Piroliza biomasy
Transcript of Piroliza biomasy
Termochemiczna konwersja biomasy i bioodpadów z wykorzystaniem procesów
pirolizy i zgazowania Sławomir Stelmach
E2BEBIS – ŚRODOWISKOWE I EKONOMICZNE KORZYŚCI Z UTWORZENIA KLASTRÓW
BIOWĘGLOWYCHNA OBSZARZE EUROPY ŚRODKOWEJ
Otwarte seminarium:
Piroliza biomasy - zrównoważona technologiawytwarzania biowęgla i energii odnawialnej
06 grudnia 2013, Opole
Zakres prezentacji
2/32
1 • Wprowadzenie• Informacja nt. pirolizy i zgazowania• Właściwości biomasy i bioodpadów
• Przykłady instalacji pirolizy• Przykłady instalacji zgazowania• Podsumowanie
2
3
5
6
7
• Koncepcja biorafinerii4
Obszary działalności IChPW
3/32
Paliwa
Koksownictwo Termicznakonwersja odpadów
Energetyka
Piroliza
Zgazowanie
Spalanie
Piroliza
4/32
WODA
FRAKCJAORGANICZNA
FRAKCJANIEORGANICZNA
(MINERALNA)
ODPAD/BIOMASA
CIEPŁO
CIEPŁO
Woda(z wilgoci +
pirogenetyczna)
Gazypirolityczne
Pozostałośćwęglowa
Frakcjamineralna
SKŁADNIKIKONDENSUJĄCE
SKŁADNIKINIEKONDENSUJĄCE
GORĄCY GAZPIROLITYCZNY
KARBONIZAT
PALIWO CIEKŁE(bez lub po
oddzieleniu wody)
GAZ PALNY
PALIWO STAŁE
SORTOWANIE
Frakcjamineralna
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.
• piroliza konwencjonalna (wolna)(0.1-1 K/s, 45-550 s)
• piroliza szybka (10-200 K/s, 0,5-10 s)
• piroliza błyskawiczna(>1000 K/s, <0,5 s)
Zgazowanie
5/32
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)
Porównanie procesów
6/32
SUROWIEC
SUROWIEC
SUROWIEC
Nadmiarpowietrza
Niedomiarpowietrza
Brak powietrza
CIEPŁO
SPALINY
POPIÓŁ
POPIÓŁ
OLEJEKARBONIZAT
GAZ
GAZ
PODSTAWOWY PRODUKT:wysokokaloryczny gaz i karbonizat
SPALANIEOgrzewanie bezpośredniepoprzez bezpośrednie spalanie paliwa
ZGAZOWANIE
PIROLIZA
Ogrzewanie bezpośredniepoprzez częściowe spalanie paliwa
Ogrzewanie pośredniespalinami ze spalania paliwa - bezprzeponowospalinami lub energią elektryczną - przeponowo
PODSTAWOWY PRODUKT:energia
PODSTAWOWY PRODUKT:gaz średnio/niskokaloryczny
1
0
WS
PÓ
ŁCZY
NN
IK N
AD
MIA
RU
PO
WIE
TRZA
Wykorzystanie biomasy dla produkcji energii
7/32
Połaniec power plant
• 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)
Zalety:
Wady:• relatywnie wysoki koszt• gorsze właściwości
energetyczne w porównaniu do węgla
• możliwe wylesianie (deforestacja)
• problemy z magazynowaniem i transportem (np. zagniwanie)
Źródła biomasy
8/32
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.
Właściwości biomasy
9/32
• 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.
