Dr. sc. ing. Vladimirs Kirsanovs - zrea.lv Biomasas Gazifikacija_VK_26092018.pdf · skruberi). 32....

Biomasas gazifikācija

Dr. sc. ing.Vladimirs Kirsanovs

1

ES “Horizon2020” programmas finansēts projekts

“Centralizētās siltumapgādes sistēmu darbības uzlabošana

Centrāleiropā un Austrumeiropā” (KeepWarm),

Granta Līgums Nr. 784966

II. 2.3. Kapacitātes stiprināšana par AER izmantošanu,

atkritumiem un siltuma, kā blakusprodukta izmantošanu.

• jābalstās uz inovatīvu un ilgtspējīgu tehnoloģiju izmantošanu;

• jābūt ekonomiski, sociāli, tautsaimnieciski un ekoloģiski pamatotai

Biomasas pārveidošanas tehnoloģijas izvēle

2


• Biomasas gazifikācija ir termoķīmisks process, kura rezultāta cieta biomasa tiek pārveidotā degošā gāzē, kura bieži tiek saukta par singāzi.

• Biomasas sadalīšana notiek ar nelielu skābekļa klātbūtni un paaugstinātas temperatūras apstākļos, kura var svārstīties no 700 līdz 1000 °C.

• Gazifikācijas rezultātā iegūta gāze tipiski sastāv no CO, H2, CH4, CO2, N2 un H2O.

• Veidojas arī blakus produkti – darva un bioogle.

3


• Balstoties uz siltuma un masas apmaiņas procesiem gazifikācijas procesu tipiski var sadalīt četrās stadijās:

• žāvēšanas,

• pirolīzes,

• oksidēšanas,

• reducēšanas.

4

Masas un enerģijas bilance

Masas bilance Enerģijas bilance

5

Blakusprodukti - darva

• Darva ir sarežģīts organisko savienojumu maisījums, jo saturgan vieglus savienojumus, kā fenols un benzols, gan arīsmagus negaistošus polihromatiskus savienojumus.

• Rada negatīvu ietekmi uz gazifikatora darbību, aizsprostojotcaurules.

6

Darvas veidi

Avots: Milne, T., Evans, R. & Abatzoglou,

N., 1998. Biomass gasifier tars: their

nature, formation and conversion. Golden,

Colorado: National Renewable Energy

Laboratory

• Darvu var iedalīt četras grupās:• primāra darva;

• sekundāra darva;

• alkilēta terciāra darva;

• kondensēta terciāra darva.

Darvas daudzums

• Darvas daudzums, kas tiek saražots gazifikācijasprocesa rezultātā, būtiski svārstās atkarība no

• izmantota gazifikatora tipa;

• gazifikācijas temperatūra;

• gaisa patēriņa koeficienta vai tvaika/kurināma attiecības;

• gaisa padošanas sistēmas;

• kurināmā mitruma;

• kurināmā izmērs, ķīmiskais sastāvs un t.t.

Blakusprodukti - bioogle

• Bioogle ir kurināmais, kas netika pilnīgi sadalīts gazifikācijasprocesa rezultātā un tiek izvadīts no gazifikatora cietā veidā.

• Bioogles sastāvu raksturo trīs ķīmiskie elementi – ogleklis,ūdeņradis un skābeklis.

• Augsta oglekļa īpatsvars → augsts sadegšanas siltums (virs 30MJ/kg).

• Iegūtas bioogles var izmantot tālāk enerģijas iegūšanai.

Bioogles daudzums

• Galvenās bioogles sadalīšanas reakcijas:

C + O2 → CO + CO2

C + CO2 → CO

C + H2O → CH4 + CO

C + H2 → CH4

• Galvenie faktoriem kas nosāka saražoto bioogles daudzumu ir temperatūra, gaisa patēriņa koeficients, kurināma mitrums un t.t.

Darva un bioogles daudzuma prognozēšana

fgtar WAFTw −+−= 024.0248.0)203.0411.6( 2

ffgchar AWAFTwf

+++−= 487.0193.0108.2)006.0443.6( 2

Tg - temperatūra gazifikatorā reaktorā, °C;

AF – gazifikatorā ievadītā gaisa daudzuma attiecība pret ievadīto kurināmā daudzumu, m3/kg;

Wf – kurināmā mitrums, %;

Af – kurināmā pelnu daudzums, %.

