Zastosowanie metod plazmowych do oczyszczania gazu procesowego ze zgazowania biomasy
Archives of Waste Management Archiwum Gospodarki Odpadami and Environmental Protection ISSN 1733-4381, Vol. 12 nr 4 (2010), p-61-72 http://ago.helion.pl Zastosowanie metod plazmowych do oczyszczania gazu procesowego ze zgazowania biomasy PikoÅ„ K.1, Czekalska Z.1, Stelmach S.2, Åšcierski W.1 1 Katedra technologii i UrzÄ…dzeÅ„ Zagospodarowania Odpadów, Politechnika ÅšlÄ…ska, ul. Konarskiego 18, Gliwice, tel. +48-32-237-12-13, e-mail: krzysztof.pikon@polsl.pl 2 Instytut Chemicznej Przeróbki WÄ™gla, ul. Zamkowa 1, 41-803 Zabrze telefon: +48 32 271 00 41, fax: +48 32 271 08 09, e-mail: office@ichpw.zabrze.pl Streszczenie Gazyfikacja jest wykorzystywana jako metoda przeksztaÅ‚cania biomasy w paliwo gazowe. JednÄ… z niedogodnoÅ›ci zwiÄ…zanÄ… z tÄ… technologiÄ… jest obecność niepożądanych substancji, które czyniÄ… uzyskany w ten sposób gaz trudnym do wykorzystania. Do grupy substancji tego typu należą ciężkie wÄ™glowodory. W artykule przedstawiono zagadnienia zwiÄ…zane z możliwoÅ›ciÄ… ich usuwania z gazu syntezowego przy użyciu reaktorów plazmowych. Oprócz ogólnych prawideÅ‚ zwiÄ…zanych z tym zagadnieniem, zamieszczono również informacje naturach technicznej, jak również rezultaty eksperymentów laboratoryjnych na przykÅ‚adzie zmiany skÅ‚adu gazu z uwzglÄ™dnieniem lotnych zwiÄ…zków organicznych. Abstract Plasma technologies for purification of product gases from biomass gasification Gasification is a popular method of conversion of biomass into gas fuel. One of the disadvantages of technologies of that type is presence of various ingredients which make gained gas difficult to use. One of them is tar. The paper is focused on analysis of possibilities of tear removal from gained gas using plasma methods. The general concept was described as well as construction of the reactors used. The examples of change of gas composition before and after reactor (including VOC) during lab tests are quoted in the paper. 1. Wprowadzenie Zgazowanie jest jednÄ… z kluczowych technologii termicznego przeksztaÅ‚cania materiałów pierwotnych w paliwa gazowe i ciekÅ‚e. Pomimo niskiej sprawnoÅ›ci tego procesu ma on tÄ™ zaletÄ™, że w jej wyniku wytwarzane jest wysokoenergetyczne paliwo. Substancje smoliste powstajÄ…ce również w procesie zgazowania sÄ… niepożądanÄ… substancjÄ… zwykle okreÅ›lanÄ… jako zÅ‚ożona mieszanina skondensowanych wÄ™glowodorów, która zawiera jedno- i wielopierÅ›cieniowe wÄ™glowodory aromatyczne, poÅ‚Ä…czone z innymi zawierajÄ…cymi tlen wÄ™glowodorami, które Å‚atwo kondensujÄ… w warunkach otoczenia. Skondensowane Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Åšrodowiska, vol. 12 nr 4 (2010) 62 substancje smoliste osiadajÄ… na przewodach gazowych mogÄ…c wywoÅ‚ać zablokowanie i korozjÄ™ sprzÄ™tu poÅ‚ożonego na drodze strumienia przepÅ‚ywajÄ…cego gazu. Wspomniany problem wymaga czÄ™stych remontów sprzÄ™tu i zmniejsza niezawodność instalacji. Bez wÅ‚aÅ›ciwego procesu oczyszczania gazów procesowych, wzrastajÄ… koszty inwestycyjne przeznaczane na dublowanie urzÄ…dzeÅ„ usytuowanych na drodze strumienia gazu w celu zapewnienia ciÄ…gÅ‚oÅ›ci pracy instalacji. Istnieje 5 klas substancji smolistych [13]: (1) niewykrywalne, (2) heterocykliczne, (3) lekkie aromatyczne wÄ™glowodory, (4) lekkie wielopierÅ›cieniowe wÄ™glowodory i (5) ciężkie wielopierÅ›cieniowe wÄ™glowodory. WyÅ‚Ä…czajÄ…c lekkie wÄ™glowodory aromatyczne, wszystkie pozostaÅ‚e