H - Czysta Energia

Zgazowanie biomasy
Technologia
Witold Warowny
Politechnika Warszawska
Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii
ul. Łukasiewicza
ukasiewicza 17, 09ock
09-400 Płock
1
1. Zgazowanie biomasy
2. Instalacje zgazowania
3. Energetyczne zastosowanie
biopaliw II-giej generacji
2
Wprowadzenie
Proces termicznej konwersji, w obecności tlenu lub/i pary wodnej, biomasy w
postaci stałej do palnych gazów nazywa się jej zgazowaniem.
Teoretycznie kaŜdy rodzaj biomasy stałej (zawierający przecieŜ podstawowe składniki
C,H,O) po uprzednim jej osuszeniu (5-35% wilgoci) i uformowaniu do odpowiedniej
postaci wsadowej moŜe 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 moŜe 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 FischerTropscha, diesel Fischer Tropscha i mieszanina alkoholi (etanol, propanol,
butanol i wyŜsze)
3
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
Rys. 1 Skład gazu obliczony
kaloryczne reagentów, stopień przemiany i sprawności,
jako funkcja współczynnika równowartości
zuŜycie ciepła,
Source:Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass
szybkość przepływu gazu, katalizatory, itd.
Technology Group, The Netherlands, 2005.
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)
4
Odpady
z rolnictwa
Plantacje roślin
energetycznych
Zasoby rolnicze:
słoma, siano, rzepak
Poleko, 22 listopada 2007
ŹRÓDŁA
BIOMASY
Odpady
z przemysłu
drzewnego
Odpady
komunalne
Odpady
z leśnictwa
5
Charakterystyka biomasy
(do zgazowania)
-
wartość opałowa
cięŜar nasypowy (gęstość)
skład elementarny
wilgotność
zawartość części lotnych
zawartość i skład popiołu (części mineralnej)
duŜa reaktywność
wewnętrzne katalizatory
zanieczyszczenia, np. alkalia, trucizny
6
Charakterystyka biomasy
Wartość opałowa niektórych paliw
45
Wartość opałowa [MJ/kg]
40
35
30
25
20
15
10
Węgiel
drzewny
Słoma
Drewno
Łupiny z
ryŜu
Benzyna
0
ON
5
Typowa biomasa ma wartość opałową w zakresie 12-20 MJ/kg w
przeliczeniu na suchą masę
7
Charakterystyka biomasy
CięŜar naypowy (gęstość)
paliw z biomasy i węgla
800
600
500
400
300
200
węgiel
drzewny
węgiel
kolby
kukurydzy
wióry
drewniane
0
trociny
100
bloczki
drewniane
Gęstość [kg/m3]
700
8
Charakterystyka biomasy
Wartość
opałowa
[MJ/kg]
Biomasa
Zawartość
wilgoci
[%wag.]
Części
lotne
[%wag.]
Zawartość
popiołu
[%wag.]
Słoma
16,1-17,3
15
70-73
4,3-6,5
Miskant olbrzymi (pelety)
17,6
8,7-10,1
73,8-77,3
2,5-2,9
Drewno (pelety)
18,6
8,3-8,6
74,7-75,1
0,18-0,24
Trociny z drewna
18,8
10,4
70,4
1,3
Drzewo oliwne
15,7
15
78,1
3,0
Winorośl
15,1
15
76,6
2,7
Skład
chemiczny
Słoma
Olej
rzepakowy
Drewno
Bioetanol
Węgiel
kamienny
Węgiel
brunatny
% wagowy
C
49,0
77,0
50,5
52
82,4
60.9
H
6,0
12,0
6,1
13
5,1
5,3
O
44,0
10,9
43,0
35
10,3
32.9
N
0,8
0,1
0,3
0
1,4
0.6
S
0,2
0,0
0,1
0
0,8
0.3
Biorąc pod uwagę
tylko 3 podstawowe
pierwiastki
w
biomasie jej strukturę
chemiczną
moŜna
opisać za pomocą
wzoru sumarycznego
C1H1,45O 0,7
W
skład
substancji
nieorganicznych
biomasy
wchodzą
głównie
związki
krzemu,
wapnia,
magnezu,
fosforu, sodu i potasu, przede
wszystkim SiO2, CaO, MgO,
Na2O, K2O, podczas gdy w
węglu: SiO2, Al2O3 i Fe2O3.