Singāzes sadegšanas siltums

• LHVsin - singāzes sadegšanas siltums, MJ/Nm3;

• LHVCO, LHVH2, LHVCH4 – CO, H2 vai CH4 sadegšanas siltums, MJ/Nm3;

• wCO, wH2, wCH4 – CO, H2 vai CH4 īpatsvars singāzē, %.

• CO = 12.63 MJ/m3;

• H2 = 10.78 MJ/m3;

• CH4 = 35.88 MJ/m3;

◼ Gāzu sadegšanas siltumi:

100

4_42_2

sin

CHCHHHCOCO LHVwLHVwLHVwLHV

vvv++

=

Gazifikācijas procesa efektivitāte

• Effcold - gazifikācijas procesa aukstas gāzes efektivitāte, %;

• Effhot - gazifikācijas procesa karstās gāzes efektivitāte, %;

• Vsin – saražotas gāzes daudzums, m3/h;

• qsin - noņemtais fiziskais siltums no singāzes, MJ/Nm3;

• LHVf - kurināmā sadegšanas siltums, MJ/kg;

• mf – kurināmā patēriņš, kg/h.

ffcold

mLHV

VLHVEff

= sinsin

ffhot

mLHV

VqVLHVEff

+= sinsinsinsin

Gazifikācijas procesu ietekmējošie faktori

Biomasas gazifikācijas tehnoloģiskie risinājumi

• Ar nekustīgiem ārdiem (kustīgais slānis)• Lejupvērsta velkme

• Augšupvērsta velkme

• Verdoša slāņa• Burbuļojoša

• Cirkulējoša

15

Augšupvērstasvelkmes

Lejupvērstas velkmes

Biomasas gazifikācijas tehnoloģiskie risinājumi

Verdoša slāņa

Tehnoloģisko risinājumu salīdzinājums

Lejupvērstas

velkmes

Augšupvērstas

velkmes

Verdoša

slāņa

Darvas daudzums, g/Nm3 <1 50 10

Singāzes temperatūra, °C 700 300 750

Singāzes sadegšanas siltums, MJ/Nm3 4.5 – 5 5 – 6 6

Karstās gāzes efektivitāte, % 85 – 90 90 – 95 75 – 90

Optimāla termiskā jauda, MW Līdz 1 1 – 10 1 – 100

Gazifikācijas reaģents

Gazifikācijas

aģents

Singāzes sadegšanas siltums,

MJ/Nm3

Gaiss 4 – 7

Tvaiks 10 – 18

Skābeklis 12 – 28

◼ Gazifikācijas aģenta uzdevums ir nodrošināt biomasas

sadalīšanos un daļējo degšanu. Gazifikācijas aģents parasti tiek

ievadīts oksidācijas zonā un piedalās degšanas reakcijās.

Temperatūra gazifikatorā

• Noteicoša loma uz gazifikācijas procesu un reakcijām, kuras norisinās gazifikatorā.

• Pieaug oglekļa monoksīda (CO) daudzums:

C + CO2 ↔ 2CO

• Ūdeņraža (H2) koncentrācija pieaug līdz temperatūra sasniedz noteikto līmeni:

C + H2O ↔ CO + H2

• Metāna (CH4) koncentrācija samazinās:

C + 2H2 ↔ CH4

CO+ 3H2 ↔ CH4 + H2O

Temperatūra gazifikatorā

Temperatūra gazifikatorā būtiski atšķiras dažādās zonās.

Basu, P., 2010. Biomass gasification and pyrolysis. Practical design. Burlington, USA.