sÄ… uciążliwe, ze wzglÄ™du na zdolność kondensacji w temperaturze otoczenia. Substancje smoliste formujÄ… siÄ™ w procesie depolimeryzacji zÅ‚ożonych czÄ…stek takich jak: celulozy, hemicelulozy i ligniny pochodzÄ…cych z biomasy (drewna, papieru) lub w przypadku stosowania paliw z odpadów (np. RDF) z tworzyw sztucznych w nich zawartych [15]. Na poczÄ…tku procesu zgazowania powstajÄ…ce smoÅ‚y zawierajÄ… głównie czÄ…steczki zawierajÄ…ce w swoim skÅ‚adzie atomy tlenu. Te czÄ…steczki stosunkowo szybko konwertujÄ… w kolejne, a w konsekwencji pod wpÅ‚ywem temperatury w bardzo stabilne trzeciorzÄ™dowe zwiÄ…zki smoliste. TrzeciorzÄ™dowe zwiÄ…zki smoliste skÅ‚adajÄ… siÄ™ głównie z wielopierÅ›cieniowych wÄ™glowodorów. Dlatego termin substancje smoliste oznacza zÅ‚ożonÄ… mieszaninÄ™ tysiÄ™cy czÄ…steczek organicznych produkowanych w termochemicznym procesie konwersji biomasy. Ogólna definicja substancji smolistych mówi o: wszystkich skÅ‚adnikach organicznych posiadajÄ…cych masÄ™ czÄ…steczkowÄ… wiÄ™kszÄ… niż benzen. Zastosowanie gazu z procesu zgazowania biomasy lub odpadów np. w turbinach gazowych lub silnikach gazowych wymaga dodatkowego oczyszczania gazów. Turbiny gazowe sÄ… szczególnie wrażliwe na zanieczyszczenia w gazie, ponieważ osadzenie siÄ™ zanieczyszczeÅ„ na Å‚opatkach turbiny, przy bardzo dużej szybkoÅ›ci obrotowej może powodować uszkodzenie Å‚ożysk i caÅ‚ej turbiny. Również silniki spalinowe majÄ… ostre wymagania dotyczÄ…ce czystoÅ›ci gazu. Dotychczas stosowane technologie zmierzajÄ… do poprawy procesu zgazowania przez przeksztaÅ‚cenie poprocesowych substancji smolistych w paliwo gazowe, jak również minimalizacji kondensujÄ…cych substancji smolistych. Jednym z nowoczesnych sposobów zmniejszenia iloÅ›ci substancji smolistych jest ich dopalenie w reaktorze przed skierowaniem do wÅ‚aÅ›ciwej komory spalania np. turbiny gazowej lub silnika spalinowego. Dopalenie takie jest możliwe m.in. przez wykorzystanie plazmy niskotemperaturowej jako inicjatora reakcji rozkÅ‚adu i utlenienia zwiÄ…zków organicznych zawartych w gazie. 2. Konwencjonalne metody konwersji substancji smolistych w gaz JednÄ… z metod przeksztaÅ‚cania substancji smolistych w gaz jest termiczny rozkÅ‚ad w wysokiej temperaturze i w dÅ‚ugim czasie przebywania. RozkÅ‚ad termiczny może zminimalizować ilość substancji smolistych i przyczynić siÄ™ do produkcji gazu. Chociaż wysoka temperatura i wzrost iloÅ›ci skÅ‚adników reformingu mogÄ… obniżyć koncentracjÄ™ substancji smolistych do wymaganej, to wartość opaÅ‚owa i wydajność zimnego gazu znaczÄ…co siÄ™ obniża [8]. Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 4 (2010) 63 Do zoptymalizowania systemu z maksymalnÄ… wydajnoÅ›ciÄ… zimnego gazu pozostaÅ‚e substancje smoliste powinny być usuniÄ™te za pomocÄ… dodatkowego urzÄ…dzenia. Stosuje siÄ™ np. zÅ‚oże adsorpcyjne ze staÅ‚ym wypeÅ‚nieniem w celu zabezpieczenia sprzÄ™tu na drodze przepÅ‚ywu gazu przed uszkodzeniem pozostaÅ‚ymi po procesie substancjami smolistymi. Zadaniem instalacji do adsorpcji w warstwie staÅ‚ej jest usuniÄ™cie trudnotopliwych substancji smolistych w drugim etapie procesu w celu wychwycenia pozostaÅ‚ych substancji smolistych. Do adsorpcji w staÅ‚ym zÅ‚ożu można zastosować przykÅ‚adowo trzy rodzaje adsorbentów: wÄ™giel aktywny, wióry drewniane i syntetyczny porowaty granulat. WÄ™giel aktywny jest najszerzej stosowanym adsorbentem, ze wzglÄ™du na wysokÄ… pojemność adsorpcji zwÅ‚aszcza lotnych zwiÄ…zków organicznych, które sÄ… skÅ‚adnikami