Transcript Gazeificarea termo-chimica a biomasei

1
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
GAZEIFICAREA TERMO-CHIMICĂ A
TULPINILOR DE PORUMB
Erol MURAD1, Elisabeta PĂSCULETE2, Cristian SIMA3 ,
Georgeta HARAGA4
1, 4
2
3
- U.P.B.
- S.C. OVM - ICCPET S.A.
- S.C. Marvior Expert
BIPOR 2010
2
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
CUPRINS
1. Prezentare generală
1.1 Caracteristici fizico-chimice
1.2 Modalităţi de compactare
2. Procedee de gazeificare
2.1 Aspecte generale
2.2 Tipuri de gazogene
3. Instalaţii de gazeificare
4. Aspecte economice
5. Concluzii
BIPOR 2010
3
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
1. Prezentare generală
1.1 Caracteristici fizico-chimice
Tulpinile şi ciocălăii de porumb reprezintă partea vegetală a
plantei de porumb care din punct de vedere energetic are următoarele
caracteristici, pentru masa uscată (mus):
Formula chimică compactă: CH1.25O0.61
Compoziţie: volatile - 75,2% ; carbon fixat - 19,3% ; cenuşă – 5,5%
Putin Sulf - 0,02%, dar relativ mai mult Clor - 0,6%
Putere calorifică superioară (PCS) : 17,7 MJ/kg.mus
Putere calorifică inferioară (PCI)
: 16,5 MJ/kg.mus
Debit aer ardere stiochiometrică
: 5,5 kg.aer/kg.mus
BIPOR 2010
4
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
1.2 Modalităţi de compactare
Pentru utilizare energetică tulpinile se prelucrează mecanic prin:
a. Tocare la < 50mm; umiditate < 20%
PCI ≈ 13,2 MJ/kg ; densitate în strat – 150..200 kg/mc
b. Brichetare cu densitatea ≈ 850 kg/mc; umiditate < 8%;
PCI ≈ 15,2 MJ/kg ; densitate în strat – 600..700 kg/mc
c.
Peletizare cu densitatea ≈ 1100 kg/mc; umiditate <6%
PCI ≈ 15,5 MJ/kg ; densitate în strat – 800..900 kg/mc
BIPOR 2010
5
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Diferite modalităţi de compactare
BIPOR 2010
6
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
2. Procedee de gazeificare
2.1 Aspecte generale
Principalele procese de conversie a biomasei
BIPOR 2010
7
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Conversia în energie termică a biomasei se face prin parcurgerea
urmatoarelor etape:
- USCAREA – biomasa se încălzeşte la 100 C şi treptat se evaporă
toată apa liberă;
- PIROLIZA – biomasa încălzită peste 250 C degajă volatilele sub
forma
de vapori de hidrocarburi cu molecula lungă denumite
gudroane;
- GAZEIFICAREA – conversia volatilelor şi a carbonului fixat în gaz
combustibil;
- COMBUSTIA – arderea gazului rezultat cu producerea de CO2 şi
H 2O
BIPOR 2010
8
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Procesele de piroliză, gazeificare şi combustie sunt vizibile în arderea
unui băţ de chibrit.
BIPOR 2010
9
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Dacă printr-un strat de combustibil trece suficient aer,
stoichiometric, pentru ca acesta să ardă cu flacară, ca băţul de
chibrit, se produce în final CO2 si H2O.
CH1.25O0.61 + 1.015·(O2+3.76N2) → CO2 + 0.625 H2O
Dacă, printr-un strat de biomasă care arde, trece un debit
insuficient de aer, substoichiometric, avem un proces numit
piroliza cu oxidare parţială (flaming pyrolisis), din care rezultă
CO şi H2, proces ce stă la baza gazeificarii biomasei.