Lejupvērsta tipa gazifikators

Augšupvērsta tipa gazifikators

Temperatūras pieauguma ietekme uz singāzes sastāvu

Gazifikatora tips Aģents Kurināmā veids CO H2 CH4

Aplūkojama

temperatūra, °CAvots

Lejupvērsts Gaiss Niedres ↑ ↓ ↓ 800-1200 Antonopoulos

Lejupvērsts Gaiss Koksne ↓ ↓ ~ 750-1100 Karamarkovic

Lejupvērsts Tvaiks Koksnes skaidas ↓ ↑ ↓ 750-850 Wei

Augšupvērsts Tvaiks Ciedra koks ↑ ↑ ↓ 650-950 Aljbour

Verdoša slāņa Gaiss Olīvu kauliņi ↑ ↓ ↕ 750-850 Michailos

Verdoša slāņa GaissBiomasas

pārpalikumi ↑ ↑ ↑ 700-1000 Mohammed

Verdoša slāņa Gaiss Olīvu kauliņi ↕ ↓ ↕ 750-850 Skoulou

Verdoša slāņa GaissOlīvu koku

materiāls↕ ↑ ↕ 750-950 Skoulou

Verdoša slāņa Gaiss Niedres ↑ ↑ ~ 660-850 Xue

Verdoša slāņa Gaiss Priedes šķelda ↕ ↑ ~ 750-950 Zabaniotou

Verdoša slāņa Tvaiks Koksnes atlikumi ↓ ↑ ↓ 800-900 Erkiaga

Gaisa patēriņa koeficients (ER)

• α – gaisa patēriņa koeficients;

• 𝑉𝑔– gazifikatorā ievadītais gaisa daudzums, kg/kg;

• 𝑉𝑔0– teorētiski nepieciešamais gaisa daudzums, kg/kg.

22

α =𝑉𝑔

𝑉𝑔0

Gaisa patēriņa koeficients (ER)

• Gaisa patēriņa koeficients gazifikācijas procesam ir mazāks par 1, un parasti svārstās robežā no 0.2 līdz 0.4.

• Gaisa patēriņa koeficients atšķiras starp gazifikatora zonām.

• Oksidācijas reakcijas ir ievērojami aktīvākas pie lielāka ievadīta skābekļa daudzuma.

23

Kurināmā mitrums

• Gazificēt var arī biomasu ar augsto mitrumu saturu,tomēr biežāk gazifikācijas procesam izmanto jau daļējiizžāvēto kurināmo.

• Vienas kilograma ūdens iztvaikošanai ir nepieciešamspatērēt 2260 kJ kurināmā enerģijas.

24

Gaisa patēriņa un kurināmā mitruma ietekme

25

300

450

600

750

900

1050

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

Gaisa patēriņa koeficients

Gazifikācijas temperatūra, C

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %

0

2

4

6

8

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40


Darva, %

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %

0

2

4

6

8

10

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40


Bioogles, %

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %

Gaisa patēriņa un kurināmā mitruma ietekme (II)

26

0

5

10

15

20

25

30

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40


CO, tilp% (sausais)

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %

0

5

10

15

20

25

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40


H2, tilp% (sausais)

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %0

1

2

3

4

5

6

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40


CH4, tilp% (sausais)

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %

Gaisa patēriņa un kurināmā mitruma ietekme (III)

27

20

30

40

50

60

70

80

90

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40


Kopējā efektivitāte, %

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %

0

1

2

3

4

5

6

7

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40


Singāzes sadegšanas siltums, MJ/Nm3

Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %

Kurināmā izmērs

• Palielinās kurināmā daļiņu uzkarsēšanas un žāvēšanas laiks;

• Temperatūras nevienlīdzība starp kurināmā virsmu un daļiņas vidusdaļu.

• Samazinās CO daudzums, singāzes sadegšanas siltums un kopēja procesa efektivitāte.

Avots: Lv, P. u.c., 2004. An experimental study on

biomass air-steam gasification in a fluidized bed.

Bioresource Technology 95, pp. 95-101.

