flash pyrolysis).

- aby osiągnąć z dużą wydajnością produkty gazowe należy prowadzić proces w wysokich

temperaturach przy dostatecznie szybkim ogrzewaniu i długim czasie przebywania biomasy w
reaktorze.

- w pirolizie wolnej uzyskuje się 30% węgla drzewnego

Stosowanie katalizatora w procesie pirolizy znacznie zwiększa udział wodoru w produktach
gazowych. Dla przykładu stosowanie katalizatora ZnCl

2

w procesie pirolizy biomasy oliwnej w

temperaturze 750

o

C pozwala uzyskać 70 % wodoru w produktach gazowych.

13

FRAKCJE TYPOWEJ PIROLIZY DREWNA

99,2

14,9

67,0

17,3

823

99,5

14,6

66,0

18,9

773

98,2

11,1

65,7

21,4

723

99,8

10,2

65,5

24,1

673

% wagowe

Razem

Gaz

Olej

Karbonizat

Temperatura

reaktora [K]

14,9

0,45

0,04

0,26

0,16

0,69

0,023

6,86

6,71

823

14,6

0,19

0,05

0,26

0,09

0,58

0,022

6,61

6,76

773

11,1

0,08

0,02

0,08

0,05

0,35

0,022

6,32

4,20

723

10,2

0,05

0,03

0,05

0,05

0,21

0,018

6,02

3,75

673

% wag.

Razem

C

3

H

6

C

3

H

8

C

2

H

4

C

2

H

6

CH

4

H

2

CO

2

CO

Temperatura

[K

]

SKŁAD GAZU Z PIROLIZY DREWNA

Poleko, Poznań 22 listopada 2007

14

Zgazowanie

Biorąc pod uwagę tylko trzy najważniejsze pierwiastki (węgiel,

wodór, tlen) wchodzące w skład struktury biomasy, wtedy z dobrym
przybliżeniem można opisać proces zgazowania za pomocą jednego z
wielu zestawów trzech niezależnych reakcji chemicznych, w tym
przypadku (2-4).

C + O

2

⇔

CO

2

= -393,7 kJ/mol (1)

C + CO

2

⇔

2CO

= 172,5 kJ/mol (2)

C + H

2

O

⇔

H

2

+ CO = 131,4 kJ/mol (3)

C + 2H

2

⇔

CH

4

= -74,88 kJ/mol (4)

Wzrost temperatury

procesu przesuwa skład równowagowy

wynikający z reakcji (2) i (3) w kierunku zwiększonego udziału wodoru i
tlenku węgla, natomiast wzrost ciśnienia jest korzystny dla tworzenia
się metanu.

Dla zwiększenia efektywności procesu zgazowania wprowadza się

katalizatory: Fe, Co, Ru, Rh, Zn, Ni, Pt, Pd, Al

2

O

3

.

W reaktorze ze złożem fluidalnym w zgazowaniu biomasy

powietrzem, stosując katalizator Rh/CeO

2

/SiO

2

, można w temperaturze

600

o

C uzyskać prawie całkowitą konwersję biomasy na gaz syntezowy.

Poleko, Poznań, 22 listopada 2007

.

H

∆

H

∆

H

∆

H

∆

Dla przeprowadzenia procesu zgazowania potrzebne są

wysokie

temperatury rzędu 650–1300

o

C i dla niektórych metod bardzo wysokie

ciśnienia (nawet do 350 bar), tak jak dla zgazowania hydrotermalnego

.

15

ZGAZOWANIE z CaO

( SORBENTEM CO

2

)

Jedną z nowych metod zgazowania biomasy ukierunkowaną na

produkcję wodoru jest zgazowanie w pojedynczym reaktorze, parą
wodną z użyciem CaO jako sorbentu CO

2

.

C+ 2H

2

O + CaO

2H

2

+ CaCO

3

(5)

Proces zachodzi w temperaturach stosunkowo niskich (650-700

o

C),

w którym wychodzący surowy gaz syntezowy jest natychmiast
pozbawiany CO

2

, w obecności CaO w stosunku [Ca]/[C] = 1,2 do 4.

