Transcript Piroliza biomasy

E2BEBIS – ŚRODOWISKOWE I EKONOMICZNE KORZYŚCI
Z UTWORZENIA KLASTRÓW BIOWĘGLOWYCH
NA OBSZARZE EUROPY ŚRODKOWEJ
Otwarte seminarium:
Piroliza biomasy - zrównoważona technologia
wytwarzania biowęgla i energii odnawialnej
06 grudnia 2013, Opole
Termochemiczna konwersja biomasy i bioodpadów
z wykorzystaniem procesów pirolizy i zgazowania
Sławomir Stelmach
Zakres prezentacji
2/32
1
• Wprowadzenie
2
• Informacja nt. pirolizy i zgazowania
3
• Właściwości biomasy i bioodpadów
4
• Koncepcja biorafinerii
5
• Przykłady instalacji pirolizy
6
• Przykłady instalacji zgazowania
7
• Podsumowanie
Obszary działalności IChPW
Energetyka
Zgazowanie
Paliw
Spalanie
a
Koksownictwo
3/32
Piroliza
Termiczna
konwersja
odpadów
Piroliza


proces termochemiczny, polegający na konwersji lub dekompozycji substancji
(paliwa) pod wpływem ogrzewania w atmosferze beztlenowej.
produkty:
•
gaz pirolityczny (CO2, CO, CH4, CnHm, H2, H2S, pył i inne śladowe
zanieczyszczenia),
•
frakcja ciekła, wodno-smołowo-olejowa, w tym węglowodory z grupami
funkcyjnymi zawierającymi tlen, siarkę i/lub azot,
•
karbonizat, zawierający głównie Cfix oraz inne składniki nieorganiczne.
CIEPŁO
• piroliza konwencjonalna
(wolna)
(0.1-1 K/s, 45-550 s)
• piroliza szybka
(10-200 K/s, 0,5-10 s)
ODPAD/BIOMASA
Woda
WODA
FRAKCJA
ORGANICZNA
(z wilgoci +
pirogenetyczna)
SKŁADNIKI
KONDENSUJĄCE
PALIWO CIEKŁE
(bez lub po
oddzieleniu wody)
Gazy
pirolityczne
SKŁADNIKI
NIEKONDENSUJĄCE
GAZ PALNY
KARBONIZAT
FRAKCJA
NIEORGANICZNA
(MINERALNA)
• piroliza błyskawiczna
(>1000 K/s, <0,5 s)
Pozostałość
węglowa
PALIWO STAŁE
Frakcja
mineralna
SORTOWANIE
Frakcja
mineralna
CIEPŁO
4/32
GORĄCY GAZ
PIROLITYCZNY
Zgazowanie

Zgazowanie następuje na skutek reakcji paliwa stałego z czynnikami
utleniającymi (tlen, powietrze, para wodna, dwutlenek węgla) w warunkach
wysokiej temperatury i/lub podwyższonego ciśnienia.

Główny produkt zgazowania - palny gaz (CO, H2, CH4, CO2, zanieczyszczenia
smoliste i pył).