W wielu rodzajach biomasy znajduje się równieŜ chlor, w niektórych gatunkach słomy
9
do 0,49 % wag, a w łodydze kukurydzy nawet 1,48 % wag. chloru
Etapy
termicznego procesu konwersji biomasy
Zgazowanie
Piroliza
karbonizat
popiół
Ciepło
gazy
Biomasa
CO
CO2
H2
smoły
CO2
H2O
smoły
H2O (para wodna)
Kataliza
O2, powietrze
Ciepło
Źródło:Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass
Technology Group, The Netherlands, 2005.
Spalanie
O2, (powietrze)
10
11
Piroliza biomasy
Proces pirolizy (konwersja termiczna) zachodzi w temperaturze 380–550oC pod ciśnieniem 0,1 –
0,5 MPa bez uŜycia zewnętrznego czynnika utleniającego.
Pirolizę moŜna 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 H2, CO, CO2, CH4, C2H6, C2H4, C3H8,
C3H6, H2O.
W zaleŜności od warunków prowadzania pirolizy rozróŜnia się pirolizę wolną (slow pyrolysis) i
pirolizę szybką (flash pyrolysis).
- aby osiągnąć z duŜą wydajnością produkty gazowe naleŜy 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 ZnCl2 w procesie pirolizy biomasy oliwnej w
temperaturze 750oC pozwala uzyskać 70 % wodoru w produktach gazowych.
12
FRAKCJE TYPOWEJ PIROLIZY DREWNA
Temperatura
Karbonizat
Olej
Gaz
Razem
reaktora [K]
% wagowe
673
24,1
65,5
10,2
99,8
723
21,4
65,7
11,1
98,2
773
18,9
66,0
14,6
99,5
823
17,3
67,0
14,9
99,2
SKŁAD GAZU Z PIROLIZY DREWNA
CO
CO2
H2
CH4
Temperatura
[K]
C2H6
C2H4
C3H8
C3H6
Razem
% wag.
673
3,75
6,02
0,018
0,21
0,05
0,05
0,03
0,05
10,2
723
4,20
6,32
0,022
0,35
0,05
0,08
0,02
0,08
11,1
773
6,76
6,61
0,022
0,58
0,09
0,26
0,05
0,19
14,6
823
6,71
6,86
0,023
0,69
0,16
0,26
0,04
0,45
14,9
13
Poleko, Poznań 22 listopada 2007
Zgazowanie
Dla przeprowadzenia procesu zgazowania potrzebne są wysokie
temperatury rzędu 650–1300oC i dla niektórych metod bardzo wysokie
ciśnienia (nawet do 350 bar), tak jak dla zgazowania hydrotermalnego.
Biorąc pod uwagę tylko trzy najwaŜniejsze pierwiastki (węgiel,
wodór, tlen) wchodzące w skład struktury biomasy, wtedy z dobrym
przybliŜeniem moŜna opisać proces zgazowania za pomocą jednego z
wielu zestawów trzech niezaleŜnych reakcji chemicznych, w tym
przypadku (2-4).
C + O2 ⇔ CO2
(1)
∆H = -393,7 kJ/mol
(2)
C + CO2 ⇔ 2CO
∆H = 172,5 kJ/mol
C + H2O ⇔ H2 + CO ∆H = 131,4 kJ/mol
(3)
(4)
C + 2H2 ⇔ CH4
∆H = -74,88 kJ/mol
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, Al2O3.
W reaktorze ze złoŜem fluidalnym w zgazowaniu biomasy
powietrzem, stosując katalizator Rh/CeO2/SiO2, moŜna w temperaturze
600oC uzyskać prawie całkowitą konwersję biomasy na gaz syntezowy.
Poleko, Poznań, 22 listopada 2007.
14
ZGAZOWANIE z CaO ( SORBENTEM CO2)
Jedną z nowych metod zgazowania biomasy ukierunkowaną na
produkcję wodoru jest zgazowanie w pojedynczym reaktorze, parą
wodną z uŜyciem CaO jako sorbentu CO2.