substancji smolistych biomasy. Trociny sÄ… stosunkowo tanie, a granulat syntetyczny można poddać regeneracji. Metoda opatentowana jako technologia OLGA [15] sÅ‚uży do usuwania smół powstaÅ‚ych w procesie zgazowania paliwa z odpadów typu RDF. UrzÄ…dzenie wykazuje zdolność usuwania fenolu i naftalenu ze skutecznoÅ›ciÄ… 99%. Aparat dziaÅ‚ajÄ…cy w przeciwprÄ…dzie skÅ‚ada siÄ™ z dwóch kolumn podzielonych na sekcje. W pierwszej kolumnie tzw. kolektorze olejowym gaz jest schÅ‚adzany, a ciekÅ‚e smoÅ‚y wyÅ‚apywane i zawracane do gazyfikatora. W drugiej części urzÄ…dzenia skÅ‚adajÄ…cej siÄ™ z absorbera smoÅ‚y lekkie gazowe sÄ… wymywane cieczÄ… absorpcyjnÄ…, a nastÄ™pnie odparowywane (w sekcji desorpcyjnej) i również zawracane wraz z podgrzanym powietrzem do procesu gazyfikacji. Stosunkowo duża zawartość w paliwie RDF tworzyw sztucznych typu (EPS) pianka polistyrenowa powoduje jednak znaczne utrudnienia w pracy pierwszej kolumny tzw. kolektora blokujÄ…c przepÅ‚yw gazu. 3. Plazma niskotemperaturowa 3.1. Wykorzystanie plazmy niskotemperaturowej do usuwania substancji smolistych z gazu Techniki oparte na plazmie niskotemperaturowej znajdujÄ… coraz częściej zastosowanie w efektywnym usuwaniu zanieczyszczeÅ„ z gazów zwÅ‚aszcza zwiÄ…zków organicznych VOC. W plazmie niskotemperaturowej temperatura elektronowów (Te > 1 eV) jest znacznie wyższa od temperatury Å›redniej gazu (Tg<0.1 eV). W zwiÄ…zku z tym zastosowanie plazmy do oczyszczania gazów może sprowadzać siÄ™ wprost do oddziaÅ‚ywania elektronów , jonów, czÄ…steczek wzbudzonych, tworzenia aerozoli i reakcji przebiegajÄ…cych na ich powierzchni. W różnych typach metod plazmowych stosowane sÄ… róże parametry pracy reaktorów i uzyskiwane sÄ… różne skutecznoÅ›ci procesu (tabela 3.1). Zastosowanie plazma nietermicznej do usuwania wÄ™glowodorów z gazów jest bardziej ekonomiczne niż adsorpcja na wÄ™glu aktywnym, spalanie katalityczne lub dopalanie w reaktorze wysokotemperaturowym, jednak szczególnie wydajne jest poÅ‚Ä…czenie reaktora plazmowego z filtrem zeolitowym lub wÄ™glowym. Taki hybrydowy system pozwala na uzyskanie skutecznoÅ›ci ok. 98% w przypadku usuwania toluenu, a ponadto destrukcji niepożądanych produktów ubocznych [9]. Równie interesujÄ…co wyglÄ…da Å‚Ä…czenie technologii plazmowej z katalizatorem. Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Åšrodowiska, vol. 12 nr 4 (2010) 64 Wykorzystanie reaktora plazmowego koronowego do rozkÅ‚adu smół zawartych w gazie przedstawiono w pracy [11]. Badania eksperymentalne pokazujÄ… rozkÅ‚ad smół w wyÅ‚adowaniu pulsacyjnym koronowym. SmoÅ‚y reprezentowano w badaniach za pomocÄ… naftalenu, fenolu i toluenu, które rozpylano w czystym azocie lub w mieszance paliwowej o skÅ‚adzie (20 % CO, 12% CO2%, 17 % H2, 1 % CH4). PozostaÅ‚ość frakcji smolistej wyrażana jest w funkcji gÄ™stoÅ›ci energii J/l (gdzie l oznacza pojedyncze wyÅ‚adowanie pulsacyjne). Badania w skali pilotażowej z gazyfikatorem, w którym zgazowywano drewno prowadzono analizujÄ…c skÅ‚ad smół lekkich i ciężkich. W rezultacie uzyskano konwersjÄ™ smół ciężkich do zwiÄ…zków prostych i smół lekkich. Skuteczność usuwania smół ciężkich wyniosÅ‚a 62% (dla gÄ™stoÅ›ci energii 148 J/l) i 68 % (dla gÄ™stoÅ›ci energii 161 J/l), przy czym nastÄ…piÅ‚ wzrost smół lekkich. CaÅ‚kowita konwersja smół (ciężkich i lekkich razem) byÅ‚a na poziomie odpowiednio 39 % i 27%. Tabela 3.1 Charakterystyka metod plazmowych [9]. Nr Rodzaj NapiÄ™cie, Natężenie CzÄ™stotliwość, Skutecz- PrzepÅ‚yw