Energetické využití biomasy zplyňováním ve fluidním loži (Technologie Biofluid)

Martin Dittrich 1. ÚVOD Biomasa se v posledních několika letech vrací do ohniska zájmu jako energetická surovina. Z hlediska jejího možného energetického využití ji můžeme rozdělit na dvě základní skupiny. A. Biomasa získaná ze zbytků rostlinné zbytky ze zemědělské produkce (obilná, řepková sláma), živočišné zbytky zemědělské výroby (chlévská mrva), zbytková organická hmota z potravinářského průmyslu, dřevo z prořezů porostů. B. Biomasa cíleně pěstovaná rychle rostoucí dřeviny (topol, vrba…), energetické byliny (trávy, konopí, amaranth…). Využití energetického potenciálu biomasy se jeví výhodné hned z několika hledisek: \"nulová bilance CO2\" Fytomasa (dřevo, byliny…) spotřebuje fotosyntézou tolik CO2, kolik se uvolní při jejím spálení. Tím nezvyšuje koncentraci CO2 v ovzduší a nestupňuje skleníkový efekt. zdroje tradičních fosilních paliv nejsou nevyčerpatelné Biomasa je obnovitelný energetický zdroj a bude k dispozici i po vyčerpání zdrojů klasických paliv (uhlí, zemní plyn, ropa…). ekonomická hlediska Při rostoucích cenách fosilních paliv je biomasa jedním z alternativních zdrojů, které by je mohly v budoucnu nahradit. Dřevo obsahuje malé obsahy síry Odpadá výstavba nákladného odsiřovacího zařízení a zdroj neznečišťuje ovzduší oxidy síry. V řadě zemí jsou projekty energetického využití biomasy podporovány státem formou dotací ATEKO a.s. se věnuje jednomu z možných procesů využití biomasy - zplyňování. Hlavním rozdílem mezi přímým spalováním a zplyňováním paliv je v tom, že zatímco při spalování se energie obsažená v palivu využije přímo na energii tepelnou, procesem zplyňování energii obsaženou v palivu nejprve transformujeme na jiný druh chemické energie vázaný na plynnou fázi a plyn následně energeticky využíváme. ATEKO a.s. (dříve Výzkumný ústav potravinářské, chemické a chladicí techniky v rámci Cheposu) se zabývá problematikou zplyňování tuhých paliv již několik desítek let. Do konce šedesátých let tomu tak bylo v souvislosti s výstavbou tlakových plynáren (Užin, Vřesová) vybavených generátory se sesuvným ložem. V sedmdesátých a osmdesátých letech byl vyvíjen proces tlakového fluidního zplyňování uhlí, určený pro paroplynový cyklus výroby el. energie. V devadesátých letech se pozornost řady pracovišť ve světě zaměřila na vývoj malých zplyňovacích zařízení zpracovávajících alternativní suroviny. ATEKO a.s. aplikovalo své zkušenosti při vývoji zplyňovacího reaktoru se stacionárním fluidním ložem pracujícího za atmosférického tlaku. Zařízení BIOFLUID (pod tímto názvem je prezentováno) je schopno zplyňovat různé druhy fytomasy (jak štěpkované, tak peletizované) a TTS (tuhá topná směs, dle světové terminologie : RDF - Refuse Derived Fuel). 2. ZAŘÍZENÍ BIOFLUID 2.1 Surovina pro zplyňování Pro návrh zplyňovacího zařízení je třeba znát některé charakteristické fyzikální a chemické vlastnosti paliva jako jsou: granulometrie a tvar částic, vlhkost suroviny, obsah popela a jeho vlastnosti (prvkové složení, bod tání….), prvkové složení, měrná hmotnost, výhřevnost, spalné teplo. Zařízení BIOFLUID je schopno zplyňovat fytomasu i TTS o daných fyzikálních a chemických vlastnostech. 2.2 Popis BIOFLUIDu Palivo je dopravováno ze skladu paliva transportními cestami (systém pásových dopravníků, pneumatické dopravy, korečkových elevátorů a šnekových podavačů) do systému zásobníků (sila, zásobníky). Počet těchto zásobníků závisí na velikosti zařízení (např. 2,6 MWt zařízení má 1 silo se zásobou paliva na 24 hod. provoz, větší zásobní - 2 hod., malý zásobník - 1 hod.). Ze zásobníku putuje palivo šnekovým podavačem do spodní části generátoru. Předehřátým zplyňovacím vzduchem na cca 500 °C proudícím přes rošt je palivo uvedeno do vznosu a při teplotě cca 750 - 800 °C je zplyněno. Generátor je kónického tvaru s proměnným průřezem pro dokonalejší vytvoření fluidní vrstvy. Spodní částí reaktoru je vynášecím systémem odstraňován popel. Ten tvoří zejména anorganické sloučeniny a lze jej, v případě použití jako paliva fytomasy, využít jako hnojiva. Energoplyn vystupující z generátoru o teplotě cca 750 °C s sebou nese úlet tvořený především jemnými částicemi nezreagovaného uhlíku a složky dehtovitých sloučenin v plynné fázi. Další úprava energoplynu je závislá na dalším využití vygenerovaného plynu. Nejjednodušší a nejméně nákladné řešení je následné spalování plynu v plynovém kotli, kde může úplně nebo částečně nahrazovat drahý zemní plyn. Pro toto využití energoplynu je za generátor zařazen cyklon k odloučení úletu na cca 10 g/Nm3 a výměník sloužící k předehřevu zplyň. vzduchu. Plyn z něj vystupuje o teplotě cca 550 - 600 °C. Výhodou je vyšší energetické využití potenciálu energoplynu. Energoplyn lze využít v plynových motorech a turbínách. Pro toto využití je však nutná důkladnější úprava plynu spojená s důkladnějším odstraňováním dehtu a prachových částic. 2.3 Stojící zařízení a jejich parametry V současnosti jsou v ČR tři stojící zařízení Biofluid. Tab. 1: Stojící zařízení BIOFLUID BIOFLUID 40-E BIOFLUID 100 BIOFLUID 2600 Provozovatel Povodí Odry a.s. FS VUT v Brně ATEKO a.s. Lokalita Areál vodohospodářského provozu Skotnice Areál FS VUT v Brně Vápenka Prachovice Surovina dřevní štěpka různé druhy fytomasy, TTS TTS Výkon 40 kWe, 100 kWt 100 kWt 2,6 MWt Použití kogenerovaná výroba tepla a elektr. energie výzkumná a vývojová jednotka otop dvou šachtových vápenkářských pecí - částečná náhrada zemního plynu Spotřeba paliva 50 kg/hod. 15 - 20 kg/hod. 700 - 800 kg/hod. Stav zařízení projekt ukončen v provozu v provozu 2.4 Zkušenosti s provozem BIOFLUID Konstrukční řešení některých prvků BIOFLUIDu se za poslední dva roky výrazně měnilo a dostalo konečnou optimální podobu. Jde zejména o systém vynášení popela z reaktoru, konstrukce výměníku na předehřev vzduchu s kontinuálním čistěním a systém řízení a kontroly provozu zařízení. Provedena byla celá řada testů ve spolupráci s VUT v Brně, kde mají instalovanou laboratorní jednotku a lze na ní provádět testy, VŠCHT v Praze, která zajišťuje veškeré analýzy paliva, plynu, popela, úletu a dehtů a KAPO Prachovice, která zpracovává a předupravuje TTS (mletí, drcení, třídění…). Energoplyn je plynem chudým o výhřevnosti cca 4,5 - 7 MJ/Nm3 v závislosti na druhu paliva. Obecně lze říci, že plyn z TTS je bohatší z důvodu vyšší výhřevnosti TTS jako paliva oproti fytomase. Hlavními hořlavými složkami plynu jsou CO, H2, CH4. Energoplyn obsahuje cca 2 - 10 g/Nm3 dehtů, které zvyšují výhřevnost energoplynu. Pokud teplota plynu neklesá pod rosný bod dehtovitých sloučenin, zůstávají tyto látky v plynném skupenství, což je pro provoz zařízení žádoucí. Obecně lze říci, že se jedná o tzv. dehet vysokoteplotní (20 - 40% naftalenu). Tab. 2: Složení energoplynu vyrobeného z fytomasy resp.TTS Palivo Fytomasa TTS CO 17 % 16 % CO2 16 % 15 % H2 10 % 10 % N2 52 % 55 % CH4 5 % 4 % dehty 1,5 - 2 g/Nm3 8 - 10 g/Nm3 výhřevnost 5 - 6 MJ/Nm3 6,5 - 7 MJ/Nm3 2.5 Ekonomika provozu BIOFLUIDU Celá ekonomika je ovlivňována mnoha faktory, které mohou být případ od případu značně odlišné. Jedná se zejména o: způsob financování (volní prostředky, bezúročná půjčka, úvěr, dotace…), cena suroviny a způsob jejího zajišťování (nákup zvenku, odběr nepoužitelného odpadu, zpracování odpadů z vlastní výroby), počet zaměstnanců (zařízení je samostatná jednotka nebo jednotka předřazená k výrobě), možnost využití odpadního tepla (prodej tepla, využití přímo v objektu…). Ekonomiku výroby el. energie sráží na kolena velice nízká výkupní cena takto vyrobené el. energie. Programy energetického využití biomasy jsou v řadě zemí podporovány státem, avšak podpora tohoto programu je v ČR zatím mizivá. Bez těchto dotací není možné očekávat větší rozšíření moderních ekologicky čistých systémů využití biomasy. Cena zařízení dodávaného na klíč se pohybuje v rozmezí 20-30 000 Kč/1 kWt. V dodávce je zahrnuta příprava suroviny, transportní cesty, projektová dokumentace a samotná instalace zařízení BIOFLUID. 3. ZÁVĚR Biofluid je moderní, ekologicky vyhovující technologie energetického využití alternativních paliv. Odráží se to i na zájmu zahraničních investorů (zejména ze strany cementáren, vápenek, obaloven…) o tuto technologii. V teplárenství by tato technologie mohla najít také své uplatnění. Zejména v zařízeních, kde je jako paliva stále používáno zemního plynu, by se mohla stát atraktivní. Energoplyn je pro potřebu plynových kotlů do budoucna určitě zajímavou alternativou. Zdroj: CZ BIOM - www.biom.cz