C+ 2H2O + CaO
2H2 + CaCO3 (5)
Proces zachodzi w temperaturach stosunkowo niskich (650-700oC),
w którym wychodzący surowy gaz syntezowy jest natychmiast
pozbawiany CO2, w obecności CaO w stosunku [Ca]/[C] = 1,2 do 4.
Największą ilość H2 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
15
Zgazowanie hydrotermalne
Inną i nową metodą jest zgazowanie biomasy mokrej w warunkch
około krytycznych wody (Tc=374,15oC, Pc=22,14 MPa. Biomasa
reaguje stosownie do reakcji (6) dla glukozy i reakcji (7) dla
celulozy.
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 +12H2
(6)
C6H10O5 + 7H2O → 6CO2 +12H2
(7)
W procesie zgazowania hydrotermalnego powstają wodór, tlenek
węgla, znaczne ilości metanu i wyŜsze węglowodory.
Proces zgazowania hydrotermalnego moŜna prowadzić dwoma
metodami:
Pierwsza
polega na prowadzeniu procesu w niskich
temperaturach 350–600oC przy zastosowaniu katalizatorów
metalicznych (ZrO2), które zwiększają efektywność reakcji.
Natomiast w drugiej metodzie proces prowadzi się w wyŜszym
zakresie temperatury (500-800oC), przy uŜyciu katalizatorów
niemetalicznych (KOH, KHCO3, K2CO3).
Poleko, Poznań, 22 grudnia 2007
16
Składu surowego gazu syntezowego
zaleŜy od: rodzaju biomasy, temperatury, ciśnienia, czynnika zgazowującego i warunków zgazowania
Zgazowanie drewna parą wodną
w temperaturze 850oC, pod ciśnieniem atmosferycznym i
dla stosunku pary wodnej do biomasy 1,4.
Przy zastosowaniu powietrza zmniejsza
się ilość pozyskanego wodoru na rzecz
oczywiście azotu, który jest głównym
składnikiem powietrza.
40
35
30
Zgazowanie drewna powietrzem
25
pod ciśnieniem 1 bar i w temperaturze 860oC.
[%ob] 20
15
10
70
5
60
0
H2
CO
CO2
CH4
C2H4
50
Skład gazu
40
[%obj]
Jako czynnik zgazowujący stosuje się równieŜ tlen,
który moŜna pozyskać z ogólnie dostępnego 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.
30
Serie1
20
10
0
H2
CO
CO2
CH4
CxHy
N2
Skład gazu
17
Uzdatnianie i oczyszczanie gazu
surowy gaz opuszcza reaktor z substancjami, palnymi, niepalnymi,
uciąŜliwymi i szkodliwymi,
uciąŜliwe: po kondensacji pary smoły i pary substancji mineralnych,
pył (w tym ścierne SiO2 i F2O5),
szkodliwe i korozyjne: związki siarki (H2S, CS2), związki azotu (NH3,
HCN, NOx),
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),
18
Pozytywy gazu ze zgazowania biomasy
(surowy produkt gazowy i gaz syntezowy)
GAZ SUROWY
produkt gazowy uŜyty bezpośrednio do produkcji energii cieplnej,
produkt gazowy uŜyty po oczyszczeniu w silnikach IC i turbinach,
moŜliwość transportu rurociągami,
łatwość kontroli i elastyczność i ciągłość operacji,
czyste spalanie (zanieczyszczenia usunięto wcześniej),
GAZ SYNTEZOWY (H2+CO)
gaz syntezowy moŜe być uŜyty do produkcji związków chemicznych i
paliw motoryzacyjnych,
moŜliwość mieszania paliw syntetycznych z paliwami klasycznymi w
celu optymalnych efektów spalania i ochrony środowiska.
