Zgazowanie i piroliza biomasy

7.2.1. Proste układy zgazowujące

Technologie zgazowania paliw można podzielić na procesy prowadzone w złożach stałych (nieruchomych lub przesuwnych), fluidalnych oraz dyspersyjnych (strumienio-wych).

Zgazowanie w złożu stałym jest technologią najstarszą i najbardziej dojrzałą. reak-tory ze złożem stałym przeznaczone są do zgazowania paliw o uziarnieniu ~5−80 mm.

w rozpowszechnionych komercyjnie rozwiązaniach stosowany jest przeciwprądowy przepływ paliwa i czynnika zgazowującego.

w reaktorach ze złożem stałym biomasa spoczywa na ruszcie, pod który podaje się czynniki zgazowujące − powietrze i/lub parę wodną, pod wpływem których następuje jej zgazowanie. wytworzone gazy reagują również z powietrzem lub wodą – przewa-żnie z wytworzeniem tlenku węgla oraz wodoru − w procesie zwanym reformingiem.

Przy przeciwprądowej realizacji procesu (gaz odbierany jest u góry, podczas gdy drewno opada w dół złoża) wytworzony gaz jest chłodzony przez doprowadzane pa-liwo i jego temperatura na wyjściu z reaktora jest stosunkowo niska (~400−600^°c).

Niskie temperatury w górnej części reaktora są niewystarczające dla efektywnego roz-kładu zanieczyszczeń smołowych, fenoli czy niskowrzących węglowodorów uwalnia-nych w strefie pirolizy i substancje te są transportowane wraz z gazem opuszczającym reaktor.

współprądowa realizacja procesu (powietrze lub para wodna podawane jest wraz z biomasą od góry, a gazy reakcyjne odprowadzane są od dołu) powoduje uzyskiwanie wyższych temperatur wyprowadzanego z reaktora gazu (konieczność stosowania bar-dziej kosztownych układów chłodzenia gazu), jednak gaz charakteryzuje się niższym poziomem zawartości zanieczyszczeń.

Zgazowanie w układach fluidalnych polega na wdmuchu powietrza i/lub pary wod-nej od dołu rusztu pod ciśnieniem, umożliwiającym utrzymywanie cząstek biomasy w stanie zawieszonym nad rusztem. Zgazowarki pracujące w technice złoża stałego cechują się niskimi zakresami wydajności (mocy). Zgazowanie fluidalne jest bardziej korzystne ekonomiczne, począwszy od zakresu mocy kilku Mw.

karbonizat powstający w czasie procesu jest zgazowywany w tej samej instalacji, względnie odbierany i wykorzystywany w inny sposób, w zależności od zastosowanej technologii zgazowania. w zgazowarkach pracujących w temperaturach wyższych niż 1000^°c w uzyskiwanych produktach gazowych zwykle nie występują zanieczyszczenia smołowe, gdyż ulegają one krakingowi termicznemu.

Produkty gazowe odbierane ze zgazowarki są schładzane i oczyszczane w instala-cjach o różnych konfigurainstala-cjach technologicznych. Odpylanie gazu odbywa się zazwyczaj w elektrofiltrach. Oczyszczanie gazu przez wymywanie (quench) następuje albo przy

użyciu wody, co prowadzi do powstawania zanieczyszczonych ścieków, lub przy pomo-cy rozpuszczalników organicznych. Gorąpomo-cy gaz można wykorzystać bezpośrednio włą-czając go do systemu gazu turbinowego lub w wysokotemperaturowych ogniwach pa-liwowych. w obecnie stosowanych lub testowanych technologiach zgazowania próbuje się przede wszystkim opanować problemy związane z powstawaniem i usuwaniem zanieczyszczeń smołowych oraz kondensatów.

