Kvalita plynu produkovaného zplyňováním odpadní biomasy

Úvod

V souladu se záměrem snižovat emise skleníkových plynů alespoň částečnou náhradou fosilních paliv biomasou a palivy z ní vyráběných, jsou intenzívně hledány způsoby a technologie co nejúčinnější transformace energie v těchto palivech na energii tepelnou resp. elektrickou. Jednou z mnoha možností je zplynění veškeré organické hmoty biomasy s následným energetickým využitím plynu ve spalovacím zařízení. I tento směr má mnoho variant jak technického řešení tak zplyňovací technologie, které produkují plyn různé kvality z pohledu obsahu inertních složek, dehtu, tuhých částic či výhřevnosti. Především se jedná o generátory s pevným ložem a fluidní generátory. Z pohledu zplyňovacího media lze technologie dělit na zplyňování vzduchem, kyslíkem, vodní parou, CO₂ či různé jejich kombinace. Potřebné reakční teplo se obvykle dodává částečným spálením nebo částečnou oxidací vstupní suroviny nebo uhlíkatého zbytku. Jinou možností je spalování části vyrobeného plynu s přenosem tepla teplosměnnými plochami. S ohledem na navazující technologii užití vyrobeného plynu je pozornost věnována především obsahu dehtu a pevných částic, a také výhřevnosti (resp. na Wobemu číslu) a obsahu H₂. Zvláště ve spalovacích motorech a turbinách je obsah dehtu a pevných částic hlídaným parametrem z důvodu tvorby tvrdých úsad a mechanického opotřebení pohyblivých částí. Hořáky na tyto složky nejsou příliš citlivé v případě, že se pracuje s horkým plynem, mohou se však usazovat v dlouhých potrubích. Parametry plynů pro spalovací motory a turbíny uvádějí následující tabulky(1).

Právě technologie snižování obsahu dehtu ve produkovaném plynu na přípustnou hranici je klíčem k masovějšímu rozšíření zplyňování biomasy k výrobě el. energie. I zde je mnoho cest, z nichž každá má své klady i zápory. Jednou z možností je tepelná a katalytická degradace dehtu za vzniku spalitelného plynu. Ovšem tyto procesy lze opět dělit dle technického uspořádání, typu katalyzátoru a reakčních podmínek. Tepelná degradace dehtu probíhá za teplot nad 1100 °C v přítomnosti katalyzátorů se reakční teploty výrazně snižují. Jako katalyzátory se používají komerční parní reformingové, nebo na bázi dolomitu a magnezitu, jež jsou dostupnější a odolnější vůči deaktivaci. Nevýhodou dolomitových a magnezitových materiálu je, že jsou aktivní při teplotách nad 800 °C, zatímco reformingové už při 600 – 650 °C. Pozitivní katalytický vliv má přítomnost silikátů a oxidů železa jako příměsi v těchto materiálech. Z reakčních podmínek má výrazný vliv teplota, se kterou roste konverze i rychlost reakce. K dostatečné konverzi je také nutná dostatečná doba zdržení degradované látky v reakčním prostoru. Rovněž přítomnost vodní páry a CO₂ v reakčním prostoru má výrazně pozitivní vliv na konverzi dehtu. V našem příspěvku prezentujeme výsledky série experimentů zplyňování slamnaté biomasy vodní parou v souproudém laboratorním reaktoru s pevným ložem.

Experiment

Pro následující experimenty byl sestaven laboratorní reaktor s pevným ložem, elektrickým ohřevem a navazující aparaturou pro dočištění a analýzu plynu.

Do spodní retorty (1) s objemem 5 dm³ se vkládá známé množství biomasy a do spodní části horní retorty (2) táž biomasa, ale předem odplyněná za podmínek shodujících se s podmínkami nastavenými ve spodní retortě. Zbytek objemu horní retorty se plní předem připraveným popelem z této biomasy (obojí ve známém množství). Obě retorty jsou propojeny fritou (11). Spodní retorta je upravena tak, že je možno na její dno regulovaně přivádět zplyňovací média (12). Horní retorta je trubka s výškou 62 cm (objem 1,9 dm³). Obě retorty jsou nezávisle na sobě otápěny elektřinou se samostatnou regulací teploty. Plyn je z aparatury odváděn dvěma potrubími (3 a 4). Jednou větví (3) do vodní pračky (5) chlazené ledem za účelem hrubého zachycení dehtu a dále je odváděn ke spálení, zatímco druhá větev (4) slouží ke stanovení obsahu dehtu ve vyrobeném plynu (dle TAR PROTOCOLu (2)) a k odběru vzorku tohoto plynu. Zbytek vyčištěného plynu je odváděn rovněž ke spálení. Plyn v této větvi se nejprve zbaví vlhkosti její kondenzací ve vodou chlazené suché promývačce (7) a v následujících promývačkách se zachytává dehet probubláváním nejdříve v nechlazeném dále pak v acetonu chlazeném na –30 °C (6). Za promývačkami je čerpadlo plynu s regulací sání (není zobrazen). Objem vyčištěného plynu se měří membránovým plynoměrem (8) a odvádí ke spálení. Aparatura umožňuje odběr vzorku vyčištěného plynu k dalším stanovením (9). Po provedení experimentu a vychladnutí reaktoru jsou produkty v obou retortách zváženy a určeny hmotnostní změny materiálu v nich vzhledem ke vstupním hodnotám. Obsah dehtu v plynu je stanovován jako hmotnostní zbytek po odpaření acetonu (a vody, pokud je přítomna) z odebraného přesně známého podílu roztoku dehtu v acetonu, vztaženého na objem plynu, ze kterého tento roztok vzniká. Na takto sestavené aparatuře byla provedena série pokusů, jejichž cílem bylo zjistit vliv následujících parametrů na obsah dehtu v produkovaném plynu:

1. množství přidávané páry
2. teplota v horní retortě
3. rychlost ohřevu ve spodní retortě
4. poměr výšek vrstev odplyněné biomasy a popela v horní retortě

Vstupní surovinou byl fermentát z kompostu s 30 % kalu z ČOV (dodavatel fa Agro-Eko) s parametry viz tabulka č.3. Popel z něj vznikající má složení viz tab. č. 4.

Sestavení aparatury umožňující stanovit obsah dehtu v produkovaném plynu předcházely jednoduché experimenty s otápěnými retortami, kdy se hledaly přibližné podmínky (např. teplota horní retorty, přívod vody či vzduchu), které vizuálně vedou ke změně charakteru a množství vznikajícího dehtu. Poté byla dle zásad TAR PROTOCOLu sestavena aparatura pro zachytávání dehtu v plynu jeho rozpouštěním v acetonu. Aparatura umožňovala zachytit dehet z celého vyprodukovaného objemu plynu a tento objem měřit (pokusy č. 1 – 4).

Značnou nevýhodou byla velká spotřeba acetonu (cca 350 ml/pokus). Proto byla sestavena aparatura dle obr. č. 1, která zachytávala dehet stejným způsobem, ale pouze z části produkovaného plynu (asi 80 dm³), jehož objem byl měřen. Spotřeba acetonu se tak snížila 5krát. Aparatura musela být doplněna o čerpadlo k vyrovnání tlakové ztráty způsobené předřazenými promývačkami. Pro srovnání byl proveden pokus č. 5 s podmínkami jako u pokusu č.3.

Výsledky a diskuse

Získané výsledky ukazují na několik trendů:

• již v předběžných experimentech se ukázal pozitivní vliv štěpné vrstvy popela na snižování obsahu dehtu v plynu. Výsledky pokusů č. 1 a 2, provedených za stejných podmínek, ale s jinou vrstvou popela, jsou poněkud rozporné s tímto tvrzením, ale jen zdánlivě vinou zpožděné analýzy roztoku dehtu. Obsah dehtu se zvýšil, ale objem plynu se zvýšil také. Tento nárůst neodpovídá nižšímu obsahu uhlíkatého materiálu v horní retortě, který by mohl po zplynění vodní párou navýšit objem plynu. Odpovídá spíše vyššímu stupni degradace a konverze dehtu na plyn, což podporují i výsledky následujících pokusů.
• množství přiváděné páry silně ovlivňuje množství dehtu ve výstupním plynu. S klesajícím průtokem přidávané páry klesá množství produkovaného plynu a roste v něm obsah dehtu (pokusy č. 2, 3 a 4). Tento trend je patrný i u pokusů č. 6 a 7, kdy snížené množství páry vedlo ke zvýšenému obsahu dehtu i přes zvýšení teploty na 875 °C v horní retortě.
• rychlost vzniku dehtovitých látek vznikajících zahříváním vstupní biomasy je úměrná rychlosti ohřevu spodní retorty. Tato rychlost v prostoru horní retorty určuje dobu zdržení dehtu a tím stupeň jeho konverze na plyn. Ze srovnání pokusů č. 4 a 6 plyne, že delší doba zdržení vede k plynu s nižším obsahem dehtu.
• množství dehtu ve výstupním plynu je ovlivnitelné teplotou štěpného lože. Zvýšení teploty štěpného lože na 900 °C u experimentu č. 8 (tj. o 25 °C oproti experimentu č. 7) vedlo k výraznému poklesu obsahu dehtu.
• jisté závislosti je možno vysledovat i u hmotnostních změn v obou retortách. Úbytek hmotnosti ve spodní retortě odpovídá obsahu prchavých látek včetně vlhkosti a za daných podmínek zde téměř nedochází k interakci s vodní parou. Kolísání může být dáno proměnlivou kvalitou vstupního materiálu. V horní retortě dochází kromě degradace a zplyňování dehtu také ke zplynění odplyněné vrstvy biomasy. Zde se ukazuje, že se snižující se rychlostí přiváděné páry za jinak stejných podmínek klesá i úbytek hmoty v horní retortě (pokusy č. 2,3,4) Při zpomalení ohřevu spodní retorty o polovinu (tedy prodloužení pokusu na dvojnásobek) a zpomalení přiváděné páry na polovinu (pokusy č. 3 resp. 5 versus 6) dochází k témuž úbytku hmoty, protože hmota v důsledku reagovala s tímtéž množstvím vody. Při zvýšení teploty při pokusu č. 9 došlo k výraznému úbytku hmoty díky rychlejším reakcím mezi uhlíkatým materiálem a vodní parou.

Závěr

Byla provedena série pokusů zplyňování biomasy daných parametrů vodní parou na laboratorním zplyňovacím reaktoru, jejichž cílem bylo nalézt co nejvhodnější parametry procesu, za kterých z daného materiálu v daném zařízení vzniká plyn s co nejnižším obsahem dehtu. Z výše uvedeného uspořádání pokusů plyne, že plyn pochází jak z pyrolyzované biomasy, tak i rovněž z degradovaného dehtu a také z částečně zplyněného uhlíkatého materiálu. Úplným zplyněním použité biomasy, ke kterému zde nedochází, by vznikl objem plynu větší a koncentrace dehtu v něm by byla nižší. Z provedených pokusů vyplynuly následující závěry:

1. Dehet je degradován spíše vrstvou popela než uhlíkatým materiálem, přičemž stupeň degradace závisí na vrstvě popela.
2. Množství dehtu v plynu závisí na množství přiváděné vodní páry, na době zdržení dehtových par a na teplotě rozkladné vrstvy.

Literatura

• (1) SKOBLJA, Sergej. Úprava složení plynu ze zplyňování biomasy. Praha, 2004. 164 s. Dizertační práce. VŠCHT, Fakulta technologie ochrany prostředí, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší.
• (2) Neeft J.P.A., Knoef H.A.M., Zielke U., Sjöström K., Hasler P., Simell P.A., Dorrington M.A., Thomas L., Abatzoglou N., Deutch S., Greil C., Buffinga G.J., Brage C., Suomalainen M.: Guideline for Sampling and Analysis of Tar and Particles in Biomass Producer Gases, Version 3.3, Energy project ERK6-CT1999-20002 (http://www.tarweb.net )

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu