Ústav chemických procesů
Akademie věd ČR
Technologie KVET na
pevná, kapalná a plynná
paliva z biomasy
Michal Jeremiáš, Michael Pohořelý, Michal Šyc,
Karel Svoboda, Miroslav Punčochář
Kogenerace elektrické energie a tepla
Kogenerace (společná produkce elektřiny a tepla) má
produkovat se slušnou účinností (20 – 35 %) elektřinu a
využitelné teplo při celkových ztrátách energie paliva
menších než 20 %.
Srovnání výstupních energií a účinností Kogenerační výroby tepla a elektřiny,
Výtopny a Kondenzační elektrárny
Palivo
100 %
Elektřina
20 - 35 %
Teplo
asi 50-55 %
Tepelné
ztráty
15 - 20 %
Kogenerační výroba tepla
a elektřiny
Palivo
(uhlí)
100 %
Elektřina
32 – 41 %
Ztráty nad
asi 58 %
Kondenzační elektrárna
Palivo
(uhlí,
biomasa)
100 %
Ztráty asi
10-20 %
Výtopna
Teplo
80-90 %
Dostupné technologie KVET
Srovnání technologií KVET
Technologie
Účinnost
Výkon
Vývojová úroveň
Parní stroj (motor)
10 – 13 %
0,2 – 2 MW
Dobře zvládnutá a zavedená
technologie
Parní turbína
15 – 40 %
0,5 – 500 MW
Dobře zvládnutá a zavedená
technologie
Mikroturbína
15 – 25 %
5 – 100 kW
Výzkum a vývoj, přechod na
demostrační
Organ. Rankinův
Cyklus
10 – 22 %
0,3 – 1,5 MW
Zavedená technologie, Komerční
využití
Stirlingův motor
15 – 25 %
5 – 300 kW
Demonstrační jednotky
IGCC
40 – 55 %
nad 10 MW
Demonstrační jednotky
Spalovací motor
27 – 34 %
50 – 2000 kW
Komerční využití
Palivové články
25 – 40 %
10 – 2000 kW
Výzkum, vývoj a demonstrační
jednotky
Využitelné druhy biomasy
Biomasa odpadní:
Lesní odpady (dendromasa).
Rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby
krajiny.
Organické odpady z potravinářských výrob.
Komunální organické odpady.
Odpady z živočišné výroby.
Odpady z některých průmyslových výrob (např. výroba
celulózy a papíru, dřevo-zpracujících výrob apod.).
Cíleně pěstovaná biomasa:
Pro energetiku – rostliny jednoleté, víceleté.
Jako náhrada kapalných paliv (Rostl. oleje, MEŘO, Et-OH).
Procesy přeměny biomasy
Termochemické procesy
Volba vhodné technologie závisí na:
Vlastnostech disponibilní biomasy.
Uvažovaném měřítku.
Investiční náročnosti technologie.
Předpokládané finanční návratnosti.
Lokálních referencích technologie.
Materiálové vlastnosti tuhého
paliva
Fyzikální vlastnosti:
• Tvar částice.
• Velikost částice (dle sítové analýzy, střední velikost částic).
• Hmotnost částice vztažená na objem (zdánlivá a skutečná h.).
• Sypná hmotnost (váha, hustota).
Chemické vlastnosti paliva:
• Technický rozbor paliva (W, A, h, V, FC).
• Elementární rozbor paliva (prvkový).
• Výhřevnost (spalné teplo).
Chemické vlastnosti popela:
• Obsah stopových prvků (popelotvorných prvků a těžkých kovů).
• Vyluhovatelnost (dle legislativních požadavků).
• Termo-fyzikální vlastnosti popelovin (dle zařízení).
Složení paliva
TUHÉ PALIVO
Balast
VODA (W)
AKTIVNÍ SLOŽKY
POPELOVINY (A)
VODA
HRUBÁ
ZBYLÁ
HOŘLAVINA (h)
SUŠINA
POPEL
POPÍLEK
PRCHAVÁ HOŘ.