w reaktorach strumieniowych (dyspersyjnych), rozdrobnione paliwo wprowadza-ne jest do strefy reakcyjwprowadza-nej w strumieniu mieszaniny tlenu i pary wodwprowadza-nej. reaktory te wymagają rozdrobnienia podawanego paliwa do wielkości ziarna poniżej 0,1 mm, przy czym paliwo to doprowadzane jest w stanie suchym lub w zawiesinie wodnej. Ze względu na konieczność bardzo subtelnego rozdrobnienia paliwa kierowanego do pro-cesu – reaktory strumieniowe dotychczas nie są stosowane w procesach zgazowania biomasy, ze względu na jej nienajlepsze właściwości przemiałowe. Przy stosowaniu innych paliw – przeważnie węgla – uzyskiwane temperatury procesowe mieszczą się w przedziale 1200−1600°c, a reaktory pracują pod ciśnieniem 2−8 MPa (najczęściej

~2,5 MPa). krótki czas przebywania gazu w układzie reakcyjnym pozwala na osią-gnięcie dużej przepustowości reaktora. reaktory strumieniowe umożliwiają uzyskanie wysokiego stopnia konwersji paliwa i minimalizację zanieczyszczeń smolistych w wy-twarzanym gazie (Stelmach i in. 2008).

7.2.2. Zaawansowane układy zgazowania i pirolizy

interesującym przykładem termochemicznego procesu produkcji energii z biomasy jest proces dwustopniowy łączący pirolizę i gazyfikację. Procesy pirolizy i gazyfikacji odbywają się w dwóch różnych reaktorach. instalacja składa się z jednostki pirolitycz-nej podgrzewapirolitycz-nej propanem, strefy częściowego utleniania i reaktora zgazowania zbu-dowanego z żaroodpornej cegły, ruchomego rusztu, komory na popiół, chłodnicy gazu, systemu oczyszczania gazu oraz silnika. Podgrzewacz powietrza, odparowywacz oraz przegrzewacz są podgrzewane elektrycznie. instalacja ma dwa systemy zasilania: jeden na zrębki drzewne, drugi na pelety lub brykiety. Schemat instalacji przedstawiono na rysunku 7.18 (Bonder i Mirosz 2007).

7.2.3. Zgazowarki

w Polsce jedną z najbardziej znanych instalacji krajowej konstrukcji była zgazowar-ka biomasy ekOd-1, o mocy 3 Mw, opracowana prze firmę SeGi-AT sp. z o.o. (rys. 7.19).

jest ona przeznaczona do utylizacji odpadów w zakładach garbarskich i przetwarza

8 Mg/24 h mokrych ścinków skóry w ciepło, produkując 4 Mg/h pary wodnej o ciśnie-niu 1,3 MPa. Proces zgazowywania odpadów przebiega dwustopniowo. w pierwszym etapie zgazowania, przy niedoborze powietrza i w temperaturze 600–800°c, powstaje gaz palny i pozostałość mineralna. w drugim etapie procesu gaz jest spalany w ko-morze dopalania, w temperaturze 1000–1200°c. reaktor uzyskał sprawność eksplo-atacyjną 92%. dzięki wykorzystaniu energii z ekOd-1 w Zakłaach Garbarskich można było zainstalować nowy kocioł opalany gazem otrzymanym ze zgazowania odpadów produkcyjnych i wyeliminować część dotychczas spalanego węgla, niezbędnego do wy-twarzania pary technologicznej w ilości około 10 ton pary o ciśnieniu 1,3 MPa na go-dzinę. katalogowe parametry zgazowarki ekOd-1 są następujące: wydajność – 2,5 Mw, przerób – 850 kg/h biomasy o wymiarach do 40 cm, moc elektryczna zainstalowana – 25 kw i masa – 43 tony.

Badania eksploatacyjne przeciwprądowej zgazowarki ekOd, w której zgazowanie przebiega zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 7.20, przeprowadzono w Zakładzie Meblarskim Holzwerk sp. z o.o. w drygałach.

Na rysunku 7.21 przedstawiono schemat kolejnej zgazowarki, ekOd-2, produkowa-nej w Zakładach Mechanicznych ZAMer w kraszewie k. lidzbarka warmińskiego, która ma następujące parametry katalogowe: moc – około 2,8 Mw, przerób – 1000 kg/h, moc elektryczna zainstalowana – 35 kw i masa – 40 ton.

Rys. 7.18. Schemat procesu dwustopniowego zgazowania Źródło: Bonder i Mirosz 2007