Badanie parametrów i dynamiki plazmy w urządzeniu PF-1000 ...
Innowacyjny Klaster Generacji i Użytkowania Energii w Mega ... · Podział plazmy . Plazmowe...
Transcript of Innowacyjny Klaster Generacji i Użytkowania Energii w Mega ... · Podział plazmy . Plazmowe...
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
dr inż. Tadeusz MĄCZKA
inż. Łukasz NIEDŹWIECKI
prof. PWr dr hab. inż. Halina PAWLAK-KRUCZEK
PRZEGLĄD PLAZMOWYCH INSTALACJI
DO UTYLIZACJI ODPADÓW
Instytut Techniki Cieplnej i Mechanik Płynów
Innowacyjny Klaster Generacji i Użytkowania
Energii w Mega i Nano skali
Plan wystąpienia
1. Wprowadzenie
2. Systemy gospodarki odpadami
3. Plazmowe technologie utylizacji odpadów
3.1. Przegląd instalacji wdrożonych w skali
przemysłowej
3.2. Wyniki badań emisji i skład gazów
4. Doświadczenia własne
5. Podsumowanie
• Stosownie do regulacji prawnych i ekologicznych zachodzi
konieczność utylizacji odpadów w tym komunalnych
• Obowiązek gmin - ZINTEGROWANA GOSPODARKA ODPADAMI
(Plan zagospodarowania odpadów)
GŁÓWNE ŚCIEŻKI:
• recykling
• produkcja energii z odpadów ( termiczna utylizacja odpadów)
• Produkcja paliw alternatywnych (RDF = APS)
• Objęcie 100% mieszkańców kraju zorganizowanym systemem
odbierania odpadów komunalnych
• Zmniejszenie ilości odpadów komunalnych ulegających
biodegradacji kierowanych na składowiska (w stosunku do masy
tych odpadów wytworzonych w 1995 r.):
– w 2010 r. 75 % nie wykonano !!!
w 2013 r. 50 %
w 2020 r. 35 %
• Zmniejszenie całkowitej masy składowanych odpadów
komunalnych do max. 85% odpadów wytworzonych do 2014 r.
Plan Gospodarki Odpadami - cele (Zgodnie z dyrektywami UE)
Odpady i paliwa z odpadów
- Surowe odpady komunalne
- Surowe odpady przemysłowe
-RDF (Refuse Derrived Fuel) = APS (Alternatywne Paliwa
Stałe) = wysoko kaloryczne frakcje odpadów wysortowane z
opadów przemysłowych bądź miejskich
-Wg ECN-45 istnieje klasyfikacja RDF .
Prowadzenie procesu TUOK – wg Rozporządzenia
Ministra Gospodarki
Na podstawie § 3 rozporządzenia:
1) Przy spalaniu odpadów lub substancji powstających podczas procesu
pirolizy, zgazowania i procesu plazmowego lub w razie zastosowania
innych procesów, temperatura gazów powstających w wyniku spalania
powinna w reprezentatywnym miejscu komory spalania (...) po
ostatnim doprowadzeniu powietrza, nawet w najbardziej
niekorzystnych warunkach, w kontrolowany i jednorodny sposób być
utrzymywana przez co najmniej 2 sekundy na poziomie:
a) 1100 °C dla odpadów zawierających powyżej 1% związków
chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor
b) 850 °C dla odpadów zawierających do 1% związków
chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor
2) W przypadku współspalania odpadów wymagania jw.
Najczęściej stosowane obecnie technologie to klasyczne spalarnie odpadów
Kwalifikacja TUOK jako OZE wg Rozporządzenie Ministra Środowiska
z dnia 2 czerwca 2010 r.