Największą ilość H

2

uzyskuje się dla stosunku [Ca]/[C] = 2 oraz

przy ciśnieniu 6 bar.

Biomasa,

szczególnie

drzewna,

jest

jednym

z

najczęściej

stosowanych materiałów do produkcji wodoru w procesie
zgazowania parą wodną z udziałem CaO.

Poleko, Poznań, 22 listopada 2007

16

Zgazowanie hydrotermalne

Inną i nową metodą jest zgazowanie biomasy mokrej w warunkch

około krytycznych wody (T

c

=374,15

o

C, P

c

=22,14 MPa. Biomasa

reaguje stosownie do reakcji (6) dla glukozy i reakcji (7) dla
celulozy.

C

6

H

12

O

6

+ 6H

2

O → 6CO

2

+12H

2

(6)

C

6

H

10

O

5

+ 7H

2

O → 6CO

2

+12H

2

(7)

W procesie zgazowania hydrotermalnego powstają wodór, tlenek

węgla, znaczne ilości metanu i wyższe węglowodory.
Proces zgazowania hydrotermalnego można prowadzić dwoma
metodami:



Pierwsza

polega

na

prowadzeniu

procesu

w

niskich

temperaturach 350–600

o

C przy zastosowaniu katalizatorów

metalicznych (ZrO

2

), które zwiększają efektywność reakcji.



Natomiast w drugiej metodzie proces prowadzi się w wyższym
zakresie temperatury (500-800

o

C), przy użyciu katalizatorów

niemetalicznych (KOH, KHCO

3

, K

2

CO

3

).

Poleko, Poznań, 22 grudnia 2007

17

Składu surowego gazu syntezowego

zależy od: rodzaju biomasy,

temperatury, ciśnienia, czynnika zgazowującego i warunków zgazowania

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[%ob]

H2

CO

CO2

CH4

C2H4

Skład gazu

Zgazowanie drewna par

ą

wodn

ą

w temperaturze 850

o

C, pod ci

ś

nieniem atmosferycznym i

dla stosunku pary wodnej do biomasy 1,4.

0

10

20

30

40

50

60

70

[%obj]

H2

CO

CO2

CH4

CxHy

N2

Skład gazu

Serie1

Zgazowanie drewna powietrzem

pod ci

ś

nieniem 1 bar i w temperaturze 860

o

C.

Przy zastosowaniu powietrza zmniejsza
si

ę

ilo

ść

pozyskanego wodoru na rzecz

oczywi

ś

cie azotu, który jest głównym

składnikiem powietrza.

Jako czynnik zgazowuj

ą

cy stosuje si

ę

równie

ż

tlen,

który mo

ż

na pozyska

ć

z ogólnie dost

ę

pnego substratu

jakim jest powietrze metodami: kriogenicznego
(generatory tlenu) i nie-kriogenicznego (PSA)
rozdziału. Pozytywem jest wzrost udziału wodoru w
gazie syntezowym nawet czterokrotnie w stosunku do
procesu zgazowania powietrzem.

18

Uzdatnianie i oczyszczanie gazu

surowy gaz opuszcza reaktor z substancjami, palnymi, niepalnymi,
uciążliwymi i szkodliwymi,

uciążliwe: po kondensacji pary smoły i pary substancji mineralnych,
pył (w tym ścierne SiO

2

i F

2

O

5

),

szkodliwe i korozyjne: związki siarki (H

2

S, CS

2

), związki azotu (NH

3

,

HCN, NO

x

),

oczyszczanie mechaniczne (np. cyklon, filtr), oczyszczanie fizyczne
(np. kolumna natryskowa) i oczyszczanie chemiczne (np. katalityczne
wybiórcze utlenianie czy katalityczna konwersja smoły)

regulacja składu gazu poprzez reakcję

gazu wodnego (shift

conversion), reformingi czy procesy separacyjne (np. adsorpcja
zmienno-ciśnieniowa),

19

Pozytywy gazu ze zgazowania biomasy

(surowy produkt gazowy i gaz syntezowy)

