VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE
Ústav chemických procesů Akademie věd ČR
Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla pomocí vysokoteplotních palivových článků s tuhým elektrolytem Michael Pohořelý Ústav energetiky, VŠCHT v Praze Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i. Česká asociace pro pyrolýzu a zplyňování
Zplyňování biomasy H2 + CO + CH4 + minoritní sloučeniny + CO2 + H2O + (N2) + nečistoty (dehet, prach, sloučeniny síry, chloru apod.)
Teplo
Palivo + zplyňovací médium (vzduch, O2, pára, CO2)
Výhody zplyňování oproti spalování • Převedení tuhého paliva s velkým měrným objemem (pevné palivo) na plynné palivo s možností spalování v tepelných strojích. • Syntéza alternativních paliv.
• Kogenerace s vyšším teplárenským modulem. – Nižší provozní náklady. – Úspora primárních paliv. – Snížení produkce CO2, SO2, NOX, CO, TZL, POP apod. na jednotku el. výkonu. Platí pro výkonové měřítko do cca 10 MWe (50 MWt)
Teoretická elektrická účinnost [%]
Účinnost výroby elektrické energie z biomasy I
vo Pali
r Stirlingův moto
nky á l č vé
r Plynový moto
Turbína
rbína u t á v Plyno
Parn
ít
Spo a urbín
ání v o l a lusp
Elektrický výkon [kWel]
Hofbauer H: Vergasung − ein Baustein zur Realisierung von Polygeneration. Symposium Polygeneration, Güssing (2005).
Účinnost výroby elektrické energie z biomasy II
Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).
Účinnost výroby elektrické energie III η = ηpl * ηkj
Elektrická účinnost celého kogeneračního systému (η) je definována násobkem účinnosti výroby plynného paliva (ηpl ) a hodnotou účinnosti výroby elektrické energie v kogenerační jednotce (ηkj) Celková Účinnost výroby, Náklady účinnost ηkj, % tis Kč./kWe η, %
Zařízení použitá pro výrobu elektrické energie
Účinnost konverze
1. Spalovací elektrárna s parní turbínou (11 MWe)
-
-
27,6
80
2. Spalovací elektrárna s parní turbínou (11 MWe)
-
-
∼ 30-33
-
3. Vícestupňového generátoru (0,2 MWe)
min. 85
∼ 32 max. 36
80-90 80-100
4. Vícestupňový generátor ODRY (1 MWe)
∼ 27,2 ∼ 30,6
Tarpo, spol. s r.o., AIR TECHNIC s.r.o., 2012
∼ 90
∼ 36
∼ 32,4
100
5. Zplyňovací generátor – SOFC
∼ 90
∼ 45-65
∼ 40-60
Velmi vysoké
(Zelený kotel, 33 MWt),2010, Plzeň
(Spalování čisté biomasy, 105 MWt), od 2009, Hodonín GP200 Tarpo, spol. s r.o., Kněževes, 2011
ηpl, %
Vícestupňový zplyňovací systém TARPO Zjednodušené schéma procesu TARPO :
Základní parametry komerčního projektu GP500 – lokalita Odry Jmenovitý el. výkon Spotřeba dřevní štěpky (abs. suché) Velikost štěpky Vlhkost Elektrická účinnost Specifická spotřeba paliva (abs. suché) Specifická el. práce
2x 500 kWe 360 kg/hod 6 až 80 mm až 60% 32,4% cca 0,7 kg/ kWhe cca 1,43 kWhe /kg
Požadavky na čistotu plynu pro SOFC • Prach (tuhé znečišťující látky): < 1 mg/m3. • Dehty (výše vroucí organické látky): ∼10–500 mg/m3. • Sirné sloučeniny (∑ H2S, COS, CS2, organické sloučeniny): jednotky ppmv • Halogenovodíky (∑ HCl, HF, HBr): jednotky ppmv • NH3 a jiné dusíkaté sloučeniny: limitní obsah není specifikován.
Aravind P.V., Wiebren de Jong: Evaluation of High Temperature Gas Cleaning Options for Biomass Gasification Product Gas for Solid Oxide Fuel Cells. Progress in Energy and Combustion Science 38, pp. 737–764 (2012).
Návrh čistící trati pro SOFC Primární'jemné'odprášení'
keramické' svíčkové' filtry'
Přehřátá'pára'
Sorpce'sirných' sloučenin' (400'°C)'
750'–>'500'°C'
750°C' '
Vlhká' lignocelulózová' biomasa' '
Vzduch' '
Pásová' sušárna'
Membránová' separační' jednotka'
W=5–10'hm.'%' '
<'95%'O2' N2'
Sekundární' jemné'odprášení' (alkalické'kovy)' (400'°C)'
Fluidní'reaktor'
Primární'opatření:' Rmateriál'fluidní'vrstvy' Rrecirkulace'spalin'
850°C' '
Sorpce' halogenvodíků' (500'°C)'
Dopalovací' komora'
Příprava'a' ohřev' zplyňovacího' a'fluidačního' média' '
H2O,'CO2,'(N2)'
Terciální' ultrajemné' odprášení'
Ohřev'plynu' až'na'1000'°C' (injekcí' kyslíku)'
ORC'
SOFC'
' ' Vzduch' '
Příklad našich výsledků – dehalogenace plynu Palivo zemědělská biomasa či alternativní palivo (zvýšený obsah HCl v plynu) → primární sorpce halogenovodíků na sorbentech na bázi kovů alkalických zemin (vápenec, či dolomit) → sekundární sorpce na sorbentech na bázi alkalických kovů. Palivo dřevní biomasa (velmi nízký obsah HCl v plynu) → sorpce na sorbentech na bázi alkalických kovů. Výhody K-sorbentů proti Na-sorbentům: přívětivější rovnováha s halogenovodíky. Nevýhody K-sorbentů proti Na-sorbentům: vyšší cena, vyšší tenze draselných než sodných sloučenin.
Rovnovážná koncentrace HCl (ppm)
Dehalogenace plynu I
Na-sorbent
2 1.6 1.2
Na-sorbent
0.8 0.4
Na-sorbent K-sorbent
K-sorbent K-sorbent
0
400
500
Teplota (°C)
Simmel, P. A.; Jukka, K.; Leppälahti, J. K.; Kurkela, A. Tar-Decomposing Activity of Carbonate Rocks under High CO2 Partial Pressure. Fuel 1995, 74, 938-945. Solich, M. Vysokoteplotní odstranění H2S a HCl z plynu produkovaného zplyňováním biomasy a odpadu. Diplomová práce, VŠCHT Praha, 2004. Stemmler, M.; Müller, M. Chemical Hot Gas Cleaning Concept for the “CHRISGAS” Process. Biomass and Bioenergy 2011, 35(1), 1-11.
600
Dehalogenace plynu – vliv prostorové rychlosti
500 °C, 101,325 kPa
Šustr V. Vysokoteplotní odstraňování chlorovodíku z modelového generátorového plynu pomocí sorbentu na bázi sodíku. Bakalářská práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2013). Cabáková G.: Vysokoteplotní čištění generátorového plynu ze zplyňování biomasy – odstraňování halogenidů. Diplomová práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2012).
Dehalogenace plynu – vliv složení plynu
Šustr V. Vysokoteplotní odstraňování chlorovodíku z modelového generátorového plynu pomocí sorbentu na bázi sodíku. Bakalářská práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2013). Cabáková G.: Vysokoteplotní čištění generátorového plynu ze zplyňování biomasy – odstraňování halogenidů. Diplomová práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2012).
Děkuji za pozornost.
VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE
Ústav chemických procesů Akademie věd ČR
Ing. Michael Pohořelý, Ph.D. tel.: 737 25 14 62 email:
[email protected] email:
[email protected]
AHK Services s.r.o. Váš kompetentní partner pro česko-německý obchod
Maximální teoretická účinnost
Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).
Vliv parametrů palivových článků na napětí
Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).
Vliv teploty na napětí SOFC
Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).
Vliv teploty na účinnost celého systému
Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).