Wg § 4.1 Część energii odzyskanej z termicznego
przekształcania odpadów komunalnych może być
zakwalifikowana jako energia z odnawialnego
źródła energii, jeżeli są spełnione wymagane
warunki techniczne* * W rozporządzeniu łącznie jest 6 warunków
Plazma Wybrane parametry Charakterystyka Przykład
Wysokotemperaturo
wa
(equilibrium plasma)
Te = Ti = Th; Tp = 106-108 K
ne 1020 m-3
Cząstki - elektrony,
jony, cząstki
neutralne są w stanie
równowagi
termicznej
Reakcje termonuklearne,
fuzja
Niskotemperaturowa
(quasi-equilibrium
plasma, thermal
plasma)
Te Ti Th; Tp 103-104 K
ne 1020 m-3
Cząstki znajdują się
lokalnie w stanie
równowagi
termicznej
Wyładowanie elektryczne
zupełne, łuk elektryczny,
plazma
wysokoczęstotliwościowa
ciśnienia
atmosferycznego,
Nietermiczna
(non-equilibrium)
Te Ti Th; Tp otocz. -
4102 K
ne 1010 m-3
Brak równowagi
termicznej
Wyładowanie elektryczne
niezupełne, korona,
wyładowanie w gazach
rozrzedzonych, DBD
Te – temperatura elektronów, Ti – temperatura jonów, Th – temperatura cząstek
neutralnych, Tp – temperatura plazmy, ne – koncentracja elektronów
Podział plazmy
Plazmowe systemy rozruchowe
kotłów energetycznych
• Rosja – zespół prof. Karpenko
• Czechy - firma ORGREZ
• Chiny – firma LONGYUAN
• Polska – Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów – PWr – zespół
prof. W. Kordylewskiego
Idea plazmowej utylizacji odpadów -
firma Alter NRG (dawniej Westinghouse Plasma)
Źró
dło
: G
.C.Y
oung „
Munic
ipal Solid W
ast
e t
o E
nerg
y
convers
ion p
rocess
es”
John W
iley &
Sons
Inc.,
2010.
Wizualizacja komercyjnej plazmowej instalacji do
utylizacji odpadów wg firmy Alter NRG
(Eco Valley – Utashinai, Japonia)
Schemat instalacja plazmowej firmy Plasco do TUOK w Ottawie
Źró
dło
: htt
p:/
/w
ww
.pla
scoenerg
ygro
up.c
om
Użytkowana od 2011
Instalacja plazmowa do utylizacji odpadów
komunalnych firmy Startech (theplasmasolution.com)
Witryfikat zestatlony Strefa plazmowego stapiania
SGI – Solena Group – schemat ideowy reaktora do
plazmowego zgazowania odpadów i witryfikacji
Źró
dło
: htt
p:/
/sg
ibio
pow
er.
com
/sc
ience
Schemat ideowy instalacji do plazmowej utylizacji
odpadów firmy InEnTec
(en. Plasma Enchanced Melting) –
Źró
dło
: w
ww
.inente
c.c
om
Schemat ideowy instalacji witryfikacji pyłów
firmy Scanarc - instalacja Befesa Scandust AB
Źró
dło
: w
ww
.scandust
.se
Technologia dioksyny
[ng TEQ/ m3]
pyły
[mg / m3]
HCl
[mg / m3]
Klasyczne spalarnie * 0,00020 – 0,08000 0,1 – 4,0 0,1 – 6,0
Thermoselect (zgazowanie) 0,00250 < 4,7 11,6
Mitsui R21 (zgazowanie) 0,00450 < 1,0 55,8
Alter NRG / Westinghouse 0,00200 – 0,00980 ** - -
InEnTec 0,000013 – 0,0067 < 3,3 2,7 – 6,6
Plasco 0,00925 12,8 3,1
* - średnio roczne poziomy emisji
** - poziom emisji przekroczył normy wynoszące 0,01 [ng TEQ/ m3] w skutek awarii
filtrów workowych w styczniu 2007 roku (Źródło: raport firmy Juniper 2008 r.)