GAZ SUROWY

produkt gazowy użyty bezpośrednio do produkcji energii cieplnej,

produkt gazowy użyty po oczyszczeniu w silnikach IC i turbinach,

możliwość transportu rurociągami,

łatwość kontroli i elastyczność i ciągłość operacji,

czyste spalanie (zanieczyszczenia usunięto wcześniej),

GAZ SYNTEZOWY (H

2

+CO)

gaz syntezowy może być użyty do produkcji związków chemicznych i
paliw motoryzacyjnych,

możliwość mieszania paliw syntetycznych z paliwami klasycznymi w
celu optymalnych efektów spalania i ochrony środowiska.

20

Zgazowanie biomasy

w kierunku produkcji energii i paliw

BIOMASA

Surowy gaz

syntezowy

CO, H

2

, CH

4,

C

x

H

Y,

N

2

, CO

2

, H

2

O,

substancje szkodliwe,

…

Gaz

syntezowy

CO, H

2

nisko-temperaturowe

zgazowanie

(800 – 1000

o

C)

wysoko-temperaturowe

zgazowanie (1100 – 1400

o

C)

katalityczne zgazowanie

Kraking

termiczny,

reforming i

separacja

• SNG

• Elektryczność

• Ciepło

• Wodór

• FT diesel

• FT benzyna

(olefiny)

• Metanol

• Etanol i

wyższe alkohole

• DME

• Elektryczność

• Ciepło

21

nawozy

inne

chemikalia

BIOMASA

surowy gaz syntezowy

H

2

, CO, CO

2

, H

2

O, CH

4

zw. siarki azotu i sadza

oczyszczanie

i przygotowywanie gazu

różne syntezy

chemiczne np.

fosgen

CO

H

2

paliwo

gaz syntezowy

CO+

H

2

alkohole

wyższe

amoniak

produkty

wodorowe i

uwodorowienia

metanol

Synteza

Fischer - Tropsch

olej

syntetyczny

inne paliwa
syntetyczne

benzyna

syntetyczna

DME

MTBE

TAME

estry

inne produkty

etanol

SNG

paliwa

ETBE

TAEE

lekkie

węglowodory

parafiny

woski

olefiny

aldehydy

ZGAZOWANIE

[T, p, czynnik zgazowania]

Bez wzgl

ę

du na warunki i zakres

zgazowania

biomasy

zawsze

otrzymuje

si

ę

surowy

gaz

syntezowy,

w

którym

podstawowymi

substancjami

s

ą

wodór, tlenek w

ę

gla, dwutlenek

w

ę

gla para wodna i w ni

ż

szych

temperaturach metan

.

REFORMING

par

ą

wodn

ą

, tlenem i

autotermiczny

22

Produkty gazu syntezowego (syngaz)

(prawie wszystkie procesy są katalizowane)

Biomasa

→

(proces zgazowania)

→

gazowe produkty

Produkty gazowe (H

2

, CO, CH

4

, CO

2,

H

2

O, N

2

,

…

)

→

(oczyszczanie i reforming )

→

gaz syntezowy (H

2

+CO)

→

metanizacja)

→

SNG

(zastępczy gaz ziemny)

→

(homogeniczna reakcja gazu wodnego)

→

wodór

Gaz syntezowy

→

metanol, etanol i cięższe alkohole, DME

(dwumetylo-

eter)

, produkty Fischer-Tropsch’a (diesel i benzyna)

Metanol

→

paliwa: etanol, DME, benzyna, diesel, FAME

(fatty

acid methyl esters - diesel z estryfikacji olejów, np. na bazie rzepaku)

→

dodatki motoryzacyjne: MTBE

(eter metylowo-t-butylowy)

,

TAME

(eter metylowo-t-amylowy)

, DMM

(metylal; dwumetoksy metan)

,

TBA

(tert-butanol)

Etanol

→

dodatki motoryzacyjne: ETBE

(eter etylowo-t-butylowy)

, TAEE

(eter etylowo-t-amylowy)

DME

→

benzyna, LBG

(propan-butany)

Wodór

←

metanol, etanol, DME, węglowodory

23

Rola gazu syntezowego

53%

23%

11%

4%

8%

1%

amoniak

gaz rafineryjny (H2)

metanol

elektryczno

ść

GTL

inne

6%

3%

1%

49%

39%

1%

1%

amoniak

gaz rafineryjny (H2)

metanol

BtL

BtCh

GtL

elektryczno

ść

Obecny światowy rynek

gazu syntezowego

Przewidywany rynek

gazu syntezowego w 2040

Source:Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass

Technology Group, The Netherlands, 2005.

