NOWOCZESNE METODY TERMOCHEMICZNEJ KONWERSJI

dcio
Doświadczony
Posty: 314
Rejestracja: 16 lis 2005, 00:41

NOWOCZESNE METODY TERMOCHEMICZNEJ KONWERSJI

Postautor: dcio » 15 maja 2012, 17:44

Witold M. LEWANDOWSKI1, Ewa RADZIEMSKA1, Michał RYMS1
i Piotr OSTROWSKI1
NOWOCZESNE METODY TERMOCHEMICZNEJ KONWERSJI
BIOMASY W PALIWA GAZOWE, CIEKŁE I STAŁE


http://tchie.uni.opole.pl/ecoproc10b/Le ... CO10_2.pdf



dosc krotka to pozwole sobie wkleic.

Witold M. LEWANDOWSKI1, Ewa RADZIEMSKA1, Michał RYMS1
i Piotr OSTROWSKI1
NOWOCZESNE METODY TERMOCHEMICZNEJ KONWERSJI
BIOMASY W PALIWA GAZOWE, CIEKŁE I STAŁE
MODERN METHODS OF THERMOCHEMICAL BIOMASS CONVERSION
INTO GAS, LIQUID AND SOLID FUELS
Abstrakt: Wykorzystanie biomasy do produkcji ciepła w procesach bezpośredniego spalania lub współspalania
z węglem, polegające na konwersji zawartej w niej energii chemicznej związków węgla, wodoru i tlenu w energię
cieplną w kotłach, jest jednocześnie najtańszym, lecz - zdaniem wielu ekspertów - najmniej efektywnym
i ekonomicznie najmniej opłacalnym rozwiązaniem. W przypadku łącznej produkcji energii cieplnej i elektrycznej
w elektrociepłowniach opalanych biomasą (drewnem, słomą, surowcem z plantacji energetycznych, RDF-em itd.)
nakłady inwestycyjne są trochę wyższe, ale dzięki spalaniu fluidyzacyjnemu, kogeneracyjnym układom
skojarzonym, trigeneracji, układom ORC itd. sprawność konwersji rośnie, a także poprawia się efekt ekonomiczny
i ekologiczny. Najkorzystniejszą jednak, zarówno z punktu widzenia ekonomicznego, jak i technicznego, metodą
przetworzenia biomasy jest jej częściowe utlenienie, zgazowanie i piroliza pod kątem produkcji paliw płynnych,
z ewentualnym wykorzystaniem syntezy Fischer-Tropscha, uwodornienia i hydrokrakingu w odniesieniu do
produktów termicznego rozkładu biomasy. Niniejszy artykuł zawiera przegląd obecnie stosowanych,
nowoczesnych technologii wykorzystujących te procesy do produkcji biopaliw gazowych, ciekłych i stałych.
Słowa kluczowe: konwersja biomasy, piroliza, paliwa
Wykorzystanie biomasy do produkcji ciepła w procesach bezpośredniego spalania lub
współspalania jest ekonomicznie najmniej opłacalnym sposobem konwersji energii
chemicznej w użyteczną. Efektywniejszym sposobem jest konwersja w układach
kogeneracyjnych i trigeneracyjnych ze względu na ich większą sprawność. Jednak
najbardziej opłacalna jest konwersja w biopaliwa ciekłe lub gazowe [1, 2].
Termiczny rozkład biomasy
Termiczny rozkład biomasy jest procesem endotermicznym, wymagającym
beztlenowej atmosfery, prowadzi do powstania trzech produktów:
- biokarbonatu - węgla drzewnego, w przypadku rozkładu drewna,
- oleju, który jest mieszaniną węglowodorów,
- gazu - również mieszaniny węglowodorów, ale gazowych, o wartości opałowej
ok. 12 MJ/kg. Jego skład zależy od temperatury rozkładu biomasy i tak, np.: dla
temperatury 482ºC/926ºC w procentach objętościowych jest on następujący:
5,56/32,48 H2, 12,34/10,45 CH4, 33,50/35,25 CO, 3,03/1,07 C2H6, 0,71/2,43 C2H2.
W sumie gazy palne stanowią w tej mieszaninie 54,97% dla temperatury 482ºC lub
81,68% dla 926ºC [3].
Proporcje gazu, oleju i biokarbonatu w produktach rozpadu zależą od tempa przyrostu
temperatury, czasu rozkładu, temperatury i ciśnienia. Przy szybkim rozkładzie termicznym
ponad 65% biomasy przetwarza się w gaz (gazyfikacja), przy średnim tempie z ponad 70%
biomasy powstaje olej (piroliza) i przy rozkładzie powolnym otrzymuje się ponad 35%
1 Katedra Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska,