Porównanie emisji wybranych zanieczyszczeń w
zależności od technologii TUOK
Skład syngazu powstającego w różnych
instalacjach komercyjnych
CO H2 CO2 H2O
[ % vol ] [ % vol ] [ % vol ] [ % vol ]
Westinghouse 40,4 15,9 3,5 37,3
Solena 45,3 42,5 4,25 0,11
InEnTech 46,8 36,5 11,8 1,5
Źró
dło
: E4 T
ech r
aport
• Brak w pełni dojrzałego rozwiązania
• Wiele proponowanych rozwiązań jest nadal w
fazie testów i prób optymalizacyjnych
• Brak rodzimych polskich rozwiązań
plazmowego przetwarzaniem odpadów
• Celowe wydaje się prowadzenie badań nad
plazmowym przetwarzaniem odpadów w celu
pozyskiwania paliw płynnych
4 - Doświadczenia własne w plazmowym
przetwarzaniu materiałów organicznych
Obróbka
wstępna
Plazmowa
gazyfikacja
Materia
organiczna
Analiza
składuPozostałości
(popiół)
Magazynowanie
paliwa finalnego
Schładzenie
Oczyszczanie
paliwa
syntezowego
Badanie
kaloryczności
Projekt nr: N R06 0003 10/2010
Temat: Technologia plazmowego zgazowania biomasy i odpadów dla
wytwarzania paliw płynnych
Nazwa beneficjenta: Politechnika Wrocławska
Miejsce realizacji: Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Okres realizacji: 1.11.2010 ÷ 30.04.2013
Kierownik projektu: dr inż. Tadeusz Mączka
Widok zasadniczych elementów instalacji do
plazmowego przetwarzania – reaktor klasyczny
Reaktor do plazmowego przetwarzania
Instalacja widok
Plazmotron
Biomasa
Wydatek Skład gazu procesowego Wartość
opałowa
kg/h CO,
%obj
CO2,
%obj
CH4,
%obj
H2,
%obj MJ/m3
Wytłoki z
buraka
cukrowego
2,0 3,45 0,52 1,09 0,71 0,86
3,0 3,90 0,81 0,85 0,95 0,86
4,0 5,43 1,24 1,78 1,18 1,39
Miskantus
gigantus
1,5 1,69 0,17 0,49 0,35 0,41
2,0 3,34 0,43 0,90 0,67 0,78
3,0 4,58 0,72 1,32 0,88 1,09
Wierzba
konopianka
2,0 3,13 0,50 0,67 0,60 0,66
3,0 4,71 0,94 1,26 0,98 1,10
Wybrane składniki produktów gazowych z
plazmowej pirolizy biomasy - reaktor klasyczny
Właściwości/grupa związków Wielkość/związek
Gęstość 1,0959 g/cm3
Zawartość wody + części lotne 83,43 %m/m
Popiół 0,433 %m/m
Zawartość węglowodorów Alifatycznych + Aromatycznych 10,1 %m/m
Związki polarne 24,3 %m/m
Zawartość kwaśnych grup OH 5,23 %m/m
Liczba kwasowa LK, 162,2 mgKOH/g
Związki eluujące w zakresie n-alkanów C8 – C23 Główne indywidua Aceton, Kwas propionowy, Fenol, Metylofenole,
Dimetoksyfenol, 1,4:3,6 dianhydro-alpha
glukopiranoza C6H8O4, 1,6-anhydro-, beta- D-
glukopiranoza (lewoglukozan) C6H10O5, 1,6-
anhydro-, beta- D-glukopiranoza (lewoglukozan)
C6H10O5, 3,5 -dimetoksy, 4-hydroksy benzaldehyd
C9H10O2
Charakterystyka frakcji ciekłej pochodzącej z
przetwarzania plazmowego wierzby konopianki
(energetycznej)
Parametry plazmowej pirolizy Polietylenu -
reaktor klasyczny
Strumień
materiału (PE)
[Kg/h]
Moc
plazmotronu
[kW]
Strumień
czynnika
plazmotwórcze
go [Nm3]
Temperatura
nad
plazmotronem
[°C]
Uśredniona
temperatura
w reaktorze
[°C]
Temperatura
gazów za
reaktorem [°C]
Temperatura
gazów po
schłodzeniu
[°C]
3,0 13,5 9,0 1200 750 530 20
Wodór
H2
[%]
Metan – CH4
[%]
Tlenek węgla –
CO
[%]
Ditlenek węgla –
CO2
[%]
Kaloryczność
kJ/Nm3
1,1 2,0 0,3 < 0,01 848,5
Parametry gazu procesowego otrzymanego
podczas plazmowej pirolizy PE
Materiał Gęstość
[g/cm3]
Składniki
lotne +
zawartość
wody
[% m/m]
Popiół,
[% m/m]
Skład grupowy
[% m/m] Liczba
kwasowa, LK
[mgKOH/g
próbki
węglowodo
ry
związki
polarne
Frakcja po
pirolitycz
na PE 0,868 6,70 0,290 89,9 4,4 1,52
Olej
napędowy 0,800-
0,845 - 0,01 99 -
0,2
(dla biodiesla*)
Wybrane właściwości frakcji ciekłej z plazmowej pirolizy PE
Analiza GC-MS wykazała, że ciekłe produkty plazmowej pirolizy
polietylenu stanowią mieszaninę homologów węglowodorów
alifatycznych, wśród których występują n-alkany, n-alkeny-1 i
alkadieny, o liczbie atomów węgla od C10 (dekan) do C33
(tritriakontan).