Kurināma ķīmiska sastāva ietekme

29

Kurināmā veids Kurināmā īpašības Gazifikācijas procesa raksturojums

Koksnes skaidas C43.8%, H6.8%, O39.1%, N1.2%, A0.8%, W9.3% CO=20.5%, H2=9%, CO2=13%, CH4=5.0%

Kukurūzas stiebri C47.5%, H6.0%, O43.9%, N0.8%, A5.8%, W12.5% CO=18.0%, H2=11.5%, CO2=16.0%, CH4=2.0%

Niedres C49.2%, H6.0%, O44.2%, N0.4%, A2.7%, W11.4% CO=17.5%, H2=14%, CO2=11.5%, H2O=13.0%

Kokosrieksta čaumala C50.2%, H5.7%, O43.4%, N0.0%, W5.2% CO=20.0%, H2=15.0%, CO2=10.5%, CH4=2.0

Kaučuka koks C46.0%, H6.8%, O38.4%, N8.0%, A15.5% CO=11.9%, H2=17.7%, CO2=18.2%, CH4=0.6%

Nekoksnes materiālu gazifikācijas iespējas

22.5

21.020.7

19.519.8

18.5 18.6

21.8

0.92

0.50 0.48

0.77

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

15

16

17

18

19

20

21

22

23

koksne salmi niedres drabiņas

CH4, tilp% (sausais)CO un H2, tilp% (sausais)

CO H2 CH4H2CO CH4

5.3

4.8 4.8

5.1

71.3

67.5 67.3

70.4

64

66

68

70

72

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

koksne salmi niedres drabiņas

Kopējā efektivitāte, %Sadegšanas siltums, MJ/m3

Sadegšanas siltums Efektivitāte

30

Tvaika un kurināma attiecība

• Izmantotais tvaika daudzums tiek attiecināts pret gazifikatorā ievadīto kurināma daudzumu.

• Ir noteikta tvaika/kurināma attiecība pie kuras ir iespējams sasniegt maksimālus rezultātus.

31

Avots: Franco, C., Pinto, F., Gulyurtlu, I. & Carbita, I., 2003. The study of reactions influencing the biomass steam gasification process. Fuel 82, pp. 835-842.

Singāzes attīrīšana

• Gazifikācijas procesā iegūtā singāze satur piesārņotājus:• Darva;

• Cietās daļiņas;

• Slāpekļa savienojumi.

• Gāzes attīrīšana iespējama divos veidos:• Karstā gāzes attīrīšana (sadalīšana reaktorā ar katalizatorupalīdzību);

• Aukstā gāzes attīrīšana (slapjie elektrostatiskie filtri, auduma filtri,skruberi).

32

XYLOWATT gazifikācijas stacija Beļģijā

33

Elektroenerģijas ražošana

• var izmantot daudz plašāku tehnoloģiju klāstu.

34

Source: D. Blumberga. Bioenerģijas tehnoloģijasSource: V. Dornburg., A.P.C. Faaij / Biomass and

Bioenergy 21 (2001) 91- 108.

Būvēšanas izmaksas

35

Obernberger I., et all. Economic evaluation of decentralized CHP applications based on biomass combustion and biomass gasification. 2008

Būvēšanas izmaksas

36

Gazifikācijas iekārta

Koģenerācija

Kurināma sagatavošana

Darbinieku izmaksas

Cits

Biomass to Energy. The NOTAR Gasification Solution

Operēšanas izmaksas

37

Obernberger I., et all. Economic evaluation of decentralized CHP applications based on biomass combustion and biomass gasification. 2008

Operēšanas izmaksas

38

Kurināmais

Gazifikatora darbība

Darbinieku izmaksas

Koģenerācijas darbība

Cits

Utilizācija

Biomass to Energy. The NOTAR Gasification Solution

Singāzes izmantošanas iespējas

39

Gazifikācijas priekšrocības un trūkumi

• Priekšrocības:• Mazākas emisijas;

• Lielāka elektroenerģijas pārveidošanas efektivitāte;

• Produkts ar augsto pievienoto vērtību.

• Trūkumi:• Tehnoloģija atrodas attīstības stadijā;

• Nepieciešama kurināma sagatavošana;

• Nevēlamais blakusprodukts – darva.

40

41

Projekts

„Inovatīvas biomasas gazifikācijas tehnoloģijas izstrāde singāzes ieguvei”.

Mērķis

Izpētīt singāzes iegūšanas iespējas gazikācijas procesa

rezultātā, par kurināmo izmantojot vietējo atjaunojamo

energoresursu – koksnes šķeldu.

