A biomasszák integrált pirolízise és elégetése

Átírás

1 HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA 8.1 A biomasszák integrált pirolízise és elégetése Tárgyszavak: biomassza; elgázosítás; technológiai változatok; pirolízis; égetés; integrált technológia; elemzés. A szerves nyersanyagforrások kimerülése és a Föld éghajlatának változása miatt világszerte törekednek a rendelkezésre álló szerves tüzelőanyagés nyersanyagforrások hatékonyabb felhasználására, valamint energetikai és alapanyagként történő felhasználás céljából alternatív nyersanyagforrások (például növényi nyersanyagok, biomassza, biogén hulladékok) felkutatására. A biomasszák és a biogén hulladékok elgázosítása A biomasszák elgázosításának fő problémája a termékgáz magas szénhidrogén-tartalma. A szénből történő szintézisgáz-előállításhoz kifejlesztett Flugstrom-eljárással kátránymentes gáz állítható elő. Ez az eljárás azonban gazdaságosan csak megfelelően nagy berendezésben hajtható végre, ami a biomassza felhasználását annak decentralizált keletkezése miatt kizárja. Az eljárás módosítása a kisebb berendezésekben gazdaságosan történő felhasználhatóság érdekében meghiúsult, mert a keletkező kátrány miatt a gázok költséges tisztítás nélkül nem használhatók fel. A szénátalakítás egylépcsős eljárásaival (légköri vagy nyomás alatti stacionárius fluidizációs reaktor, cirkulációs fluidizációs reaktor, egyen- és ellenáramú rögzített ágyas elgázosító) nem biztosítható a megfelelő gázminőség. A keletkező kátrány és egyéb szennyeződések minimálisra csökkentése érdekében a biomassza hasznosításához többlépcsős eljárásokat keresnek. Ilyen folyamatok lehetnek: a kétlépcsős elgázosítás. A rögzített ágyban végbemegy a biomassza szárítása, gázmentesítése és részbeni elgázosítása. A keletkező kokszot a nagy kátránytartalmú, kis fűtőértékű gázzal fluidizációs reaktorban elgázosítják. A kátránymennyiség csökkentése a koksznak az elgázosító reaktorban történő krakkolásával valósítható meg;

2 egy rögzített ágyas reakciózónával kiegészített, egyenáramú, rögzített ágyas elgázosító csökkenti a keletkező kátrány mennyiségét; kombinált ellen/egyenáramú elgázosító rendszer, amely egyesíti a két eljárás előnyeit; a Carbo V eljárás, amelynek első lépésében levegő hozzáadásával végbemegy a lepárlás. A keletkező gázt a következő lépésben levegővel vagy oxigénnel kátránymentesítik. A harmadik lépésben a főleg CO 2 -ból és H 2 O-ből álló gázhoz pirolíziskokszot adagolnak. A koksz elgázosítása során magas hőmérsékleten CO és H 2 képződik. A fenti eljárásokra jellemző, hogy a maximális gázkitermeléshez több, egymás után kapcsolt reakciólépésben egy egyutas anyagáramot állítanak elő. Egy újonnan kifejlesztett eljárás szerint a fő anyagáramot két részáramra osztják. Ez az ún. kétutas eljárás megkönnyíti az egyes reakciólépcsők elválasztását, amelyek sorba és párhuzamosan kapcsolva is üzemeltethetők. Az eljárás előnye, hogy a ki- és az elgázosításhoz szükséges hőmennyiség az elégetés során térben leválasztva kerül előállításra. Ezáltal egyrészt lehetséges az égetést levegővel végrehajtani, másrészt a keletkező hő felhasználható anélkül, hogy az elgázosítás során a termékgáz minőségét nitrogénhígítással rontanák el. Ilyen kétutas eljárás a TU Wien FICFB folyamata, amelyben a biomasszát gőzzel fluidizált, stacionárius reaktorba vezetik, ahol végbemegy a tüzelőanyag szárítása, pirolízise és a koksz elgázosítása. Ágyanyagként levegővel üzemelő, el nem gázosított kokszot tartalmazó fluidizált réteget alkalmaznak. A koksz elégetésekor felfűtött fluid ágy anyagot a füstgázáramból leválasztják és a stacionárius gőzös fluidizációs reaktorba vezetik. A felhevített fluidizáló anyag segítségével biztosítják a tüzelőanyag szárításához, felmelegítéséhez és az endoterm vízgőzös elgázosításhoz szükséges energiát. Az eljárás egy további változata az elégetés során a kigázosítás és hőtermelés szétválasztásán alapul. Az anyagot betáplálják a pirolízisreaktorba, ahol a forró, hőálló fém vagy ásványi anyag hőhordozó közeggel érintkezve megtörténik a kigázosítás. A keletkező pirolíziskokszot a hőhordozó közegből leválasztják. A lehűlt hőhordozót a pirolíziskoksz elégetésekor keletkező gázzal előmelegítik. A pirolízis során keletkező nyersgázt a pirolízisreaktorból egy reformerbe vezetik, ahol vízgőzzel keverve, a hőhordozó közeg előmelegítőjében leválasztott, forró hőhordozó közeggel reformálják. A nagyobb molekulatömegű szénhidrogének krakkolódnak, és CO 2 -dá, hidrogénné és vízgőzzé alakulnak. Az integrált pirolízis és égetési (IPV) eljárás ismertetése Az eredetileg a szén átalakítására kifejlesztett technológiai folyamatok átültetése a biomasszára és egyéb biogén hulladékokra csak részben volt sike-