Właściwości biomasy
10/32
Rodzaj biomasy Parametr
Wtr, % Qi
r, MJ/kg Ad, % Ctd, %
Wierzba energetyczna 4,5-52,9 7,0-19,2 0,3-10,8 49,0-53,8 Ślazowiec pensylwański 6,9-13,6 14,5-16,1 2,2-4,5 47,8-49,9
Miskant olbrzymi 7,7-31,0 11,1-16,1 1,6-5,1 47,4-49,9 Sorgo 12,0-81,6 1,1-10,9 6,6-44,4 27,2-46,7
Olejowiec gwinejski 2,5-17,7 14,9-24,5 1,2-6,5 48,6-59,1 Kolby kukurydzy 9,1-45,5 6,9-17,0 1,9-21,2 40,5-49,5 Słoma rzepakowa 10,1-17,3 13,0-15,4 4,0-10,2 46,0-49,6 Łuski słonecznika 6,0-41,0 10,0-19,3 2,6-11,2 50,7-53,8 Wytłoki owocowe 12,2-82,2 1,6-16,4 0,9-4,4 50,4-54,2 Wytłoki z oliwek 5,1-53,8 8,5-17,4 3,2-12,4 49,1-52,1
Wytłoki z buraków cukrowych 9,9-11,9 13,4-15,0 3,7-9,5 44,9
Łuski kakaowca 7,6-12,3 14,9-18,4 1,7-10,1 47,3-54,5 Łuski orzechów
kokosowych 9,0-20,5 16,0-16,9 0,5-2,5 53,0-53,9
Łupiny nerkowca 6,1 21,7 2,8 58,7 Posidonia oceanica
(trawa morska) 8,5 11,4 27,6 37,6
Cladophora glomerata*
(zielenice) 9,1 9,30 36,5 26,8
Nannochloropsis gaditana (algi) 6,1 16,1 29,5 40,3
* wartości dla próbki w stanie analitycznym
Zielona biorafineria
11/32
Koncepcja biorafinerii zintegrowanej
12/32Źródło: Bridgwater, A. V. 2012. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38: 68-94.
Piroliza – wpływ parametrów procesowych
13/32
• temperatura
• szybkość nagrzewania
• ciśnienie
• rozkład rozmiarów cząstek
• konfiguracja reaktora/ strefa reakcji wtórnych
Szybka piroliza biomasy
14/32
suszenie
rozdrabnianie
Reaktor fluidyzacyjny
cykklon
ciepło dla pirolizy
karbonizatbio-olej
ciepło do suszenia gaz
• 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
lignina - substytut fenolu uzyskiwanego z węgla w żywicach pirolityczna fenolowo-formaldehydowych, bitumy (asfalt), surowiec dla wytwarzania powłok ochronnych, kompozytów i konserwantów
węglowodany - wysoka zawartość lewoglukozanu, celobiozanu pirolityczne i innych węglowodanów, surowiec dla produkcji paliw i chemikaliów, np. bio-etanolu, kwasu lewulinowego, polioli, etc.
faza wodna - kwasy organiczne (głównie kwas octowy)
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).
15/32
Reaktory szybkiej pirolizy biomasy
Reaktor fluidyzacyjny(pęcherzykowy), BFBR
Reaktor fluidyzacyjnyze złożem cyrkulującym, CFBR
16/32
Reaktory szybkiej pirolizy biomasy
Reaktor z wirującym stożkiem
17/32
Reaktor z przenośnikiem ślimakowym
Reaktory szybkiej pirolizy biomasy
Reaktor próżniowy
Reaktor ablacyjny
18/32
Reaktor strumieniowy, EFR
Przykłady reaktorów szybkiej pirolizy biomasy
19/32
BFBR RCR
BFBR BFBR
Koszty
20/32Źródło: Bridgwater, A. V. 2012. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38: 68-94.
Typy reaktorów zgazowania
21/32
Piroliza
Zgazowanie
Spalanie
PopiółPowietrze
Gaz
C + CO2 = 2COC + H2O = CO + H2
C + O2 = CO24H + O2 = 2H2O
Piroliza
Spalanie
ZgazowaniePopiół
C + O2 = CO24H + O2 = 2H2O
C + CO2 = 2COC + H2O = CO + H2
Biomasa Biomasa
Gaz
Powietrze
Biomasa
PowietrzePara
Gaz
Popiół
Złożefluidalne
Cyklon
CyklonCyklon
Popiół
Biomasa
PowietrzePara
Popiół
REAKTORPRZECIWPRĄDOWY
REAKTORWSPÓŁPRĄDOWY
REAKTORFLUIDALNY
REAKTOR Z CYRKULĄCYMZŁOŻEM FLUIDALNYM
Charakterystyka reaktorów zgazowania biomasy
22/32
Parametr Reaktory współprądowe
Reaktory przeciwprądowe
Reaktoryze złożem fluidalnym
Paliwo (biomasa) - zawartość wilgoci (%)- zawartość popiołu (%, daf)- rozmiar cząstek (mm)
< 25<6
20-100
< 60<25
5-100
< 25<25<20
Gaz-temperatura (oC)-wartość opałowa (kJ/mn
3)-zawartość smół (g/mn
3)-pył (g/ mn
3)-skład gazu (% v/v)H2COCO2CH4
8004-6
0,01-50,1-8
15-2110-2211-13
1-5
200-4004-6
1-1500,1-3
10-1415-208-102-3
8505-6,52-30
8-100
15-2213-1513-15
2-4
skala technologii (MWth) 1 10 100
elastyczność powiększania skali słaba dobra bardzo dobra
Zgazowanie biomasy i odpadów - problemy
Zanieczyszczenie Efekt
Pył erozja, emisja do atmosfery
Smoła
depozycja na wewnętrznych elementach instalacji, zatykanie filtrów
Metale alkaliczne korozja wysokotempe--raturowa
Chlor, siarka korozja, emisja do atmosfery
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).
