Odborné články

Zplyňování biomasy s kogenerací

Jindřich Šulc, Miroslav Richter, Karel Svoboda, Jiří Vacek

Druhá polovina 20. století a první dekáda 21. století byly ve znamení masivní těžby fosilních paliv. Do budoucnosti se jeví, že v České republice nelze spoléhat jen na klasické uhelné technologie výroby elektřiny a tepla, ale je třeba využít celé škály dalších zdrojů. Velkým zdrojem energie jsou a budou jaderné elektrárny s již klasickými jadernými uranovými reaktory, s novými typy množivých reaktorů a v budoucnosti se uvažuje i s průmyslovým využitím jaderné fúze. Náklady na projekci a výstavbu jaderných bloků jsou však enormní, v řádu stovek miliard Kč. Jadernou fúzi, tedy přeměnu deuteria a tritia na helium se ještě nepodařilo zvládnout, i když v Cadarache v jižní Francii se předpokládá spuštění prvního fuzního reaktoru v roce 2018.

Obr. 1: Nákres přetlakového zplyňovacího reaktoru D.S.K., spol. s r.o.

Jedním z řešení je využití obnovitelných zdrojů energie, ke kterým patří v našich podmínkách především energie vodní a energie z biomasy. Dále se počítá s rozšířeným využitím větrné energie, energie slunečního záření (fotovoltaickými elektrárnami) a geotermální energie. Energie biomasy se dá principiálně využít pomocí spalování nebo kombinací zplyňování a spalování. Pro co nejlepší využití energie biomasy je vhodná kogenerační výroba elektrické energie a tepla. V České republice jsou možnosti dalšího rozšiřování získávání energie z vodních, větrných a fotovoltaických zdrojů již relativně omezené. Reálnou možností do budoucnosti se jeví využití energie biomasy pomocí zplyňování. Jako palivo se mohou využívat zejména dřevná štěpka nebo peletky z dřevných odpadů. Pomocí zplyňování se vyrobí surový palivový plyn, ze kterého lze další chemickou konverzí získat vodík, případně lze tento plyn po náležitém vyčištění přímo spalovat v pístovém motoru nebo po kompresi ve spalovací turbíně.

Rezortní výzkumný úkol „Nové postupy a procesy zplyňování biomasy“, projekt Ministerstva průmyslu a obchodu ČR číslo FR-TI1/600 řeší společně strojírenská firma D.S.K., spol. s r.o., Rtyně nad Bílinou u Teplic a Fakulta životního prostředí Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem, která je spolupříjemcem účelové dotace. Cílem tohoto výzkumně-vývojového úkolu je vyřešit novou konstrukci zplyňovacího reaktoru, čištění vyrobeného generátorového plynu a jeho následné energetické využití v kogenerační jednotce výkonu řádově 200 kW elektrických a 350 kW tepelných. Projekt se začal řešit v roce 2009 a bude pokračovat do roku 2012, předpokládané neinvestiční náklady na řešení projektu jsou v plánované výši 45,5 mil. Kč.

Obr. 2: Laboratoř UJEP v areálu D.S.K., spol. s r.o. v Újezdečku

Na projektu velmi úzce spolupracují kromě velmi zkušených strojařů z D.S.K., spol. s r.o., kteří se přímo podílejí na konstrukci i výrobě zplyňovacího aparátu a na konstrukci a výrobě linky na čištění plynu, i chemici z FŽP UJEP a přední odborníci na zplyňování z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze (VŠCHT Praha), Ústavu chemických procesů Akademie věd ČR (ÚChP AV ČR) a další špičkoví odborníci z tohoto oboru. Podařilo se tedy sestavit výzkumný tým z předních odborníků z celé České republiky. Tento projekt má velmi důležitý realizační výstup - „Poloprovozní prototyp přetlakového zplyňovače včetně čištění generátorového plynu a připojení na kogenerační jednotku.“

Protože v minulých 20 letech byl aplikovaný výzkum v České republice velmi omezen a řada resortních výzkumných ústavů v oblasti chemie, skla, keramiky i energetiky fakticky zanikla, bylo nutné sestavit řešitelský tým z realizátora, společnosti energetického strojírenství D.S.K., spol. s r.o., univerzit, Ústavu Akademie věd a dalších špičkových odborníků ad hoc, tedy k technologii zplyňování biomasy resp. k projektu číslo FR-TI1/600. V daných podmínkách České republiky je tento postup vzhledem k atomizaci aplikační výzkumné sféry jedině možný a reálný.

