Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
ul. Konarskiego 22, 44-101 Gliwice
e-mail: kalina@itc.polsl.pl
Wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu w układach rozproszonych
małej mocy, zintegrowanych ze zgazowaniem biomasy
1. Wprowadzenie
W związku ze wzrostem zainteresowania energetyką odnawialną oraz z rosnącymi cenami
paliw i energii w najbliższych latach spodziewany jest wzrost udziału biomasy w krajowej
strukturze zużycia paliw pierwotnych. Obecnie na rynku obserwuje się rosnącą podaż
urządzeń, pozwalających na wykorzystanie biomasy do celów energetycznych. Zastosowanie
biomasy w energetyce ograniczone jest jednak głównie do wytwarzania ciepła oraz do
współspalania w kotłach elektrowni i elektrociepłowni. Alternatywną technologią mogą tu
jednak wkrótce okazać się układy z gazowymi silnikami tłokowymi i turbinami gazowymi,
zintegrowane z systemami zgazowania drewna czy odpadów. Coraz częściej są one
oferowane w zakresie małych mocy elektrycznych, poniżej 1 MW. Dla szerokiego rozwoju
tej technologii konieczne jest jednak spełnienie szeregu warunków z których najważniejsze to
odpowiedni poziom rozwoju technologii oraz efektywność ekonomiczna inwestycji.
W artykule przedstawiono problematykę związaną ze stosowaniem technologii
zgazowania biomasy w układach małej mocy oraz analizę możliwości wykorzystania gazu
generatorowego do celów energetycznych. W pierwszej części omówiono zagadnienia fizyko-
chemiczne i termodynamiczne związane z procesami zgazowania. Przedstawiono również
podstawowe rozwiązania techniczne oraz dokonano przeglądu dostępnych komercyjnie
technologii.
W końcowej części omówiono zagadnienia ekonomiczne związane z rozwojem projektów
inwestycyjnych wraz z oszacowaniem poziomu opłacalności. Przeprowadzono także analizę
przykładowego projektu
2. Zgazowanie biomasy w generatorach gazu małej mocy
Terminem zgazowanie określa się cały zespół procesów termodynamicznych, wymiany
ciepła i masy oraz wielokierunkowych egzo- i endotermicznych reakcji chemicznych,
zachodzących w podwyższonej temperaturze (typowo 800 - 1000°C), prowadzący do
konwersji paliwa stałego do postaci gazowej. Poza materiałem poddawanym zgazowaniu
dodatkowo w procesie uczestniczy czynnik utleniający, którym jest zazwyczaj powietrze,
para wodna, tlen lub dwutlenek węgla. Uzyskiwany w procesie gaz składa się ze składników
palnych: CO, H
2
, CH
4
oraz balastu: CO
2
, N
2
i H
2
O. Ponadto produktami procesu jest żużel,
substancje ciekłe i smoliste. Zgazowaniu poddawać można paliwa stałe, torf, drewno, odpady,
pozostałości rafineryjne, mieszaninę odpadów komunalnych i węgla oraz inne.
Proces prowadzony jest w generatorach gazu (nazywanych również gazyfikatorami).
Poprzedzony jest on najczęściej suszeniem i pirolizą (odgazowaniem) substancji stałej w
atmosferze beztlenowej (który to proces zachodzi najczęściej w jednym urządzeniu razem z
procesem zgazowania).
Zagadnienia związane z procesem zgazowania paliw stałych, biomasy czy odpadów są
bardzo złożone. W dużym uproszczeniu można je przedstawić na przykładzie
przeciwprądowego generatora gazu ze złożem stałym przedstawionego na rys. 1.
wsad
gaz
Strefa suszenia
Strefa odgazowania
(pirolizy)
Strefa redukcji
Strefa spalania
Strefa żużla
ruszt
powietrze
Rys. 2. Uproszczony schemat gazyfikatora przeciwprądowego ze złożem stałym
H
2
O
Cechą charakterystyczną przeciwprądowego generatora gazu jest przeciwny kierunek
przepływu fazy stałej i gazowej. Czynnik utleniający (mieszanina powietrza i pary wodnej)
podawany jest do strefy spalania, gdzie zachodzą głównie reakcje utleniania substancji palnej.
Powstały gaz, nie zawierający tlenu, przepływa dalej do strefy redukcji gdzie zachodzi cały
szereg endotermicznych (a także egzotermicznych) reakcji chemicznych.