3 res. A megfelelő technológia kifejlesztésekor figyelembe kell venni a szén, illetve a biomassza és az egyéb biogén hulladékok közötti különbségeket, például illóanyag-tartalmuk tekintetében (1. ábra). illóanyag-tartalom [%(m/m)] a tüzelőanyagra vonatkoztatva az illó alkotórészek felszabadulásának mérése: szárazanyag bükkfa az illó alkotórészek felszabadulásának szimulációja: C 6 H 10 O 4 C 6 H 10 O 3 modellanyagok a pirolízis hőmérséklete, C 1. ábra A bükkfa és a szárazanyag illóanyag-tartalmának összehasonlítása A szén %(m/m)-os illóanyag-tartalma két modellanyag szimulációs vizsgálatának eredménye. A (C 6 H 10 O 3 ) modellanyagot a szimuláció során a szerves anyag vizsgálatára használták, hogy a pirolízisgáz kátránytartalmát szabályozzák. Az IPV-eljárás a költségeket tekintve kedvező a biomassza és egyéb biogén hulladékok energetikailag és nyersanyagként történő hasznosítására. Az eljárás az előkezelést minimálisra csökkenti, magas fűtőértékű, inert gázzal nem hígított termékgáz keletkezik, a berendezések egyszerűek. A biomassza az aknás reaktorba történt betáplálása után érintkezik a forró, fluid ágy hamuval, és végbemegy a biomassza szárítása, pirolízise. A reaktort elhagyó pirolízisgáz gőz hozzáadása mellett áthalad a még forró fluid ágy hamu rétegen. Kvarcüveg készülékben végzett vizsgálatok ahol a pirolízisgáz egy szilárd anyag tölteten halad át szerint a szilárd anyagok (esetünkben hamu és szárazanyag) jelenlétében jelentősen csökkenthető a kátrány mennyisége. A pirolíziskokszot fluid ágy hamuval együtt vezetik a fluidizációs reaktorba. A pirolíziskoksz elégetésével a fluid ágy anyaga felhevül. Az IPV eljárás illesztése a biomassza tulajdonságaihoz az alábbi előnyöket biztosítja a hagyományos elgázosítási eljáráshoz képest:

4 Illesztés eljárástechnikai szempontból a biomassza tüzelőanyaghoz. A biomassza termokémiai átalakítása pirolízis és a maradék koksz elégetése során valósul meg. A biomassza max. 80%-ban tartalmaz illékony alkotórészeket, amelyek a pirolízis során gyorsan, kis energiaráfordítással felszabadulnak. A visszamaradó kokszot a fluidizációs reaktorban elégetik. A pirolízisgázt a biomasszából származó hő közvetítésével, pirolízisfolyamatokban nyerik ki. A pirolízisgáz nagyobb szénatomszámú szénhidrogén tartalma gőz hozzáadásával a forró fluid ágy hamun áthaladva krakkolódik. Miután a levegő hozzáadására a gáztermeléstől térben elválasztva kerül sor, a termékgázt nem hígítja fel a levegő nitrogéntartalma. A gázkinyerésre szolgáló pirolízisreaktor, illetve az égető reaktor gázoldala egymástól el van választva, és csak a szilárd anyagáramok vannak összekapcsolva. Ezáltal az égetéshez használt levegőt mint oxigénforrást a termékminőség romlása nélkül a fluidizációs reaktorba vezetik. Összehasonlítva a tiszta oxigénnel üzemelő, autoterm elgázosítási eljárásokkal, az IPV eljárás gazdaságosabb és eljárástechnikailag kedvezőbb technológia. Miután az égetőreaktor fluidizációs elven működik, hasonlóan a hagyományos fluidizációs égetőberendezésekhez, biztosítható az optimális égetési folyamat. Az ágyanyag fluidizálásával egyszerűen fenntartható a szilárdanyag-transzport az égető és a pirolízisreaktorok között. A nagy szilárdanyag-tartalom és a fluidizációs rendszer által biztosított szilárdanyagtranszport megkönnyíti a kis hamutartalmú biomassza, illetve a nagy hamutartalmú biomassza és/vagy a biogén hulladékok (pl. száraz anyag) felhasználását. Az IPV eljárás katalitikusan hatékony anyagok beadagolásával lehetőséget biztosít a kátrány átalakítására. A szilárd anyagok cirkulációjával váltakozó redukáló és oxidáló körülmények között, megfelelő katalizátor jelenlétében megvalósul a regenerálás, például a katalizátorból levált szénhidrogén oxidációjával. A többlépcsős kialakítás lehetővé teszi a katalizátor optimális beadagolását a folyamat megfelelő pontjaira, ami az egylépcsős folyamatokban az összes reakció egy reaktorban egyidejűleg történő végbemenetele miatt nem lehetséges. Az IPV-eljárás folyamata Az IPV-eljárás egyik lehetséges folyamata a 2. ábrán látható. A fluidizációs reaktorból távozó füstgáz hőtartalmát gőztermelésre és az égetési levegő előmelegítésére használják. A pirolízisreaktorból kilépő gázárammal a gőzturbinából elvett, a pirolízisreaktor számára szükséges gőzáramot fűtik, mielőtt a pirolízisgáz lehűtésre kerül. A kimosott kátrányt kátrány/víz keverék-