V minulých letech po vybudování „Technologického centra“ získala společnost D.S.K., spol. s r.o., Rtyně nad Bílinou významné poznatky při zplyňování biomasy, které byly použity pro originální konstrukční řešení nového přetlakového zplyňovacího reaktoru. Konstrukce reaktoru se liší od klasického reaktoru se sesuvným ložem (s gravitačním tokem materiálu) vzestupným, suvným tokem materiálu (biomasy) hnaným a regulovaným pomocí vertikálního šneku. Modifikované konstrukční řešení spočívá v dávkování biomasy, např. dřevěných peletek, zespoda pomocí soustavy dvou na sobě kolmých šnekových podavačů, z nichž druhý, vertikální zasahuje do vlastní reakční zóny. Nákres reaktoru je uvedeno na obr. 1.

V reaktoru probíhají všeobecně známé reakce. Nejprve dochází k odpařování vody, dále pak k oxidaci uhlíku na oxid uhličitý, následně pak k jeho redukci na oxid uhelnatý i k částečné konverzi uhlíku s vodní parou na oxid uhelnatý a vodík.

Oxidačně-redukční reakce uhlíku lze zjednodušeně popsat následujícími rovnicemi:

C + O₂ = CO₂ ∆H₂₉₈ = - 394 kJ/mol (1)

C + CO₂ = 2 CO ∆H₂₉₈ = + 173 kJ/mol (2)

2 C + O₂ = 2 CO ∆H₂₉₈ = - 221 kJ/mol (3)

Reakce rozkladu vodní páry probíhá zejména podle následující reakce:

C + H₂O = CO + H₂ ∆H298 = + 131 kJ/mol (4)

Pak tam částečně běží také reakce:

CO + H₂O = CO₂ + H₂ ∆H298 = - 41 kJ/mol (5)

Při zplyňování dřeva probíhají simultánně následné reakce: uvolňování a nedokonalá oxidace prchavé hořlaviny, nedokonalé spalování uhlíku (3), gasifikace uhlíku (4) a částečná konverze vodního plynu (5).

Kromě těchto výše uvedených jednoduchých reakcí probíhají ve zplyňovacím reaktoru složitější pochody generátorového rozkladu dřevné hmoty, které vedou ke vzniku různých organických sloučenin a dehtu, což jsou v podstatě směsi polycyklických aromátů různého strukturálního vzorce a heterocyklické sloučeniny.

V průběhu roku 2009 byla v Ústavu chemických procesů Akademie věd vypracována literární rešerše vlastní zplyňovací technologie dřeva a následného čištění vznikajících generátorových plynů [1]. Při souproudně uspořádaném reaktoru, jaký je v provozu v D.S.K. se pro zplyňování z energetických důvodů doporučuje udržet vstupní vlhkost paliva do 25 % hmotnostních. Tepelné zabarvení zplyňování je dáno stupněm konverze paliva. Mírně endotermní charakter zplyňování převládá při nízké konverzi, naopak při vysoké konverzi paliva lze očekávat mírně exotermní charakter zplyňování.

Tabulka 1: Složení generátorového plynu z reaktoru konstrukce dle D.S.K., spol. s r.o.