24

Reaktory do zgazowania (zgazowarki)

Podział reaktorów stosownie do:

Typu procesów i reaktorów: złoże
stałe (dolny i górny odbiór), złoże
fluidalne, w tym cyrkulacja, złoże w
przepływie i zasilanie podwójne.

czynnika zgazowującego: powietrze,
tlen, para wodna i ich mieszaniny,

relacji cieplnych w procesie
zgazowania:

- allotermiczne, autotermiczne,

ogrzewanie bezpośrednie i pośrednie,
- żużel (stopiony popiół) i popiół

parametry stanu:
- ciśnienie: atmosferyczne,
podwyższone,
- temperatury: niskie i wysokie

Reaktor współprądowy z

dolnym odbiorem produktów

Source:]. Ericson J.C Overview of thermochemical biorefinery

technologies, International Sugar Journal, 109(1299), 163-173 (2007).

25

26

Przepływ ciepła i reakcje chemiczne

w procesie zgazowania

z dolnym odbiorem surowego gazu

Źródło :Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass

Technology Group, The Netherlands, 2005.

CIEPŁO

BIOMASA

27

Wybrane typy reaktorów zgazowania

biomasy

28

Zalety i wady reaktorów zgazowania

duża ilość gazu nośnego, duża ilość
pyłu węglowego, ograniczone
rozmiary cząsteczek

różno-wymiarowy (skalowany), niska
ilość smoły, możliwa produkcja
syngazu, większa ilość wsadu

Złoże przepływowe

ś

rednia ilość smoły,

zastosowanie dużych jednostek,
charakterystyczny wsad, bezpośrednie
i pośrednie ogrzewanie, możliwa
produkcja syngazu, większa ilość
wsadu

Cyrkulacyjne

złoże fluidalne

ś

rednia ilość smoły, większa ilość

wsadu

zastosowanie dużych jednostek,
charakterystyczny wsad, bezpośrednie
i pośrednie ogrzewanie, możliwa
produkcja syngazu

Złoże fluidalne

wymiary wsadu ograniczone,
ograniczenie skali, gaz surowy, czuły
na wilgoć

zastosowanie małych jednostek, małe
cząsteczki wsadu, niska ilość smoły

Złoże stałe

(dolny odbiór gazu)

rozmiary wsadu ograniczone, duża
zawartość smoły, ograniczenie skali,
gaz surowy, możliwość stopienia

przemyślane cieplnie, zastosowanie
małych jednostek, duża wilgotność
biomasy i brak węgla w popiele

Złoże stałe

(górny odbiór gazu)

Ograniczenia

Ukierunkowania

Typ reaktora

29

Zależność składu gazu (800

o

C)

od czynnika zgazowującego i reaktora

1,95

brak inf.

brak inf.

3

4

C

2+

11,21

4,9

3,3

5-7

11,2

CH

4

27,77

28,9

44,4

różnica

2,8

N2

28,88

12,8

14,4

18

27,4

CO

2

11,07

14,8

21,5

15-17

22,7

CO

19,12

10

16

9-11

31,5

H

2

Skład gazu

wióry z drewna

wióry z drewna

wióry z drewna

wióry z drewna

wióry z drewna

Wsad

aluminium

-

-

krzemionka

krzemionka

Mater. nośn.