19
Zgazowanie biomasy
w kierunku produkcji energii i paliw
• Wodór
BIOMASA
• FT diesel
wysoko-temperaturowe
zgazowanie (1100 – 1400oC)
• FT benzyna
katalityczne zgazowanie
nisko-temperaturowe
zgazowanie
(800 – 1000oC)
(olefiny)
Surowy gaz
syntezowy
Kraking
CO, H2, CH4, CxHY,
termiczny,
N2, CO2, H2O,
substancje szkodliwe,
Gaz
syntezowy
…
CO, H2
reforming i
separacja
• Metanol
• Etanol i
wyŜsze alkohole
• DME
• SNG
• Elektryczność
• Elektryczność
• Ciepło
• Ciepło
20
BIOMASA
REFORMING
ZGAZOWANIE
parą wodną, tlenem i
autotermiczny
[T, p, czynnik zgazowania]
róŜne syntezy
chemiczne np.
fosgen
surowy gaz syntezowy
H2 , CO, CO2, H2O, CH4
zw. siarki azotu i sadza
amoniak
oczyszczanie
i przygotowywanie gazu
H2
CO
SNG
alkohole
wyŜsze
DME
gaz syntezowy
CO+H2
MTBE
aldehydy
metanol
lekkie
węglowodory
paliwo
produkty
wodorowe i
uwodorowienia
Synteza
Fischer - Tropsch
olej
syntetyczny
benzyna
syntetyczna
inne paliwa
syntetyczne
TAME
parafiny
woski
estry
paliwa
etanol
olefiny
inne produkty
ETBE
TAEE
nawozy
inne
chemikalia
Bez względu na warunki i zakres
zgazowania
biomasy
zawsze
otrzymuje
się
surowy
gaz
syntezowy,
w
którym
podstawowymi substancjami są
wodór, tlenek węgla, dwutlenek
węgla para wodna i 21
w niŜszych
temperaturach metan.
Produkty gazu syntezowego (syngaz)
(prawie wszystkie procesy są katalizowane)
Biomasa → (proces zgazowania) → gazowe produkty
Produkty gazowe (H2, CO, CH4, CO2, H2O, N2, …)
→ (oczyszczanie i reforming ) → gaz syntezowy (H2+CO)
→ metanizacja) → SNG (zastępczy gaz ziemny)
→ (homogeniczna reakcja gazu wodnego) → wodór
Gaz syntezowy → metanol, etanol i cięŜsze alkohole, DME (dwumetyloeter), 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
Wodór
→ benzyna, LBG (propan-butany)
← metanol, etanol, DME, węglowodory
22
Rola gazu syntezowego
1%
8%
4%
amoniak
11%
gaz rafineryjny (H2)
metanol
53%
elektryczność
GTL
inne
Obecny światowy rynek
gazu syntezowego
23%
1%
1%
6%
3%
1%
amoniak
gaz rafineryjny (H2)
39%
metanol
BtL
BtCh
Przewidywany rynek
gazu syntezowego w 2040
GtL
49%
elektryczność
23
Source:Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass
Technology Group, The Netherlands, 2005.
Reaktory do zgazowania (zgazowarki)
Podział reaktorów stosownie do:
Typu procesów i reaktorów: złoŜe
stałe (dolny i górny odbiór), złoŜe
fluidalne, w tym cyrkulacja, złoŜe 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,
- ŜuŜel (stopiony popiół) i popiół
parametry stanu:
- ciśnienie: atmosferyczne,
podwyŜszone,
- 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).
24
25
Przepływ ciepła i reakcje chemiczne
w procesie zgazowania
z dolnym odbiorem surowego gazu
BIOMASA
CIEPŁO
26
Źródło :Handbook of Biomass Gasification (ed. H.A.M. Knoef) Biomass
Technology Group, The Netherlands, 2005.