Prvním modelem zplyňování biomasy v inertním prostředí, tedy v prostředí N₂ se zabýval Bamford [2], další velmi známý model vytvořili Pyle a Zaror [3]. V průběhu zplyňování probíhají exotermní i endotermní reakce, a to primární a následně i sekundární. Primární reakce jsou dány lokální teplotou v konkrétním místě částice, sekundární reakce zahrnují reakce primárních generátorových produktů i interakcí pevná fáze – plyn. Sdílení tepla má klíčový vliv, neboť určujícím faktorem je teplota. Při zplyňovacích reakcích dochází ke vzniku plynů a těkavých látek, a to má za následek sdílení tepla prouděním. Zplyňováním je biomasa (např. dřevěné peletky) rozložena na těkavé složky, plyn a koksík (převážně nezreagovaný uhlík). Nejdůležitějším závěrem experimentů je to, že u malých částic do velikosti setin až desetiny milimetru je limitujícím faktorem reakční kinetika zplyňování, v případě větších částic je limitujícím faktorem sdílení tepla do částice biomasy. Výsledný generátorový plyn získaný z reaktoru konstrukce dle D.S.K. má následující složení uvedené v tabulce 1.

Výhřevnost generátorového plynu získaného ze zplyňovacího reaktoru D.S.K. se pohybuje v rozmezí 4 až 5 MJ/Nm³. Výhřevnost tohoto plynu je poměrně malá.Tento plyn je však vhodný zejména pro energetické využití ve speciálním plynovém motoru.

Ve světě jsou známy i jiné metody zplyňování biomasy, které jsou však technologicky i investičně značně nákladnější, a také složitější. Příkladem je zplyňovací jednotka v Technologische Zentrum v rakouském Güssingu [4], kde je použito duálního fluidního reaktoru, kde je oddělena část spalovací a zplyňovací (mezi kterými se pouze sdílí teplo a část paliva). Ve druhém stupni je oxid uhelnatý z generátorového plynu konvertován pomocí vodní páry na H₂ a CO₂. Tento plyn (s velmi nízkým obsahem dusíku) je pak velmi bohatý na vodík a je určitý luxus jej spalovat. Lze jej však s výhodou použít pro technologii Fischer- Tropsch, tedy na následnou hydrogenaci a výrobu syntézních kapalných paliv za použití vodíku, který byl primárně připraven ze dřevných štěpků.

Další rozsáhlou problematikou zplyňování biomasy je dokonalé čištění generátorového plynu vhodného pro spalovací motor. Ve společnosti D.S.K. bylo v minulých letech experimentálně provozně odzkoušeno suché i mokré čištění plynu resp. jejich kombinace. Provozní zkušenosti ukazují, že suchým způsobem odlučování na bázi cyklonů lze odloučit jen tuhé nezreagované částice nebo prach jen do velikosti zpravidla větší než asi 2 µm. Dalším problémem je odstranění dehtů. Proto za suchým čištěním v cyklonu musí následovat mokrá vypírka. Použití vody jako polárního činidla zatím experimentálně nevedlo k žádoucím výsledkům, neboť malé uhlíkaté částice a dehty, což jsou polycyklické aromáty, se vodou špatně smáčejí a tudíž postupem času vznikají dvě fáze, tj. fáze dehtová a fáze vodná. V návaznosti na tuto problematiku provedl ÚChP AV Praha literární rešerši vypírky dehtů případně i zbytkových uhlíkatých částic vyrobených z biomasy. Jednostupňová vypírka dehtů je instalována např. na zařízení Pyrotherm v Güssingu [5]. Toto zařízení umožňuje odstranit dehet z plynu až na čistotu vhodnou pro plynový motor tj. pod 50 mg/m³. Plyn ze zplyňovacího reaktoru, kde probíhají generátorové reakce při teplotě 850 až 900 °C je ochlazen v tepelném výměníku až na teplotu 160 až 180 °C a následně přefiltrován na tkaninovém filtru, kde dojde k zachycení pevných uhlíkatých částic, které jsou opět vráceny do zplyňovacího reaktoru. Následně je plyn veden do olejové pračky, kde je ochlazen na teplotu 40 až 50 °C. V olejové pračce je plyn zbaven zbytkového podílu pevných částic, dehtu a vody. Olej je veden do separátoru, kde je oddělena emulze vody a oleje. Tato emulze je vedena do výparníku, kde dojde k odstranění vody a zbytek (znečištěný olej) je veden zpět do spalovací části reaktoru.

