Közvetett fűtésű berendezés kifejlesztése fa elgázosítására

Átírás

1 HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA 8.1 Közvetett fűtésű berendezés kifejlesztése fa elgázosítására Tárgyszavak: biogáz; biomassza; elgázosítás; hőáramok; reaktorfűtés; biomassza-betáplálás. A légkör CO 2 -koncentrációjának csökkentése és a megújuló energiaforrások felhasználásának növelése érdekében kifejlesztettek egy közvetett fűtésű, rögzített ágyas, csövesreaktor-alapú elgázosítót éghető gáz előállítására szilárd biomasszából. A biogázt gázmotorokban vagy turbinákban áramtermelésre, tüzelőanyag-cellákban, vegyipari alapanyagként vagy energia tárolására használják. Az alloterm elgázosítókban előállított gáz jobb minőségű, mint az autoterm levegőelgázosítókban előállított gáz. Az erdőgazdaságokban és a fafeldolgozó iparban hulladékként 40% víztartalmú biomassza keletkezik. Az energiatermelésre felhasznált növényekből keletkező, különböző víztartalmú biomasszát mechanikai úton vízmentesíteni kell. A jelenleg ismert, biomasszát elgázosító eljárások még a fejlesztés, illetve a próbaüzem fázisában vannak, mert a nyersgáz és a kátrány tisztítása még nem kielégítően megoldott. Az új eljárás fejlesztésének céljai az alábbiak voltak: 1. A folyamat felesleges lépcsőinek kiküszöbölése. A mezőgazdaságban és a faiparban keletkező biomassza elszórt előfordulása miatt a berendezést a decentralizált energiaellátáshoz kell illeszteni. 2. Az üzemvitel egyszerűsítése: minden lényeges lépést automatizálni kell. 3. Az előkezelés kiküszöbölése, azaz a biomasszát nedvesen kell feldolgozni, és a részecskemérettel szemben nem kell túl szigorú követelményeket támasztani. 4. Rugalmas tüzelőanyag-felhasználás. A biomassza elgázosításakor közepes fűtőértékű, nagy hidrogéntartalmú, hőerőművekben vagy vegyipari alapanyagként felhasználható gáz állítható elő.

2 5. Egyszerű technológia kialakítása. Minimálisra kell csökkenteni a gázkezelési lépcsők számát. Ennek érdekében a folyamatot úgy kell megtervezni, hogy minimálisan szennyezett gáz keletkezzen. 6. A keletkező hulladékok csökkentése. A biomasszából áramot előállító berendezésekben jelentős mennyiségű kezelendő maradék- vagy hulladék anyag keletkezik, különösen poliaromás vegyületekkel szennyezett víz, amelynek a kezelése jelentős költségnövelő tényező. Az új berendezéssel szennyvíz- és hulladékmentes üzemvitel biztosítható. A biomasszát elégető és gőz körfolyamatban energiát előállító vagy szénerőművekben a biomasszát a szénnel együtt elégető folyamatok műszaki és gazdasági szempontból egyaránt korszerűek, megfelelnek a fenti 1. kritériumnak. Gazdasági megfontolások szerint több száz MW teljesítményű berendezéseket kell előállítani, ami biomassza-felhasználásnál problémát jelent. A rögzített ágyas elgázosító felépítését és technológiáját tekintve megfelel a 2. és 3. kritériumoknak. Az elgázosítás során a biomasszát előzetesen szárítani kell, mert a tüzelőanyag nedvességtartalma max. 30% lehet. A biomassza költséges előszárítása azonban elkerülhető, ha a víztartalmát felhasználják heterogén elgázosítás során, közvetett fűtésű elgázosítási folyamatban. Az alloterm elgázosításnál a 4. és 5. kritériumok teljesítése megfelelően kialakított reakciótérrel és fűtéssel biztosítható. A biomasszával a rendszerbe kerülő víz a levegő vagy az oxigén helyett elgázosító közegként szolgál, és hidrogénben gazdag, 12 MJ/m 3 fűtőértékű termékgáz keletkezik. Az eljárás elve A szakirodalomban kevés adat áll rendelkezésre a közvetett fűtésű elgázosításról. Az 1930-as években az elgázosítás alkalmazását megfelelő alapanyag hiánya és az alacsony hatásfok miatt elvetették. Később vizsgálták fluidizációs reaktor alkalmazhatóságát és a folyamatban a hővezetés alakulását. A hőátmenet mint a teljesítményt korlátozó tényező kiküszöbölése érdekében inert fűtőközeget vezettek be a tüzelőanyag-adagolóba. A fluidizációs reaktorban az ágy anyagát egy második fluid ágyban felfűtik, a lépcsőzetes reformálásnál a szilárd fűtőközeget egy külső rendszerben felhevítik és a körfolyamatba vezetik. Az elgázosítás célja egylépcsős folyamatban nyersgáz előállítása, amely porleválasztás és víztelenítés után energetikai célra használható. A folyamatot különálló, közvetett fűtésű reaktorcsövekben hajtják végre. A csövekben a szilárd anyag a nehézségi erő hatására a gázzal egyenáramban halad. Megfelelően kialakított fűtéssel elegendően hosszú elgázosító zóna képződik, és a csaknem teljes elgázosítás mellett végbemegy a nagyobb szénatomszámú szénhidrogének, valamint a kátrány teljes krakkolódása is.