tlen/para

powietrze

powietrze

powietrze

para wodna

Czynnik

Ciśnieniowy

fluidalny

Złoże stałe

górny odbiór

Złoże stałe

dolny odbiór

Fluidalny

Pośredni

fluidalny

Typ

IGT

USEPA

Uniwersytet
w Zaragosie

Uniwersytet

Brukselski

Politechnika

w Wiedniu

Reaktor

30

Wybrane instalacje zgazowania

do produkcji ciepła, elektryczności i paliw; przykłady

Kymiarvi Power Station,

(40-70 MW

th

), Lahti,

Finlandia

(CFB (fluidalne złoże w cyrkulacji)

instalacja zgazowania atmosferycznego połączona ze spalaniem)

Enamora Plant,

(750 kW

e

)

Hiszpania

(wrzące złoże fluidalne w połączeniu z silnikami

gazowymi)

Carbo-V

(150 kWe)

, Niemcy

(trój-stopniowe zgazowanie, przeznaczone do: silników, produkcji

metanolu i cieczy Fischer-Tropsch’a)

Waste Gasification Plant, Greve-in Chianti,

(6.7 MW

e

)

, Włochy,

(reaktor CFB w

cementowni i produkcja energii elektrycznej dla sektora komunalnego)

SWZ Schwartze Pumpe GmbH,

(75 MWe)

, Niemcy,

(3 rodzaje zgazowarek produkujące

energię elektryczną i metanol)

The Vermont Silva Gas, Burlington plant,

(8-9 MW

e

)

, USA

(pośrednie zgazowanie CFB z

współspalaniem w kotle parowym i w cyklu pary wodnej)

CHP Harboore Plant,

(3.4 MW

th

, 1.4 MW

e

)

, Dania,

(górno-odbiorowa zgazowarka w złożu

stałym w połaczeniu z silnikiem gazowym)

CHP Gussing Plant,

(4.5 MW

th

, 2 MW

e

)

, Austria,

(FICFB (szybki wewnetrzny CFB) połączony z

silnikiem gazowym)

Varnamo Plant,

(9 MWth, 6 MWe)

, Szwecja

(ciśnieniowe zgazowanie CFB z z układem IGCC

(Integrated Gasification Combined Cycle)

www.gasifiers.bioenergylists.org

31

Reaktory - złoże stałe

Źródło:ECN (Energy research Centre of the Netherlands

32

Reaktory przepływowe

Źródło:ECN

33

Reaktory - złoże fluidalne

Źródło:ECN

34

PODSUMOWANIE

Efektywność zgazowania zależy od rodzaju surowca, technologii,

skali produkcji i maksymalnego wykorzystania dostępnych ilości
różnych rodzajów biomasy.

W obecnej chwili pozyskanie gazu syntezowego z biomasy nie jest

konkurencyjne w stosunku do metody reformingu parowego
gazu ziemnego (metanu) i zapewne w najbliższym czasie jeszcze
nie będzie. Jednakże należy pamiętać, iż zapotrzebowanie na cele
energetyczne w świecie będzie wzrastało i to w bardzo szybkim
tempie, przy jednoczesnym spadku zasobów ropy naftowej i gazu
ziemnego.

W związku z powyższym szuka się nowych metod i źródeł

pozyskiwania wodoru z innych paliw – TAKĄ ALTERNATYWĄ
MOśE BYĆ

BIOMASA,

głównie pod kątem produkcji lokalnej

dla energetyki rozproszonej.

35

Dziękuję

za uwagę

36

Zastosowanie biopaliw

II-giej generacji

37

Energetyczne zastosowania

produktów pozyskanych ze zgazowania biomasy

ciepło, elektryczność, CHP, kotły, ICEs (Inner Combustion

Engines), ogniwa paliwowe, turbiny gazowe, kompresory

i pompy cieplne

jak powyżej i produkcja paliw II-giej generacji

Zastosowania

przeznaczony dla silników diesla

DME

przeznaczony dla ICEs (Otto and Diesel) i ogniw paliwowych

MeOH (M100)

przeznaczony dla ICEs i ogniw paliwowych

EtOH (E100)