Analiza Chromatograficzna frakcji ciekłej
otrzymanej z plazmowej pirolizy polietylenu (PE)
Związki Rys. 4. Chromatogram frakcji ciekłej otrzymanej z plazmowej pirolizy polietylenu (PE)
5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 0
1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 7000000 8000000 9000000 1e+07 1.1e+07 1.2e+07 1.3e+07
Time, min-->
Abundance
C19
33 l/min
Strumień gazu osłonowego (azot) 33 l/min
Strumień gazu podajnika 8,4 l/min
Strumień biomasy
Strumień gazu plazmotwórczego (azot)
2kg/h
Wielkości strumieni gazów i strumienia materiału
podczas prób plazmowej pirolizy – reaktor
bezelektrodowy
Całkowita moc pobierana przez układ wynosi ok 11 kVA
Frakcja
950 920 424 535
315μm<d<500μm 940 911 437 547
250μm<d<315μm 1001 960 404 575
160μm<d<250μm 997 950 400 523
0μm<d<160μm 940 920 450 450
0μm<d<500μm 890 850 426 540
T1w
, °C T1p
, °C T2w
, °C T2p
, °C
500μm<d<630μm
Zestawienie wartości rejestrowanych temperatur
w reaktorze plazmowym bezelektrodowym
Frakcja CO, %
6,2 1,21 0,75 1 533,7 2,234
315μm<d<500μm 6,58 1,37 0,83 1,2 605,5 2,535
250μm<d<315μm 9,49 1,8 1,58 1,3 772,3 3,233
160μm<d<250μm 9,26 1,65 1,75 1,03 696,8 2,917
0μm<d<160μm 10,35 1,94 1,66 1,35 823,6 3,448
0μm<d<500μm 6,7 1,4 0,9 1,3 635,7 2,661
CH4, % H
2*, % THC**, % Q, kcal/m3 Q, MJ/m3
500μm<d<630μm
Skład i kaloryczność syngazu dla
plazmowej pirolizy ślazowca
** – THC – Total hydrocarbon (całkowita ilość węglowodorów)
Plany na przyszłość
fot. Sławomir Duda-Klimaszewski
VIII Międzynarodowej Konferencji „Paliwa z odpadów'2012”
może zaowocować wdrożeniem na skalę
komercyjną technologii plazmowego przetwarzania
materiałów organicznych, w tym niebezpiecznych,
w paliwowe frakcje płynne (paliwa alternatywne)
Realizacja zaplanowanych działań
Zastosowanie technik plazmowych w znacznym stopniu
uniezależnia działanie instalacji od zmian jakości
(zawartość wilgoci i substancji mineralnej) podawanego
paliwa (odpadów) w porównaniu do technologii
autotermicznych (zgazowanie wykorzystujące w procesie
część energii zawartej w paliwie).
Istotną przewagą instalacji plazmowych jest witryfikacja
substancji mineralnej, co ułatwia jej wykorzystanie np. w
budownictwie ( produkty utylizacji plazmowwej są 50x
mniejsze od spalarni).
Modułowy charakter instalacji plazmowych może
wykazać w przyszłości pewien potencjał dot. redukcji
kosztów.
Brak jest komercyjnie dostępnych technologii
plazmowego zgazowania w przepływie o niskim czasie
rozruchu takich jak w badaniach własnych.
Na rynku są dostępne instalacje plazmowego zgazowania
odpadów, jednakże większość (NRG/Westinghouse Plasma,
InEnTec, ScanArc, Solena) oparta jest na konstrukcji
reaktora witryfikującego (zasada działania przypominająca
tzw. „Żeliwiak”). Wadą tego typu konstrukcji jest duża
bezwładność cieplna (wsad trzeba nagrzać powyżej
temperatury topienia).
Niektóre instalacje (Plasco) wykorzystują plazmę do
reformingu uzyskanych uprzednio gazów w celu pozbycia
się smół.