3 Közvetett fűtésű laboratóriumi reaktorban végrehajtott vizsgálatok során megállapították, hogy a hővezetés az adagolóban megfelelő, a hőmérsékletkülönbség a középpont és a fal között 50 K-nél kisebb. A hőmérséklet alakulása a folyamat előrehaladtával az 1. ábrán látható. Az 1. és a 2. zónák fűtése ellenáramú hőhordozó közeggel problémamentesen megvalósítható. A 3. zónában az elgázosítás és a krakkolódás o C között megy végbe, amihez a fűtőközeg nagyobb árama vagy más eljárás alkalmazása szükséges. A megvalósítás Az átviendő hőáramok megtervezése Az elgázosítót 40% víztartalmú bükkfa felhasználására tervezték. A gázösszetételt 850 o C-on a kémiai egyensúly alapján és egy elektromosan fűtött laboratóriumi elgázosítóban végzett kísérletekkel határozták meg. szárítás 1 fűtés/pirolízis 2 elgázosítás/krakkolás 3 hőmérséklet a folyamat előrehaladása 1. ábra A hőmérséklet alakulása az elgázosítás előrehaladásával Az elgázosító tervezésekor a hővezetés megfelelő kialakítása döntő jelentőségű. A biomassza átalakításához szükséges hőáramok az 1. ábrán látható három részre oszthatók. 40% víztartalmú biomassza és 850 o C elgázosítási hőmérséklet figyelembevételével 1 kg nedves biomasszára vonatkoztatva az egyes zónák energiaigénye az alábbiak szerint alakul: szárítás: 0,9 MJ/kg, T = 100 o C felmelegítés, pirolízis: 1,7 MJ/kg, 100 o C < T < 850 o C elgázosítás: 2,1 MJ/kg, 800 o C < T < 900 o C A 2. ábrán a reaktorzónák füstgázzal történő fűtése látható, ellenáramú hőátadó közeg felhasználásával. Meghatározták a szárításhoz, a felmelegí-

4 téshez és a pirolízishez szükséges minimális füstgáz térfogatáramokat. Esetünkben 1450 o C-os égetőkamra kilépési hőmérsékletre lenne szükség, az elgázosításhoz szükséges energia biztosítása érdekében. A 2. ábra bemutatja ezen hőmérséklet csökkentésének a lehetőségeit is. A füstgáz egy részáramának az égetőkamrába történő visszavezetésével a tömegáram és ezzel a hőkapacitás-áram az elgázosító zónában 50%-kal megnövelhető, ami által a maximális füstgázhőmérséklet 1250 o C-ra csökken. hőmérséklet, C hőáram a folyamat előrehaladása 1. szárítás 2. felmelegedés/pirolízis 3. elgázosítás/krakkolás minimális anyagáram: 150% tömegáram: 50% recirkuláció ϑ RG * m RG c p (ϑ)** 2. ábra A reaktor fűtése füstgázzal A reaktor fűtésének kialakítása Kedvező hatású a füstgáz egy részének visszavezetése a reaktorhoz illesztett, füstgáz-recirkulációval és kombinált sugárzó, valamint konvektív fűtéssel ellátott égetőkamrába. A reaktor hat, koncentrikusan az égő körül kialakított, 125 mm belső átmérőjű és 2700 mm hosszú reaktorcsőből épül fel. A fűtés kialakítása a 3. ábrán látható. Az égetőkamrában a hőveszteség minimális, az elrendezés lehetővé teszi a külső recirkuláció egyszerű megoldását. Az integrált égetőkamra lehetőséget biztosít arra, hogy a reaktorcsöveket az égő oldaláról az adott hőmérséklet-tartományban hatékonyabb hőátadással szilárdtestsugárzás útján

