Energie z biomasy III – seminář
Brno 2004
ENERGOPLYN – PRODUKT ZPLYŇOVÁNÍ Lukáš Pravda Článek se zabývá problematikou energoplynu, jako jednou z možností nahrazení zemního plynu. Zásoby zemního plynu, stejně jako ostatních fosilních paliv, nejsou nevyčerpatelné a jednou dojde k jejich vytěžení. Proto je zapotřebí hledat jejich možné náhrady a to pokud možno z co nejlevnějších surovin, jejíž zásoby nebudou hned tak vyčerpatelné – nejlépe tedy z obnovitelných zdrojů energie. Článek je i s ohledem na tento fakt zaměřen na energoplyn produkovaný především zplyňováním biomasy rostlinného původu, jenž má v našich klimatických podmínkách největší potenciál ze všech obnovitelných zdrojů energie. Klíčová slova: energoplyn, generátorový plyn, biopaliva, zplyňování, obnovitelné zdroje energie ÚVOD Technologie procesu, jejímž výsledkem je spalitelný plyn (energoplyn, generátorový plyn) z paliv obsahujících uhlík, je velmi stará. Už v roce 1812 společnost pro výrobu svítiplynu, nacházející se v Londýně, poprvé uskutečnila suchou destilaci na komerčním zařízení. První komerční protiproudý zplyňovač byl zprovozněn v roce 1839 a sloužil pro kontinuální zplyňování pevného paliva, kdy zplyňovacím mediem byl vzduch. Následoval velký vývoj protiproudých zplyňovačů s využitím pro různá paliva. Tyto zplyňovače se pak využívaly ve velkém měřítku v určitých průmyslových, elektrárenských a tepelných aplikacích, až do 20. let 20. století. ENERGOPLYN – PRODUKT ZPLYŇOVÁNÍ K tvorbě energoplynu (někdy též tzv. generátorového plynu) dochází při zplyňování za přítomnosti zplyňovacího media (vzduch, kyslík O2, vodní pára, kombinace předchozích) a vhodně zvolených reakčních podmínek. Energetický obsah produkovaného energoplynu z biomasy může být různý. Při zplyňování vzduchem je průměrná výhřevnost energoplynu běžně 4 – 6 MJ/mn3, dáno přítomností vysokého obsahu vzdušného dusíku při procesu zplyňování – nízkovýhřevný plyn, při zplyňování kyslíkem lze dosáhnout průměrně výhřevnosti 14 – 18 MJ/mn3 – středně výhřevný plyn. Produkovaný energoplyn je úspěšně využíván jako náhradní palivo (např. jako náhrada ZP) v různých technologických procesech (cementárny, vápenky, různé pece) a šetří tak zde základní palivo. Výzkumně se ve světě zkouší využití také v teplárnách s plynovým cyklem, kde plyn slouží k pohonu tepelného motoru – spalovací turbíny nebo spalovacího motoru. Ekonomický e ekologický efekt takovéto technologie je potom nejvyšší a představuje v globálním pohledu největší úspory primárních paliv. DEFINICE ENERGEPLYNU A JEHO SLOŽENÍ Tepelným působením na biopalivo dochází při teplotách cca do 500 – 600 °C k postupnému uvolňování plynných látek. Tento jev, známý jako pyrolýza, je využíván při zplyňování biopaliv za účelem získat energeticky využitelný plyn. Odplyněný zbytek je dřevěné uhlí – polokoks. Ve druhé fázi, při vlastním zplyňování dochází k reakci polokoksu s produkty pyrolýzy a se vzduchem. Dochází k tepelné rovnováze mezi reakcemi, které spotřebovávají teplo a k reakci teplo produkující. Stav, kdy tato tepla jsou v rovnovážné bilance a kdy se teplota v reaktoru nemění se nazývá autotermický. Cílem vedení zplyňovacího procesu je dosažení tohoto autotermického stavu. Produktem zplyňování je potom tedy surový energoplyn obsahující hlavně CO, CO2, H2, CH4, N2 a vodní páru H2O, je-li použit vzduch jako zplyňovací činidlo (médium), dále C2H2, C2H4, C2H6. Vedle těchto složek jsou v něm obsaženy i další vesměs nežádoucí složky, kterými jsou pevné částice (popeloviny, nedopal, …), vyšší uhlovodíky (dehet, benzen, toluen, xylen, ….), sloučeniny síry (H2S, SOx, …), sloučeniny dusíku (HCN, NH3, NOx, …), sloučeniny chloru a fluoru (HCl, HF, PCDD/F, …), alkalické kovy – Si. Energoplyn je tedy možné definovat jako směs výše uvedených složek, je bezbarvý, hořlavý, nízkokalorický plyn, o málo lehčí než vzduch, zapáchající po dehtu, který je v něm ve stopovém množství obsažen. Ve směsi se