5 ként a fluidizációs reaktorba vezetik. A szimulációs vizsgálatok során az 1. táblázatban bemutatott összetételű alapanyagot alkalmazták. hűtő gőz gőzturbina levegő kátrányleválasztó termékgáz gőztermelés levegőelőmelegítő gőztúlhevítő füstgáz pirolízisreaktor fluidizációs reaktor hamu víz gőz biomassza kátrány hamu pirolíziskoksz és hamu 2. ábra Az IPV-eljárás folyamatábrája 1. táblázat A betáplált anyag összetétele a szimulációs vizsgálatok során Víz (nyers) 15,00 %(m/m) Oxigén 35,88 %(m/m) Hamu (nyers) 15,00 %(m/m) Nitrogén 2,43 %(m/m) Szénhidrogén 53,88 %(m/m) Kén 0,29 %(m/m) Hidrogén 7,54 %(m/m) A kátránytartalomnak a teljes folyamat hideggázhatásfokára gyakorolt hatásának vizsgálata során megállapították, hogy elméletileg a kátrány 100%-os krakkolódása esetén 0,3 kg/kg betáplált anyag gőzmennyiség beadagolásánál 80%-os hideggázhatásfok érhető el. A nem krakkolódott, illetve a termékgázból a hűtés során eltávolított kátrányt visszavezetik a fluidizációs reaktorba. A kátrány energiatartalma hiányzik termékgázoldalról, ami negatívan befolyásolja a hideggázhatásfokot: miután a leválasztott kátrányt visszavezetik a fluid ágyba, hiányzik az energiatartalma a termékgázban, de más oldalról, a gőztermelésnél rendelkezésre áll. Az eljárás többlépcsős kialakítása, illetve az

6 égetés és a pirolízis szétválasztása miatt a termékgáz kátránytartalma kicsi, a kátrány elégetése a fluidizációs reaktorban jó hatásfokkal megvalósítható. hatásfok, % fajlagos áramtermelés (kwh/t) össz-folyamat hideg gáz áramtermelés a kémiai egyensúlyban számított gázösszetétel, %(V/V) CO = 13,3 %(V/V) H 2 = 57,6 %(V/V) CO 2 = 17,9 %(V/V) CH 4 = 8,7 %(V/V) egyéb = 2,5 %(V/V) gőzbeporlasztás (kg gőz /kg betáplált anyag ) a pirolízisreaktor kátránytartalma (g/m 3 ) 3. ábra A számított hideggázhatásfok, az összhatásfok, valamint a fajlagos áramtermelés a termékgáz kátránytartalmának függvényében A 3. ábrán a termékgáz kátránytartalmának a hideggáz- és összhatásfokra gyakorolt hatásának vizsgálati eredményei láthatók. Az összhatásfok magában foglalja a gőzturbinában termelt villamos energiát (fajlagos áramtermelés). Az eljárás a lehető legegyszerűbb berendezéssel, technikai oxigén hozzáadása nélkül nagy hideggázhatásfokot ér el, emellett a termékgázban levő kátrányt is hasznosítja (Regősné Knoska Judit) Hamel, S.; Funk, G.: Integrierte Pyrolyse und Verbrennung von Biomassen. = VDI-Berichte, k p Chem, G.; Andries, Z. stb.: Biomass pyrolysis/gasification for product gas production: the overall investigation of parametric effects. = Energy Conversion and Management, sajtó alatt, elérhető dec. 10-től az interneten (ScienceDirect adatbázis).