do istniejacych silników diesla i przeznaczony dla ICEs

Synthetic diesel

do istniejących silników Otto

Synthetic gasoline

przeznaczony do wszystkich NG pojazdów i turbin gazowych

SNG

ogniwa paliwowe, przeznaczony dla ICEs i turbin gazowych

Wodór

Paliwa czyste

Source: Specht M., Why biofuels? – An introduction into the topic, 1

st

European Summer School

on Renewable Motor Fuels, Brikenfeld, Germany, 29-31 August 2005

Paliwo

Produkty gazowe ze
zgazowania biomasy

Gaz syntezowy

38

Możliwe dodatki motoryzacyjne z biomasy

brak danych

ETBE w dieslu

brak danych

TAEE w dieslu

przeciwdziała separacji

faz

TBA w benzynie

TAME w benzynie

MTBE w benzynie

(< 15 % obj. MTBE)

Wszystkie

istniejące pojazdy

z silnikami Otto

ETBE w benzynie

(< 15 % obj. ETBE)

Dodatki do paliw konwencjonalnych

39

Możliwość zastosowania paliw

z gazu syntezowego

Mieszanie z paliwami konwencjonalnymi

all existing vehicles with diesel engines

Syntetyczny diesel w konwencjonalnym dieslu

(0-100vol. %)

Diesohol (<15% vol of EtOH)

Etanol w dieslu

vehicles with diesel engine, nor or little
engine modification is needed and an
emulsifier is necessary

Diesohol (<15% vol. of MeOH)

Metanol w dieslu

MeOH flexible fuel vehicles

M85

vehicles with modified Otto engines

M15

existing Otto engines, added TPA

M3 (3 vol.% MeOH)

Metanol w benzynie

<15%vol. % MTBE

Eter MTBE w benzynie

all existing vehicles with Otto engines

<15 vol. %ETBE

Eter ETBE w benzynie

all existing vehicles with Otto engines

Syntetyczna benzyna w tradycyjnej benzynie

(0-100 obj.%)

dedicated ICEs

E95

ethanol flexible fuel vehicles

E85

used in Brazil all gasoline vehicles

E22

used in USA

E10 (gashol)

all existing gasoline vehicles

E5 (5 obj. % EtOH)

Etanol w benzynie

all NG (natural gas) vehicles

SNG w gazie ziemnym (0 -100 vol. %)

adapted NG ICEs, fuel cells

Wodór (<20 obj.%) w gazie ziemnym)

Paliwa

Zastosowanie

40

Rola składników gazu syntezowego i biogazu w

zasilaniu różnego typu ogniw paliwowych

Paliwo

Paliwo

Paliwo

Obojętna ciecz

Trucizna

CH

3

OH

Paliwo

Paliwo

Trucizna

Trucizna

Paliwo

NH

3

Trucizna (<1,0
ppm)

Trucizna (<0,5
ppm)

Brak
informacji

Trucizna
(<500 ppm)

Trucizna

H

2

S, COS

Gaz obojętny

Reagent pośredni

Obojętny gaz

Obojętny gaz

Trucizna

CO

2

Paliwo

Gaz obojętny
/Paliwo

Gaz obojętny

Gaz obojętny

Trucizna

CH

4

, C

n

H

m

Paliwo

Paliwo

Trucizna
(<50 ppm)

Trucizna
(<500 ppm)

Trucizna

CO

Paliwo

Paliwo

Paliwo

Paliwo

Paliwo

H

2

Składnik gazowy

600-1050

600-750

70-150

180-220

50-150

Temperaturae /

o

C

SOFC*

MCFC*

PEMFC*

PAFC*

AFC*

Typ ogniwa
paliwowego

Wysoko-temperaturowe FC

Nisko-temperaturowe ogniwa paliwowe

(FC)

* Ogniwa paliwowe; AFC- alkaliczne, PAFC- fosforowe, PEMFC –membranowe,

MCFC- węglanowe, SOFC- tlenkowe

41

Układ zgazowania biomasy w połączeniu z

węglanowym ogniwem paliwowym (MCFC)

Source:H. Morita et. al., Journal of Power
Sources 138, 31-40 (2004)

42

Paliwa do ogniw z termochemicznego

przetwórstwa biomasy