Ing. Lukáš Pravda, VUT Brno, Fakulta strojního inženýrství, Technická 2896/2, 616 69 Brno,
[email protected]
- 133 -
Energie z biomasy III – seminář
Brno 2004
vzduchem je výbušný (pokud dojde k iniciaci) v rozmezí 19,27 – 49,95 %obj.. Je jedovatý v důsledku obsahu oxidu uhelnatého. Řada látek obsažených v enerogoplynu je nežádoucích, ať už z důvodu způsobování abraze, koroze, tvorby usazením, degradačních chemických reakcí (např. katalyzátory, mazací kapaliny, apod.) nebo z důvodu ekologické zátěže (např. emise CO, NOx vznikající spalováním plynu). U některých složek je proto nutné, před jejich použitím v konečném uživatelském zařízení, snížení jejich koncentrace nebo takřka úplné jejich odstranění. Průměrné složení energoplynu produkovaného na VUT Brno: složka x (%obj.)
CO 15,16
CO2 15,85
H2 11,53
CH4 2,77
C2H6 0,22
C2H4 0,09
C2H2 0,01
N2 54,14
O2 0,20
a stopová množství dalších složek: - vyšší uhlovodíky - pevné částice - sloučeniny síry - sloučeniny dusíku - sloučeniny chloru a fluoru - alkalické kovy, Si
- BTX (benzen, toluen, xylen,....) - dehet - popeloviny, nedopal, ….. - H2S, SOx, …. - HCN, NH3, NOx, …. - HCl, HF, PCDD, PCDF, ….
výhřevnost energoplynu: Qid = 4,35 MJ.mn-3 hustota: ρ = 1,22 kg.mn-3 VYUŽITÍ ENERGOPLYNU PRO ENERGETICKÉ ÚČELY Energoplyn lez využit jako náhradu fosilních paliv ve výrobních procesech (např. náhrada ZP v cementářských pecích, ve vápenkách, v cihelnách), a v energetice, kde nachází velmi široké uplatnění. V případě energetických zařízení může například sloužit jako předtopeniště ke klasickým kotlům na fosilní paliva, nebo jako generátor plynu určeného k náhradě fosilních plynných paliv v kogenerační výrobě elektrické energie a tepla. Energoplyn, jako náhrada ZP, lze použít pro vznětové i zážehové motory, pro spalování turbíny (po patřičných úpravách) i jako topný plyn. Jak již bylo dříve uvedeno, před využitím energoplynu v energetických zařízení je zapotřebí ho ve většině případů upravit - vyčistit od nežádoucích látek, případně snížit jeho teplotu na požadovanou hodnotu. Úroveň čistění je dána především technickými požadavky následné technologie jeho využití a nutnosti splnit emisní limity na výstupu z této technologie. Vyčištěný energoplyn může být tedy přímo spalován v hořácích (cementárny, vápenky, cihelny), přičemž se získá pouze teplo. Energeticky daleko účinnější variantou jeho využití je jeho spalování ve vznětovém či zážehovém motoru nebo plynové turbíně pohánějící generátor, který vyrábí el. energii. Navíc se získává odpadní teplo, které je možné dále využít. Např. účinnost těchto procesů (vyrobená el. energie k energetickému obsahu v palivu) je u zařízení s el. výkonem 20 MWe přibližně 23% pro spalování, 27% při využití zplyňování spolu se vznětovým motorem a přes 35% při využití zlyňováním spolu se spalováním generátorového plynu v plynové turbíně [1]. Obecně tedy pro využití energoplynu a jeho potřebnou úpravu platí: Pokud je plyn určen k přímému spalování, např. ve vápence, v cihelně, v cementářské peci nebo ve spalovací komoře, stačí zbavit jej hlavního množství prachu v cyklónech a ochladit jej na teplotu, kterou vyžadují hořáky. Odstraňovat z plynu dehty není nutné, neboť v hořácích shoří a zvyšují výhřevnost plynu.
