Sesuvný zplyňovač s řízeným podáváním paliva

Úvod

Využívání odpadního dřeva v dřevozpracujícím průmyslu je logicky vedeno snahou provozovatelů co nejlépe ekonomicky využít veškerou dřevní surovinu. Zejména dřevařská prvovýroba – pily a truhlářské provozy mají poměrně velkou spotřebu energií – jak elektrické pro pohon strojů, tak tepelné, kde největší spotřebu představují sušárny řeziva. Zdroj potřebné suroviny a současná spotřeba elektrické i tepelné energie je ideální pro realizaci kogenerované výroby elektřiny a tepla zplyňováním dřeva. Na rozdíl od spalovacích technologií není na trhu žádný typ komerční zplyňovací jednotky. Několik instalací, které vycházejí z koncepce zplyňovačů z druhé světové války, se potýká s problémy, které kogenerace se zplyňováním dřeva přináší. Jedná se především o nestabilní výhřevnost a nedostatečnou čistotu vyrobeného plynu s ohledem na jeho použití v kogenerační jednotce s pístovým spalovacím motorem. Obecně lze říci, že v ČR neexistuje komerční technologie schopná dlouhodobého, spolehlivého a ekonomického provozu. Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj sesuvného zplyňovače s řízeným podáváním paliva v závislosti na zplyňovací teplotě a ověření jeho vlastností. Součástí řešení je návrh a ověření systému automatického řízeného podávání paliva tak, aby tento systém zaručoval stabilní zplyňovací režim s vyrobeným plynem o konstantní výhřevnosti. Stanovení vlivu zplyňovací teploty na složení plynu a obsah dehtu bylo otevřeno na pilotním zařízení. Zde byl mimo jiné rovněž stanoven obsah dehtu a prachu ve vyrobeném plynu a stanovena energetická bilance.

Návrh reaktoru

Základem navržené technologie zplyňování biomasy je sesuvný reaktor, do kterého je palivo přiváděno ze zásobníku pomocí dvou šnekových dopravníků viz. obr. 1. Systém zplyňování je podtlakový, kdy podtlak je dosažen sáním motoru kogenerační jednotky, ale protože pilotní jednotka v prvé fázi není osazena kogenerační jednotkou je potřebný podtlak vytvářen odsávacím ventilátorem plynu. Vyrobený plyn je spalován v dopalovací komoře. Nasávaný zplyňovací vzduch je přiveden z důvodu rovnoměrné distribuce čtyřmi tryskami v jedné úrovni do spodní části reaktoru – nad rošt. Aby bylo možno přesně regulovat teplotu zplyňovacího vzduchu je navržen předehřev elektrickými topnými tyčemi s regulačním okruhem.

Návrh základních rozměrů reaktoru vychází z fluidizačních rychlostí naměřených na studeném modelu při testování dřevěných pilin. Zde byl naměřen práh fluidace pro piliny 1,1 m.s^-1 a vzhledem k tomu, že jako palivo budou použity dřevěné peletky je zřejmé, že jejich práh fluidace je výrazně vyšší, a proto je průřez ve spodní části reaktoru navržen tak, aby zde bylo dosaženo rychlosti plynu 1,1 m.s^-1.

V případě, že při reakci zplyňování dojde k rozpadu peletek na menší částice (piliny) je v horní části reaktoru navržená uklidňující zóna s rychlostí plynu třikrát menší, tedy 0,36 m.s^-1 tak, aby z reaktoru nebylo vynášeno velké množství nezreagovaných částic. Z měření provedených na různých typech zplyňovacích reaktorů a z literatury se teploty zplyňování pohybují v rozmezí 800 až 1000 °C. Pro další výpočty nutné pro návrh zplyňovacího reaktoru bylo dále kalkulováno s teplotou 900 °C.

Stanovení obsahu a složení dehtu

Pro stanovení množství a složení dehtu produkovaného zplyňováním biomasy byl použit plynový chromatograf Hewlett Packard HP6890 s hmotnostním detektorem Hewlett Packard MSD 5973 umístěný na Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší VŠCHT Praha.

Závislost obsahu dehtovitých látek v plynu při různých teplotách v generátoru je patrna z obr. 2. Z látek získaných chromatografickou analýzou jsou do skupiny dehtu zahrnuty látky s bodem varu vyšším než toluen na rozdíl od dokumentu "Tar protocol", kde se toluen započítává [2]. Toluen a lehčí uhlovodíky nebyly zahrnovány do dehtu z toho důvodu, že jejich aktuální obsah v plynu byl podstatně menší než rovnovážná tenze par při 0 °C, takže k jejich kondenzaci za těchto teplot a tak nízkých obsahů by nemělo docházet. Naopak tyto uhlovodíky společně s benzenem byly zahrnuty do skupiny „BTX“. Do dvou dalších skupin byly zařazeny i látky obsahující kyslík (fenoly, benzofurany) a dusík. Hlavním zdrojem dehtu v plynu je prchavá hořlavina uvolňovaná při pyrolýze paliva v generátoru. Zde ale zároveň probíhá částečná oxidace primárních produktů pyrolýzy, a nastává tak jejich termochemická transformace. Největší vliv na vlastnosti a obsah dehtu v plynu měla bezpochyby teplota (viz. obr. 3). Obsah dehtu v plynu je závislý na teplotě uvnitř generátoru, s rostoucí teplotou celkové množství dehtu v plynu klesá, je zde vidět zřetelná jednoznačná závislost. Výjimku tvoří obsah dehtu při teplotě 900 °C. Vzhledem k tomu, že při teplotě 900 °C se jednalo o první experiment, lze předpokládat, že během prvního experimentu stav vnitřních prostor a stěn generátoru mohl byt odlišný od podmínek při dalších experimentech a příznivě ovlivňovat (působit katalyticky) obsah dehtu v plynu.

Vliv zplyňovací teploty na složení a výhřevnost plynu

V průběhu zkušebního provozu byly při každém režimu (při každé teplotě) odebrány tři vzorky. Zároveň byla zejména s ohledem na zjištění stability procesu prováděna on-line analýza vybraných složek. Výsledky analýzy plynu (průměrné složení třech vzorků) z pilotní jednotky jsou patrny z obr. 2.

Zplyňovací teplota má rozhodující vliv na vlastnosti plynu – jeho složení a spalné teplo. Sledován je zejména obsah hlavních složek plynu. Koncentrace oxidu uhelnatého se vzrůstající teplotou klesá a naopak vzrůstá koncentrace oxidu uhličitého, což je v tomto případě způsobeno postupně převažujícími oxidačními reakcemi nad reakcemi redukčními. Je to dáno tím, že reaktor je autotermní a tudíž pro dosažení vyšších teplot v reaktoru se musí změnit zplyňovací poměr . aby došlo ke spálení části paliva a tím ke zvýšení teploty, což se zákonitě projeví ve složení a tím i na velikosti spalného tepla vyrobeného plynu, jehož hodnota dle předpokladu s rostoucí teplotou klesá. Při teplotě 750 °C v generátoru hodnota spalného tepla produkovaného plynu přesahovala 8,7 MJ. mn^-3, při maximální provozní teplotě 1100 °C byla skoro o polovinu menší (4,3 MJ. mn^-3). Obsah metanu s rostoucí teplotou rovněž klesá, obsah vodíku ale naopak vzrůstá, neboť díky vyšším teplotám v reaktoru dochází ke konverzi vodní páry dle rovnice CO+ H₂O↔CO₂+ H₂, avšak po dosažení teploty 900 °C pozvolna klesá, neboť pravděpodobně dochází k jeho částečné oxidaci.

Pilotní reaktor pracoval v autotermním režimu, proto s rostoucí teplotou výhřevnost plynu klesala z 6,27 MJ.mn^-3 při 750 °C na 3,6 MJ. mn^-3 při 1100 °C. Průtok vzduchu byl udržován na konstantní úrovni, proto se změnou teploty v reaktoru se měnilo množství paliva.

Vliv změny teploty na zplyňovací poměr

Zplyňovací poměr λ je jeden z nejdůležitějších parametrů charakterizujících zplyňovací proces. V případě čistě autotermního procesu závisí na hodnotě λ také adiabatická teplota v reaktoru a rozložení energie mezi hlavní produkty zplyňování. Na základě znalosti hodnoty zplyňovacího poměru můžeme orientačně stanovit složení a výhřevnost vyrobeného plynu. Znalost hodnoty zplyňovacího poměru je důležitá pro návrh reaktoru. Množství zplyňovacího vzduchu pro každou zplyňovací teplotu vypočítáme z dusíkové bilance na základě analýzy plynu odebraného při dané teplotě. Zplyňovací poměr λ je pak podíl množství zplyňovacího vzduchu při dané teplotě V_vz ke stechiometrickému množství vzduchu V_vzt.

Vypočtený zplyňovací poměr λ byl v závislosti na zplyňovací teplotě zanesen do následujícího grafu.

Pro pokrytí energetických nároků generátoru se s rostoucí teplotou hodnota zplyňovacího poměru zvyšovala, hodnota se pohybovala od 0,4 při teplotě 750 °C po 0,51 při teplotě 1100 °C.

Účinnost výroby studeného plynu

Vhodným kritériem hodnocení energetického obsahu vyrobeného plynu a zplyňovacího generátoru je účinnost výroby studeného plynu (ŋ_CE). Poskytuje informaci o množství chemické energie v plynu produkovaném zplyňováním a je vhodným ukazatelem účinnosti generátoru a obsahu energie využitelné pro výrobu elektrické energie v plynových motorech. ŋ_CE je definována poměrem chemické energie plynu na výstupu z generátoru k energii původního paliva na vstupu do generátoru vypočteným za referenčních podmínek (0 °C, 101,325 kPa) [3]. Podklady pro stanovení účinnosti vycházejí z naměřených hodnot při šestihodinové bilanční zkoušce.

Vysoká účinnost výroby studeného plynu je dána zejména nízkými ztrátami sáláním do okolí, což svědčí o kvalitně provedené konstrukci reaktoru (vyzdívky a izolace) a dostatečné době setrvání paliva ve zplyňovacím prostoru.

Závěr

Vyvinuté zařízení na zplyňování biomasy zcela nové koncepce s pevným ložem a s řízeným procesem zplyňování je technicky plně provozuschopné. Obsah dehtu se pohyboval v rozmezí 10,5 až 0,3 g.m_n^-3 při teplotách v rozsahu 750 až 1100 °C. Výhřevnost plynu s rostoucí teplotou klesala z 6,27 MJ.m_n^-3 při 750 °C na 3,6 MJ.m_n^-3 při 1100 °C, což přímo souvisí se změnou složení plynu v závislosti na zvyšující se teplotě. Za vyjmenovaných provozních podmínek vyrobí 54,4 m_n³/hod plynu o výhřevnosti 5,43 MJ. m_n^-3, což zajistí spolehlivě produkci 25 kW elektřiny a 47 kW tepla.

Nově vyvinutá pilotní jednotka byla provozována s velice kvalitním palivem – peletkami. Reálně, ale bude použito odpadní dřevo, respektive kontaminovaná biomasa (dřevotřísky, lamino, stavební dřevěný odpad apod.). Proto bude v pokračujícím výzkumu a vývoji sledován vliv takového paliva na složení a kvalitu plynu a jeho vhodnost pro použití v kogeneračních jednotkách.

Výsledky analýz získané ze zkušebního provozu budou použity pro další řešení projektu „Kogenerovaná výroba elektrické energie a tepla zplyňováním biomasy“ řešeného v rámci programu MPO TANDEM ev.č. FT-TA3/122.

Použitá literatura

1. NAJSER J., (2009): Disertační práce „Zplyňování dřeva pro kogeneraci“, Ostrava
2. SKOBLJA S., Malecha J., Koutský B., Buryan P., (2008) Složení plynu a obsah dehtu v plynu produkovaném generátorem s pevným ložem, VŠCHT Praha
3. Huisman G.H., (2000): Acceptance Test for Large Biomass Gasifiers, Huisman Thermal Engineer & Consultant,

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