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.

Obr. 1: Světové zdroje energie (Energy Information Administration, 2006)

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.

Obr. 2A: Souproudý zplyňovací generátor v kombinaci s plynovým motorem [1]

Obr. 2B: Souproudý zplyňovací generátor v kombinaci s plynovým motorem [1]

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.

Obr. 3: Schéma souproudého zplyňovacího generátoru [7]

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 kW_e. 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.

Obr. 4A: Upravený Imbertův generátor

Obr. 4B: Modifikace hrdel a umístění trysek

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.

Obr. 5: Generátor s otevřeným vrchem instalovaný na NTNU, Norsko [4]

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].

Obr. 6: Schéma dvoustupňového generátoru umístěném na DTU, Dánsko [8]

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).

Tabulka: Kogenerační jednotky v ČR (tabulka odráží stav z první poloviny roku 2009)

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 kW_e. 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.

Obr. 7A: Generátor a upravený vznětový motor kogenerační jednotky lokalizované v obci Louka

Obr. 7B: Generátor a upravený vznětový motor kogenerační jednotky lokalizované v obci Louka

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. [1] India: Aruna Biomass Gasification [online]. 2007 [cit. 2010-01-14]. Dostupný z WWW: <http://gasifiers.bioenergylists.org/arunabiomass>.
2. [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. [3] REED, Thomas B., DAS, Agua. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier System. Golden, Colorado : Solar Energy Research Institute, 1988. 140 s. ISBN 1890607002.
4. [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. [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. [6] SKOBLIA, S. a kol: Vlastnosti plynu produkovaného souproudým generátorem, zpráva MPO FT-TA3/112, VŠCHT Praha, říjen 2009.
7. [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. [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.

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