W układzie reagującym, którego głównymi elementami są węgiel, wodór i tlen, w
warunkach panujących w generatorze może zachodzić wiele reakcji. Ze względu na trudności
obliczeniowe nie wszystkie reakcje są uwzględniane w opisie i modelowaniu procesu
zgazowania. Zwykle jako główne reakcje uwzględnia się:
- reakcje utlenienia w strefie spalania
C ⇔
+
O
2
CO
2
(1)
C
+
1
/
2
2
⇔
CO
(2)
H
2
+
1
/
2
2
⇔
H
2
O
(3)
- reakcje w strefie redukcji
CO
2
+
C
⇔
2CO
(4)
H
2
O
+
C
⇔
H
2
+
CO
(5)
CO
2
+
H
2
⇔
CO
+
H
2
O
(6)
2
C ⇔
+
2H
2
CH
4
(7)
2CO
+
2H
2
⇔
CH
4
+
CO
2
(8)
CO
2
+
4H
2
⇔
CH
4
+
2H
2
O
(9)
CH
4
+
H
2
O
⇔
CO
+
3
H
2
(10)
Wraz z oddalaniem się od strefy spalania temperatura w reaktorze maleje (głównie na
skutek reakcji endotermicznych) co powoduje, że reakcje przebiegają z coraz mniejszą
prędkością; strefa redukcji rozszerza się. Strefa utlenienia oraz strefa redukcji tworzą tzw.
strefę reakcji.
Kierunek oraz prędkość przebiegu reakcji zależy od temperatury i ciśnienia w reaktorze.
Przykładowo dla endotermicznej reakcji
wzrost ciśnienia przesuwa równowagę reakcji w
kierunku tworzenia się CO
2
, spadek zaś w kierunku tworzenia CO. Wzrost temperatury
zwiększa wydajność reakcji endotermicznej
w kierunku tworzenia CO.
Rys. 2. Skład równowagowy produktów reakcji
w funkcji temperatury i ciśnienia
Skład równowagowy gazu otrzymanego w procesie zgazowania zależy w głównej mierze
od następujących parametrów procesu:
• temperatury zgazowania,
• ciśnienia zgazowania,
• początkowego składu reagentów (frakcji zgazowanej i czynnika zgazowującego),
• powierzchni strefy redukcji oraz czasu przebywania gazu w strefie redukcji.
Wzrost temperatury reakcji przesuwa skład równowagowy reakcji endotermicznych w
kierunku prawej strony tych reakcji, a więc w kierunku zwiększonego udziału składników
palnych (CO, H
2
, CH
4
). Z tego też powodu dąży się do prowadzenia procesu w jak
najwyższych temperaturach. Pozytywnym skutkiem wysokiej temperatury procesu jest
3
również niższa zawartość dioksyn w gazie oraz substancji smolistych, które podlegają
rozkładowi termicznemu.
Wzrost ciśnienia zgazowania zwiększa wydajność reakcji powstawania metanu, przez co
zwiększa się wartość opałowa gazu i jego liczba metanowa. Technologie te są więc bardzo
wskazane przy wykorzystywaniu gazu przy spalaniu w silnikach spalinowych i turbinach
gazowych.
Wartość opałowa gazu z procesu zgazowania jest zwykle stosunkowo niska. W przypadku
biomasy jest ona w przedziale 4 do 12 MJ/m
n
3
, co jest wartością znacznie niższą od wartości
opałowej gazu ziemnego (35 MJ/m
n
3
), stąd też gazy z procesów zgazowania zaliczane są do
grupy tzw. gazów niskokalorycznych.
Istotnym z energetycznego i ekonomicznego punktu widzenia parametrem jest sprawność
procesu (szczególnie w przypadku zgazowania biomasy). Sprawność tę zazwyczaj określa się
jako stosunek strumienia energii chemicznej wytworzonego gazu do strumienia energii
chemicznej substancji wsadowej poddawanej zgazowaniu
η
=
G
&
g
W
dg
(11)
G
G
W
p
dp
gdzie:
G
- strumień gazu i materiału wsadowego do procesu,
W
g
G
p
dg
, W
dp
– wartość
opałowa gazu i materiału wsadowego.
Sprawność procesów zgazowania zawiera się w bardzo szerokim zakresie: od 20% dla
najprostszych instalacji do około 95% dla najbardziej zaawansowanych technologii. Dla
mniejszych sprawności zgazowania zwiększa się zużycie paliwa stałego czy biomasy, a co za
tym idzie rosną koszty eksploatacyjne całego układu. Może to wpłynąć niekorzystnie na
efektywność ekonomiczną inwestycji.
