„Technologia per motori a gas per gas da legna ed ... · Processo ORC 4.5 MWFP Processo a vapore (turbina) ... Emissioni prima di OXI Catalyst@ Lambda 2,197 ... un motore a gas

„Technologia per motori a gas per gas da

legna ed esperienze da impianti realizzati“

B.T.S Syngas 25.01.2013

Montichiari

Dr. Günther Herdin

30.01.2013

Efficienza di varie tecnologie

Efficienza del carburanteel.+term.

Processo ORC

4.5 MW FP

Processo a vapore (turbina)

5.2 MW FP

Efficienza elettrica netta [%]

Gassificazione

con motore a gas

2-8 MW FP

source: EVN; Jenbacher; PGES

Efficienza biomassa – Centrale termica

1 MWel.

5 MWel.

20 MWel.

Modo cogen.

(turbina a contropressione)

Efficienza carbur.

Modo cogen.

Impianto a

condensa

Fonte: Fichtner Studie 4/2002

[%]

Principi della gassificazione

Fonte: agnion Technologies

Influenza dell‘umidità della biomassa sull‘efficienza elettrica

Fonte: reNet Güssing

Stato dell’arte della tecnologia di gassificazione

� Gassificazione diretta (autotermica) : (Gassificazione tradizionale)� Rilascio di calore (combustione parziale) e

gassificazione in un reattore

� Diluizione del singas prodotto tramite gas di scarico

della combustione parziale

� Singas con potere calorifico basso

� La produzione di SNG (Synthetic Natural Gas) a basso costo non è possibile

� Su misura per ogni progetto

� Gassificazione indiretta (allotermica): (Agnion Heat Pipe Reactor)� Reattore separato per rilascio di calore

(camera di combustione) ereattore di gassificazione (reformer)

� Gassificazione con vapore (steam reforming)

� Singas non diluito

� Rapporto H2/CO idoneo per produzione SNG

� Prodotto a bassissimo costo

6

Gassificazione

e rilascio di calore

in reattori separati

Gassificazione

e rilascio di calore

in reattori separati


Confronto della qualità del singas autotermico

con l‘esempio aria/allotermico Heatpipe Reform

Composizione del gas [%]

CH4

Beneficio per l‘efficienza del motore ~ 1,5%


Composizione di vari gas di pirolisi

Volume [%]

Agnion HPR 2SV Harboore Civitas Nova Prüfling

Fonte: GEJenbacher/agnion

Motore a otto a gas

valvola

aria

gas

motore

turbina

intercoolercompressore

scatola di accensione

Motore con accensione Diesel Pilot

(valvola)

aria

regolatore portata

motore

turbina

intercoolercompressore

pompa

Iniez.

Efficienza netta dei vari concetti in relazione al

contenuto energetico di gas pirolitico[%]

Confronto di vari concetti di gassificazione

Fonte: reNet, Solenia, Wilcox Babcock, Agnion Technologies

[%]

Microturbine – atm. Gasification Issue Compr. Power

Relation Power needs for Pressure and Volumevolume [m³/min]

Fonte: Ingersol Rand Sierra Product Line

150 kW

132 kW

Tecnologia motori a gas MPI• Premessa: Carica di pressione del singas

su 5 bar(a)

• Sovralimentazione con turbosoffiante del

motore a gas

• Iniezione del singas dopo

turbocompressoer e Intercooler

• Valvole di iniezione dalla tecnologia dei

motori a idrogeno (Hörbiger)

• Provoca:

� 100% elusione problema catrame a

via di regolazione del gas, turbocom-

pressore e Intercooler

� Elusione problema esplosione in caso

di reinnesco tramite iniezione diretta

prima della camera di combustione

� Aumento dell‘efficienza del motore

tramite turbosoffiante a 3,4 bar(a)

(Downsizing)


Potenziale di Port Injection

Lambda [-]

1,70 1,90 2,101000

1500

2000

2500

3000

Ladedruck [mbar]

5

10

15

Mitteldruck [bar]

0,36

0,38

0,40

0,42

Wirkungsgrad [-]

Gasmischung

nach Kompressor

vor Kompressor

measured with ref. gas 1

BMEP = 8,6 bar


Agnion motore singas

16

versione: agnion MPI

versione: agnion SPI


Condizione uscita formazione miscela nel tubo di

aspirazione senza dispositivo di omogeneizzazione

Aria

Singas


Ottimizzazione dell‘omogeneizzazone prima della

valvola di immissione tramite ugello di miscelazione

Aria

Singas


Confronto efficienza – Pfaffenhofen Pilot Plant

MAN 2876 Origin/agnion motore singas.

efficiency [%]

potenza [kW]

TA-Luft

180 ppm NOx

¼ TA-Luft

36 ppm NOx

5 %


NOX generazione vari carburanti

Rapporto A/F

Limiti poveriidrogeno

NG

benzina

poveroricco

Emissione NOX [g/kWh]

H2/N2 miscela (16/84 %vol.)

