Popis technologie Biofluid, Ateko a.s.

1. Úvod

Ateko a.s. (dříve Výzkumný ústav potravinářské, chemické a chladicí techniky v rámci Cheposu) se zabývá problematikou zplyňování tuhých paliv již několik desítek let. Do konce 60. let tomu tak bylo v souvislosti s výstavbou tlakových plynáren (Úžin - Rusko, Vřesová) vybavených generátory se sesuvným ložem. V 70. a 80. letech byl vyvíjen proces tlakového fluidního zplyňování uhlí určený pro paroplynový cyklus výroby elektrické energie. V letech 90. byl vývoj zastaven a pozornost se obrátila k vývoji kapacitně menších zařízení, která by zplyňovala alternativní suroviny - fytomasa a komunální odpad (dále v souladu se světovou terminologií RDF - Refuse-derived Fuel nebo dle zvyklostí třídírny KAPO TTS - tuhá topná směs). Zatímco o zplyňování fytomasy (nejčastěji dřevního odpadu) existuje již dnes řada publikací, zplyňování RDF je dosud v počátcích.

Jediná zařízení průmyslového typu, o němž byly publikovány určité údaje, je zařízení fy. TPS - Thermal Process AB - Studvik realizované v Gréve in Chianti v Itálii a zařízení vyvinuté fy. LURGI v cementárně v Rudersdorfu. V obou případech se jedná o cirkulační fluidní zařízení u něhož je RDF zplyňována nepředehřívaným vzduchem. Vyrobený plyn je použit pro otop rotační vápenkářské resp. cementářské pece.

2. Teoretická část

Zatímco při spalování se chemická energie obsažená v palivu transformuje přímo na energii tepelnou, při zplyňování se chemická energie transformuje na jiný druh chemické energie vázanou na plynnou fázi. Celý proces si lze přitom rozdělit na tři dílčí. V první fázi dochází k dosušení paliva. Ve fázi druhé z paliva uniká prchavá hořlavina. Tento proces nazýváme pyrolýzou. V třetí fázi, při vlastním zplyňování, pyrolýzní plyn částečně shoří a uvolněné teplo je využito pro krytí potřeb některých endotermních redukčních reakcí za vzniku CO, CO₂, CH₄ a H₂, což jsou hlavní složky vygenerovaného nízkokalorického plynu.

Pyrolýza

Při procesu zplyňování se (po vysušení paliva) v první fázi za teploty cca 500 - 600°C uvolní z paliva prchavá hořlavina, což je směs různých plynných uhlovodíků. Odplyněný zbytek je tvořen téměř pouze popelem a čistým uhlíkem (dále jen polokoks). Tato první fáze se nazývá pyrolýza.

Pyrolýzou tedy rozumíme tepelnou degradaci materiálu za vzniku polokoksu a směsi plynů - vodní pára a plynné uhlovodíky. Hlavními faktory ovlivňující průběh a složení produktů pyrolýzy jsou okamžitá teplota v pyrolýzní zóně reaktoru (zóna je však prostorově a časově rozlišitelná pouze u reaktorů se sesuvným ložem), teplotní gradient, granulometrie paliva a rychlost přívodu tepla do něj. Protože jsou produkty pyrolýzy podrobeny v průběhu zplyňování dalším transformacím, nemá poměr vzniklého polokoksu ku množství uvolněné prchavé hořlaviny vliv na kvalitu konečného produktu.

Zplyňování

V této fázi se produkt pyrolýzy (pyrolýzní plyn) částečně spálí a uvolněné teplo je spotřebováno při reakcích, v nichž z pevného uhlíku vzniká CO, CO₂, H₂ a CH₄. Jde tedy o reakci uhlíku, produktů pyrolýzy a vzduchu (používá se i přehřátá vodní pára nebo CO₂). Dochází zde k tepelné rovnováze mezi reakcemi exotermickými (teplo produkujícími) a endotermickými (teplo spotřebovávajícími). Stav, kdy systém teplo ani neprodukuje, ani nespotřebovává a teplota v reaktoru je konstantní nazýváme autotermní (exotermické reakce kryjí potřebu endotermických a naopak). Cílem vedení procesu je dosažení tohoto autotermního stavu.