ul. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk, tel. 58 347 24 10, email: wlew@chem.pg.gda.pl
Witold M. Lewandowski, Ewa Radziemska, Michał Ryms i Piotr Ostrowski
454
biokarbonatu (biokarbonizacja). Okazuje się, że jest jeszcze jeden czynnik mający wpływ
na przebieg termicznego rozkładu biomasy, a mianowicie katalizator. Firmie Alphakat
GmbH w Buttenheim k. Norymbergi, Niemcy, dzięki dodaniu zeolitu glinokrzemowego do
termicznie rozkładanej biomasy (węgla, słomy oraz osadów z oczyszczalni ścieków
komunalnych) udało się przesunąć przebieg reakcji rozkładu w kierunku otrzymywania
większej ilości produktów ciekłych kosztem gazowych i stałych.
Proces termicznego rozkładu biomasy rozpoczyna się już od temperatury 200ºC, przy
czym górna wartość temperatury nie jest ograniczona, może nią być nawet temperatura
plazmy. Produktem końcowym jest węgiel drzewny i gazy pirolityczne.
W temperaturze pokojowej wykrapla się z gazu pirolitycznego ok. 30% (masy)
mieszanina olejów, alkoholi, węglowodorów i innych związków organicznych.
Zgazowanie
Temperatura gazyfikacji i częściowej pirolizy, ze względu na wytrzymałość instalacji,
nie powinna przekroczyć 950oC. Temperaturę tę reguluje się ilością wprowadzanej do
gazyfikatora pary wodnej, która reaguje endotermicznie z pozostałością po pirolizie -
węglem drzewnym:
2 (CH2O)n + n O2 → 2n CO + 2n H2O (1)
m C + m H2O → m CO + m H2 (2)
Otrzymany gaz jest mieszaniną pierwotnego gazu pirolitycznego z gazem wodnym,
a jego wartość opałowa wzrasta o ok. 50% i wynosi ok. 11 MJ/kg [3].
Proces zgazowania przeprowadza się w zamkniętych reaktorach zwykłych lub ze
złożem fluidalnym. Uzyskany gaz, głównie wodór i tlenek węgla, może być spalany
w kotle parowym, a wytworzoną parą można napędzać turbiny w elektrociepłowni. W innej
wersji gaz z biomasy można zastosować w turbinie gazowej. Z jednej tony biomasy, np.
drewna o wartości opałowej 16,2 MJ/kg, można w ten sposób otrzymać 1450 kW·h energii
elektrycznej. Gaz uzyskany ze zgazowania biomasy można również bezpośrednio
przetworzyć na prąd elektryczny w ogniwach paliwowych.
Gazyfikatory ze złożem stałym stosuje się przy mocach do ok. 1,5 MW przy układzie
współprądowym i ok. 2,5 MW dla zgazowania prowadzonego w przeciwprądzie. Reaktory
fluidalne mogą przetwarzać do ok. 15 Gg/h suchej biomasy, wytwarzając energię o mocy
od 25 do ok. 100 MW.
Biodegradacja termiczna połączona z uwodornieniem
Jest to również proces ciśnieniowego beztlenowego zgazowania biomasy, ale
prowadzony w taki sposób, aby produktem końcowym była jak największa ilość
węglowodorów płynnych. Reakcja przebiega dwuetapowo, w pierwszym etapie powstaje
gaz wodny, który redukuje następnie biomasę do węglowodorów płynnych:
(CH2O)n → n CO + n H2 (3)
2 (CH2O)n + H2 → CnH(2n + 2) + n CO + n H2O (4)
Wodór do uwodornienia można także pozyskać w wyniku zgazowania
hydrotermalnego mokrej biomasy w warunkach około krytycznych wody (Tc = 374,15ºC,
Pc = 22,14 MPa). Biomasa reaguje wówczas:
Nowoczesne metody termochemicznej konwersji biomasy w paliwa gazowe, ciekłe i stałe
455
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 +12H2 dla glukozy (5)
C6H10O5 + 7H2O → 6CO2 +12H2 dla celulozy (6)
W procesie zgazowania hydrotermalnego powstają wodór, tlenek węgla, znaczne ilości
metanu i wyższe węglowodory. Proces ten można prowadzić dwiema metodami:
- niskotemperaturowa T = 350÷600ºC z katalizatorem (ZrO2),
- średniotemperaturowa T = 500÷800ºC z katalizatorami KOH, KHCO3, K2CO3.
Sposób przetwarzania biomasy w biopaliwa płynne jest zdaniem specjalistów [4]