FIXNÍ UHLÍK
W+A+h= 1
h = C + H + N + O + (S + Cl + P) Prvkové složení
h (hořlavina) = V (prchavá hořlavina) + FC (fixní uhlík)
Vlhkost vs. výhřevnost a spotřeba
paliva
Složení biomasy I
Složení biomasy II – popelotvorné
prvky
Měřítko
Investiční náročnost
Možnost získání dotací.
Složitost technologie:
Nutnost předúpravy paliva.
Transformace paliva.
Úprava ostatních vstupů (např. voda pro výrobu
páry, výroba kyslíku) čištění meziproduktů (např.
plynu od dehtů), či produktů (spalin).
Vyzrálost technologie.
Automatizace, spolehlivost.
Finanční návratnost
Investiční náročnost.
Účinnost výroby dotované elektřiny.
Uplatnění tepla.
Cena paliv (resp. změna ceny např. v důsledku
zvýšené poptávky).
Lokální reference technologie
Referenční jednotky v reálném dosahu a
podobném ekonomickém, environmentálním a
sociálním prostředí.
Znalost technologie místními odborníky.
Spalování
Možnosti využití tepla ze
spalování biomasy ke KVET
Parní motor.
Parní cyklus s turbínou.
ORC s turbínou.
Stirlingův motor.
Parní stroje (spalování biomasy)
Stroj (motor)
Tlak páry na výstupu
z bojleru
Vícestupňová
Turbína
42 bar
Jednostupňový
Parní motor
62 bar
Dvoustupňový Parní
motor
26 bar
Teplota páry
425 oC
Produkce páry
30 t/hod
24 t/hod
4 t/hod
Tepelný výkon
bojleru (palivo)
26,66 MW
17,7 MW
3,26 MW
Tlak páry na výstupu
z motoru
0,8 bar
11 bar
1,5 bar
Teplota páry na
výstupu z motoru
93 oC
185 oC
111 oC
Využití výstupní páry
Účinnost výroby
elektr. energie
Vytápění
18.5 %
Blízko nasycení
Procesní teplo
asi 6 %
265 oC
Procesní ohřev
asi 10.5 %
Kogenerace s využitím ORC
Teplota
Ohniště
Přehřívák
Výparník
Entropie (kJ/kg K)
Spaliny
Předehřívač
Turbína
Rekuperátor
Pumpa
Kondenzátor
Primární teplonosná kapalina bývá silikonový olej
(max. teplota asi 320 oC). Ta předává teplo
pracovní tekutině s malým výparným teplem a
speciálním chováním (křivce par) v T-s
Pomocí ORC lze využívat
diagramu (toluen, ethylbenzen, R11 aj.)
tepla spalin a kapalin nad
130 oC
Příklady spalovacích
technologií s KVET
Less & Timber Čáslav
Palivo: dřevní biomasa (odpad z výroby) (60 tis. tun za
rok).
Technologie Biopower 5 CEX od fy METSO s parním
kotlem a řoštovým topeništěm.
Tepelný výkon 15-20 MW.
Pára s parametry 480 °C a 62 bar je dodávána do
odběrově-kondenzačního TG o el. výkonu 5,5 MWel či 4,3
MWel při nejvyšším odběru 10 MWt.
Teplo využito na sušení a elektřina je dodávána asi z 80 %
do distribuční sítě.
• Energetické využití mláta v pivovarech fy Scottish & Newcastle
v Tadcasteru a Manchasteru v roce 2009.
• Slad (80 % vlhkost) se přidává v množství 50 % spolu s dřevní štěpkou,
výsledný substrát musí vykazovat max. 55 % vlhkost.
Dostupné technologie KVET
Termochemické zplyňování
H2 + CO + CH4 + CxHy + CO2 + H2O + (N2)
+ nečistoty (dehet, prach, sloučeniny síry, chloru, apod.)
teplo
Palivo + zplyňovací médium (vzduch, O2, pára, CO2)
Spalování
Zplyňování
Pyrolýza
Koks
Biomasa
Popel
Permanentní plyny
Dehty
Teplo
Dehty
Teplo
Oxidant
Oxidant
Katalyzátor
Proces
Stechiometrický
koeficient
vzduchu
Celkové tepelné
zabarvení
Hlavní produkty
Spalování
λ<1
Exotermní
Teplo
0,2 < λ < 0,8
Autotermní/
Endotermní
Generátorový
plyn/
Syntézní plyn
Endotermní
Pyrolýzní plyn,
Pyrolýzní olej,
Koks/Polokoks
Zplyňování
Pyrolýza
λ=0
Výhody zplyňování oproti
spalování
Převedení tuhého (nebo kapalného) paliva na
palivo plynné.
Kogenerace s vyšším teplárenským modulem.
Možnost chemického využití plynu k syntéze
paliv druhé generace.
Výhody převedení tuhého
paliva na palivo plynné
Snadnější odstranění prekurzorů emisí.
Spalováním plynu nevznikají tuhé emise.
Proces spalování lze lépe řídit.
lze dokonaleji spalovat s menší λ a vyšší η
Vliv zplyňovacího média
(oxidantu) na složení plynu
Zplyňování
vzduchem
(autotermní)
Zplyňování
párou
(alotermní)
Zplyňování
směsí H2O+O2
(autotermní)
Výhřevnost
[MJ/Nm3]
4–6
12 – 14
12 – 15
H2 [%]
11 – 16
35 – 40
25 – 30
CO [%]
13 – 18
25 – 30
30 – 35
CO2 [%]
12 – 16
20 – 25
23 – 28
CH4 [%]
3–6
9 – 11
8 – 10
N2 [%]
45 – 60
<1
<1
Typy zplyňovacích generátorů
Požadavky na kvalitu paliva (biomasy) pro jednotlivé typy generátorů
Využití gen. plynu pro KVET
Spalovací (plynové) pístové motory.
Spalovací (plynové) turbíny s vnitřním
spalováním.
Palivové články.
(Spolu)spálení plynu s výrobou tepla a
následnou kogenerací.
Požadavky na čistotu plynu pro
plynový motor
Požadavky na čistotu plynu pro
plynovou turbínu
Příklady použití zplyňovacích
technologií
FICFB Güssing (Rakousko)
Elektřina
chladič
plynu
filtrace
plynu
sprchovací
kolona
katalyzátor
Teplo
plynový
motor
vzduch
vzduch
chladič
spalin
kotel
hořák
chladič
spalin
filtrace
spalin
biomasa
vzduch
pára
Popel
Úletový
popel
komín
Možnosti zvýšení el. účinnosti při
KVET za použití zplyňování
Integrované sušení
Kombinovaný cyklus
Jednoduchý cyklus
Palivo = 8,8 MW
Sušárna
Palivo = 9,6 MW
Zplyňovač
Motor
Lahti (Finsko)
Palivová skladba (Lahti)
Pyrolýza
Spalování
Zplyňování
Pyrolýza
Koks
Biomasa
Popel
Permanentní plyny
Dehty
Teplo
Dehty
Teplo
Oxidant
Oxidant
Katalyzátor
Termický rozklad materiálu za nepřístuu
médií obsahujících kyslík
Plyn
Biomasa
Reaktor
Olej
Teplo
Koks
BTG
Děkuji za pozornost
[email protected]
tel: 731 570 803
Pohořelý M., Jeremiáš M., Kameníková P., Skoblia S., Svoboda K., Punčochář
M.: Zplyňování biomasy. Chem. Listy, v tisku (duben 2012).
(Autoři děkují projektu Technologické agentury České republiky BROZEN č.
TA01020366)
Download

Technologie KVET na pevná, kapalná a plynná paliva z biomasy