Wybrane typy reaktorów zgazowania
biomasy
27
Zalety i wady reaktorów zgazowania
Typ reaktora
Ukierunkowania
ZłoŜe stałe
(górny odbiór gazu)
przemyślane cieplnie, zastosowanie
małych jednostek, duŜa wilgotność
biomasy i brak węgla w popiele
rozmiary wsadu ograniczone, duŜa
zawartość smoły, ograniczenie skali,
gaz surowy, moŜliwość stopienia
zastosowanie małych jednostek, małe
cząsteczki wsadu, niska ilość smoły
wymiary wsadu ograniczone,
ograniczenie skali, gaz surowy, czuły
na wilgoć
ZłoŜe stałe
(dolny odbiór gazu)
ZłoŜe fluidalne
zastosowanie duŜych jednostek,
charakterystyczny wsad, bezpośrednie
i pośrednie ogrzewanie, moŜliwa
produkcja syngazu
Cyrkulacyjne
złoŜe fluidalne
zastosowanie duŜych jednostek,
charakterystyczny wsad, bezpośrednie
i pośrednie ogrzewanie, moŜliwa
produkcja syngazu, większa ilość
wsadu
ZłoŜe przepływowe
róŜno-wymiarowy (skalowany), niska
ilość smoły, moŜliwa produkcja
syngazu, większa ilość wsadu
Ograniczenia
średnia ilość smoły, większa ilość
wsadu
średnia ilość smoły,
duŜa ilość gazu nośnego, duŜa ilość
pyłu węglowego, ograniczone
rozmiary cząsteczek
28
ZaleŜność składu gazu (800oC)
od czynnika zgazowującego i reaktora
Reaktor
Politechnika
w Wiedniu
Uniwersytet
Brukselski
Uniwersytet
w Zaragosie
USEPA
IGT
Pośredni
fluidalny
Fluidalny
ZłoŜe stałe
dolny odbiór
ZłoŜe stałe
górny odbiór
Ciśnieniowy
fluidalny
powietrze
powietrze
tlen/para
Typ
Czynnik
para wodna
Mater. nośn. krzemionka
powietrze
krzemionka
-
-
aluminium
wióry z drewna
wióry z drewna
wióry z drewna
wióry z drewna
wióry z drewna
H2
31,5
9-11
16
10
19,12
CO
22,7
15-17
21,5
14,8
11,07
CO2
27,4
18
14,4
12,8
28,88
N2
2,8
róŜnica
44,4
28,9
27,77
CH4
11,2
5-7
3,3
4,9
11,21
C2+
4
3
brak inf.
brak inf.
1,95
Wsad
Skład gazu
29
Wybrane instalacje zgazowania
do produkcji ciepła, elektryczności i paliw; przykłady
Kymiarvi Power Station, (40-70 MWth), Lahti, Finlandia (CFB (fluidalne złoŜe w cyrkulacji)
instalacja zgazowania atmosferycznego połączona ze spalaniem)
Enamora Plant, (750 kWe) Hiszpania (wrzące złoŜe 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 MWe), 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 MWe), USA (pośrednie zgazowanie CFB z
współspalaniem w kotle parowym i w cyklu pary wodnej)
CHP Harboore Plant, (3.4 MWth, 1.4 MWe), Dania, (górno-odbiorowa zgazowarka w złoŜu
stałym w połaczeniu z silnikiem gazowym)
CHP Gussing Plant, (4.5 MWth, 2 MWe), 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
30
Reaktory - złoŜe stałe
Źródło:ECN (Energy research Centre of the Netherlands
31
Reaktory przepływowe
Źródło:ECN
32
Reaktory - złoŜe fluidalne
Źródło:ECN
33
PODSUMOWANIE
Efektywność zgazowania zaleŜy od rodzaju surowca, technologii,
skali produkcji i maksymalnego wykorzystania dostępnych ilości
róŜnych 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 najbliŜszym czasie jeszcze
nie będzie. JednakŜe naleŜy pamiętać, iŜ 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 powyŜszym szuka się nowych metod i źródeł
pozyskiwania wodoru z innych paliw – TAKĄ ALTERNATYWĄ
MOśE BYĆ BIOMASA, głównie pod kątem produkcji lokalnej
dla energetyki rozproszonej.