Podstawowy proces zgazowania opisują w uproszczony sposób poniższe
równania chemiczne:
C(paliwo) + O2 = CO2 + ciepło (reakcja egzotermiczna)
C + H2O(para) = CO + H2 (reakcja endotermiczna)
C + CO2 = 2CO (reakcja endotermiczna)
C + 2H2 = CH4 (reakcja egzotermiczna)
CO + H2O = CO2 + H2 (reakcja egzotermiczna)
CO + 3H2 = CH4 + H2O (reakcja egzotermiczna)
5/32
Porównanie procesów
SPALANIE
PODSTAWOWY PRODUKT:
energia
SUROWIEC
SPALINY
POPIÓŁ
Nadmiar
powietrza
1
ZGAZOWANIE
Ogrzewanie bezpośrednie
poprzez częściowe spalanie paliwa
PODSTAWOWY PRODUKT:
gaz średnio/niskokaloryczny
PIROLIZA
Ogrzewanie pośrednie
spalinami ze spalania paliwa - bezprzeponowo
spalinami lub energią elektryczną - przeponowo
PODSTAWOWY PRODUKT:
wysokokaloryczny gaz i karbonizat
6/32
SUROWIEC
GAZ
POPIÓŁ
Niedomiar
powietrza
GAZ
SUROWIEC
OLEJE
KARBONIZAT
Brak powietrza
CIEPŁO
0
WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU POWIETRZA
Ogrzewanie bezpośrednie
poprzez bezpośrednie spalanie paliwa
Wykorzystanie biomasy dla produkcji energii
Zalety:
•
•
•
dostępność (teoretycznie niewyczerpalne źródło
energii)
spalanie biomasy – zerowa wartość emisji CO2
netto
spalanie lub współspalanie biomasy pozwala
obniżyć emisję tlenków siarki, tlenków azotu
i pyłów (niewielkie oddziaływanie środowiskowe)
Wady:
• relatywnie wysoki koszt
• gorsze właściwości energetyczne
w porównaniu do węgla
• możliwe wylesianie (deforestacja)
• problemy z magazynowaniem
i transportem (np. zagniwanie)
7/32
Połaniec power plant
Źródła biomasy
Drewno i jego
pochodne
na przykład drewno drzew iglastych i liściastych,
zdrewniałe łodygi roślin, gałęzie, kora, wióry, zrębki
itp.
Biomasa agrarna
trawy i kwiaty - lucerna, bambus, miskant olbrzymi,
proso rózgowe, itp., słomy - jęczmień, kukurydza,
owies, ryż, żyto, pszenica i inne, inne pozostałości
roślinne - owoce, łupiny nasion, plewy, ziarna,
nasiona, pędy, wytłoki, pasza, odpady spożywcze
i inne
Biomasa z wód
algi, glony
Biomasa zwierzęca
np. odpady z przetwórstwa drobiu, mączka
zwierzęca
Odpady
biodegradowalne
np. osady ściekowe, odpady z przemysłu
papierniczego, opakowania drewniane, podkłady
kolejowe etc.
8/32
Właściwości biomasy
•
•
•
•
•
•
umiarkowana wartość opałowa i zazwyczaj wysoka zawartość wilgoci
około dwukrotnie niższa zawartość węgla i około czterokrotnie wyższa
zawartość tlenu w porównaniu do węgla
niższa zawartość siarki i azotu (mniejsza emisja tlenków siarki i azotu)
wysoka zawartość części lotnych (wysoka reaktywność)
relatywnie wysoka zawartość związków wapnia, potasu i fosforu (fouling and
slagging; auto-desulfurization)
trudna do rozdrabniania/mielenia w porównaniu do węgla (toryfikacja)
Skład chemiczny:
• celuloza (~30-50%),
• hemiceluloza (~20-30%),
• lignina (~20-30%),
• ponadto węglowodany (głównie skrobia), białka, tłuszcze i inne.
9/32
Właściwości biomasy
Rodzaj biomasy
Wierzba energetyczna
Ślazowiec pensylwański
Miskant olbrzymi
Sorgo
Olejowiec gwinejski
Kolby kukurydzy
Słoma rzepakowa
Łuski słonecznika
Wytłoki owocowe
Wytłoki z oliwek
Wytłoki z buraków
cukrowych
Łuski kakaowca
Łuski orzechów
kokosowych
Łupiny nerkowca
Posidonia oceanica
(trawa morska)
Cladophora glomerata*
(zielenice)
Nannochloropsis gaditana
(algi)
*
10/32
wartości dla próbki w stanie analitycznym
Parametr
r
MJ/kg
7,0-19,2
14,5-16,1
11,1-16,1
1,1-10,9
14,9-24,5
6,9-17,0
13,0-15,4
10,0-19,3
1,6-16,4
8,5-17,4
Ad, %
0,3-10,8
2,2-4,5
1,6-5,1
6,6-44,4
1,2-6,5
1,9-21,2
4,0-10,2
2,6-11,2
0,9-4,4
3,2-12,4
Ctd, %
49,0-53,8
47,8-49,9
47,4-49,9
27,2-46,7
48,6-59,1
40,5-49,5
46,0-49,6
50,7-53,8
50,4-54,2
49,1-52,1
9,9-11,9
13,4-15,0
3,7-9,5
44,9
7,6-12,3
14,9-18,4
1,7-10,1
47,3-54,5
9,0-20,5
16,0-16,9
0,5-2,5
53,0-53,9
6,1
21,7
2,8
58,7
8,5
11,4
27,6
37,6
9,1
9,30
36,5
26,8
6,1
16,1
29,5
40,3
Wt , %
4,5-52,9
6,9-13,6
7,7-31,0
12,0-81,6
2,5-17,7
9,1-45,5
10,1-17,3
6,0-41,0
12,2-82,2
5,1-53,8
Qir,
Zielona biorafineria
11/32
Koncepcja biorafinerii zintegrowanej
Źródło: Bridgwater, A. V. 2012. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38: 68-94.
12/32
Piroliza – wpływ parametrów procesowych
• temperatura
• szybkość nagrzewania
• ciśnienie
• rozkład rozmiarów cząstek
• konfiguracja reaktora/
strefa reakcji wtórnych
13/32
Szybka piroliza biomasy
suszenie
ciepło do
suszenia
rozdrabnianie
gaz
c
y
k
k
l
o
n
Reaktor
fluidyzacyjny
bio-olej
karbonizat
ciepło dla
pirolizy
14/32
• łatwy do magazynowania
i transportowania
• może być użyty jako paliwo
lub surowiec chemiczny
• miesza się z węglowodorami
• wartość opałowa - ~17MJ/kg
• zawartość wody - ~15÷30%
• korzystna wydajność i koszty
Chemikalia z bio-oleju pirolitycznego
Bio-olej może być relatywnie łatwo rozdzielony na trzy frakcje: ligninę
pirolityczną (pochodzącą z rozkładu ligniny), węglowodany pirolityczne
(z rozkładu celulozy) i fazę wodną (zawierającą rozpuszczone związki
organiczne, takie jak np. kwas octowy, aceton i in. (głównie z hemicelulozy).
lignina pirolityczna
substytut fenolu uzyskiwanego z węgla w żywicach
fenolowo-formaldehydowych, bitumy (asfalt),
surowiec dla wytwarzania powłok ochronnych,
kompozytów i konserwantów
węglowodany pirolityczne
wysoka zawartość lewoglukozanu, celobiozanu
i innych węglowodanów, surowiec dla produkcji paliw
i chemikaliów, np. bio-etanolu, kwasu lewulinowego,
polioli, etc.
faza wodna -
kwasy organiczne (głównie kwas octowy)
15/32
Reaktory szybkiej pirolizy biomasy
Reaktor fluidyzacyjny
(pęcherzykowy), BFBR
Reaktor fluidyzacyjny
ze złożem cyrkulującym, CFBR
16/32
Reaktory szybkiej pirolizy biomasy
Reaktor z przenośnikiem ślimakowym
Reaktor z wirującym stożkiem
17/32
Reaktory szybkiej pirolizy biomasy
Reaktor próżniowy
Reaktor strumieniowy, EFR
Reaktor ablacyjny
18/32
Przykłady reaktorów szybkiej pirolizy biomasy
BFBR
BFBR
19/32
RCR
BFBR
Koszty
Źródło: Bridgwater, A. V. 2012. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38: 68-94.
20/32
Typy reaktorów zgazowania
Biomasa
Biomasa
Gaz
Gaz
Piroliza
C + CO2 = 2CO
C + H2O = CO + H2
C + O2 = CO2
4H + O2 = 2H2O
Piroliza
C + O2 = CO2
4H + O2 = 2H2O
Zgazowanie
Spalanie
Powietrze
C + CO2 = 2CO
C + H2O = CO + H2
Powietrze
Spalanie
Zgazowanie
Popiół
Popiół
REAKTOR
PRZECIWPRĄDOWY
REAKTOR
WSPÓŁPRĄDOWY
Cyklon
Cyklon
Cyklon
Gaz
Popiół
Biomasa
Popiół
Złoże
fluidalne
Biomasa
Powietrze
Para
Powietrze
Para
Popiół
REAKTOR
FLUIDALNY
21/32
REAKTOR Z CYRKULĄCYM
ZŁOŻEM FLUIDALNYM
Charakterystyka reaktorów zgazowania biomasy
Parametr
Paliwo (biomasa)
- zawartość wilgoci (%)
- zawartość popiołu (%, daf)
- rozmiar cząstek (mm)
-
Gaz
temperatura (oC)
wartość opałowa (kJ/mn3)
zawartość smół (g/mn3)
pył (g/ mn3)
skład gazu (% v/v)
H2
CO
CO2
CH4
skala technologii (MWth)
elastyczność powiększania skali
22/32
Reaktory
współprądowe
Reaktory
przeciwprądowe
Reaktory
ze złożem fluidalnym
< 25
<6
20-100
< 60
<25
5-100
< 25
<25
<20
800
4-6
0,01-5
0,1-8
200-400
4-6
1-150
0,1-3
850
5-6,5
2-30
8-100
15-21
10-22
11-13
1-5
10-14
15-20
8-10
2-3
15-22
13-15
13-15
2-4
1
10
100
słaba
dobra
bardzo dobra
Zgazowanie biomasy i odpadów - problemy
Paliwo
 Konieczność zapewnienia ciągłego dozowania surowca. Biomasa/odpady
charakteryzują się zmiennym składem i właściwościami energetycznymi
(problem transportu).
 Zazwyczaj wymagane jest wstępne przygotowanie paliwa (rozdrabnianie,
suszenie, kompaktowanie).
Zanieczyszczenie
Reaktor
„downdraft”
Reaktor
”updraft”
(współprądowy)
(przeciwprądowy)
4 -6
Smoły,
g/m3n
Metale alkaliczne
korozja
wysokotempe-raturowa
Pył,
g/m3n
Chlor, siarka
korozja, emisja
do atmosfery
Metale
alkaliczne,
ppm
Pył
Gaz
Efekt
Smoła
23/32
erozja, emisja
do atmosfery
Parametr
depozycja na
wewnętrznych
elementach
instalacji,
zatykanie
filtrów
Wartość
opałowa,
MJ/m3n
Wymagania
Silnik
Turbina
4 -6
>4,0
>4,0
0,01-5
1-150
0,100
(0,050)
< 0,005
0,1-8
0,1-3
0,050
(0,005)
< 0,001
bd
bd
1-2
0,2-1
Przykłady technologii zgazowania biomasy
Zabrze – Polska
Podstawowa charakterystyka:
BUCKET FEEDER
STACK
FUEL
• zrębki drzewne – 0,5 Mg/dobę
AIR
COMBUSTION
CHAMBER
INDIRECT
FUEL
TANK
GAS
EXHAUST
COOLING
SYSTEM
ENGINE
GASIFIER
ENGINE
COOLING
SYSTEM
AIR
ASH
G
• H2 – 7,5%
• CH4 – 2%
• CO2 – 9,5%
AIR
FAN
• główne składniki gazu:
• CO – 25%
FLUE GAS
GAS
CLEANING
SYSTEM
FEEDER
24/32
FLUE GAS
• wartość opałowa gazu – 4,5 MJ/m3n
Przykłady technologii zgazowania biomasy
Warszawa (IEn) - Polska
POWIETRZE
PALIWO
ZASUWA I
CHŁODNICA
GAZU
ZBIORNIK
PALIWA I
KOMORA
SPALANIA
GAZ
ZASUWA II
ELEKTRYCZNY
PODGRZEWACZ
POWIETRZA
ZBIORNIK
PALIWA II
PARA WODNA
Gazogenerator IEn150
WYTWORNICA
PARY
WODA
DOZOWNIK
POZIOMY
DOZOWNIK
PIONOWY
25/32
SPALINY
Przykłady technologii zgazowania biomasy
Louka – Republika Czeska
Podstawowa charakterystyka:
• zrębki drzewne – 5 Mg/dobę
• główne składniki gazu:
• CO – 20%
• H2 – 16%
• CH4 – 1%
• CO2 – 10%
• wartość opałowa gazu – 5,2 MJ/m3n
26/32
Przykłady technologii zgazowania biomasy
Paruszowice – Polska
Typ: generator gazu ze złożem
stałym (GazEla)
Skala: demonstracyjna
(moc w paliwie: 1,5 MWt)
Status: udany rozruch wstępny
(IV kw. 2013 r.)
Parametry pracy (projektowe):
• strumień gazu:
• wartość opałowa gazu:
4,5 - 5 MJ/Nm3
• sprawność zgazowania:
27/32
1 300 kg/h
60 ÷ 65%
Przykłady technologii zgazowania biomasy
Güssing - Austria
Podstawowa charakterystyka:
• zrębki drzewne – 50 Mg/dobę
• sprawność całkowita – 81%
• główne składniki gazu:
• CO – 26%
• H2 – 40%
• CH4 – 10%
• CO2 – 19%
• wartość opałowa gazu – 12 MJ/m3n
28/32
Przykłady technologii zgazowania biomasy
Skive - Dania
Podstawowa charakterystyka:
• pelety drzewne – 110 Mg/dobę
• sprawność całkowita – 87%
• główne składniki gazu:
• CO – 22%
• H2 – 20%
• CH4 – 5%
• CO2 – 10%
• N2 – 42%
• wartość opałowa gazu – 5,5 MJ/m3n
J. Patel, http://www.forestprod.org/smallwood04patel.pdf
29/32
Oznaczenia biodegradowalności paliw
metodą selektywnego rozpuszczania
Udział frakcji
biodegradowalnej, Xbdaf [%]
30/32
Słoma
98,8
Nasiona traw
97,0
Węgiel drzewny
2,0-51,0
Biowęgiel z wierzby
energetycznej
53,4
Biowęgiel z łuski olejowca
74,9
Biowęgiel z drewna iglastego
57,8
Toryfikat z łuski palmy
olejowej (PKS)
97,3
Toryfikat z wytłoków z oliwek
82,2
Podsumowanie
• Jest niemal pewne, że biomasa będzie coraz ważniejszym surowcem dla
wytwarzania paliw i użytecznych substancji chemicznych.
• Piroliza i zgazowanie biomasy są atrakcyjnymi (mimo swoich wad), lecz
wciąż niedocenianymi alternatywami dla jej spalania.
• Biopaliwa
i
substancje
biochemiczne
otrzymywane
z
biomasy
z wykorzystaniem przedstawionych metod konwersji są bardzo ważnym
obszarem badań, nie tylko z naukowego, ale również ekonomicznego
i politycznego punktu widzenia.
• Właściwe zaprojektowanie i prawidłowe operowanie instalacjami pirolizy lub
zgazowania biomasy nie powinno powodować negatywnego oddziaływania
na środowisko naturalne.
31/32
Przedstawione w prezentacji wyniki zostały uzyskane w badaniach współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań
i Rozwoju w ramach umowy SP/E/4/65786/10 – Strategiczny Program Badawczy – Zaawansowane technologie pozyskania
energii: Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych.
DZIĘKUJĘ BARDZO ZA UWAGĘ
INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA
ul. Zamkowa 1; 41-803 Zabrze
Telefon: 32 271 00 41
Fax:
32 271 08 09
32/32
E-mail:
[email protected]
Internet: www.ichpw.zabrze.pl
NIP:
648-000-87-65
Regon: 000025945