Koksnes resursu pieejamība

Meža platības un mežainuma izmaiņas (Centrālā statistikas pārvalde, 2014)

28

20

28

77

29

44

32

41

32

60

43.7

44.5

45.6

50.2 50.5

39

42

45

48

51

2500

2700

2900

3100

3300

1994 1999 2004 2009 2014

Gads

Meža platība Mežainums

Meža platība, tūkst. ha Mežainums, %

42

Energoresursu cena

Energoresursu vidējo cenu izmaņiņas (Centrālā statistikas pārvalde, 2016)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2006 2008 2010 2012 2014 2016

Gads

Dabasgāze Ogles Šķelda Granulas

Energoresursu vidējās cenas, Eur/MWh

43

Sistēmas izveide

3-D skices

Mērījumu shēma

46

47

Kurināmā mitruma izmaiņas mērījumu laikā

11,0

11,4

11,8

12,2

12,6

13,0

400

450

500

550

600

650

00:00 00:10 00:20 00:30 00:40 00:50 01:00

Kurināmā mitrums, %

hh:mm

T oksidācijas zonā T singāzes Kurināmā mitruma izmaiņas

Temperatūra, C

48

Kurināmā mitruma ietekme

611

592

558495

469439

420

440

460

480

500

520

520

540

560

580

600

620

T oksidācijas zonā T singāzes

Singāzes temperatūra, CT oksidācijas zonā, C

W=12,0 % W=16,2 % W=21,1 %

5,1

4,7

4,3

63,7

59,0

51,9

45

49

53

57

61

65

3,5

3,9

4,3

4,7

5,1

5,5

Sadegšanas siltums Kopējā efektivitāte


W=12,0 % W=16,2 % W=21,1 %

21,3 19,1

17,9 18,8

13,618,5

1,06

1,25

1,66

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

10

12

14

16

18

20

22


W=12,0 % W=16,2 % W=21,1 %

H2CO CH4

49

Sekundārā gaisa ietekme

256

611495

272

634549

312

653578

200

300

400

500

600

700

T pirolīzes zonā T oksidācijas zonā T singāzes

Temperatūra, C

Sekundārais 0 % Sekundārais 7,5 % Sekundārais 15 %

21,3

19,1

22,121,7

23,5

19,6

1,061,01

0,85

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

18

19

20

21

22

23

24



H2 CH4CO

50

Sekundārā gaisa ietekme (II)

5,1

5,55,4

63,7

69,668,5

56

59

62

65

68

71

4,7

4,9

5,1

5,3

5,5

5,7

Sadegšanas siltums Kopējā efektivitāte



4,70

0,870,54

0

1

2

3

4

5

6

Darvas koncentrācija, g/m3


29,7

27,1

25,410,3

17,7

20,8

8

12

16

20

24

24

26

28

30

32

Sadegšanas siltums Pelnu daudzums

Pelnu daudzmus, %Bioogļu sadegšanas siltums, MJ/kg


51

Gazifikatorā ievadītā gaisa priekšsildīšana

21,3

19,119,6

17,5

1,1

1,3

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

15

17

19

21

23CH4, tilp% (sausais)CO un H2, tilp% (sausais)

Ar priekšsildīšanu Bez priekšsildīšanas

H2CH4CO

5,1

4,8

63,7

62,3

60

61

62

63

64

65

4,3

4,5

4,7

4,9

5,1

5,3




360

16

611495522

428

300

400

500

600

700

0

100

200

300

400

T gaisa T oksidācijas zonā T singāzes

Ievadītā gaisa temperatūra, C T singāzes un oksidācijas zonā, C


Gazifikatora termiskā slodze

634

549555

483

300

400

500

600

700

Temperatūra, C

Pilna slodze Daļēja slodze

T oksidācijas zonā T singāzes

5,5

5,3

69,6

63,8

54

58

62

66

70

74

4,7

4,9

5,1

5,3

5,5

5,7




1,01

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

17

18

19

20

21

22

23



CO H2CH4

52

Paldies par uzmanību!

53

Dr. sc. ing. Vladimirs Kirsanovs - zrea.lv Biomasas Gazifikacija_VK_26092018.pdf · skruberi). 32....

Documents

Transcript of Dr. sc. ing. Vladimirs Kirsanovs - zrea.lv Biomasas Gazifikacija_VK_26092018.pdf · skruberi). 32....