Fonte: GEJenbacher

Andamento efficienza di potenza MAN 2842

E312 (Lambda 1) ed escercizio con Lambda 1,35 TA-Luft

30.01.2013 Fonte: MAN, 2g 21

Efficienza [%]

Lambda 1 @ NOx = ~ 6000mg/nm³

Lambda 1.35500 mg NOx/nm³

Gas da legna Hu = 1,85 kWh/nm³

Curva effettiva MAN 2876 – SAE 40@90°C Temp. olio

30.01.2013 Fonte: 2g-drives 22

Velocità [rpm]

Potenza effettiva [kW]

Scissione termica catrame (Nexterra)/purificazione

secca del gas

30.01.2013 Fonte: Nexterra/PGES 23

> 20g Σtar/nm³ < 1g Σtar/nm³

Al motore

conforme

TA 1000 0300 > 1000°C

Impianto Nexterra 2 MW UBC, controllo pressione cicl.

30.01.2013 Fonte: Nexterra; PGES 24

Sensore pressione a cilindro

tipo Kistler

Emissioni prima di OXI Catalyst@ Lambda 2,197

NOx = 19 ppm

CO = 1064 ppm

CH4 = 41 ppm

Composizione gas Güssing stato 2006

30.01.2013 Fonte: reNet/PGES 25

Agnion motore a singas concetto di regolazione „Closed loop“


Concetto – Güssing con lavaggio gas RME

30.01.2013 Fonte: reNet Güssing 27

Güssing durata motore > 60 000 ore

Spiez – Qualità del gas di legna

0

5

10

15

20

25

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00

Uhrzeit [hh:mm]

mo

l% o

hn

e N

2

0

20

40

60

80

100

mo

l% N

2

CO

H2

CH4

CO2

O2

N2

Produktegas Rohgas

Fonte: Pyroforce/PSI

Emissioni senza controllo del rapporto A/F

Fonte: Hydrotest AG

Pyroforce

CO, NOX [mg/Nm³]

time

O2

O2 [%vol.]

CO

NOX

Efficienza – motore gas di legno vs. carico e NOx

BMEP = 9 bar, 90 mg NOx/sm³

motore lavora vicino al

limite di carico

BMEP 12 bar

450 mg NOx/sm³

BMEP 14 bar, 800 mg NOx/sm³

carico massimo vicino al limite

di accensione anticipata e deton.

efficiency

Carico [%]fuel: H2 = 16 %, CO = 26%, CH4 = 1,5 %

Fonte: lezione Herdin, GEJ varie presentazioni,

impianto Harboore

Fasatura dell‘accensione ed emissioni NOx

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

10 15 20 25 30 35

Zündzeitpunkt (ZZP) [°KW v.OT]

NO

x,

CO

, C

xH

y M

oto

rab

ga

s [

mg

/Nm

³ @

5%

O2]

NOx

CO

CxHy

Gasmotor GE J156,

in Teillast bei 42 kWel

Treibgas: Holzgas aus

Gestufter Vergasung

"CleanStGas",

IWT, TU Graz, 19.09.2006

Holzgaszusammensetzung:

H2 24,0 v%tr, CO 16,5 v%tr,

CH4 1,0 v%tr, CO2 14,5 v%tr

(alle trockene Basis), Rest N2.

H2O 5,5 v%tr.

λ ≈ 1,17 (bis auf ZZP 25°/30°)

ZZP bei NH3-Messreihe

19°KW v.OT

ZZP 25° & 30°

λ = 1,27

CO

NOx

CxHyQuelle: IWT-TUG / LEC / GE J.CxHy

CO

NOx

fasatura [°CA bTDC]

em

issio

ns

[mg

/sm

³@5

%O

2]

λ = 1.27

λ = 1.19

source: IWT/LEC/GEJ

Catalizzatore Oxi test Güssing

[mg/Nm³ @ 5%O2]