wyÅ‚adowania V prÄ…du , A Hz ność, % gazu, m3/h 1 Elektron Beam 105-2x108 10-3- <100 (dc) 80-95 103-105 10(dc) 2 Barierowe 5x103- 10-3-10 10-105 30-80 10-2-1 2x104 3 Pulsacyjne 3x104- 10-2-1 10-1000 20-70 1-102 koronowe 2x105 4 Koronowe ze 104-105 10-5-10-1 (dc) 90-95 1-102 stabilizowanym przepÅ‚ywem gazu 5 Aukowe 100-500 10-100 (dc) 70-90 10-1-10 6 Wysokich 100-500 10-3-1 103-105 50-70 10-2-10 czÄ™stotliwoÅ›ci 7 Mikrofalowe 100-500 10-3-1 >109 30-60 10-2-1 3.2 Reaktor plazmowy GlidArc Niskotemperaturowy, nietermiczny reaktor plazmowy GlidArc opracowano na poczÄ…tku lat 90-tych [10]. Zasada dziaÅ‚ania reaktora z tzw. Å›lizgajÄ…cym siÄ™ wyÅ‚adowaniem jest nastÄ™pujÄ…ca. Gaz poddawany obróbce wprowadzany jest osiowo, z dużą prÄ™dkoÅ›ciÄ… (10 - 20 m/s), pomiÄ™dzy elektrody. UrzÄ…dzenie (rys 3.1.) skÅ‚ada siÄ™ z dwóch, trzech lub wiÄ™kszej iloÅ›ci elektrod wyprofilowanych w ksztaÅ‚cie noży, po których pod wpÅ‚ywem wymuszonego przepÅ‚ywu gazu i siÅ‚ elektrodynamicznych "Å›lizga siÄ™" ekspansyjne wyÅ‚adowanie elektryczne. Wytworzona w ten sposób nietermiczna plazma wypeÅ‚nia znacznÄ… część przestrzeni komór wyÅ‚adowczych. Wartość napiÄ™cia na elektrodach, potrzebna do zapÅ‚onu Å‚uku wynosi od kilku do kilkudziesiÄ…t kV, a do jego podtrzymania okoÅ‚o dziesięć razy mniej. WyÅ‚adowanie Å‚ukowe rozpoczyna siÄ™ w miejscu, w którym odlegÅ‚ość miÄ™dzy elektrodami jest najmniejsza (kilka milimetrów). Wówczas natężenie prÄ…du pary elektrod Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 4 (2010) 65 nie powinno przekraczać 10 A, a napiÄ™cie zapÅ‚onu osiÄ…ga wartość rzÄ™du 10 kV. Z powodu przepÅ‚ywu gazu roboczego nastÄ™puje przesuwanie siÄ™ kolumny Å‚ukowej wzdÅ‚uż rozszerzajÄ…cych siÄ™ elektrod. NapiÄ™cie miÄ™dzy elektrodami podczas wyÅ‚adowania wynosi (1-2) kV, co stanowi (10-20) % napiÄ™cia zapÅ‚onu. WyÅ‚adowanie Å›lizga siÄ™ wzdÅ‚uż ostrzy elektrod, aż do miejsca, w którym nastÄ™puje jego zerwanie, gdy energia dostarczana ze zródÅ‚a zasilania nie jest w stanie dÅ‚użej kompensować strat energetycznych wydÅ‚użajÄ…cej siÄ™ kolumny Å‚ukowej. Po zgaÅ›niÄ™ciu Å‚uku w strefie gaÅ›niÄ™cia, wyÅ‚adowanie odbudowuje siÄ™ natychmiast w strefie zapÅ‚onu i nastÄ™puje kolejny cykl pracy reaktora. PrzykÅ‚adowy reaktor tego typu (Glidarc I) przedstawiono na rysunku (3.1). Ponadto w 1997 opatentowano reaktor Glidarc II, w którym Å›lizgajÄ…ce siÄ™ wyÅ‚adowanie elektryczne generowane jest pomiÄ™dzy wirujÄ…cÄ… elektrodÄ… centralnÄ… i kilkoma stacjonarnymi elektrodami umieszczonymi wokół elektrody centralnej. Natomiast w 2004 r. opatentowano reaktor Glidarc III (rys. 3.2), w którym wysokonapiÄ™ciowe wyÅ‚adowanie Å›lizga siÄ™ i wiruje pomiÄ™dzy elektrodÄ… centralnÄ… i otaczajÄ…cÄ… jÄ… elektrodÄ… w ksztaÅ‚cie dyszy. Wylot gazu 3 elektrody co 120o Elektroda zapÅ‚onowa Wlot gazu ~ UkÅ‚ad zasilania Rys. 3.1. Trójelektrodowy reaktor plazmowy typu Glidarc W reaktorze plazmowym Glidarc prowadzono szereg badaÅ„ laboratoryjnych w Polsce w oÅ›rodkach naukowych m.in. w Gliwicach [5, 6, 7], Krakowie, Warszawie i Lublinie [12] oraz poza krajem, głównie we Francji [1, 2, 3, 4], Stanach Zjednoczonych, Belgii i Japonii. Prowadzono także badania na skalÄ™ technicznÄ… (w celu oceny możliwoÅ›ci dopalania zanieczyszczeÅ„ organicznych) w lakierni, oraz wprowadzono komercyjnÄ… aplikacjÄ™ reaktora plazmowego Glidarc w procesie dopalania gazów odpadowych z unieszkodliwiania niewybuchów w instalacjach koÅ‚o Ypres w Belgii oraz w Kanda w Japonii [14]. W