5 fűtsék. A füstgáz-hozzávezetés miatt megnő a hőátadás a reaktorcső égetőkamra felőli oldalán. Recirkulációval a reaktorfűtés energetikai viszonyai optimalizálhatók (2. ábra). égő reaktorcső lángcső sugárzó fűtés konvektív fűtés 3. ábra A reaktor fűtésének kialakítása Az ugyanezen az elven felépített laboratóriumi reaktorban végzett vizsgálatok megerősítették az elgázosító tervezésének alapjául szolgáló feltételezéseket. A kifejlesztett elgázosító berendezéshez képest a laboratóriumi elgázosító egy, az elgázosító zónában csőkályhával fűtött reaktorcsőből áll. A szárító, felmelegítő és pirolíziszónákat konvektív úton fűtik. A reaktor 2000 mm hosszú, az elektromosan fűtött szakasz 265 mm-től 1265 mm hosszig tart. A laboratóriumi berendezésben az alábbi vizsgálatokat hajtották végre: a radiális hőmérsékletprofilok felvétele; az axiális hőmérsékletprofilok felvétele a hamuban a tűzrács felett 400 mm-rel. A hőmérsékletprofilok vizsgálata során megállapították, hogy a hőmérséklet-különbség a cső közepe és a cső fala között 30 K, ami kedvező hatással van az elgázosítás sebességére, de utal arra is, hogy a reaktorcső közepén elegendően magas hőmérséklet érhető el; kátrányt a szűrőkben, a csövekben és a kondenzátumban nem mutattak ki; igazolhatók voltak az elgázosító berendezés kifejlesztésével kapcsolatos feltételezések.

6 A biomassza-betáplálás kialakítása Az ágy mozgása a reaktorcsövekben a nehézségi erő hatására megy végbe, és függ a biomassza térfogatcsökkenésétől, illetve a hamu és a maradék anyagok kihordásától. A csövek szárító- és pirolíziszónáiban elzáródások keletkezhetnek, amelyek a folyamat előrehaladtával feloldódnak: a reaktorcsőben a visszatérő áramok miatt a hőmérséklet emelkedik, ezáltal a zónák felülről lefelé eltolódnak az elzáródás megszűnéséig. Még nem bizonyított, hogy a reaktorcsövekben a különböző reakciósebességek és nyomásviszonyok miatt a gázáram részbeni megfordulása végbemegy-e? A biomasszabetáplálást úgy kell kialakítani, hogy a reaktorcsöveket a fejoldalon szigeteljék. A betáplálást és a szigetelést egy kis tartaléktartállyal rendelkező, vízszintes, forgó elosztófejen át valósítják meg (4. ábra), amelyet rögzített helyzetben töltenek fel. A forgás (adagolás) során a reaktorcsöveket megtöltik. Az elülső részen található tömítőgyűrűk egy cső töltésekor a többi csövet leszigetelik. Az elosztókamra fenéklemezéhez történő súrlódás csökkentése érdekében a vízszintes adagoló ív alakú pályán mozog. a biomassza bevezetése az elosztó mozgása a biomassza elosztása 4. ábra A biomassza vízszintes beadagolása A rendszer méretezése A biomassza-elgázosítót 18 kg/h, 40% víztartalmú bükkfa feldolgozására méretezték. Az elgázosításhoz amely 850 o C-on megy végbe 2,75 kg/h földgázzal történő fűtés szükséges. A biomasszával 55 kw, a földgázzal 32 kw entalpiaáram kerül a rendszerbe. A hőveszteségek: 6 kw a füstgáznál és 2 kw konvekció útján. A termékgáz entalpiája 70 kw, a termékgáz 9 kw ter-

7 mikus entalpiájából 6,5 kw az égetéshez használt levegő előmelegítésére fordítódik. A levegő előmelegítését figyelembe véve a hideggázhatásfok 85%. (Regősné Knoska Judit) Büttner, W. K.; Wiest, W.: Entwicklung einer Technikumsanlage zur Holzvergasung mit indirekter Beheizung. = Erdöl Erdgas Kohle, 118. k. 2. sz p Asadullah, M.; Miyazawa, T.; Ito, s.: Novel biomass gasification method with high efficiency: catalytic gasification at low temperature. = Green Chemistry, 4. k. 4. sz p