- 134 -
Energie z biomasy III – seminář
Brno 2004
Dehty není nutné odstraňovat ani v případě, kdy je plyn určen jako palivo pro spalovací turbínu. Do spalovací komory turbíny se plyn zavádí vysoko nad rosným bodem dehtů. Naproti tomu je třeba velmi pečlivě zbavit plyn prachu, který může erodovat lopatky spalovací turbíny. V případě, že je plyn určen pro plynový motor, je třeba jej zbavit prachu, dehtu a ochladit na teplotu cca do 40°C, přičemž z plynu kondenzuje voda. Základními operacemi úpravy plynu jsou potom: ochlazení odprášení odstranění dehtů Tyto procesy mohou probíhat buď odděleně nebo jako je tomu při praní plynu vodou, všechny současně. Pro přímé spalování energoplynu je uváděno, že je postačující snížit obsah pevných částic v plynu na hodnotu 5 – 30 g/mn3, k čemuž plně postačují odstředivé odlučovače – cyklony zařazené za zplyňovacím reaktorem. Pro použití v plynových turbínách nebo motorech je třeba plyn zbavit prachu dokonaleji. Spalovací turbíny vyžadují odstranění prachu na hodnotu pod 10 mg/mn3 s maximální velikostí částic 5 – 10 m, plynové motory na hodnoty jen o něco vyšší. Pro odstraňování pevných částic z plynu se v těchto případech používá filtrace nebo vypírání vodou. Co se týká obsahu dehtu v energoplynu obecně platí, že pro jeho využití (zejména u plynových motorů) je třeba trvale snížit jejich obsah minimálně pod hranice do 50 mg/mn3. Tato hodnota je výsledkem praktických zkušeností a vychází zejména z požadavku snížení počtu odstávek za účelem čištění nánosů a vzhledem k bezproblémovému provozu. Pro kompresory je udávána maximální koncentrace dehtu 50 – 500 mg/mn3 [2]. V tabulce 1 jsou uvedeny požadavky na kvalitu plynu pro plynové turbíny. Tab. 1 Požadavky na kvalitu plynu pro plynové turbíny [1] Minimální výhřevnost (MJ/mn3) Minimální obsah vodíku H2 (%obj.) Max. přívodní teplota (°C) Max. koncentrace alkálií (ppb) Dehet při vstupní teplotě HCl (ppm) S (H2S, SO2, apod.) (ppm) Kombinace: kovy celkem (ppm) alkalické kovy + síra (ppm) Max. obsah pevných částic (ppm) > 20 10 – 20 4 - 10
4–6 10 – 20 450 – 60 20 – 1000 Všechen jako pára nebo nejlépe žádny < 0,5 <1 <1 < 0,1 < 0,1 <1 < 10
- 135 -
Energie z biomasy III – seminář
Brno 2004
Pro využití energoplynu ve vznětových a zážehových motorech je zapotřebí vysoká čistota plynu a dosažení těchto vlastností a složení energoplynu, viz tab.2: Tab. 2 Požadavky na kvalitu plynu pro vznětové a zážehové motory max. relativní vlhkost (%)
80
max. přívodní teplota (°C)
do 40
max. obsah NH3 (mg/10kWh)
55
max. obsah dehtu (mg/mn3)
< 100 (50)
max. obsah halogenů (Cl + 2.F) (mg/10kWh)
< 100
max. obsah síry přepočten na H2S (ppm)
2000
kondenzát max. obsah zbytkového oleje (mg/10kWh)
0 5
max. zrnitost pevných částic ( m)
3
max. obsah pevných částic (mg/10kWh) max. obsah pevných částic (mg/mn3)
50 5 až 50
Obsah vodíku H2 by neměl překročit 7 až 10%obj. ZÁVĚR Závěrem je třeba poznamenat, že z velké části jsou uvedené a udávané hodnoty založeny na odhadu, protože výrobce jak plynových motorů, tak i plynových turbín nemají dostatek praktických zkušeností s využíváním energoplynu. Obecně mohou vysoce účinné jednotky „nové generace“ vykazovat vyšší citlivost na nečistoty v energoplynu než jednotky staré. Navíc i používané a uváděné definice dehtu se liší, a tím vzniká další problém při porovnávání těchto hodnot, kdy v některých případech nelze tyto hodnoty vůbec porovnávat. Jednou z možností využití surového energoplynu bez jeho komplikovaného čištění je jeho spalování ve Stirlingově motoru. Stirlingův motor je znám již od počátku 19. století. V posledních 30 letech se ukázala možnost jeho použití pro stacionární účely a to zejména při kogenerační výrobě elektrické energie a tepla. Moderní Stirlingův motor se vyznačuje dobrou účinností, spolehlivostí, tichým chodem nižšími emisemi škodlivých plynů. Hlavní výhodou je skutečnost, že tento motor může pracovat s nejrůznějšími zdroji tepla, počínaje sluneční energií a konče libovolným fosilním palivem a biomasou. Elektrická účinnost těchto motorů se pohybuje v rozpětí 25 až 33 %, což je účinnost u motorů o výkonu 1 až 25 kW velmi dobrá. V oblasti využití biomasy se Stirlingovu motoru nabízejí velké možnosti. Spaliny zde nepřicházejí do styku s pohyblivými částmi motoru, proto ani nehrozí nebezpeční zadehtování v případě použití surového energoplynu. Bez komplikovaného čistění surového energoplynu proto mohou být použity zplyňovací generátory se sesuvným ložem, především v malých kompaktních kogeneračních jednotkách. Již provozně vyzkoušené a velmi zajímavé jsou např. mikrojednotky vyvinuté americkou firmou Sunpower, vybavené Stirlingovými motory s volnými písty o elektrickém výkonu až 25 kW. V současné době představila svůj projekt na využití surového plynu ve Stirlingově motoru německá fa Hoval Hagenberg GmbH z Aschheimu.
- 136 -
Energie z biomasy III – seminář
Brno 2004
Jako vůbec první firma v Německu představila v letošním roce projekt využití surového energoplynu ve Stirlingově motoru pro výrobu elektrické energie vzniklého zplyněním v kombinovaném dřevo-plynovém kotli fy Hoval. Celkem byly provedeny dva provozní testy: První test proběhl od května do listopadu roku 2001, kdy provozních hodin bylo cca. 1300. Byl použit dřevoplynový kotel: Holzvergaser Hoval Purolyt (45) o tepelném výkonu 20 – 45 kWt. Vzniklý plyn byl přiváděn do Stirlingova motoru připojeného na asynchronní generátor o elektrickém výkonu 1 kWe. Zkoušení probíhalo síťově paralelním připojením. Druhý provozní test proběhl od dubna do listopadu 2003, kdy provozních hodin bylo cca 1200. Byl použit dřevoplynový kotel s označením Holzvergaser Hoval Agrolyt (35) Lambda o tepelném výkony 18 – 36 kWt. Vzniklý plyn byl opět přiváděn do Stirlingova motoru napojeného na asynchronní generátor o elektrickém výkonu 1 kWe. Zkoušení probíhalo síťově paralelním připojením. Po prvních 1300 hodinách provozu byl Stirlingův motor prohlédnut specialisty z oboru. Výsledek byl velmi dobrý, neboť nebylo nalezeno žádné poškození a žádné díly nebylo zapotřebí vyměnit. Proto byl motor znovu sestaven a vystaven dalším 1200 hodinám provozu, bez vážnějších poškození. Lze tedy říci, že dohromady motor běžel bez sebemenších problémů od května 2001 do listopadu 2003 cca 2500 provozních hodin. POUŽITÁ LITERATURA [1] Bridgwater, A. V.: The Technical and Economical Feasibility of Biomass Gasification for Power Generation, Fuel, Vol. 74, No.5, pp. 631 – 653, 1995 [2] Milne, T. A., Abatzoglou, N., Evans, R. J.: Biomass Gasifier „Tars“: Tehir Nature, Formation and Conversation. National Renewable Energy Laboratory – Colorado. NRELIPYPR –570 – 25357, 1998 [3] www.hoval.de [4] www.biom.cz
- 137 -
Energie z biomasy III – seminář
Brno 2004
- 138 -