tym przypadku odpady w postaci broni chemicznej (pociski z gazami i cieczami trujÄ…cymi z czasu I i II WÅš) detonuje siÄ™ przy użyciu dynamitu w warunkach Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Åšrodowiska, vol. 12 nr 4 (2010) 66 obniżonego ciÅ›nienia w cysternie DAVICH (Detonation of Ammunition in Vaccum INtegrated Chamber). NastÄ™pnie uzyskane w efekcie gazy i sadze (z zaadsorbowanymi na powierzchni pirolitycznymi zwiÄ…zkami niebezpiecznymi) przepuszcza siÄ™ z dodatkiem powietrza lub tlenu przez szeÅ›cioelektrodowy reaktor Glidarc. Tu nastÄ™puje utlenienie sadzy, dopalenie trucizn, a Å›ladowe pozostaÅ‚oÅ›ci zwiÄ…zków trujÄ…cych i tlenki azotu usuwa siÄ™ na wÄ™glu aktywnym. Rys. 3.2 Reaktor plazmowy typu Glidarc III, (1) elektroda centralna, (2) elektroda w ksztaÅ‚cie dyszy umieszczonej wokół elektrody centralnej, (3) wlot gazu utleniajÄ…cego podawanego do (5) przestrzeni reaktora,(4)wlot gazu syntezowego zanieczyszczonego zanieczyszczony sadzÄ…, smoÅ‚ami i innymi wÄ™glowodorami, (6) przestrzeÅ„ dziaÅ‚ania Å›lizgajÄ…cego siÄ™ i wirujÄ…cego wyÅ‚adowania wysokiego napiÄ™cia, (7) wylot oczyszczonego gazu syntezowego. Na podstawie badaÅ„ laboratoryjnych wÅ‚asnych oraz wybranych prac badawczych i patentów realizowanych w innych jednostkach naukowo-badawczych stwierdzono, że niskotemperaturowa plazma wytwarzana w wysokonapiÄ™ciowym reaktorze typu Glidarc jest skutecznym narzÄ™dziem w procesach przetwarzania i unieszkodliwiania substancji gazowych, o stosunkowo niskiej (jak dla procesów plazmowych) energochÅ‚onnoÅ›ci. Stwierdzono miÄ™dzy innymi skuteczność plazmy w procesie: " destrukcji szkodliwych gazów, par i aerozoli lotnych zwiÄ…zków organicznych, H2S, metrkaptanów, N2O, zwiÄ…zków nitrowych, zwiÄ…zków chlorowanych, aromatycznych zwiÄ…zków policyklicznych), " przetwarzania metanu do sadzy i wodoru, Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 4 (2010) 67 " przetwarzania metanu na zasadzie reformingu parowego lub suchego do gazu syntezowego (CO i H2) sÅ‚użącego w dalszym etapie do produkcji czystych paliw ciekÅ‚ych, " konwersji toluenu, chloroformu, cykloheksanu, ksylenu, benzenu oraz innych zwiÄ…zków wÄ™glowodorowych w różnych gazach noÅ›nych, " dopalania zwiÄ…zków nitrowych i innych trucizn powstajÄ…cych podczas unieszkodliwiania niewybuchów, " przetwarzania SO2 do postaci siarki staÅ‚ej S, " destrukcji ciężkich zwiÄ…zków wÄ™glowodorowych i sadzy. Reaktor Glidarc może być również wykorzystany do badaÅ„ konwersji smół w gazie procesowym ze zgazowania biomasy. Do takiego procesu może być zastosowany reaktor plazmowy Glidarc III (rys. 3.2.), lub prostszy w budowie reaktor dwuelektrodowy Glidarc I we współpracy ze zÅ‚ożem katalitycznym. 4. Badania skutecznoÅ›ci dziaÅ‚ania reaktora typu GLIDARC w ukÅ‚adzie z reaktorem zgazowujÄ…cym 4.1. Zgazowanie biomasy W procesach zgazowania biomasy wykorzystywane sÄ… na ogół reaktory ze zÅ‚ożem staÅ‚ym współprÄ…dowe lub przeciwprÄ…dowe. Medium zgazowujÄ…cym jest na ogół powietrze. Wynika to z prostoty ich konstrukcji oraz z dużej elastycznoÅ›ci pracy z różnego rodzaju biomasÄ…. Reaktory przeciwprÄ…dowe zapewniajÄ… dobre wysuszenie biomasy (wiÄ™ksza wilgotność paliwa) a ich sprawność cieplna jest stosunkowo wysoka. Ich wadÄ… jest natomiast stosunkowo duża zawartość substancji smolistych w gazie opuszczajÄ…cym reaktor. Gaz procesowy może być zastosowany do opalania kotłów ciepÅ‚owniczych, które majÄ… maÅ‚e wymagania co do jakoÅ›ci i skÅ‚adu gazu. Natomiast