Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
NÁVRH TECHNOLOGIE VYSOKOTEPLOTNÍHO ČIŠTĚNÍ ENERGOPLYNU Jan Najser Široké uplatnění zplyňovacích procesů se nabízí v oblasti výroby elektrické energie v kogeneračních jednotkách. Hlavní překážkou bránící rozšíření zplyňovacích technologií je splnění požadavků na kvalitu a čistotu produkovaného energoplynu. Tento příspěvek je zaměřen na možnost odprášení horkého plynu a ukazuje návrh ověřovací technologie pro množství plynu 250 mn3/hod, což odpovídá tepelnému výkonu reaktoru cca 400 kWt. Klíčová slova: Vysokoteplotní čištění plynu, zplyňování biomasy ÚVOD Zplyňování biomasy umožňuje produkci energoplynu, kterým lze v řadě technologií nahradit např. dosud používaný zemní plyn. Asi největší potenciál pro využití energoplynu ze zplyňování je v různých technologických procesech (např. cementárnách a vápenkách), ale v poslední době je zájem zejména v oblasti kogenerační výroby elektrické energie a tepla. Hlavní překážkou dosud bránící rozšíření zplyňovacích technologií pro použití v plynových motorech kogeneračních jednotek je splnění požadavků na kvalitu a čistotu produkovaného energoplynu. Jedním ze sledovaných parametrů je obsah pevných částic v plynu. Možnosti jejich odstranění a odzkoušení na pilotní jednotce řeší Výzkumné energetické centrum, VŠB-TU Ostrava ve spolupráci s firmou TEMEX spol. s r.o. Ostrava v rámci „Programu podpory inovačních aktivit malého a středního podnikání, vědy a výzkumu“ vyhlášeného statutárním městem Ostrava. Návrh jednotky vysokoteplotní filtrace je uveden v následujících kapitolách. ČIŠTĚNÍ ENERGOPLYNU VYROBENÉHO ZPLYŇOVÁNÍM BIOMASY Plyn vyráběný zplyňováním biomasy má nízkou výhřevnost, obsahuje kondenzující organické sloučeniny, tuhé částice a další příměsi. Výhřevnost vyráběného plynu a stupeň znečistění závisejí na výrobní technologii, typu použitého reaktoru a typu a konzistence vsázky. Kromě typu zplyňovacího generátoru a vsázky, hrají klíčovou roli podmínky zplyňovacího procesu (teplota, tlak) a volba druhu činidla zplynění. Systém čištění plynu je určován stupněm znečistění plynu a způsobem jeho užití, jenž vyžaduje určitou kvalitu plynu. Vzhledem k nečistotám ve vyráběném plynu je nutné před jeho aplikací provést jedno nebo více fázové vyčištění, aby se předešlo poškození zařízení využívajícího plyn (např. spalovacího motoru nebo plynové turbíny) vymíláním, korozí nebo usazeninami, nebo aby se splnily požadavky na ochranu životního prostředí. Přehled hlavních znečisťujících látek a stopových prvků ve vyráběném plynu při zplyňování biomasy a tříděného komunálního odpadu a technické a environmentální problémy s nimi spojené, jakož i způsoby, jež je možné použít k odstranění nežádoucích látek udává Tab.1. Systém čištění plynu k dosažení určité požadované kvality závisí na záměru využití plynu, a to zejména, jedná-li se o výrobu tepla nebo elektrické energie. Plynné palivo vyráběné zplyňováním biomasy se může spalovat přímo, například k výrobě technologického tepla při jeho zavádění zpět do ohniště kotle, nebo může být přiváděno do spalovacího motoru, plynové turbíny či palivového článku k výrobě elektrické energie. Ve velkých zařízeních je také možné užít vyrobeného plynu k syntéze vysoce hodnotných paliv a sloučenin, jako třeba metanolu, vodíku nebo čpavku.