34
Dziękuję
za uwagę
35
Zastosowanie biopaliw
II-giej generacji
36
Energetyczne zastosowania
produktów pozyskanych ze zgazowania biomasy
Source: Specht M., Why biofuels? – An introduction into the topic, 1st European Summer School
on Renewable Motor Fuels, Brikenfeld, Germany, 29-31 August 2005
Paliwo
Produkty gazowe ze
zgazowania biomasy
Gaz syntezowy
Zastosowania
ciepło, elektryczność, CHP, kotły, ICEs (Inner Combustion
Engines), ogniwa paliwowe, turbiny gazowe, kompresory
i pompy cieplne
jak powyŜej i produkcja paliw II-giej generacji
Paliwa czyste
Wodór
ogniwa paliwowe, przeznaczony dla ICEs i turbin gazowych
SNG
przeznaczony do wszystkich NG pojazdów i turbin gazowych
Synthetic gasoline
do istniejących silników Otto
Synthetic diesel
do istniejacych silników diesla i przeznaczony dla ICEs
EtOH (E100)
przeznaczony dla ICEs i ogniw paliwowych
MeOH (M100)
przeznaczony dla ICEs (Otto and Diesel) i ogniw paliwowych
DME
przeznaczony dla silników diesla
37
MoŜliwe dodatki motoryzacyjne z biomasy
Dodatki do paliw konwencjonalnych
ETBE w benzynie
(< 15 % obj. ETBE)
MTBE w benzynie
(< 15 % obj. MTBE)
Wszystkie
istniejące pojazdy
z silnikami Otto
TAME w benzynie
TBA w benzynie
przeciwdziała separacji
faz
TAEE w dieslu
brak danych
ETBE w dieslu
brak danych
38
MoŜliwość zastosowania paliw
z gazu syntezowego
Mieszanie z paliwami konwencjonalnymi
Paliwa
Zastosowanie
Wodór (<20 obj.%) w gazie ziemnym)
adapted NG ICEs, fuel cells
SNG w gazie ziemnym (0 -100 vol. %)
all NG (natural gas) vehicles
Etanol w benzynie
E5 (5 obj. % EtOH)
all existing gasoline vehicles
E10 (gashol)
used in USA
E22
used in Brazil all gasoline vehicles
E85
ethanol flexible fuel vehicles
E95
dedicated ICEs
Syntetyczna benzyna w tradycyjnej benzynie (0-100 obj.%)
all existing vehicles with Otto engines
Eter ETBE w benzynie
<15 vol. %ETBE
all existing vehicles with Otto engines
Eter MTBE w benzynie
<15%vol. % MTBE
Metanol w benzynie
M3 (3 vol.% MeOH)
existing Otto engines, added TPA
M15
vehicles with modified Otto engines
M85
MeOH flexible fuel vehicles
Metanol w dieslu
Diesohol (<15% vol. of MeOH)
Etanol w dieslu
Diesohol (<15% vol of EtOH)
vehicles with diesel engine, nor or little
engine modification is needed and an
emulsifier is necessary
39
Syntetyczny diesel w konwencjonalnym dieslu (0-100vol. %)
all existing vehicles with diesel engines
Rola składników gazu syntezowego i biogazu w
zasilaniu róŜnego typu ogniw paliwowych
Nisko-temperaturowe ogniwa paliwowe
(FC)
Wysoko-temperaturowe FC
Typ ogniwa
paliwowego
AFC*
PAFC*
PEMFC*
MCFC*
SOFC*
Temperaturae /oC
50-150
180-220
70-150
600-750
600-1050
Składnik gazowy
H2
Paliwo
Paliwo
Paliwo
Paliwo
Paliwo
CO
Trucizna
Trucizna
(<500 ppm)
Trucizna
(<50 ppm)
Paliwo
Paliwo
CH4, CnHm
Trucizna
Gaz obojętny
Gaz obojętny
Gaz obojętny
/Paliwo
Paliwo
CO2
Trucizna
Obojętny gaz
Obojętny gaz
Reagent pośredni
Gaz obojętny
H2S, COS
Trucizna
Trucizna
(<500 ppm)
Brak
informacji
Trucizna (<0,5
ppm)
Trucizna (<1,0
ppm)
NH3
Paliwo
Trucizna
Trucizna
Paliwo
Paliwo
CH3OH
Trucizna
Obojętna ciecz
Paliwo
Paliwo
Paliwo
* Ogniwa paliwowe; AFC- alkaliczne, PAFC- fosforowe, PEMFC –membranowe,
MCFC- węglanowe, SOFC- tlenkowe
40
Układ zgazowania biomasy w połączeniu z
węglanowym ogniwem paliwowym (MCFC)
Source:H. Morita et. al., Journal of Power
Sources 138, 31-40 (2004)
41
Paliwa do ogniw z termochemicznego
przetwórstwa biomasy
42