wykorzystanie gazu do napÄ™du silników spalinowych lub turbin gazowych stawia wyższe wymagania, szczególnie dotyczÄ…ce zawartoÅ›ci substancji smolistych oraz pyÅ‚u: RedukcjÄ™ iloÅ›ci substancji smolistych można osiÄ…gnąć przez zastosowanie reaktorów katalitycznych, reaktorów plazmowych lub przez mechaniczne usuwanie substancji smolistych po ochÅ‚odzeniu gazu. Celem przeprowadzonych badaÅ„ byÅ‚o zbadanie możliwoÅ›ci usuwania substancji smolistych, w szczególnoÅ›ci tzw. ciężkich z gazu procesowego za pomocÄ… reaktora plazmowego z tzw. Å›lizgajÄ…cym siÄ™ wyÅ‚adowaniem, typu GlidArc. 4.2. Metodyka badaÅ„ Badania polegajÄ…ce na pomiarach skutecznoÅ›ci oczyszczania gazu syntezowego ze skÅ‚adników smoÅ‚owych przeprowadzono na instalacji zgazowujÄ…cej biomasÄ™ istniejÄ…cÄ… w Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Åšrodowiska, vol. 12 nr 4 (2010) 68 Instytucie Chemicznej Przeróbki WÄ™gla w Zabrzu. Instalacja ta ma projektowÄ… wydajność cieplnÄ… okoÅ‚o 150kW. Reaktor zgazowujÄ…cy ze zÅ‚ożem staÅ‚ym jest zbudowany w formie pionowego cylindra o Å›rednicy Ø400 mm i ok.. 920 mm wysokoÅ›ci. Paliwo dostarczane do reaktora przechodzi przez strefÄ™ suszenia, pirolizy, spalania i zgazowania. PrzepÅ‚yw powietrza w strefie suszenie i pirolizy jest współprÄ…dowy a w strefie zgazowania jest przeciwprÄ…dowy. Temperatura zgazowania wynosi okoÅ‚o 850°C i ciepÅ‚o gazu jest wykorzystywane do podgrzania powietrza podawanego do reaktora. Wydajność reaktora wynosi okoÅ‚o 150m3n/h a ilość substancji smolistych wynosi okoÅ‚o 0,5%. Do badaÅ„ procesu oczyszczania gazu wykorzystano reaktor typu GlidArc dwuelektrodowy wraz ze zÅ‚ożem katalizatora niklowego wspomagajÄ…cego rozkÅ‚ad substancji smolistych. Ze wzglÄ™du na ograniczonÄ… przepustowość reaktora w czasie badaÅ„ przez GlidArc przepuszczono tylko część strumienia gazu z reaktora zgazowujÄ…cego w celu dopalenia zanieczyszczeÅ„ smoÅ‚owych. Jako gaz wspomagajÄ…cy rozkÅ‚ad termiczny przed reaktorem GLIDARC doprowadzano do strumienie gazu tlen w iloÅ›ci kilku procent strumienia oczyszczanego gazu. Jego strumieÅ„ odnoszono do strumienia doprowadzanego gazu jako O2/gaz. Przeprowadzone badania miaÅ‚y charakter rozpoznawczy i miaÅ‚y pokazać, czy ukÅ‚ad istniejÄ…cego reaktora zgazowujÄ…cego może współpracować z posiadanym reaktorem typu GLIDARC. Z tego wzglÄ™du w mierzono zawartość Lotnych Substancji Organicznych (LZO) jako reprezentanta substancji smolistych. Do pomiarów wykorzystywano analizator lotnych zwiÄ…zków organicznych J.U.M. HFID 3-200 umożliwiajÄ…cy ciÄ…gÅ‚y pomiar zawartoÅ›ci LZO w gazie za reaktorem zgazowujÄ…cym oraz w gazie za reaktorem plazmowym dla okreÅ›lenia skutecznoÅ›ci ich dopalania. 4.2. Wyniki wstÄ™pnych badaÅ„ Wykonano trzy serie badaÅ„ w dniu 7.11.2010 zmieniajÄ…c strumieÅ„ doprowadzanego tlenu. WielkoÅ›ciami mierzonymi byÅ‚y zawartoÅ›ci skÅ‚adników w gazie przed i za GLIDARKiem, mierzone za pomocÄ… analizatorów typu MAIHAK, zawartoÅ›ci LZO mierzone analizatorem lotnych zwiÄ…zków organicznych J.U.M. HFID 3-200 oraz temperatura zÅ‚oża katalizatora mierzona termoelementem. Ze wzglÄ™du na pewnÄ… zmienność skÅ‚adu gazu wypÅ‚ywajÄ…cego z reaktora zgazowujÄ…cego do analizy wziÄ™to zmiany stężenia skÅ‚adników gazu na wylocie (OUT) i wlocie (IN) do reaktora GLIDARC. Takie przedstawienie wyników pozwala na okreÅ›lenie tendencji zmian poszczególnych skÅ‚adników i lepsze zrozumienie reakcji zachodzÄ…cych w GLIDARKu i w katalizatorze. Dla oceny efektywnoÅ›ci