Ing. Jan Najser, Výzkumné Energetické Centrum, VŠB – TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba,
[email protected]
/73/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
Tab. 1 Nečistoty ve vyráběném plynu, problémy a způsoby čištění Typ nečistoty
Příklady
Problémy
kondenzující organické sloučeniny dusík vázaný v palivu
popel, nespálený uhlík, inertní materiál vrstvy, otěr sloučeniny uhličitanu sodného a draselného organické sloučeniny o vysoké molekulární váze čpavek, kyanid
síra
H2S
chlór
HCl
pevné částice (např. prach) alkálie
vymílání vymílání, koroze usazování NOx emise koroze, znečištění vzduchu koroze, znečištění vzduchu
Způsob čištění cyklón, tkaninový filtr, keramický filtr, mokré čištění soustřeďovače, keramické filtry, adsorpce mokré čištění, tepelný a katalytický rozklad n.a. vápenné čištění, adsorpce adsorpce
Čištění plynu je podstatnou operací u systémů výroby elektrické energie při integrovaném zplyňování biomasy. Ačkoliv v posledních letech došlo k rozsáhlým výzkumům a bylo dosaženo značného pokroku, je čištění plynu stále nejcitlivějším faktorem uplatnění zplyňování biomasy při výrobě elektřiny. Proces čištění obyčejně sestává z odloučení pevných částic a kondenzujících organických sloučenin ze surového plynu. V závislosti na užití plynu se může objevit požadavek dodatečného odstranění méně významného znečištění, jako například znečistění alkalickými kovy. MOŽNOSTI ODSTRAŇOVÁNÍ PEVNÝCH ČÁSTIC – SUCHÉ METODY Plyn vyrobený zplyněním biomasy obsahuje různé pevné částice pocházející ze vsázky (popel, nespálený uhlík). Vysoký obsah pevných částic v plynu může způsobit vymílání výrobního zařízení (např. lopatek turbíny) a může vést k překročení dovolené míry emisí ve spalinách. Prachové částice se musí důkladně z plynu odstranit před jeho použitím v kogenerační jednotce a zejména v plynové turbíně. K odstranění prachu se nabízí několik způsobů, jako například: -
vírové odlučovače (cyklóny),
-
pískové filtry,
-
tkaninové filtry,
-
elektrostatické odlučovače,
-
půdní (granulové) filtry,
-
keramické svíčkové filtry. NÁVRH TECHNOLOGIE
Vzhledem k požadavkům dodavatelů kogeneračních jednotek na kvalitu plynu vyrobeného zplyňováním biomasy (obsah prachu max. 50 mg/m3 [1]) je navržena technologie vysokoteplotní filtrace plynu pomocí speciální filtrační tkaniny s regenerací zpětným profukem. Pro možnost najíždění zplyňovacího reaktoru bude filtr opatřen by-passem. Teplota plynu za souproudým sesuvným zplyňovacím generátorem je do 400 °C, proto je konstrukční teplota filtru 400 °C, avšak filtrační tkanina může být používána při teplotách až 850 °C, krátkodobě až do 1000 °C, což dává reálný předpoklad pro možnost použití tohoto filtru také u fluidních zplyňovacích jednotek s zařazením přímo za reaktor, resp. za cyklon. Vzhledem ke specifickým vlastnostem plynu vyrobeného zplyňováním biomasy je navrženo vytápění filtru na teplotu +180 ºC s regulací vytápění pomocí termostatu, což zajistí jeho předehřátí před uvedením do provozu. /74/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
Celý filtr a potrubní rozvody by-passu jsou zaizolovány s krytím pozinkovaným nebo hliníkovým plechem. V zařízení je podtlak 5 kPa (podtlakový systém zplyňování daný sáním motoru), proto konstrukce filtru musí zabezpečovat maximální těsnost, aby nedocházelo k přisávání vzduchu z okolí a nevytvořila se uvnitř filtru výbušná směs. Spodní část filtru je opatřená výsypkou, která je zakončená přírubou s možností připojení nádoby na zachycený prach. PODMÍNKY PRO NÁVRH FILTRU průtok nasávaný průtok provozní teplota plynu plyn
vstupní koncentrace prachu konstrukční tlak konstrukční teplota Regenerace maximální úlet ze zařízení
250 mn3/h 615 m3/h 350 °C Hořlavá směs CO2,H2,N2,CO,CH4 CO2 - 15% H2 - 14 %, N2 - 50 % CO - 18 % CH4 - 3 % O2- 0,0 % Dehtové páry 0,5 g/mn3 -5 kPa 400 °C on-line 10 mg/ mn3 NÁVRH TYPU FILTRAČNÍ TKANINY
Z důvodu požadavků na filtraci plynu při poměrně vysokých teplotách je navržena filtrační tkanina Pyrotex – KE 85 (viz. Obr.1), výrobce BWF Group, Německo (www.bwf-group.de). S touto filtrační tkaninou jsou výborné zkušenosti při filtraci spalin a vzdušin z různých technologických procesů při teplotách 300 až 650 °C, krátkodobě až 1000 °C, což dává reálný předpoklad pro správnou funkci při filtraci energoplynu.
Obr. 1 Filtrační elementy Pyrotex – KE 85
/75/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
POČET FILTRAČNÍCH ELEMENTŮ Přehled jednotlivých typů filtračních elementů Pyrotex – KE 85 a jejich parametry udává Tab. 2. Na základě těchto údajů, s přihlédnutím ke zkušenostem s prachem vzniklým při zplyňování (a spalování) biomasy a po konzultaci s výrobcem těchto filtračních hadic je navržen pro ověřovací filtr pro technologii zplyňování biomasy typ KE 85 150x1820. Tento typ filtračních hadic zabezpečí lepší prodyšnost na rozdíl od hadic s tloušťkou stěny 9 mm. Počet filtračních hadic je 12 kusů. Tab. 2 Filtrační elementy Pyrotex – KE 85 [2]
REGENERACE FILTRU Energoplyn smíchaný se vzduchem tvoří v určitém rozmezí výbušnou směs, z tohoto důvodu je potřeba pro regeneraci používat inertní plyn. Ze zkušeností je nejvýhodnější použití dusíku – naprosto bezproblémové dodávky a výhodná cena. Regenerace filtru je navržena vzhledem k tomu, že se jedná o technologii doposud nevyzkoušenou jak časově, tak dle tlakové ztráty filtru. Součástí filtru je vzdušník na dusík. Množství dusíku Tlak dusíku max/min
5,0 mn3/hod 0,75/0,5 MPa
Pro zkušební provoz jsou použity svazky lahví dusíku doplněné redukční stanicí na potřebný tlak. Dodavatelem je firma SIAD Czech, spol. s r.o. Pro trvalý provoz svazky lahví nebudou vyhovovat a proto bude potřeba instalovat zařízení na výrobu dusíku (ON-SITE zařízení). Firma Mea Tech spol. s r.o. dodává generátor dusíku PARKER výrobní soubor Balston typ NG-Compact, jedná se o zařízení s kapacitou od 0,06 do 12,5 mn3/hod a čistotou dusíku 95 až 99,5 %, tato čistota je vyhovující. UMÍSTĚNÍ FILTRU Plyn vystupující z reaktoru má teplotu cca 350°C a vzhledem k tomu, že při zkušebním provozu bylo provedeno měření obsahu prachu, kdy byl přímo za reaktorem naměřen poměrně nízký obsah prachu – 0,5 g/m3 bude výhodné umístit vysokoteplotní filtr přímo za reaktor, aby nedocházelo k ochlazení plynu. Pokud se v průběhu zkušebního provozu vyskytne potřeba zvýšit teplotu plynu na vstupu do filtru, může být horní část reaktoru zaizolována. Schéma celé technologie včetně vysokoteplotního filtru je na Obr. 2. /76/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005 Dusík pro regeneraci
Vysokoteplotní filtr
Reaktor
Biomasa
Chladič
Odstranění dehtu a kondenzátu
Popel
Spaliny
El. energie Vyčištěný plyn Teplá voda
Obr. 2 Zjednodušené schéma technologie – začlenění filtru ZÁVĚR Návrh technologie vysokoteplotní filtrace předpokládá použití filtračních elementů z tkaniny Pyrotex – KE 85, výrobce BWF Group, Německo. Bylo navrženo použít 12 kusů filtračních hadic typ KE 85 150x1820, ale je předpoklad, že po ověření ve zkušebním provozu bude možné pro další (průmyslové) aplikace velikost filtrační plochy snížit. V současné době probíhá montáž filtru, zkušební provoz, jehož součástí bude autorizované měření emisí tuhých částic za filtrem bude zahájen v lednu 2006. Hlavním přínosem čištění plynu pomocí vysokoteplotní filtrace je možnost odstranění pevných částic z plynu, aniž by bylo nutné tento plyn ochladit, zároveň díky poměrně vysokým teplotám (zejména u fluidních generátorů) bude teplota plynu nad teplotou kondenzace dehtovitých látek, čímž je zabráněno zalepování filtračních elementů. Takto odprášený plyn pak může být zbaven dehtů pomocí katalyzátorů, aniž by docházelo k zanášení katalyzátoru pevnými částicemi [3]. Vývoj technologie vysokoteplotního čištění plynu má eliminovat problémy spojené s kvalitou plynu vyrobeného zplyňováním biomasy a problémy s odpadními vodami v případě čištění plynu mokrou cestou. Tento pokročilý systém umožní lepší využití tepla, čímž přispěje ke zvýšení celkové účinnosti při kogenerované výrobě el. energie a tepla. POUŽITÁ LITERATURA [1] [2] [3]
Dodavatelé kogeneračních jednotek – požadavky na kvalitu plynu e-mailová odpověď Materiály firmy BWF Group Skoblja, S.: Úprava složení plynu ze zplyňování biomasy, doktorská disertační práce, VŠCHT Praha, 2004
/77/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
/78/