ekonomicznie najbardziej uzasadniony. Ich zdaniem, zyski z przetworzenia biomasy na
ciepło, przetworzonej na energię elektryczną lub w paliwa płynne mają się do siebie jak:
ciepło : energia elektryczna : paliwo płynne = 1 : 3 : 9 (7)
Dotychczasowa cena paliw nie była czynnikiem napędowym poszukiwania nowych
technologii. Obecnie, gdy sytuacja się zmieniła i znaczenie biopaliw wzrosło, można
przewidzieć wzrost zainteresowania biodegradacją termiczną biomasy w kierunku
pozyskiwania z niej biopaliw.
Piroliza biomasy
Pirolityczny termiczny rozkład biomasy jest złożonym procesem, w którym wzajemnie
nakładają się na siebie następujące reakcje: dehydratacja (odwodnienie), izomeryzacja,
aromatyzacja, zwęglenie, utlenienie i inne. Towarzyszą im reakcje wtórne, np.: termiczny
rozkład wody do gazu wodnego, kraking, reakcje syntezy syngazu i kondensacji itd.
Produktami w zależności od parametrów technologicznych, głównie temperatury
i szybkości jej wzrostu, są: para wodna, tlenki węgla, węglowodory alifatyczne
i aromatyczne, smoły, polimery, wodór i węgiel.
Biokarbonizacja biomasy
Plantacje energetyczne i inne źródła biomasy muszą być usytuowane w promieniu do
100 km od energetycznego zakładu przetwórczego. Ze względu na dużą kubaturę i mały
ciężar właściwy transport biomasy z dalszych odległości jest już nieopłacalny. Pewnym
rozwiązaniem tej niedogodności jest przetworzenie biomasy na biokarbon, który jest
czystym węglem i w którym koncentracja energii jest znacznie większa niż w biomasie.
Biokarbon gęstością wprawdzie nie dorównuje jeszcze węglowi kamiennemu, ale i tak
zasięg opłacalnego jego transportu do elektrociepłowni mieści się w obrębie terytorium
Polski.
Biokarbon, podobnie jak węgiel drzewny, otrzymuje się podczas ogrzewania biomasy
bez dostępu powietrza. Proces ten można przeprowadzać w zamkniętych reaktorach
z grzaniem płaszczowym:
(CH2O)n → n C + n H2O (8)
Próby uruchomienia w Wodyniu k. Elbląga pierwszej w Polsce komercyjnej inastalacji
do produkcji biokarbonu zakończyły się niepowodzeniem [5]. Natomiast instalacja
zrealizowana w Sędziszowie przez tych samych projektantów jest w stadium rozruchowym
[6, 7]. Po uruchomieniu jej okaże się, czy zdobyte w Wodyniu doświadczenia zaowocują
sukcesem.
Witold M. Lewandowski, Ewa Radziemska, Michał Ryms i Piotr Ostrowski
456
Dodatkową zaletą biokarbonu jako paliwa jest: możliwość jego spalania w dowolnym
kotle węglowym, bez konieczności jego modernizacji, brak w nim siarki, i jest możliwość
uzyskania na niego certyfikatu zielonej energii i dodatkowego zysku z handlu emisjami
(ograniczenie emisji CO2).
Instalacja do pirolitycznego recyklingu RDF-u
Przykładem pirolizy typu Flash może być instalacja bezciśnieniowa do przetwarzania
palnej frakcji odpadów RDF-u (Refuse Derived Fuel) [9, 10]. Z 1 kg odpadów
otrzymywano ok. 0,23 kg odzyskanego drobnoziarnistego węgla o temperaturze t = 760ºC
oraz mieszaninę gazowych i par ciekłych węglowodorów o temperaturze t = 510ºC. Po
szybkim schłodzeniu do ok. 80ºC, aby nie dopuścić do reakcji z węglem, uzyskiwano
paliwo ciekłe. Pozostały gaz po wieloetapowym oczyszczaniu był przekazywany do
przemysłowego wykorzystania. Część tego gazu zawracano do procesu w celu
podtrzymywania pirolizy. Efektem końcowym pirolizy RDF-u było: ok. 10% mas. wody,
20% węgla, 30% gazu i 40% paliwa ciekłego. Wydajność odzysku węgla o wartości
opałowej 20,9 MJ/kg i ok. 30% zawartości popiołu wynosiła ok. 7,5% w przeliczeniu na
suchą masę odpadów. Odpowiadające wartości w przypadku paliwa płynnego wynosiły:
wartość opałowa - 24,4 MJ/kg, zawartość popiołu od 0,2 do 0,4% i wydajność -
22,5% mas.
Instalacja pirolityczna Pyrocycling™
Pyrocycle™ Process jest procesem pirolitycznym opracowanym przez koncern
kanadyjsko-holenderski. Surowcem do przerobu jest pochodząca z tartaku kora z miękkich
drzew, suszona na powietrzu. Skład kompozycji surowca w przybliżeniu to: 31% obj. jodła
balsamiczna (Abies balsamea), 55% obj. - świerk biały (Picea glauca) i 14% obj. - świerk
czarny (Picea mariana). Wilgotność surowca na wlocie do reaktora to średnio 10% mas.
Przybliżona analiza produktu: 74,8% części lotnych, 22,3% węgla związanego oraz 2,9%
popiołu [11].
Podsumowanie
Produktem termicznego rozkładu biomasy jest biowęgiel, biopaliwa ciekłe i palny gaz
(wodny, generatorowy). Dzięki zwiększonej gęstości energii w tych przetworzonych
biopaliwach ich transport, magazynowanie i dalsze przetwarzanie jest ekonomicznie
i ekologicznie bardziej opłacalne niż surowej biomasy, która jest lekka i małokaloryczna.
Zaprezentowane w niniejszym opracowaniu metody przetwarzania biomasy w energię
użyteczną stanowią zaledwie niewielki wycinek z dostępnych na rynku możliwości. Celem
autorów nie było jednak wyczerpanie tematu, lecz zebranie najważniejszych,
zaawansowanych technicznie procesów w jednej pracy, co pomaga usystematyzować
aktualną wiedzę na ten temat. Ze względów redakcyjnych nie udało się zasygnalizować
tematów, takich jak: SunDiesel [21], ogniwa paliwowe (FC) [22], ORC [23] i innych.
Literatura
[1] Faaij A.P.C.: Bio-energy in Europe: changing technology choices. Energy Policy, 2006, (34), 322-342.
[2] Ballard-Tremeer G.: Opportunities for Biomass Energy Programmes - Experiences & Lessons Learned by
UNDP in EU & the CIS. Final Report 2007.
Nowoczesne metody termochemicznej konwersji biomasy w paliwa gazowe, ciekłe i stałe
457
[3] Pilawski M., Grzybek A. i Rogulska M.: Energetyczny recykling odpadów organicznych. Ekol. Techn., 2000,
2(44), 48-53.
[4] Popczyk J.: Development of bioenergy sector in the light of European energy and climate policies. Oil &
Fuels for Sustainable Development AUZO. Gdańsk 2008.
[5] Lewandowski W.M., Grochal B. i Licznerski E.: Wizja lokalna instalacji do produkcji biocarbonu z biomasy
w Wodyni k. Elbląga, Raport wewnętrzny. Gdańsk 2007.
[6] Gładka M. i Różycki A.: Technologia produkcji i spalania BIOwęgla® Fluid c.o Sędziszów, prezentacja,
http://paluszki.dmkproject.pl/krzychu/m ... ID_www.pdf
[7] Instalacja do produkcji BIOwęgla® w Sędziszowie w budowie, http://www.fluid.pl/www/pl/
strona_glowna_koop.html
[8] Klass D.L.: Biomass for Renewable Energy Fuels and Chemicals. Academic Press, San Diego 1998.
[9] U.S. Environmental Protection Agency: San Diego County Demonstrates Pyrolysis of Solid Wastes. Report
SW-80d.2. Washington, D.C. 1975.
[10] Preston G.T.: [W:] Clean Fuels from Biomass, Sewage, Urban Refuse, and Agricultural Wastes. (F. Ekman,
ed.). Institute of Gas Technology, Chicago 1976, 89.
[11] Rabe R.C.: A Model for the Vacuum Pyrolysis of Biomass, Master of Science degree, supervisor: prof. J.H.
Knoetze, Dep. of Process Engineering, The Univ. of Stellenbosh, Dec. 2005,
http://etd.sun.ac.za/jspui/bitstream/10 ... 1/Rabe.pdf
[12] Centrum Doskonałości CONBIOT, Termochemiczna konwersja paliw stałych, piroliza, zgazowanie, spalanie
biomasy i odpadów. Materiały elektroniczne, http://conbiot.ichpw.zabrze.pl/piroliza.htm.
[13] BTG Biomass Technology Group (Wlk. Brytania, Holandia, Niemcy), www.btgworld.com
[14] Pyrovac Group Inc. (Kanada), Ecosun b.v. (Holandia), http://www.enviroaccess.ca/pages/pyrovac_fr.html