redukcji substancji wÄ™glowodorowych przez GLIDARC obliczono Skuteczność usuwania LZO obliczanÄ… jako: Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 4 (2010) 69 SLZO,OUT - SLZO,IN µ = LZO SLZO,IN Gdzie SLZO,IN i SLZO,OUT oznaczajÄ… odpowiednio stężenia LZO w gazie na wlocie i wylocie z GLIDARKa. Wyniki pomiarów przedstawiono na wykresach: Rys. 4.1. i 4.2. w formie zależnoÅ›ci od wzglÄ™dnej iloÅ›ci tlenu O2/gaz. 920 1 0,9 910 0,8 900 0,7 0,6 890 Temp. C 0,5 Skut.LZO 880 0,4 0,3 870 0,2 860 0,1 850 0 0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 O2/gaz Rys.4.1. Zależność skutecznoÅ›ci usuwania LZO i temperatury zÅ‚oża katalizatora od iloÅ›ci tlenu. 15 10 5 dCO2 dCO 0 dCH4 0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 dH2 -5 -10 -15 O2/gaz Rys.4.2. Zależność przyrostu stężenia skÅ‚adników gazu od iloÅ›ci tlenu. Temperatura C Skuteczność LZO Zmiana skÅ‚adu % Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Åšrodowiska, vol. 12 nr 4 (2010) 70 Na rys. 4.2. wielkoÅ›ci DCO2 itd. oznaczajÄ… odpowiednio: dCO2 = CO2,OUT - CO2,IN Jak wynika z przedstawionych wykresów reaktor GLIDARC wraz z katalizatorem niklowym pozwala na znaczÄ…cÄ… redukcjÄ™ iloÅ›ci LZO w gazie (65 85%). Skuteczność tej redukcji maleje ze wzrostem iloÅ›ci doprowadzanego tlenu, przy równoczesnym spadku temperatury katalizatora. RównoczeÅ›nie widać, że w reaktorze maleje stężenie CO2 i H2 natomiast roÅ›nie stężenie CH4 i CO. Zmiany te malejÄ… wraz ze wzrostem iloÅ›ci doprowadzanego tlenu, jednak Å›wiadczÄ… o zachodzÄ…cych tam reakcjach dopalania CO i rozkÅ‚adu CH4. 5. Podsumowanie Zastosowanie gazu syntezowego z procesu zgazowania biomasy czy odpadów, uważasiÄ™ obecnie za najbardziej przyszÅ‚oÅ›ciowÄ… metodÄ™ wykorzystania biomasy jako zródÅ‚a energii . Energetyczne wykorzystanie biomasy jak również odpadów poprzez spalanie jest obecnie uważane za technologiÄ™ maÅ‚o perspektywicznÄ…. Biomasa i odpady mogÄ… być materiaÅ‚em wyjÅ›ciowym do dalszych procesów produkcji paliwa gazowego lub ciekÅ‚ego, zwÅ‚aszcza, że potencjaÅ‚ energetyczny odpadów generowanych co roku w Polsce wg różnych szacunków stanowi ok. 10 % obecnie wykorzystywanych zródeÅ‚ energii. Należy jednak wziąć pod uwagÄ™ konieczność opracowania wydajnych i niskoenergochÅ‚onnych technologii oczyszczania gazu procesowego powstajÄ…cego w procesie zgazowania tych substancji. Obecne najnowsze projekty badawcze na Åšwiecie ukierunkowane sÄ… na zagadnienia zwiÄ…zane ze stabilizacjÄ… skÅ‚adu i odpowiedniego oczyszczenia gazów powstajÄ…cych w procesie zgazowania biomasy i odpadów. Na podstawie przeglÄ…du literatury stwierdzono, że konwencjonalne metody oczyszczania gazu z procesu zgazowania biomasy zajmujÄ… znaczne powierzchnie (adsorbent), sÄ… stosunkowo kosztowne (termiczne) i nie zawsze przynoszÄ… oczekiwane rezultaty (obniżenie wartoÅ›ci opaÅ‚owej gazu procesowego). W zwiÄ…zku z powyższym celowym wydaje siÄ™ poszukiwanie nowych efektywnych i atrakcyjnych ekonomicznie metod w celu konwersji smół w gazie syntezowym. Takimi metodami mogÄ… być wyÅ‚adowania elektryczne w gazie, czyli niskotemperaturowe metody plazmowe. Przeprowadzone badania potwierdzajÄ… możliwość zmniejszenia zawartoÅ›ci substancji smolistych i wÄ™glowodorowych w gazie reaktorowym przez zastosowanie reaktora plazmowego wspomaganego przez zÅ‚oże katalizatora. Badania te wymagajÄ… kontynuacji dla potwierdzenia otrzymanych zależnoÅ›ci dla substancji smolistych i nielotnych zawartych w gazie ze zgazowania