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
• 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
Biomasas gazifikācija
• Balstoties uz siltuma un masas apmaiņas procesiem gazifikācijas procesu tipiski var sadalīt četrās stadijās:
• žāvēšanas,
• pirolīzes,
• oksidēšanas,
• reducēšanas.
4
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
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
Gaisa patēriņa koeficients
Darva, %
Wf=10 % Wf=20 % Wf=30 %
0
2
4
6
8
10
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
Gaisa patēriņa koeficients
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
Gaisa patēriņa koeficients
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
Gaisa patēriņa koeficients
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
Gaisa patēriņa koeficients
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
Gaisa patēriņa koeficients
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
Gaisa patēriņa koeficients
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
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
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
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
Kopējā efektivitāte, %Sadegšanas siltums, MJ/m3
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
CH4, tilp% (sausais)CO un H2, tilp% (sausais)
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
CH4, tilp% (sausais)CO un H2, tilp% (sausais)
Sekundārais 0 % Sekundārais 7,5 % Sekundārais 15 %
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
Kopējā efektivitāte, %Sadegšanas siltums, MJ/m3
Sekundārais 0 % Sekundārais 7,5 % Sekundārais 15 %
4,70
0,870,54
0
1
2
3
4
5
6
Darvas koncentrācija, g/m3
Sekundārais 0 % Sekundārais 7,5 % Sekundārais 15 %
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
Sekundārais 0 % Sekundārais 7,5 % Sekundārais 15 %
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
Sadegšanas siltums Efektivitāte
Kopējā efektivitāte, %Sadegšanas siltums, MJ/m3
Ar priekšsildīšanu Bez priekšsildīšanas
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
Ar priekšsildīšanu Bez priekšsildīšanas
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
Kopējā efektivitāte, %Sadegšanas siltums, MJ/m3
Pilna slodze Daļēja slodze
Sadegšanas siltums Efektivitāte
1,01
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
17
18
19
20
21
22
23
CH4, tilp% (sausais)CO un H2, tilp% (sausais)
Pilna slodze Daļēja slodze
CO H2CH4
52