[15] Roy C, Morin D. i Dubé F.: The biomass PyrocyclingTM process. [In:] M. Kaltschmitt, A.V. Bridgwater,
(eds): Biomass gasification & pyrolysis: state of the art and future prospects. CPL Press, UK, 1997, 307-315.
[16] Roy C., Blanchette D., de Caumia B., Dubé F., Pinault J., Belanger E. i Laprise P.: Industrial Scale
Demonstration of the Pyrocycling™ Process for the Conversion of Biomass to Biofuels and Chemicals. 1st
World Conference on Biomass for Energy and Industry. [In:] S. Kyritsis, A.A.C.M. Beenackers, P. Helm, A.
Grassi and D. Chiaramonti, (eds.): Proc. Conf. held in Sevilla, Spain. June 5-9, 2000. James & James
(Science Publishers) Ltd., London, UK, 2001 vol. II, 1032-1035.
[17] ENTECH Renewable Energy Technologies PTY Ltd. (Australia), http://www.entech.net.au/
[18] Waste Gas Technology Ltd. (Wlk. Brytania), www.wgtuk.com
[19] RATech (Polska), http://www.ratech.com.pl
[20] UC Prozesstechnik GmbH, Dillingen (Niemcy) www.ucgmbh.de
[21] Wolf B.: First industrial BTL plant in Freiberg. European Bioenergy Business Forum. Brussel, 6-7 Nov.
2006.
[22] Lens P., Westermann P., Haberbauer M. i Moreno A.: Biofuels for Fuel Cells: Renewable Energy from
Biomass Fermentation. IWA 2005.
[23] Obernberger I., Thonhofer P. i Reisenhofer E.: Description and evaluation of the new 1,000 kWel organic
rankine cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria. Euroheat and Power, 2002, 10.
MODERN METHODS OF THERMOCHEMICAL BIOMASS CONVERSION
INTO GAS, LIQUID AND SOLID FUELS
Department of Chemical Apparatus and Theory of Machines, Chemical Faculty, Gdansk University of Technology
Abstract: Biomass utilization through direct- or co-combustion with coal, based on coal, hydrogen and oxygen
compounds’ chemical energy conversion into heat in boilers, is simultaneously the cheapest and - according to
experts - economically least effective solution. In case of heat and electricity production in cogeneration process in
biomass fueled heat and power stations (wood, straw, energetic plants, RDF etc.), investment costs are little
higher, but considering fluidized combustion, combined heat and power (CHP) cogeneration systems, combined
heating cooling and power generation (CHCP) trigeneration systems, ORC systems etc. the efficiency increases as
well as the economical and ecological effects improve. Therefore, the most effective economical, and technical
alike, methods of biomass conversion are: partial oxidation, gasification, thermal decomposition (pyrolisis) and
biocarbonization processes. This paper includes review of present modern technologies taking advantage of these
processes in gas, liquid and solid fuels production.
Keywords: biomass conversion, pyrolisis, fuels

dziedzickrzysiek
Wtajemniczony
Posty: 10
Rejestracja: 12 paź 2012, 16:19

Re: NOWOCZESNE METODY TERMOCHEMICZNEJ KONWERSJI

Postautor: dziedzickrzysiek » 10 maja 2013, 20:11

Jeśli ktoś ma to w pdfie to prosił bym o przesłanie na maila bo link się nie otwiera :(

Mój adres: dziedzickrzysiek@poczta.fm

Będę wdzięczny

Ps macie coś o kinetyce spalania biomasy ewentualnie drewna albo słomy?

odyssa12
Wtajemniczony
Posty: 32
Rejestracja: 30 maja 2014, 13:14
Lokalizacja: Międzyrzecz
Kontaktowanie:

Re: NOWOCZESNE METODY TERMOCHEMICZNEJ KONWERSJI

Postautor: odyssa12 » 03 wrz 2014, 11:18

Super pomocne informacje. Wielkie dzięki


Wróć do „Literatura”

Kto jest online

Użytkownicy przeglądający to forum: Obecnie na forum nie ma żadnego zarejestrowanego użytkownika i 1 gość

cron