Odborné články
Souproudé zplyňovací generátory a jejich použití pro výrobu elektrické energie z biomasy
Úvod
Celosvětově v současné době roste poptávka po elektrické energii. Ta je nyní získávána z několika zdrojů, z nichž nejvýznamnější zastoupení mají fosilní paliva (viz Obrázek 1). Jejich využívání je spojeno s ekologickými problémy, a také i proto je kladen důraz na maximální využívání obnovitelných zdrojů elektrické energie. Biomasa má z těchto zdrojů největší potenciál.
Pro využití biomasy jsou nejvhodnější dva termochemické procesy. Spalování je nejjednodušší a technicky nejlépe zvládnutý proces, který si ovšem pro následnou výrobu elektrické energie žádá stejná zařízení, jako např. u uhelných kondenzačních elektráren (parní turbína atd.), což neúměrně zvyšuje náklady. Dalším způsobem je zplynění biomasy na plynné palivo, jež je následně využito k produkci tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách. Tento koncept se jeví jako vhodný pro výrobu energie v zemědělských oblastech rozvojových zemí, eventuelně v oblastech s velkými zdroji biomasy. Na Obrázku 2 je instalace společnosti Aruna Electrical Works Pvt Ltd, jež je instalována v oblasti Tamil Nadu na jihu Indie. Jako zdroj plynného paliva pro kogenerační jednotky převážně slouží souproudé zplyňovací generátory.
Charakteristika generátoru Imbert
Souproudý zplyňovací generátor používající jako palivo dřevo byl vyvinut Jacquesem Imbertem kolem roku 1920. Velkého rozšíření tyto generátory doznaly během 2. světové války, kdy nastal v Evropě velký nedostatek fosilních paliv a dřevoplyn se ukázal jako ideální náhrada těchto paliv. Koncem války jezdilo v Evropě 700 000 vozidel poháněných dřevoplynem [3]. Souproudý „Imbertův“ generátor je válcovitého tvaru a je charakteristický především zúžením v místě přívodu zplyňovacího média, kterým bývá obvykle vzduch. Palivem bývá nejčastěji dřevo, eventuelně odpad z jeho zpracování. V případě tohoto typu generátoru palivo a zplyňovací médium proudí stejným směrem. Palivo je dávkováno shora a během procesu prochází několika zónami. V první zóně dochází k jeho vysušení a uvolňuje se především vlhkost. Vysušený materiál následně přichází do pyrolyzní zóny, kde dochází za vyšších teplot k odplynění paliva za vzniku pevného uhlíkatého zbytku a plynných produktů pyrolýzy. Tyto produkty následně přicházejí do oxidační zóny, kde je obvykle několika tryskami přiváděno zplyňovací médium (v případě tohoto typu generátoru převážně vzduch) a v této zóně dochází ke spálení především plynných pyrolýzních produktů a části pevného uhlíkatého zbytku. Teplo uvolněné při těchto procesech energeticky zabezpečuje veškeré další endotermní reakce, k nímž během procesu zplyňování dochází. V následující redukční oblasti dochází k reakci plynných produktů oxidačních reakcí (převážně CO2 a H2O) a nezreagovaných produktů pyrolýzy s pevným uhlíkatým zbytkem a anorganickými složkami obsaženými ve vstupní biomase. Za vysokých teplot (>900 °C) dochází k redukčním pochodům, při kterých vzniká primárně CO a H2. Vysoké teploty v této zóně rovněž umožňují efektivnější rozklad pyrolýzních produktů, a proto se tento typ generátoru vyznačuje nízkým obsahem dehtu ve výstupním plynu. Schéma generátoru je uvedeno na Obrázku 3.
Mezi hlavní nevýhody patří především vysoké nároky na velikost a rozměry paliva. Jako palivo prvních generátoru sloužilo dřevo v podobě uniformních kusů. U současných generátorů typu Imbert je doporučováno palivo větších a jednotných rozměrů. Není-li tato podmínka splněna, hrozí především vznik klenby, eventuelně vznik kanálů, což jsou hlavní provozní problémy, které mohou způsobit snížení kvality vzniklého plynu, nebo také poškození samotného generátoru. Vlhkost paliva by u tohoto typu generátoru neměla překročit 20 % hm. Při vyšších hodnotách vlhkosti v palivu je potřeba více tepla pro její odpaření a snižuje se teplota v oxidační a redukční zóně, čehož důsledkem je zvýšení koncentrace dehtu ve výstupním plynu. Z konstrukčního hlediska rovněž není možné tyto generátory projektovat na vyšší výkony, neboť při větších rozměrech by nebylo možné zajistit dostatečně vysoké teploty po celém průřezu hrdla a zvyšovalo by se riziko vzniku zkratových proudů. Proto se tyto generátory projektují pro jednotky o výkonu nepřesahujícím 250 kWe. Na energetickou účinnost celého zařízení má negativní vliv také skutečnost, že plyn vystupuje ve spodní části reaktoru a má relativně vysokou teplotu (až 700 °C).
Modifikace generátoru Imbert
Hlavní úpravy byly zaměřeny na eliminaci, nebo alespoň minimalizaci již uvedených nevýhod, aby se tak rozšířila palivová základna a zvýšila účinnost transformace. Na Obrázku 4A je uvedeno schéma generátoru přizpůsobeného ke zplyňování briketovaných zemědělských odpadů o původně nízké sypné hustotě a s vyšším obsahem popelovin [2]. Úpravy horní části zásobníku byly provedeny za účelem kompenzace objemových změn briket paliva, ke kterým docházelo při procesech sušení a pyrolýzy a zabránění vzniku klenby. Dále byl generátor vybaven otočným roštem, který zabraňoval spékání škváry v generátoru. Oblast oxidační zóny byla dalším místem, na které byla upřena pozornost. Experimentovalo se především s umístěním trysek, které přiváděly zplyňovací médium, aby tak byl zabezpečen co nejlepší kontakt zplyňovacího média a produktů pyrolýzy. Společně s tím se také modifikoval tvar a velikost hrdla (viz Obrázek 4B). Vzhledem k tomu, že životnost ocelových částí v oblasti oxidační zóny byla relativně nízká z důvodu vysokých teplot a oxidačního prostředí, začalo se v této oblasti využívat keramické vyzdívky. Tato vyzdívka podstatně zvyšuje životnost generátoru, rovněž má i funkci tepelně akumulační a pozitivně působí na rozklad dehtů. Pro využití citelného tepla odcházejícího plynu, který má relativně vysokou teplotu, se přistoupilo k dvouplášťovému provedení generátoru, kdy plyn vycházející zespoda do prostoru mezi pláště obtéká tělo zplyňovače a odevzdává část citelného tepla zpátky do procesu. Plyn vystupující v horní části reaktoru má teplotu cca 300 °C.
Generátor s „otevřeným vrchem“
Tento typ souproudého generátoru byl vyvinut Thomasem Reedem za účelem, aby se předešlo problémům s vytvářením klenby a vzniku kanálů při zplyňování paliva o nižší sypné hustotě, které nastávaly u klasických „Imbertů“ [3]. Samotný generátor má tvar válce a rošt je umístěn ve spodní části. Palivo i oxidační vzduch vstupují do reaktoru shora a palivo prochází stejnými zónami, jako v reaktoru Imbertovy koncepce. Otevřená vrchní část umožňuje rovnoměrný přístup oxidačního vzduchu a také usnadňuje dávkování paliva. Tento generátor je vhodný pro i pro palivo s vyšším obsahem popele (až 20 % hm.). Dané konstrukční řešení je jednodušší a umožňuje konstruovat zplyňovací generátory větších výkonů, než dovoluje imbertova konstrukce.
I u této koncepce byly provedeny změny, jež měly za cíl zefektivnění provozu generátoru. Tyto změny byly především v oblasti přívodu a distribuce zplyňovacího média, izolace generátoru a odvodu vzniklého plynu tak, aby došlo k minimalizaci tepelných ztrát. Typickým příkladem takto inovovaného zařízení je generátor vyvinutý na NTNU (Norwegian University of Science and Technology) viz. Obrázek 5. Samotné tělo reaktoru je vyrobeno z keramiky, která především zvyšuje odolnost zařízení vůči oxidaci a vysokým teplotám. Dále je upraven přívod zplyňovacího média, které je přiváděno jak shora (80 %), tak z boku v několika vrstvách po výšce reaktoru (20 %). Při provozování tohoto generátoru byly nicméně zaznamenány problémy s nestabilitou provozu [4].
Dvoustupňový generátor
Na rozdíl od předchozích koncepcí, kde se všechny zóny nacházejí v jednom prostoru, v případě dvoustupňového generátoru jsou zóny pyrolýzy a redukce od sebe odděleny. Schéma konstrukčního provedení 100 kWth generátoru vyvinutého na DTU Kodaň je uvedeno na Obrázku 6. Prchavá hořlavina vystupující z pyrolyzní komory je v horní části druhé komory přiváděným vzduchem parciálně oxidována a vzniklé produkty procházejí vrstvou pevného uhlíku a popelovin, kde dochází k jejich redukci. Výška vrstvy ovlivňuje dobu zdržení jednotlivých složek, což má mimo jiné i vliv na snížení koncentrace dehtu ve výstupním plynu, ale také i tlakovou ztrátu. Tento typ zplyňovače se vyznačuje produkcí plynu o relativně vysokém spalném teplu (Qs=6,2 MJ/kg) s velice nízkým obsahem dehtů (<15 mg/m3).
Souproudé zplyňovací reaktory v ČR
V ČR je několik instalací kogeneračních jednotek, z nichž některé jsou zobrazeny v tabulce. Výkonově se jedná o instalace od 30 do 250 kWe. a jejich úroveň je odlišná. Stejně jako i jinde ve světě provozovatelé bojují s relativně vysokou finanční náročnosti a také s technickými a technologickými problémy, které genezi konkurenceschopného zařízení provázejí.
Závěr
Potenciál biomasy pro podílení se na energetických potřebách naší společnosti je relativně velký. Souproudý zplyňovací generátor je nejvhodnější volbou pro produkci nízkovýhřevného plynu ke kombinované výrobě tepla a elektrické energie. Pro danou aplikaci, jež tedy předpokládá termochemické využití biomasy, je při výběru zplyňovacího generátoru nutno vzít v úvahu především cílový produkt (teplo, elektrická energie popř. obojí), fyzikálně-chemickou charakteristiku paliva a rovněž provozně-technické omezení samotného zplyňovače. Generátor Imbertovy koncepce proto není například vhodný ke zplyňování paliv o nízké hustotě (kůra, skořápky) a jako mnohem vhodnější se jeví užití vrstevnatého generátoru, neboli generátoru s otevřeným vrchem. Obsah dehtu je zase nejnižší v případě dvoustupňového zplyňovače.
Použitá literatura
- [1] India: Aruna Biomass Gasification [online]. 2007 [cit. 2010-01-14]. Dostupný z WWW: <http://gasifiers.bioenergylists.org/arunabiomass>.
- [2] LIINANKI, L., SVENNINGSSON, P.J, THESSEN, G. Gasification of agricultural residues in a downdraft gasifier. 2nd International Producer Gas Conference,1985, Bangdung, Indonesia
- [3] REED, Thomas B., DAS, Agua. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier System. Golden, Colorado : Solar Energy Research Institute, 1988. 140 s. ISBN 1890607002.
- [4] BARRIO, Maria. Experimental Investigation Of Small-Scale Gasification Of Woody Biomass. [s.l.], 2002. 222 s. The Norwegian University of Science and Technology. Dizertační práce.
- [5] SKOBLIA, Siarhei. Úprava složení plynu ze zplyňování biomasy. Praha, 2004. 154 s. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. Vedoucí dizertační práce Doc. Ing. Bohumil Koutský, CSc.
- [6] SKOBLIA, S. a kol: Vlastnosti plynu produkovaného souproudým generátorem, zpráva MPO FT-TA3/112, VŠCHT Praha, říjen 2009.
- [7] Woody Biomass Conversion Technologies [online]. 2008 [cit. 2010-01-18]. Dostupný z WWW: <http://www.alternative-energy-fuels.com/biofuels/solid-biomass/woody-biomass-conversion-technologies>.
- [8] The Viking Two Stage Gasifier [online]. 2007 [cit. 2010-01-18]. Dostupný z WWW: <http://www.mek.dtu.dk/Forskning/Tema_artikler/Termiske%20Energisystemer/The_Viking_Two_stage_Ga sifier.aspx>.
Poděkování
Autoři děkuji MPO za finanční prostředky poskytnuté v rámce projektu FT-TA3/112. Část práce vznikla za podpory v rámci výzkumného záměru MŠMT ČR č. MSM6046137304.
TweetČlánek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem
Související články:
Zplyňování biomasy s kogenerací
Možnosti využití pokrutiny z výroby rostlinného oleje pro energetické účely
Kotel na biomasu pro ORC mikrokogenerační jednotku
Katalytické vysokoteplotní odstraňování dehtu z plynu z alotermního zplyňování biomasy
Zplyňování biomasy – možnosti uplatnění
Elektřina s vůní dřeva (1): Znovuobjevený dřevní plyn
Budoucnost dřevního plynu
Tuhé alternativní palivo s biomasou
Zobrazit ostatní články v kategorii Obnovitelné zdroje energie
Datum uveřejnění: 31.1.2011
Poslední změna: 27.1.2011
Počet shlédnutí: 9449
Citace tohoto článku:
BEŇO, Zdeněk, SKOBLIA, Siarhei: Souproudé zplyňovací generátory a jejich použití pro výrobu elektrické energie z biomasy. Energie z biomasy X“, VUT v Brně, 2009, ISBN 978-80-214-4027-2