Reakcemi probíhajícími při zplyňování z hlediska tepelné rovnováhy se zabývá termodynamika. Následující reakce, probíhající mezi dřevěným uhlím a zplyňovacím médiem, jsou pro průběh procesu zplyňování určující.

Heterogenní reakce uhlíku s CO2
C + CO2 ↔ 2 CO	(1)	DHr = 172 kJ / mol
Heterogenní reakce uhlíku s vodní parou
C + H2O ↔ CO + H2	(2)	DHr = 131 kJ / mol
Homogenní reakce v plynné fázi (konverze vodní parou)
CO + H2O ↔ H2 + CO2	(3)	DHr = - 41, 2 kJ / mol
Metanizační reakce
C + 2 H2 ↔ CH4	(4)	DHr = - 74, 9 kJ / mol
Oxidační reakce
C + O2 ↔ CO2	(5)	DHr = - 393, 8 kJ / mol

Horké produkty spalování pyrolýzního plynu (CO₂ a H₂O) reagují s uhlíkem podle reakcí (1) a (2). Tyto reakce spotřebují část tepla, které se uvolní reakcí (5). Reakce (1) a (2), které jsou pro výrobu hořlavého plynu rozhodující probíhají při teplotách pod 700 - 800°C velmi pomalu. Z tohoto důvodu je i tato teplota nejnižší hranicí, při které lze proces zplyňování úspěšně provozovat. Metanizační reakce (4) probíhá velmi pomalu a metan v plynu pochází z největší části z prchavé hořlaviny.

Možnosti využití generátorového plynu ve vápenkách a cementárnách

V cementárnách se TTS (RDF) používá pro náhradu části ušlechtilých paliv v cementářské rotační peci již řadu let. TTS obsahuje především plasty, PET-láhve, drcené kůže, papír, dřevo, dřevěné piliny a textil. Palivo je spalováno přímo v hořáku osazeném na rotační peci. Ve vápenkách není přímé spalování TTS možné z důvodu snížení kvality produkovaného vápna (zhoršení jeho bělosti), proto je třeba nejprve energii obsaženou v TTS transformovat do generátorového plynu, který lze poté použít pro náhradu části zemního plynu používaného dosud pro otop vápenkářských (jak šachtových, tak rotačních) pecí. Použití generátorového plynu má nesporné ekonomické výhody a návratnost investice instalace zplyňovacího zařízení je do tří let (v závislosti na instalovaném výkonu - až 1 rok).

Zplyňovat lze různá paliva - uhlí, biomasa, TTS (RDF) i odpadní kaly. Technologie Biofluid je schopna zpracovávat všechna tato paliva.

3. Experimentální část

Unikátní zařízení, které zplyňováním TTS (získává se tříděním průmyslového odpadu) vyrábí energoplyn pro náhradu zemního plynu k otopu vápenkářských pecí, je nyní testováno v rámci zkušebního provozu v akciové společnosti Vápenka Prachovice. Vápenku od poloviny minulého roku vlastní belgická společnost Carmeuse patřící k největším světovým firmám, které se zabývají vápenickými aktivitami.

Vápenka Prachovice, vyrábějící vápenný hydrát v množství přesahující 100 000 t ročně, provozuje 4 šachtové pece vytápěné zemním plynem systémem ejekčních injektorových hořáků. Roční náklady na zemní plyn přesahují 25 mil. Kč. Instalované zplyňovací zařízení zpracovává 700 kg/h TTS a vyrobí energoplyn odpovídající tepelnému výkonu 2,6 MW. Pro spalování energoplynu, který má oproti zemnímu plynu výrazně nižší výhřevnost pouze okolo 6 - 7 MJ/Nm³, byly vyvinuty speciální hořáky, které u dvou pecí nahradily polovinu původních hořáků. První testy s výpalem vápna nepotvrdily obavy týkající se nižší "ostrosti" plamene a tudíž zhoršené kvality produktu. Zkušební provoz zplyňovací jednotky by měl ověřit jednak provoz zplyňovacího reaktoru ve vazbě na provoz vápenkářských pecí (jejich provozní podtlak se pohybuje okolo 3 kPa) a současně dořešit některé problémy spojené se zplyňováním odpadu (proměnné složení suroviny, podíl plastů v surovině, zanášení reaktoru a výměnných ploch). Výsledkem zkušebního provozu bude předání zařízení do trvalého provozu spolu se zpracováním provozního předpisu a způsobu optimálního řízení zplyňovacího režimu.