CH1.25O0.61 + Aer → carbune, CO, CO2 ,H2, H2O
ponderea componentelor depinde de raportul aer/biomasă,
denumit curent: exces de aer (λ)
BIPOR 2010
10
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Schema procesului de piroliză cu oxidare parţială
BIPOR 2010
11
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Diagrama gazeificării biomasei în funcţie de excesul de aer
BIPOR 2010
12
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Procesul de gazeificare pentru tulpini de porumb cu diferite umidităţi
BIPOR 2010
13
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
2.2 Tipuri de gazogene
a. Contracurent (up-draft); b. Echicurent (down-draft)
BIPOR 2010
14
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Gazogen downdraft stratificat cu
front de piroliză controlat (U.P.B.)
Gazogen downdraft stratificat tip
NOTAR de la XYLOWATT - Belgia
BIPOR 2010
15
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
biomasa
aer
ardere
Camera
de ardere
aer
gazeificare
Schema procedeului de
gazeificare cross-draft
reducere
gazgen
Schema gazogen cross-draft
cu arzător integrat (HERBST)
BIPOR 2010
16
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Recent s-a conceput un nou tip de gazogen – downdraft inversat,
denumit TLUD (TOP-Lit-Up-Draft)
Modul energetic TLUD pentru
producerea de gazgen
4…40 kWth
Modul energetic TLUD cu arzator
integrat pentru energie termică
1…20 kWth
BIPOR 2010
17
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
3. Instalaţii de gazeificare
Instalaţiile de termice cu gazeificare sunt
formate din:
- Buncăr biomasă
- Gazogen
- Filtru
- Răcitor
- Aplicatii termice: arzătoare de gazgen
- Generator electric acţionat cu:
- motor cu ardere internă: m.a.s, m.a.c;
- motor Stirlling;
- motor cu abur: cu piston, turbină impuls.
Schema bloc generală a unei
instalaţii energetice cu gazogen
BIPOR 2010
18
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Instalaţie de gazeificare downdraft open-top cu sistem complex
de separare cenuşă şi arzător cu gazgen sub presiune
BIPOR 2010
19
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Instalaţie pilot de gazeificare, downdraft stratificat, destinată
încălzirii serelor (U.P.B.)
BIPOR 2010
20
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Gazogen de tip cross-draft HERBST – Gasmiser (Irlanda)
Parametrii
G-30
G-60
G-100
G-200
Putere termica ( kW)
30
60
100
200
Randament (%)
90
90
90
90
Consum (kg/h)
10,5
21
34
65
Buncar (mc)
0,37
0,5
0,75
1,35
Timp pornire (h)
0,5
0,5
0,5
0,5
Lungime (m)
1300
1400
1500
1500
Latime (m)
700
800
800
1300
Inaltime cu buncar (m)
2350
2500
2600
2700
Masa (kg)
290
380
400
700
BIPOR 2010
21
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Instalaţie de aer cald cu gazogen cross-draft
HERBST – Gasmiser (Irlanda)
BIPOR 2010
22
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
MJ Biomass Gas Stove (TLUD)
TLUD produs de PHILIPS cu ventilator
alimentat de la o baterie de termoelemente
BIPOR 2010
23
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
BIPOR 2010
24
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
BIPOR 2010
25
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
BIPOR 2010
26
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
The Dual Reactor Rice Husk Gasifiers with
Gas-Pipe Burner ( Dia =250mm )
BIPOR 2010
27
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Arzătoare alimentate de un
modul energetic TLUD
Modul energetic TLUD ( D =400 mm)
BIPOR 2010
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Randament producere energie electrică: 23%
Randament producere energie termică : 45%
Randament total CHP: 68%
BIPOR 2010
28
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
High Efficiency Modular Biomass Gasification Systems
Thompson Spaven (Anglia)
BIPOR 2010
29
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
High Efficiency Modular Biomass Gasification Systems
Thompson Spaven (Anglia)
BIPOR 2010
30
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
31
O altă variantă de producere a energiei electrice şi termice din
biomasă este cea clasică: gazogen+cazan abur+motor cu abur;
realizată la nivelul tehnologic actual.
Uniconfort Vertically Integrated
Direct Gasifier (USA)
Generator electric cu motor cu
abur SPILLING (Germania)
BIPOR 2010
32
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
4. Aspecte economice
Se pot lua în considerare două variante privind costul de producţie:
A.- Costul tulpinilor recoltate este inclus în preţul porumbului boabe;
B.- Costul tulpinilor este 50% din preţul porumbului boabe ≈ 50 €/t
- Strânsul şi transportul tulpinilor de porumb la sediul fermei ≈ 20 €/t
- Depozitarea şi uscarea implică 20 €/t.
- Măcinarea şi compactarea consumă 20MJ/t şi costă 15 €/t
Rezultă că pentru o tonă de brichete costurile de producţie în varianta
A ar fi de circa 45…50 €/t, iar în varianta B de 90..100 €/t.
BIPOR 2010
33
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Energia disponibilă pentru o tonă este de 16,5 GJ/t sau 4,6 MWhth.
Rezultă un cost specifc de producţie de ≈ 6 €/GJ, comparabil cu alte
surse de energie.
Pe piaţa combustibililor din biomasă compactată preţul mediu este de
120 €/t, ceea ce poate asigura un profit brut de 20….40 €/t
Un ha de porumb energetic poate produce în medie 8…10 t tulpini,
deci ar produce un profit brut de ≈ 300 €/ha.
Considerând un randament minim de producere a energiei electrice
de 20% un ha poate asigura producţia a 1MWhe.
BIPOR 2010
34
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
În prezent estimările economice indică ca preţul pentru un kWhe
produs din biomasă este: 8…10 eurocent/kWh.
Studiile europene au arătat că:
BIPOR 2010
35
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
Producerea de energie din biomasă la scală medie şi mare este
comparabilă ca preţ cu variantele clasice, dar poate devenii rentabilă
dacă se vor da certificatele verzi conform cu:
Legea nr. 220/2008 pentru stabilirea sistemului de promovare a
producerii energiei din surse regenerabile.
Pentru perioada 2008-2014, s-a prevăzut că domeniul de variaţie va
fi cuprins între un minim de 27 de euro/certificat şi un maxim de 55 de
euro/certificat.
Se pot da 3 certificate verzi pentru fiecare 1 MWh livrat în reţeaua de
energie electrică de producătorii de energie electrică din biomasă,
biogaz, biolichid, gaz de fermentare a deşeurilor, energie geotermală
şi gazele combustibile asociate;
Pentru 40 €/certificat se poate obţine 120 €/ha.an din care 50% se
pot întoarce la producătorul agricol, profitul brut total fiind de minim 80
€/ha.an
BIPOR 2010
36
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
5. CONCLUZII
a. Cultura de porumb energetic este rentabilă în actualele condiţii
economice. Se produce atât porumb boabe care se poate arde în
instalaţii mici şi mijlocii 10..200 kWth, cât şi tulpinile şi ciocălai care se
pot compacta şi se pot utiliza pentru ardere sau gazeificare în instalaţii
termice de la 5 kW la 10MW
b. Pentru ferme agricole mijlocii şi mari cultura de porumb energetic
poate asigura un nivel ridicat de independenta energetica si de profit
c. Se pot cumpăra, monta şi pune în funcţiune instalaţii energetice
care utilizează biomasa de porumb energetic la costuri medii de 200
€/kW termic şi 1200 €/kW electric .
BIPOR 2010
37
Camera de Comerţ şi Industrie Rm. Vâlcea 1-2 iulie 2010
d. Gazeificarea biomasei, în general, are următoarele avantaje:
1. Transformarea biomasei într-un gaz combustibil utilizabil pentru:
- generatoare electrice acţionare cu m.a.i. sau Stirling;
- ardere in instalaţii termice: uscătoare, ceramică, metalurgie etc.;
- instalaţii de cogenerare.
2. Energia se produce atunci când este necesară şi este uşor de
reglat puterea termică;
3. Gazgen-ul produs are o concentraţie foarte mică de particule
solide <40 ppm, ceea ce corespunde normelor ecologice şi reduce
foarte mult colmatarea şi preţul instalaţiilor.
e. Este posibil şi de dorit să se dezvolte o producţie naţională de
instalaţii de puteri mici şi mijlocii pentru arderea şi gazeificarea
porumbului energetic, precum şi altor tipuri de biomasă disponibilă
local.
BIPOR 2010