biomasy. Praca naukowa finansowana ze Å›rodków na naukÄ™ w latach 2010-2011 jako projekt badawczy Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 4 (2010) 71 Literatura [1] Czernichowski A., Ranaivosoloarimanana A.: Zapping VOCs with discontinuous electric arc, CHEMTECH, April 1996, p.45-49 [2] Czernichowski A.: Electrically Assisted Conversion of Natural Gas into Syngas, GAS- TO-LIQUID PROCESSING, Bringing Clean Fuels to Market, San Antonio, March 18-20, 1998 [3] Czernichowski A.: Gliding arc. Aplications to engineering and environment control, Pure and Appl. Chem. 66(6), (1994), p. 1301-1310 [4] Czernichowski A.: Plasma Reactors GlidArc cold plasma, European Roadmap of Process Intensification Technology Report (http://pagesperso- orange.fr/albin.czernichowski/ ECP/Technology%20Report%20v.3.pdf) [5] Ferenc Z. (obecnie Czekalska), Kandyba A.: PrzeglÄ…d metod unieszkodliwiania toksycznych gazów z procesów termicznych, Termiczne unieszkodliwianie odpadów, Restrukturyzacja procesów termicznych, praca zbiorowa pod red. Wandrasza J. W., Wydawnictwo Futura, PoznaÅ„, 2007, str. 201-213 [6] Ferenc Z. (obecnie Czekalska), Kandyba A.: Unieszkodliwianie zanieczyszczeÅ„ gazowych w reaktorach plazmowych, Efektywne zarzÄ…dzanie gospodarkÄ… odpadami, VII MiÄ™dzynarodowe Forum Gospodarki Odpadami, Wydawnictwo Futura, Kalisz- PoznaÅ„, 2007, str. 659-668 [7] Ferenc Z. (obecnie Czekalska).: Badanie efektywnoÅ›ci rozkÅ‚adu Å›ladowych, wÄ™glowodorowych zwiÄ…zków toksycznych za pomocÄ… plazmy niskotemperaturowej, praca doktorska, promotor Wandrasz J. W., Gliwice, 2002 [8] Han, Jun; Kim, Heejoon, "The reduction and control technology of tar during biomass gasification/pyrolysis: An overview" Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008 pp. 397-416 [9] Kuniko Urashima, Jen-Shih Chang: Removal of Volatile Organic Compounds from Air stream ann Industrial Flu Gases by Non-Tehermal Plasma Technology, IEEE Transactions on Dielectics and Electical Insulation, Vol 7 No 5, October 2000 [10] Lesueur H. Czernichowski A. Chapelle J.: Dispositif de Generation de Plasmas BasseTemperature par Formation de Decharges Electriques Glissantes, French Patent No. 2 639 172 (1988) [11] Nair S. A., Pemen A. J. M. , Yan K, Vav Gompel F. M. Van Leuken H. E. M. Van Heesch E. J. M. Ptasinski K. J., Drinkenburg A. A. H.: Tar removal from biomass- derived fuel has by pulsed corona discharges, Fuel Processing Technology 84 (2003), p. 161-173 [12] OpaliÅ„ska. T, ZieliÅ„ski T., Schmidt-SzaÅ‚owski K.: Carbon Black Making by Gliding Discharge, Acta Agrophysica, 2002, 80, 159-166 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Åšrodowiska, vol. 12 nr 4 (2010) 72 [13] Wang, Tiejun; Chang, Jie; Cui, Xiaoqin; Zhang, Qi; Fu, Yan, "Reforming of raw fuel gas from biomass gasification to syngas over highly stable nickel and magnesium solid solution catalysts" Fuel Processing Technology 2006 pp. 421-428 [14] Washida T., Kitamura R.: Destruction of Old Chemical Bombs using DAVINCH at KANDA (Takashi WASHIDA), 10th International Chemical Weapons Demilitarisation Conference, Brussels, May, 2007 [15] Visser H. J. M., Zwart R., Konemann J. W. Bos A., Kuipera J.: RDF gasification part 1:characterizing the use of RDF as fuel and solving the tar problem by in-depth laboratory study, Proceedings Venice 2008, Second International Symposium on Energy from Biomass and Waste, Venice, Italy; 17-20 November 2008, CISA, Environmental Sanitary Engineering Centre, Italy.