Snižování emisí oxidů dusíku při katalytickém spalování

Energie z biomasy – seminář 2003
EXPERIMENTÁLNÍ ATMOSFÉRICKÝ FLUIDNÍ ZPLYŇOVACÍ GENERÁTOR
POPIS TECHNOLOGIE A MOŽNÉ SMĚRY VÝZKUMU
Vosecký M.1,2, Skoblja S.2, Malecha J.2, Punčochář M.1 a Koutský B.2
1 Ústav
2 Ústav
chemických procesů Akademie věd ČR, Rozvojová 135, 165 02 Praha 6
plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze,
Technická 5, 166 28 Praha 6
V souvislosti s předpokládaným nárůstem výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie se jeví
zplyňování biomasy jako perspektivní technologie. Za účelem výzkumu v tomto směru byl vybudován
experimentální fluidní zplyňovací generátor, který bude přednostně využíván jako zdroj surového generátorového
plynu. V rámci výzkumného programu pak bude studována metoda vysokoteplotního čištění generátorového
plynu.
Klíčová slova: fluidní zplyňovací generátor, vysokoteplotní čištění
ÚVOD
V nedávné době byla prezentována nová Státní energetická koncepce České republiky do roku 2030. Přestože
bylo předloženo více možných variant z Ministerstva průmyslu a obchodu a též z Ministerstva životního prostředí,
ve všech zvažovaných variantách dochází k podstatnému nárůstu výroby elektrické energie z obnovitelných
zdrojů energie. Ta by měla narůst ze současných přibližně 3 TWh na 9 až 16 TWh v závislosti na uplatněném
scénáři. Jako hlavní obnovitelný zdroj energie je uvažována biomasa, která by v dlouhodobém výhledu měla
tvořit více než 80% z využívaných obnovitelných zdrojů[1]. Nárůstu využití biomasy v produkci elektrické energie
může být dosaženo pouze výstavbou nových zařízení, přičemž v úvahu přicházejí zařízení menších výkonů než
je tomu u klasických kondenzačních elektráren. Tyto skutečnosti přináší perspektivu výzkumu a vývoji procesů
umožňujících efektivní využití biomasy pro energetické účely.
Vedle dalších, v dnešní době z ekonomického hlediska však ne zcela konkurenceschopných procesů, se pro
energetické využití biomasy užívají především dva procesy - spalování a zplyňování. Spalování představuje
technicky jednodušší přístup, avšak při využití spalovacího procesu pro výrobu elektrické energie je třeba využít
větších zařízení s parní turbínou. Celkové zhodnocení energetického obsahu paliva je vzhledem k omezené
účinnosti parního cyklu nižší, než je tomu u zplyňování. Při zplyňování dochází za přítomnosti zplyňovacího
média a vhodně zvolených reakčních podmínek k tvorbě generátorového plynu, který je dále využíván.
Výhřevnost generátorového plynu při zplyňování vzduchem je typicky 4-6 MJ.m-3, při zplyňování kyslíkem lze
dosáhnout od 14 do 18 MJ.m-3. Surový generátorový plyn obsahuje především CO, CO2, H2, CH4 a N2, je-li použit
vzduch jako zplyňovací médium. Vedle těchto složek jsou v něm ovšem obsaženy i další, vesměs nežádoucí
složky, kterými jsou prach, dehty, alkálie, sloučeniny síry a dusíku, chloro- a fluorovodík aj. Před dalším využitím
generátorového plynu je proto třeba tento plyn vyčistit. Úroveň čištění je dána především technickými požadavky
následné technologie a nutností splnit emisní limity na výstupu z této technologie. Vyčištěný generátorový plyn
může být přímo spalován v hořácích, přičemž se získá pouze teplo. Energeticky účinnější variantou je ovšem
jeho spalování v dieselovém motoru či plynové turbíně pohánějící generátor, který vyrábí elektrickou energii.
Navíc se získává odpadní teplo, které je možné dále využít. Účinnost těchto procesů (vyrobená elektrická energie
ku energetickému obsahu v palivu) je na příkladu zařízení s elektrickým výkonem 20 MW přibližně 23% pro
spalování, 27% při využití zplyňování spolu s dieselovým motorem a přes 35% při využití zplyňování spolu se
spalováním generátorového plynu v plynové turbíně[2].
Martin Vosecký, Ústav chemických procesů AV ČR, Rozvojová 135, 165 02 Praha 6, e-mail: [email protected] [129]
Energie z biomasy – seminář 2003
Jak již bylo zmíněno, energetické využití biomasy, a obzvláště její zplyňování, představuje perspektivní oblast
výzkumu a vývoje. Oblasti zplyňování a energetického využití biomasy se dlouhodobě věnuje i Ústav
plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší VŠCHT Praha, na kterém byla uskutečněna řada laboratorních
studií zaměřených především na katalytickou destrukci dehtů v generátorovém plynu. Aby mohl být daný proces
zkoumán na reálném plynu bylo ve spolupráci s Ústavem chemických procesů AV ČR přistoupeno k vybudování
experimentálního fluidního zplyňovacího reaktoru. Příspěvek je především věnován popisu experimentálního
fluidního zplyňovacího generátoru a též zamýšleným směrům výzkumu v budoucnosti.
FLUIDNÍ ZPLYŇOVACÍ GENERÁTOR
Fluidní zplyňovací generátor o jmenovitém tepelném výkonu od 10 do 20 kW v závislosti na palivu pracuje s
bublající fluidní vrstvou za tlaku fluidní vrstvy blízkého atmosférickému tlaku. Jako zplyňovací médium je
počáteční fázi experimentů použit vzduch, do budoucna je možné použít i kyslík, vodní páru nebo jejich směs.
Zplyňovací generátor je schematicky zobrazen na obr. 1.
Obr. 1 Schematický náčrt experimentálního zařízení[3]:
1. zásobník paliva, 2. vstup dusíku do zásobníku, 3. vstup pro míchadlo, 4. pístové dávkovací zařízení, 5. ofuk
dávkovacího zařízení, 6. průtočné chlazení dávkovacího pístu, 7. pohon dávkovacího zařízení, 8. dmychadlo, 9.
ohřev vzduchu, 10. fluidní reaktor, 11. místo odběru plynu k analýze, 12. cyklon, 13. sběrač, T1-T6 termočlánky
pro odečet a regulaci teploty, TT1-TT3 termočlánky pro regulaci topení
Centrální částí zařízení je fluidní reaktor tvořený trubkou, která má do výše 500 mm nad rošt průměr 50 mm a
poté je rozšířena na trubku o průměru 100 mm. K plášti reaktoru jsou v dolní, střední a horní části přichyceny tři
nezávislé elektrické topné segmenty. Každý segment je vybaven vlastním regulačním obvodem a proto je možné
jednotlivé segmenty vyhřívat na různé teploty. Vedle regulačních termočlánků je reaktor vybaven pěti měřícími
termočlánky, které jsou umístěny v různých partiích reaktoru. K přívodu zplyňovacího média, vzduchu, slouží
[130]
Energie z biomasy – seminář 2003
ventilátor s nastavitelnými otáčkami, jehož průtok je kontrolován rotametrem. Před vstupem do reaktoru je
zplyňovací médium předehřáto v ohřívači vzduchu vybaveném vlastní regulací teploty.
Palivo je do reaktoru dodáváno ze zásobníku paliva pomocí pístového mechanismu, který je řízen dvěma
časovými relé. Množství přiváděného paliva lze regulovat pomocí nastavitelné periody zdvihu pístu, neboť
jednotlivé dávky paliva jsou konstantní. K omezení ulpívání paliva na stěnách okolo pístu je čelo dávkovacího
zařízení ofukováno inertním plynem (dusíkem). Aby nedocházelo k přílišnému teplotnímu namáhání, je čelo
dávkovacího zařízení chlazeno vodním průtočným chladičem. Veškeré elektrické součásti zařízení jako jsou
regulátory, relé, záznamová jednotka pro termočlánky, časová relé a veškeré ovládací prvky jsou svedeny do
dvou rozvodných skříní.
Generátorový plyn je po výstupu z generátoru částečně odprášen v cyklónu a poté vzorkován pro on-line
stanovení majoritních složek plynu, CO, CO2, H2, CH4 a O2. Data z on-line analyzátorů jsou spolu s teplotami
z měřicích termočlánků zobrazovány a ukládány na počítači. Vlastním analyzátorům je z důvodu jejich ochrany
před znečištěním dehty a dalšími nežádoucími složkami předřazen poměrně komplexní systém čistění
vzorkovaného plynu. Surový plyn je nejdříve propláchnut v toluenu, poté několikastupňově filtrován a nakonec
zchlazen, aby došlo ke kondenzaci vodní páry přítomné v plynu. Vedle on-line analýzy je též možné uskutečňovat
odběr pro off-line stanovení dehtů a dalších komponent přítomných v plynu pomocí GC-FID/TCD a GC-MS.
Generátor je spolu s potrubím odvádějící tento plyn tepelně zaizolován.
BUDOUCÍ VÝZKUM
V úvodní části experimentů, během kterých budou získávány první provozní zkušenosti bude sledován
především vlastní fluidní proces, a proto budou sledovány tlakové poměry v zařízení a distribuce teplot. Dále
bude zjištěna charakteristika dávkovacího zařízení. Vzhledem k tomu, že na tomto zařízení nebyly dosud
získány žádné poznatky z praktického provozu za vyšších teplot s palivem a zplyňovací proces je poměrně
komplexní, budou experimenty s palivem zahájeny v nadstechiometrické oblasti, kde bude palivo ve fluidní vrstvě
spalováno. Na spalování později naváží zplyňovací experimenty. Jako palivo se využije hnědé uhlí ze sokolovské
pánve vhodné pro zplyňování. Po uskutečnění experimentů s uhlím se ve střednědobém výhledu počítá
s využitím dalších paliv, zejména biomasy.
Prezentované experimentální zařízení bylo vybudováno především za účelem tvorby generátorového plynu o
reálném složení. Surový generátorový plyn bude využit při vývoji a ověření filtračního zařízení pracujícího za
vysokých teplot. Hlavní předností vysokoteplotního čištění je značné omezení ztrát tepelné energie, k nimž
dochází během zchlazení plynu, jsou-li použity nízkoteplotní metody čištění. Vysokoteplotní čištění je přínosné
obzvláště v kombinaci s následnou technologií, která na vstupu vyžaduje vyšší teploty generátorového plynu,
např. plynové turbíny.
Vedle čištění generátorového plynu v zařízení umístěném za zplyňovacím generátorem, umožňuje technologie
fluidního zplyňování též přímé snižování přítomnosti nežádoucích látek v plynu, např. dehtů a sirovodíku,
dávkováním aktivního materiálu do fluidního lože. Takovým materiálem může být například mletý dolomit. Vlastní
vysokoteplotní filtrace může být realizována dvoustupňově. V prvním stupni dojde na aktivním filtru k odstranění
prachu, alkálií, sulfanu a chlorovodíku na únosné zbytkové koncentrace a v druhém stupni jsou odstraněny dehty
na vhodném katalyzátoru, kterým může být niklový nebo rhodiový katalyzátor. Celkové schéma možného
přístupu k vysokoteplotnímu čištění generátorového plynu je zobrazeno níže (obr. 2).
[131]
Energie z biomasy – seminář 2003
palivo
zplyňovací médium
fluidní zplyňování
odstraňování dehtů, H2S,
HCl
700-1100°C
materiál lože s aktivním materiálem
CO, CO2, H2, CH4, N2
BTX, dehet, prach, alkálie,
nižší koncentrace H2S, HCl
aktivní materiál filtru
vysokoteplotní filtrace
odprášení, odstr. alkálií,
dočištění H2S, HCl
450-650°C
materiál fluidního lože z úletu, prach
materiál filtru na regeneraci či do odpadu
CO, CO2, H2, CH4, N2
BTX, dehet
katalytické odstraňování dehtů
pomocí aktivních
katalyzátorů (Ni, Rh)
450-550°C
CO, CO2, H2, CH4, N2
následná technologie
dieselův motor, plynová turbína
Obr. 2 Schéma čištění generátorového plynu
POUŽITÁ LITERATURA
[1] www.env.cz (navštíveno 28. 11. 2003): Scénář MŽP pro aktualizaci Státní energetické koncepce České
republiky.
[2] BRIDGWATER A.V.(1995): The Technical and Economical Feasibility of Biomass Gasification for Power
Generation, Fuel, Vol. 74, No. 5, pp. 631-653
[3] CHYTIL S. (2003): Provozní manuál zplyňovací stanice, VŠCHT Praha
[132]