Surovina (TTS) je přivážena během jedné směny nákladními auty a dopravena do hlavního zásobníku paliva (sila). Silo je dimenzováno na 24 hodin nepřetržitého provozu (cca 180 m³).

Ze sila je surovina dopravována do dvou provozních zásobníků. Mezi zásobníky jsou šoupátka a oba zásobníky jsou opatřeny rozrušovačem klenby . Zásobníky pracují následujícím způsobem. Při otevřeném horním šoupátku a uzavřeném spodním šoupátku proběhne plnění velkého zásobníku. Zásobník je dimenzován na cca 2 hodinový provoz a po dobu uzavřeného spodního šoupátka je surovina odebírána z malého zásobníku. Ten je dimenzován na cca 1 hodinovou kapacitu. Po ukončení plnění velkého zásobníku se horní šoupátko uzavře, spodní šoupátko se otevře a surovina postupuje z horního do spodního zásobníku. Po další hodině se celý proces opakuje.

V reaktoru se surovina zplyňuje vzduchem stlačovaným dmychadlem a předehřátým vyrobeným plynem na cca 500°C. Vzduch vstupuje do reaktoru spodem, vytváří se surovinou fluidní vrstvu a při teplotě cca 750°C dochází ke zplynění suroviny. Úlet z reaktoru je odlučován v cyklónu a vracen zpět do reaktoru. Popelové aglomeráty tvořené pískem, kameny atd. se spolu s nezplyněným nedopalem vypouštějí ze spodní části reaktoru do nádoby na popel.

Odprášený plyn se chladí ve výměníku a s teplotou 550°C jde jako palivo do pece. Zbytkový úlet projde spolu s plynem hořákem a je dopálen v peci. Celá technologie je automaticky řízena řídicím počítačem. Na obrazovce řídicího počítače (Obr. 1) jsou zobrazovány měřené technologické hodnoty, funkce regulačních ventilů a pohonů technologických zařízení s možností jejich ovládání. Popel z kontejneru (obsahuje max. 20 % spalitelného podílu) je odvážen a zpracováván v cementárně.

Celý proces je výjimečný tím, že řeší současně dva palčivé problémy. Jednak likviduje odpad, jež nám v posledních letech působí stále více starostí, a současně vyrábí plyn, který je schopen nahradit stále dražší a v zásobách se tenčící zemní plyn. To jsou i důvody, proč celý projekt je ekonomicky velice zajímavý a má velkou šanci stát se perspektivním dodavatelským programem. O tom svědčí i zvýšený zájem o výsledky zkušebního provozu jak ze strany majitele Cementárny Prachovice a.s., švýcarské firmy "HOLCIM", Financiere Glaris, AG, tak i od představitelů dalších firem zabývajících se cementářskými a vápenickými aktivitami.

4. Výsledky

Tabulka 1 udává výsledky hrubých rozborů TTS, popela a prachu unášeného plynem (úlet). Tabulka 2 udává výsledky elementárních rozborů TTS.

Energoplyn je produkt fluidního zplyňování TTS. Vlhký energoplyn má následující složení:

N2	52,25 %
CO2	14,71 %
CO	12,16 %
H2	8,13 %
CH4	3,65 %
C2H4	2,47 %
C3H8	0,90 %
H2O	5,73 %
Dehet	6 g/Nm3
Prach v plynu	7 g/Nm3
Výhřevnost	6,04 MJ/Nm3

Obr. 2: Schéma zplyňovacího zařízení
Obr. 3: Pohled na zařízení Biofluid Prachovice
Obr. 4: Osazení vápenkářské šachtové pece hořákem na směsné palivo
Obr. 5: Seřizování ostrosti plamene hořáku na směsné palivo osazeného na šachtové peci

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