Surowy gaz opuszczający generator zawiera liczne zanieczyszczenia. Do głównych
zalicza się: cząstki stałe, smoły, siarkowodór i inne związki siarki, śladowe związki chloru,
fluoru, magnezu, krzemu, potasu, fosforu, wapnia sodu i inne. Zawartość poszczególnych
zanieczyszczeń zależy od typu reaktora, parametrów procesu, rodzaju wsadu, rodzaju
czynnika utleniającego i innych czynników.
W tabeli 1 przedstawiono przykładowy skład gazu oraz ilość zanieczyszczeń uzyskiwane
w procesie zgazowania biomasy w typowych reaktorach ze złożem stałym.
Tabela 1
Przykładowy skład gazu uzyskiwany w procesie gazyfikacji na złożu stałym
Składnik
Gazyfikator
przeciwprądowy
Gazyfiakator
współprądowy
CO, %
15 - 20
10 - 22
H
2
, %
10 - 14
15 - 21
CO
2
, %
8 - 10
11 - 13
CH
4
, %
2 - 3
1 - 5
N
2
, %
pozostałość
pozostałość
4
&
&
,
&
H
2
O, %
10 - 20
10 – 20
W
d
, MJ/ m
n
3
3.7 - 5.1
4.0 - 5.6
Cząstki stałe, mg/m
n
3
100 - 3000
20 – 8000
Zanieczyszczenia smoliste, mg/m
n
3
10000 - 150000
10 – 6000
Wyprodukowany gaz jest zazwyczaj oczyszczany. Wymagania dotyczące czystości gazu
zależą od sposobu jego dalszego wykorzystania. Do oczyszczania stosuje się najczęściej
metody mokre (np. w skruberach) lub suche z wykorzystaniem np. filtrów ceramicznych.
Poważnym problemem może tu być jednak utylizacja (neutralizacja) pozostałości po
procesach oczyszczania. Pozostałością po procesie zgazowania jest popiół (około 1 – 2 %
ilości suchego wsadu do generatora), zawierający głównie składniki mineralne, smoły oraz
zanieczyszczone ciecze z instalacji oczyszczania gazu.
Substancje smoliste to głównie węglowodory wyższych rzędów (wyższe od benzenu),
które ulegają kondensacji przy obniżeniu temperatury gazu (poniżej 150
O
C). Obecnie
możliwe są dwa sposoby rozwiązania problemu substancji smolistych:
- rozkład termiczny (cracking),
- separacja.
W układach małej mocy, ze względu na koszty, zwykle nie stosuje się technologii
rozkładu termicznego substancji smolistych. Są one separowane w układzie oczyszczania
gazu i odprowadzane do utylizacji (w większości przypadków spalania). Większe zawartości
substancji smolistych w gazie generatorowym występują w przypadku generatorów
przeciwprądowych ze złożem stałym.
Wydajność procesu zgazowania jest różna w zależności od zastosowanej technologii i
wielu innych czynników. Spotykane są obecnie instalacje zarówno dużych mocy jak i układy
małe, dające strumień energii chemicznej gazu rzędu kilkudziesięciu kW do 1 MW. W
analizach wstępnych małych układów średnio przyjmować można, że ilość biomasy (drewna)
100 kg/h pozwala na wytworzenie ok. 100 kW mocy elektrycznej w układzie z gazowym
silnikiem tłokowym.
Obecnie na rynku dostępnych jest szereg technologii zgazowania biomasy, głównie
drewna w różnej postaci. Do głównych typów generatorów gazu zaliczamy:
1. Reaktor dolnociągowy (downdraught) współprądowy:
- prosta i niezawodna konstrukcja,
- nadaje się jedynie do wybranych rodzajów i sortymentu wsadu,
- wymagany równomierny sortyment wsadu w złożu,
- trudny do skalowania w celu zwiększenia lub zmniejszenia mocy,
- wykazuje skłonności do szlakowania,
- długi czas procesu zgazowania,
- wymagana niska zawartość wilgoci w biomasie,
- stosunkowo czysty gaz (niska zawartość substancji smolistych),
- wysoki stopień konwersji biomasy,
- wysoka temperatura gazu na wyjściu z reaktora
- mała produkcja popiołów.
2. Reaktor górnociągowy (updraught) przeciwprądowy:
- prosta i nieskomplikowana konstrukcja,
- możliwość stosowania drewna o grubszym sortymencie,
- zanieczyszczony gaz z dużą zawartością substancji smolistych,
- stosunkowo prosty do skalowania,
5