V technologii D.S.K. se na základě vlastních experimentů i na základě doporučení FŽP UJEP a ÚChP AV upravila technologie čištění plynů. Hrubé čištění plynu od tuhé fáze probíhá v cyklonu, který je umístěn za zplyňovacím reaktorem. Vypírka tuhých uhlíkatých částic a dehtu probíhá v organickém rozpouštědle. Dočištění od anorganických nečistot např. NH₃ probíhá ve vodní pračce a dočištění se provádí v multicyklonech před plynovým motorem kogenerace.

V rámci rezortního výzkumného úkolu navrhli zaměstnanci FŽP UJEP Ústí nad Labem a VŠCHT Praha zařízení „Laboratoře UJEP v D.S.K. Újezdeček“. Od října 2009 do února 2010 probíhaly v D.S.K. opravy stávajícího objektu na laboratoř. Zařízení laboratoře UJEP bylo koncipováno tak, aby se v ní nechaly provádět základní rozbory biomasy určené ke zplyňování, tj. stanovení množství vody, hořlavin a popela. Laboratoř je vybavena i bodotávkem na měření bodu tání popela a kalorimetrem na stanovení výhřevnosti a spalného tepla biomasy. V budoucnosti se počítá s moderním plynovým chromatografem na stanovení plynných produktů biomasy, včetně některých organických látek viz obr. 2.

Obr. 3: Zplyňovací linka na biomasu v D.S.K., spol. s r. o.

Řešení zplyňovací technologie biomasy v rámci resortního výzkumného úkolu Ministerstva průmyslu a obchodu ČR bylo pojato společností D.S.K. a FŽP UJEP komplexně. Simultánně je řešena konstrukce přetlakového zplyňovacího reaktoru, čištění generátorového plynu a jeho spalování v kogenerační jednotce. Celkový pohled na technologii je uveden na obr. 3.

Komparativní výhodou technologie zplyňování biomasy podle D.S.K. je velmi výhodný poměr mezi investičními náklady zařízení a instalovaným výkonem jednotky (v kW elektrických + kW tepelných), který je srovnatelný s tepelnými kondenzačními elektrárnami na uhlí a je mnohonásobně efektivnější v komparaci s fotovoltaickými elektrárnami. Bilance CO₂ u zplyňovacích elektráren je neutrální, neboť oxid uhličitý vzniklý ve spalovacím motoru je kompenzován potřebou CO₂ pro nárůst dřevné hmoty, která je základní surovinou pro zplyňování.

Poděkování

Autoři děkují Ministerstvu průmyslu a obchodu, které financuje tento projekt, čímž umožnilo aplikovaný a průmyslový výzkum v oboru zplyňování biomasy.

Použitá literatura

Svoboda, K. a kol.: Nové postupy a procesy zplyňování biomasy, průběžná zpráva projektu č. FR-TI1/600. ÚChP AV, Praha 2009.
Bamford, C.H., Crank, J., Malan, D.H.: The Combustion of Wood, Proceed. Cambr. Phil. Soc., vol. 42 (1946), s. 166-182.
Pyle, D.L., Zaror, C.A.: Heat transfer and kinetice in the low temperature pyrolysisof solids. Chemical Engineering Science, vol. 39 (1984), s. 147-158.
Vaňková M.: Technologische Zentrum Güssing. Firemní prezentace technologického centra Güssing. 2009.
Fixed-bed Gasification Pyrotherm [online]. 2009- [cit. 8.12.2009]. Dostupný z WWW: <http://get.ac.at/Downloads.html>.

Článek vyšel ve sborníku ODPADOVÉ FÓRUM 2010 (21. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou).