Termochemiczna konwersja biomasy i bioodpadów z wykorzystaniem procesów pirolizy i zgazowania

1. E2BEBIS – ŚRODOWISKOWE I EKONOMICZNE KORZYŚCI Z UTWORZENIA KLASTRÓW BIOWĘGLOWYCH NA OBSZARZE EUROPY ŚRODKOWEJ Otwarte seminarium: Piroliza biomasy - zrównoważona technologia wytwarzania biowęgla i energii odnawialnej 06 grudnia 2013, Opole Termochemiczna konwersja biomasy i bioodpadów z wykorzystaniem procesów pirolizy i zgazowania Sławomir Stelmach

2. Zakres prezentacji • Wprowadzenie 1 2 • Informacja nt. pirolizy i zgazowania • Właściwości biomasy i bioodpadów 3 • Koncepcja biorafinerii 4 5 • Przykłady instalacji pirolizy 6 • Przykłady instalacji zgazowania 7 • Podsumowanie

3. Zgazowanie Energetyka Paliwa Termiczna konwersja odpadów Koksownictwo Obszary działalności IChPW Spalanie Piroliza

4. Piroliza • 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)

5. Zgazowanie • 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) 5/32

6. Porównanie procesów

7. Wykorzystanie biomasy dla produkcji energii Zalety: • dostępność (teoretycznie niewyczerpalne źródło energii) • spalanie biomasy – zerowa wartość emisji CO2netto • spalanie lub współspalanie biomasy pozwala obniżyć emisję tlenków siarki, tlenków azotu i pyłów (niewielkie oddziaływanie środowiskowe) Wady: • relatywnie wysoki koszt • gorsze właściwości energetyczne w porównaniu do węgla • możliwe wylesianie (deforestacja) • problemy z magazynowaniem i transportem (np. zagniwanie) Połaniec power plant 7/32

8. Źródła biomasy 8/32

9. Właściwości biomasy • 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. 9/32

10. Właściwości biomasy 10/32

11. Zielona biorafineria 11/32

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

13. Piroliza – wpływ parametrów procesowych • temperatura • szybkość nagrzewania • ciśnienie • rozkład rozmiarów cząstek • konfiguracja reaktora/ • strefa reakcji wtórnych 13/32

14. Szybka piroliza biomasy ciepło do suszenia gaz suszenie rozdrabnianie cykklon Reaktor fluidyzacyjny • 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 bio-olej karbonizat ciepło dla pirolizy

15. Chemikalia z bio-oleju pirolitycznego 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). 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) 15/32

16. Reaktory szybkiej pirolizy biomasy Reaktor fluidyzacyjny (pęcherzykowy), BFBR Reaktor fluidyzacyjny ze złożem cyrkulującym, CFBR 16/32

17. Reaktory szybkiej pirolizy biomasy Reaktor z przenośnikiem ślimakowym Reaktor z wirującym stożkiem 17/32

18. Reaktory szybkiej pirolizy biomasy Reaktor próżniowy Reaktor strumieniowy, EFR Reaktor ablacyjny 18/32

19. Przykłady reaktorów szybkiej pirolizy biomasy BFBR RCR BFBR BFBR 19/32

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

21. Typy reaktorów zgazowania

22. Charakterystyka reaktorów zgazowania biomasy 22/32

23. Zgazowanie biomasy i odpadów - problemy • 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). Paliwo Gaz 23/32

24. Przykłady technologii zgazowania biomasyZabrze – Polska • 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/m3n 24/32

25. Przykłady technologii zgazowania biomasyWarszawa (IEn) - Polska Gazogenerator IEn150 25/32

26. Przykłady technologii zgazowania biomasyLouka – Republika Czeska • Podstawowa charakterystyka: • zrębki drzewne – 5 Mg/dobę • główne składniki gazu: • CO – 20% • H2 – 16% • CH4 – 1% • CO2 – 10% • wartość opałowa gazu – 5,2 MJ/m3n 26/32

27. 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

28. Przykłady technologii zgazowania biomasyGüssing - Austria • 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 28/32

29. Przykłady technologii zgazowania biomasySkive - Dania • Podstawowa charakterystyka: • pelety drzewne – 110 Mg/dobę • sprawność całkowita – 87% • główne składniki gazu: • CO – 22% • H2 – 20% • CH4 – 5% • CO2 – 10% • N2 – 42% • wartość opałowa gazu – 5,5 MJ/m3n J. Patel, http://www.forestprod.org/smallwood04patel.pdf 29/32

30. Oznaczenia biodegradowalności paliwmetodą selektywnego rozpuszczania 30/32

31. 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. 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. DZIĘKUJĘ BARDZO ZA UWAGĘ INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLAul. Zamkowa 1; 41-803 Zabrze NIP: 648-000-87-65 Regon: 000025945 Telefon: 32 271 00 41 Fax: 32 271 08 09 E-mail: office@ichpw.zabrze.pl Internet: www.ichpw.zabrze.pl 32/32