ParametrReaktor
„downdraft”(współprądowy)
Reaktor ”updraft”
(przeciwprądowy)
Wymagania
Silnik Turbina
Wartość opałowa, MJ/m3
n
4 -6 4 -6 >4,0 >4,0
Smoły, g/m3
n0,01-5 1-150 0,100
(0,050) < 0,005
Pył,g/m3
n0,1-8 0,1-3 0,050
(0,005) < 0,001
Metale alkaliczne, ppm
bd bd 1-2 0,2-1
Gaz
Paliw
o
23/32
Przykłady technologii zgazowania biomasyZabrze – Polska
FUEL
GA
S
FEEDER
INDIRECTFUELTANK
BUCKET FEEDER
FAN
GASIFIER
COMBUSTIONCHAMBER
FLUE GAS
STACK
GASCLEANINGSYSTEM
ENGINE
ENGINECOOLINGSYSTEM
FLUE GAS
G
AIR
AIR
AIR
EXHAUSTCOOLINGSYSTEM
ASH
Podstawowa charakterystyka:• zrębki drzewne – 0,5 Mg/dobę• główne składniki gazu:
• CO – 25%• H2 – 7,5%• CH4 – 2%• CO2 – 9,5%
• wartość opałowa gazu – 4,5 MJ/m3
n
24/32
Gazogenerator IEn150
Przykłady technologii zgazowania biomasyWarszawa (IEn) - Polska
PALIWO
DOZOWNIKPOZIOMY
ZBIORNIKPALIWA II
ZBIORNIKPALIWA I
ZASUWA IZASUWA I
ZASUWA II
DOZOWNIKPIONOWY
GAZ
POWIETRZE
PARA WODNA WYTWORNICAPARY
WODA
CHŁODNICAGAZU
ELEKTRYCZNYPODGRZEWACZ
POWIETRZA
KOMORASPALANIA
SPALINY
25/32
Przykłady technologii zgazowania biomasyLouka – 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/m3
n26/32
Przykłady technologii zgazowania biomasyParuszowice – 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: 1 300 kg/h• wartość opałowa gazu: 4,5 - 5 MJ/Nm3
• sprawność zgazowania: 60 ÷ 65%27/32
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
Przykłady technologii zgazowania biomasyGüssing - Austria
28/32
Przykłady technologii zgazowania biomasySkive - Dania
J. Patel, http://www.forestprod.org/smallwood04patel.pdf
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/m3
n
29/32
Oznaczenia biodegradowalności paliwmetodą selektywnego rozpuszczania
30/32
Udział frakcji biodegradowalnej, Xb
daf [%]
Słoma 98,8Nasiona traw 97,0
Węgiel drzewny 2,0-51,0Biowęgiel z wierzby
energetycznej 53,4
Biowęgiel z łuski olejowca 74,9Biowęgiel 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
32/32
INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLAul. Zamkowa 1; 41-803 Zabrze
Telefon: 32 271 00 41Fax: 32 271 08 09
NIP: 648-000-87-65Regon: 000025945
E-mail: [email protected]: www.ichpw.zabrze.pl
DZIĘKUJĘ BARDZO ZA UWAGĘ
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.