Fonte: GEJ varie presentazioni

Gas di legna & emissioni analisi WILA

CH4

H2

CO

NOxCO

3000

2000

1000

contenuto [%] mg@5% O2

Emissioni

CO limitNOx limit

w/o cat

with cat

Fonte: WILA

Problemi di potassio – rilevazione nell‘olio motore

3932/310 h

273/200 h

2/320 h 4/250 h 9/1000 h 3/350 h

345

76

8 6 6 3

500,00

400,00

300,00

200,00

100,00

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

lavaggio acqua & purificazione gas

basata su trucioli di legno

Potassio[ppm]

Fe da usura in olio motore [ppm]

Waukesha

Austria

Cummins

India

Guascor

Spagna

Jenbacher

Danimarca

Jenbacher

Svizzera

Jenbacher

Svizzera

4000.00

Purificazione gas basata su

filtri trattati a secco o ESP

Fonte: GEJ diff. presentatinons

Esempio di analisi d‘olio (catalizzatore)

Non OK per catalizz.,

Purificazione del gas non

è abbastanza


Esempio di analisi d‘olio (catalizzatore)

OK per

catalizzatore


Conversione NH3 a NOx

Confronto NG con gas di legna

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 250 500 750 1000 1250 1500

NH3-Beladung im Gemisch [ppm]

NO

x i

m M

oto

rab

ga

s [

mg

/Nm

³ @

5%

O2].

Holzgas

Erdgas

Gasmotor GE J156, in Teillast bei 50 kWel

Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J.


Influenza di NH3 sulle emissioni di NOxNOx [mg/sm³@5 % O2]

Güssing

440 mg NH3

Jenbacher

2 MW

Harboore

<5 mg NH3

Jenbacher

1.4 MW

Spagna

4600 mg NH3

Guascor

160 kW

Balingen

2010 mg NH3

Liebherr

90 kW

NOx limite TA-Luft = 500 mg


HarboØre/Dk

2 x JMS 320 GS S.L

Gassificatore a

corrente ascendente

Potenza

2 x 765 kW

Gas di legna:

H2 15-18%

CH4 3-5%

CO 25-28%

CO2 7-10%

N2 50-55%

LHV 6.85 MJ/sm³

Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk

Fonte: GE Jenbacher

Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk

Stato impianto pilota 12/2007: motore n. 1. ore 25309

motore n. 2. ore 24895

12/2011 ogni motore più di 60 000 h

Fonte: GE Jenbacher

Gas di legna India – Ankur

Cliente

Ankur gasifier test

(Ankur facilities)

sistema di purificazione gas (secco)

dopo il lavaggio umido

L’olio presenta 218 mg K/400 h !!!

Gassificatore a letto fluido Spain (Almond Shells)

ENAMORA - Mora de Ebro (Tarragona)

NH3: 5 500 ppmNOx Waukesha/Guascor: 4560 mg NOx/Nm³ @5% O2 (lean limit)

operation 12/06 gasifier 20 000 hengines 16 000 hK in oil 2 mg/kgno wear

Problemi di potassio nel turbocompressore (2440 h di

esercizio) – impianto pilota in Austria

Fonte: PGES

Condizione elementi 10 500 ore Spiez (2)

Fonte: GE Jenbacher

Condizione elementi 10 500 ore Spiez (3)

Fonte: GE Jenbacher

Die Fördergesellschaft

Erneuerbare Energien (FEE e.V.) è la rete più

attiva e più grande in

Germania che si dedica alla

gassificazione di biomassa.

Focus:

• Incontri periodici

• Convegni internazionali

• Progetti di ricerca

• Sondaggi

• Guide del settore

• ecc.

In causa propria

Riassunto

• La gassificazione delle biomasse e la produzione di corrente tramite

un motore a gas è la forma più effettiva della conversione

• L‘utilizzo di turbine a gas (microturbine) riduce l‘efficienza di conversione sotto il 20 %, dato che la compressione di un „gas

povero“ a seconda del concetto di gassificazione necessita fino al 18 % della corrente prodotta

• Con un utilizzo massimo della biomassa tramite combinazione calore

– forza in caso di processi a vapore le efficienze sono a seconda della

dimensione del sistema al di sotto del 15 %

• Le emissioni Nox di moderni motori a gas sono chiaramente sotto i

valori TA-Luf, per la riduzione delle emissioni di CO la purificazione

del gas deve essere eseguita seguendo lo stato dell‘arte della tecnica

• In ogni caso il trattamento del gas è molto importante, dato che ha un

influenza sulla funzione dell‘intero impianto e sulla sua durata

d‘esercizio. Oltre al catrame anche l‘NH3 e il potassio devono essere

eliminati nel miglior modo possibile

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