Piroliza biomasy

Termochemiczna konwersja biomasy i bioodpadów z wykorzystaniem procesów

pirolizy i zgazowania Sławomir Stelmach

E2BEBIS – ŚRODOWISKOWE I EKONOMICZNE KORZYŚCI Z UTWORZENIA KLASTRÓW

BIOWĘGLOWYCHNA OBSZARZE EUROPY ŚRODKOWEJ

Otwarte seminarium:

Piroliza biomasy - zrównoważona technologiawytwarzania biowęgla i energii odnawialnej

06 grudnia 2013, Opole

Zakres prezentacji

2/32

1 • Wprowadzenie• Informacja nt. pirolizy i zgazowania• Właściwości biomasy i bioodpadów

• Przykłady instalacji pirolizy• Przykłady instalacji zgazowania• Podsumowanie

2

3

5

6

7

• Koncepcja biorafinerii4

Obszary działalności IChPW

3/32

Paliwa

Koksownictwo Termicznakonwersja odpadów

Energetyka

Piroliza

Zgazowanie

Spalanie

Piroliza

4/32

WODA

FRAKCJAORGANICZNA

FRAKCJANIEORGANICZNA

(MINERALNA)

ODPAD/BIOMASA

CIEPŁO

CIEPŁO

Woda(z wilgoci +

pirogenetyczna)

Gazypirolityczne

Pozostałośćwęglowa

Frakcjamineralna

SKŁADNIKIKONDENSUJĄCE

SKŁADNIKINIEKONDENSUJĄCE

GORĄCY GAZPIROLITYCZNY

KARBONIZAT

PALIWO CIEKŁE(bez lub po

oddzieleniu wody)

GAZ PALNY

PALIWO STAŁE

SORTOWANIE

Frakcjamineralna

proces termochemiczny, polegający na konwersji lub dekompozycji substancji (paliwa) pod wpływem ogrzewania w atmosferze beztlenowej.

produkty:• gaz pirolityczny (CO2, CO, CH4, CnHm, H2, H2S, pył i inne śladowe

zanieczyszczenia),• frakcja ciekła, wodno-smołowo-olejowa, w tym węglowodory z grupami

funkcyjnymi zawierającymi tlen, siarkę i/lub azot,• karbonizat, zawierający głównie Cfix oraz inne składniki nieorganiczne.

• piroliza konwencjonalna (wolna)(0.1-1 K/s, 45-550 s)

• piroliza szybka (10-200 K/s, 0,5-10 s)

• piroliza błyskawiczna(>1000 K/s, <0,5 s)

Zgazowanie

5/32

Zgazowanie następuje na skutek reakcji paliwa stałego z czynnikami utleniającymi (tlen, powietrze, para wodna, dwutlenek węgla) w warunkach wysokiej temperatury i/lub podwyższonego ciśnienia.

Główny produkt zgazowania - palny gaz (CO, H2, CH4, CO2, zanieczyszczenia smoliste i pył).

Podstawowy proces zgazowania opisują w uproszczony sposób poniższe równania chemiczne:

C(paliwo) + O2 = CO2 + ciepło (reakcja egzotermiczna)C + H2O(para) = CO + H2 (reakcja endotermiczna)C + CO2 = 2CO (reakcja endotermiczna)C + 2H2 = CH4 (reakcja egzotermiczna)CO + H2O = CO2 + H2 (reakcja egzotermiczna)CO + 3H2 = CH4 + H2O (reakcja egzotermiczna)

Porównanie procesów

6/32

SUROWIEC

SUROWIEC

SUROWIEC

Nadmiarpowietrza

Niedomiarpowietrza

Brak powietrza

CIEPŁO

SPALINY

POPIÓŁ

POPIÓŁ

OLEJEKARBONIZAT

GAZ

GAZ

PODSTAWOWY PRODUKT:wysokokaloryczny gaz i karbonizat

SPALANIEOgrzewanie bezpośredniepoprzez bezpośrednie spalanie paliwa

ZGAZOWANIE

PIROLIZA

Ogrzewanie bezpośredniepoprzez częściowe spalanie paliwa

Ogrzewanie pośredniespalinami ze spalania paliwa - bezprzeponowospalinami lub energią elektryczną - przeponowo

PODSTAWOWY PRODUKT:energia

PODSTAWOWY PRODUKT:gaz średnio/niskokaloryczny

1

0

WS

PÓ

ŁCZY

NN

IK N

AD

MIA

RU

PO

WIE

TRZA

Wykorzystanie biomasy dla produkcji energii

7/32

Połaniec power plant

• dostępność (teoretycznie niewyczerpalne źródło energii)

• spalanie biomasy – zerowa wartość emisji CO2 netto

• spalanie lub współspalanie biomasy pozwala obniżyć emisję tlenków siarki, tlenków azotu i pyłów (niewielkie oddziaływanie środowiskowe)

Zalety:

Wady:• relatywnie wysoki koszt• gorsze właściwości

energetyczne w porównaniu do węgla

• możliwe wylesianie (deforestacja)

• problemy z magazynowaniem i transportem (np. zagniwanie)

Źródła biomasy

8/32

Drewno i jego pochodne

na przykład drewno drzew iglastych i liściastych, zdrewniałe łodygi roślin, gałęzie, kora, wióry, zrębki itp.

Biomasa agrarna trawy i kwiaty - lucerna, bambus, miskant olbrzymi, proso rózgowe, itp., słomy - jęczmień, kukurydza, owies, ryż, żyto, pszenica i inne, inne pozostałości roślinne - owoce, łupiny nasion, plewy, ziarna, nasiona, pędy, wytłoki, pasza, odpady spożywcze i inne

Biomasa z wód algi, glony Biomasa zwierzęca np. odpady z przetwórstwa drobiu, mączka

zwierzęca Odpady biodegradowalne

np. osady ściekowe, odpady z przemysłu papierniczego, opakowania drewniane, podkłady kolejowe etc.

Właściwości biomasy

9/32

• umiarkowana wartość opałowa i zazwyczaj wysoka zawartość wilgoci

• około dwukrotnie niższa zawartość węgla i około czterokrotnie wyższa zawartość tlenu w porównaniu do węgla

• niższa zawartość siarki i azotu (mniejsza emisja tlenków siarki i azotu)

• wysoka zawartość części lotnych (wysoka reaktywność)• relatywnie wysoka zawartość związków wapnia, potasu i fosforu

(fouling and slagging; auto-desulfurization)• trudna do rozdrabniania/mielenia w porównaniu do węgla

(toryfikacja)Skład chemiczny: • celuloza (~30-50%),• hemiceluloza (~20-30%),• lignina (~20-30%),• ponadto węglowodany (głównie skrobia), białka, tłuszcze i

inne.

Właściwości biomasy

10/32

Rodzaj biomasy Parametr

Wtr, % Qi

r, MJ/kg Ad, % Ctd, %

Wierzba energetyczna 4,5-52,9 7,0-19,2 0,3-10,8 49,0-53,8 Ślazowiec pensylwański 6,9-13,6 14,5-16,1 2,2-4,5 47,8-49,9

Miskant olbrzymi 7,7-31,0 11,1-16,1 1,6-5,1 47,4-49,9 Sorgo 12,0-81,6 1,1-10,9 6,6-44,4 27,2-46,7

Olejowiec gwinejski 2,5-17,7 14,9-24,5 1,2-6,5 48,6-59,1 Kolby kukurydzy 9,1-45,5 6,9-17,0 1,9-21,2 40,5-49,5 Słoma rzepakowa 10,1-17,3 13,0-15,4 4,0-10,2 46,0-49,6 Łuski słonecznika 6,0-41,0 10,0-19,3 2,6-11,2 50,7-53,8 Wytłoki owocowe 12,2-82,2 1,6-16,4 0,9-4,4 50,4-54,2 Wytłoki z oliwek 5,1-53,8 8,5-17,4 3,2-12,4 49,1-52,1

Wytłoki z buraków cukrowych 9,9-11,9 13,4-15,0 3,7-9,5 44,9

Łuski kakaowca 7,6-12,3 14,9-18,4 1,7-10,1 47,3-54,5 Łuski orzechów

kokosowych 9,0-20,5 16,0-16,9 0,5-2,5 53,0-53,9

Łupiny nerkowca 6,1 21,7 2,8 58,7 Posidonia oceanica

(trawa morska) 8,5 11,4 27,6 37,6

Cladophora glomerata*

(zielenice) 9,1 9,30 36,5 26,8

Nannochloropsis gaditana (algi) 6,1 16,1 29,5 40,3

* wartości dla próbki w stanie analitycznym

Zielona biorafineria

11/32

Koncepcja biorafinerii zintegrowanej

12/32Źródło: Bridgwater, A. V. 2012. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38: 68-94.

Piroliza – wpływ parametrów procesowych

13/32

• temperatura

• szybkość nagrzewania

• ciśnienie

• rozkład rozmiarów cząstek

• konfiguracja reaktora/ strefa reakcji wtórnych

Szybka piroliza biomasy

14/32

suszenie

rozdrabnianie

Reaktor fluidyzacyjny

cykklon

ciepło dla pirolizy

karbonizatbio-olej

ciepło do suszenia gaz

• łatwy do magazynowania i transportowania

• może być użyty jako paliwo lub surowiec chemiczny

• miesza się z węglowodorami

• wartość opałowa - ~17MJ/kg

• zawartość wody - ~15÷30%

• korzystna wydajność i koszty

Chemikalia z bio-oleju pirolitycznego

lignina - substytut fenolu uzyskiwanego z węgla w żywicach pirolityczna fenolowo-formaldehydowych, bitumy (asfalt), surowiec dla wytwarzania powłok ochronnych, kompozytów i konserwantów

węglowodany - wysoka zawartość lewoglukozanu, celobiozanu pirolityczne i innych węglowodanów, surowiec dla produkcji paliw i chemikaliów, np. bio-etanolu, kwasu lewulinowego, polioli, etc.

faza wodna - kwasy organiczne (głównie kwas octowy)

Bio-olej może być relatywnie łatwo rozdzielony na trzy frakcje: ligninę pirolityczną (pochodzącą z rozkładu ligniny), węglowodany pirolityczne (z rozkładu celulozy) i fazę wodną (zawierającą rozpuszczone związki organiczne, takie jak np. kwas octowy, aceton i in. (głównie z hemicelulozy).

15/32

Reaktory szybkiej pirolizy biomasy

Reaktor fluidyzacyjny(pęcherzykowy), BFBR

Reaktor fluidyzacyjnyze złożem cyrkulującym, CFBR

16/32


Reaktor z wirującym stożkiem

17/32

Reaktor z przenośnikiem ślimakowym


Reaktor próżniowy

Reaktor ablacyjny

18/32

Reaktor strumieniowy, EFR

Przykłady reaktorów szybkiej pirolizy biomasy

19/32

BFBR RCR

BFBR BFBR

Koszty

20/32Źródło: Bridgwater, A. V. 2012. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38: 68-94.

Typy reaktorów zgazowania

21/32

Piroliza

Zgazowanie

Spalanie

PopiółPowietrze

Gaz

C + CO2 = 2COC + H2O = CO + H2

C + O2 = CO24H + O2 = 2H2O

Piroliza

Spalanie

ZgazowaniePopiół

C + O2 = CO24H + O2 = 2H2O

C + CO2 = 2COC + H2O = CO + H2

Biomasa Biomasa

Gaz

Powietrze

Biomasa

PowietrzePara

Gaz

Popiół

Złożefluidalne

Cyklon

CyklonCyklon

Popiół

Biomasa

PowietrzePara

Popiół

REAKTORPRZECIWPRĄDOWY

REAKTORWSPÓŁPRĄDOWY

REAKTORFLUIDALNY

REAKTOR Z CYRKULĄCYMZŁOŻEM FLUIDALNYM

Charakterystyka reaktorów zgazowania biomasy

22/32

Parametr Reaktory współprądowe

Reaktory przeciwprądowe

Reaktoryze złożem fluidalnym

Paliwo (biomasa) - zawartość wilgoci (%)- zawartość popiołu (%, daf)- rozmiar cząstek (mm)

< 25<6

20-100

< 60<25

5-100

< 25<25<20

Gaz-temperatura (oC)-wartość opałowa (kJ/mn

3)-zawartość smół (g/mn

3)-pył (g/ mn

3)-skład gazu (% v/v)H2COCO2CH4

8004-6

0,01-50,1-8

15-2110-2211-13

1-5

200-4004-6

1-1500,1-3

10-1415-208-102-3

8505-6,52-30

8-100

15-2213-1513-15

2-4

skala technologii (MWth) 1 10 100

elastyczność powiększania skali słaba dobra bardzo dobra

Zgazowanie biomasy i odpadów - problemy

Zanieczyszczenie Efekt

Pył erozja, emisja do atmosfery

Smoła

depozycja na wewnętrznych elementach instalacji, zatykanie filtrów

Metale alkaliczne korozja wysokotempe--raturowa

Chlor, siarka korozja, emisja do atmosfery

Konieczność zapewnienia ciągłego dozowania surowca. Biomasa/odpady charakteryzują się zmiennym składem i właściwościami energetycznymi (problem transportu).

Zazwyczaj wymagane jest wstępne przygotowanie paliwa (rozdrabnianie, suszenie, kompaktowanie).

ParametrReaktor

„downdraft”(współprądowy)

Reaktor ”updraft”

(przeciwprądowy)

Wymagania

Silnik Turbina

Wartość opałowa, MJ/m3

n

4 -6 4 -6 >4,0 >4,0

Smoły, g/m3

n0,01-5 1-150 0,100

(0,050) < 0,005

Pył,g/m3

n0,1-8 0,1-3 0,050

(0,005) < 0,001

Metale alkaliczne, ppm

bd bd 1-2 0,2-1

Gaz

Paliw

o

23/32

Przykłady technologii zgazowania biomasyZabrze – Polska

FUEL

GA

S

FEEDER

INDIRECTFUELTANK

BUCKET FEEDER

FAN

GASIFIER

COMBUSTIONCHAMBER

FLUE GAS

STACK

GASCLEANINGSYSTEM

ENGINE

ENGINECOOLINGSYSTEM

FLUE GAS

G

AIR

AIR

AIR

EXHAUSTCOOLINGSYSTEM

ASH

Podstawowa charakterystyka:• zrębki drzewne – 0,5 Mg/dobę• główne składniki gazu:

• CO – 25%• H2 – 7,5%• CH4 – 2%• CO2 – 9,5%

• wartość opałowa gazu – 4,5 MJ/m3

n

24/32

Gazogenerator IEn150

Przykłady technologii zgazowania biomasyWarszawa (IEn) - Polska

PALIWO

DOZOWNIKPOZIOMY

ZBIORNIKPALIWA II

ZBIORNIKPALIWA I

ZASUWA IZASUWA I

ZASUWA II

DOZOWNIKPIONOWY

GAZ

POWIETRZE

PARA WODNA WYTWORNICAPARY

WODA

CHŁODNICAGAZU

ELEKTRYCZNYPODGRZEWACZ

POWIETRZA

KOMORASPALANIA

SPALINY

25/32

Przykłady technologii zgazowania biomasyLouka – Republika Czeska

Podstawowa charakterystyka:• zrębki drzewne – 5 Mg/dobę• główne składniki gazu:

• CO – 20%• H2 – 16%• CH4 – 1%• CO2 – 10%


n26/32

Przykłady technologii zgazowania biomasyParuszowice – Polska

Typ: generator gazu ze złożem stałym (GazEla)

Skala: demonstracyjna (moc w paliwie: 1,5

MWt)Status: udany rozruch wstępny

(IV kw. 2013 r.)Parametry pracy (projektowe):

• strumień gazu: 1 300 kg/h• wartość opałowa gazu: 4,5 - 5 MJ/Nm3

• sprawność zgazowania: 60 ÷ 65%27/32

Podstawowa charakterystyka:• zrębki drzewne – 50 Mg/dobę• sprawność całkowita – 81%• główne składniki gazu:

• CO – 26%• H2 – 40%• CH4 – 10%• CO2 – 19%

• wartość opałowa gazu – 12 MJ/m3n

Przykłady technologii zgazowania biomasyGüssing - Austria

28/32

Przykłady technologii zgazowania biomasySkive - Dania

J. Patel, http://www.forestprod.org/smallwood04patel.pdf

Podstawowa charakterystyka:• pelety drzewne – 110 Mg/dobę• sprawność całkowita – 87%• główne składniki gazu:

• CO – 22%• H2 – 20%• CH4 – 5%• CO2 – 10%• N2 – 42%


n

29/32

Oznaczenia biodegradowalności paliwmetodą selektywnego rozpuszczania

30/32

Udział frakcji biodegradowalnej, Xb

daf [%]

Słoma 98,8Nasiona traw 97,0

Węgiel drzewny 2,0-51,0Biowęgiel z wierzby

energetycznej 53,4

Biowęgiel z łuski olejowca 74,9Biowęgiel z drewna

iglastego 57,8

Toryfikat z łuski palmy olejowej (PKS) 97,3

Toryfikat z wytłoków z oliwek 82,2

Podsumowanie• Jest niemal pewne, że biomasa będzie coraz ważniejszym

surowcem dla wytwarzania paliw i użytecznych substancji chemicznych.

• Piroliza i zgazowanie biomasy są atrakcyjnymi (mimo swoich wad), lecz wciąż niedocenianymi alternatywami dla jej spalania.

• Biopaliwa i substancje biochemiczne otrzymywane z biomasy z wykorzystaniem przedstawionych metod konwersji są bardzo ważnym obszarem badań, nie tylko z naukowego, ale również ekonomicznego i politycznego punktu widzenia.

• Właściwe zaprojektowanie i prawidłowe operowanie instalacjami pirolizy lub zgazowania biomasy nie powinno powodować negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne.

31/32

32/32

INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLAul. Zamkowa 1; 41-803 Zabrze

Telefon: 32 271 00 41Fax: 32 271 08 09

NIP: 648-000-87-65Regon: 000025945

E-mail: [email protected]: www.ichpw.zabrze.pl

DZIĘKUJĘ BARDZO ZA UWAGĘ

Przedstawione w prezentacji wyniki zostały uzyskane w badaniach współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy SP/E/4/65786/10 – Strategiczny Program Badawczy – Zaawansowane technologie pozyskania energii: Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych.

Documents

Piroliza biomasy