Gyepes Balázs. Thermokémiai elgázosító rendszer

Átírás

1 Gyepes Balázs Thermokémiai elgázosító rendszer

2 1 I. Bevezetés Napjainkban egyre elterjedtebb az úgynevezett zöld gondolkodás és a fenntartható energiatermelési szempontok figyelembe vétele. Az energetikában egyre nagyobb szerepet kapnak a megújuló energetikai megoldások, melyek környezetszennyezés nélkül állítanak elő villamosenergiát, ilyen például a nap, szél, víz energia felhasználása. De rengeteg hátránya is van ezeknek a mai gazdaság szempontjábó, nem beszélve a hatásfokokról. Fosszilis energiahordozókból kinyert energia még mindig sokkal olcsóbb és megbízhatóbb technológia, mivel már régóta ezeket használjuk és fejlesztjük ezért gazdasági szempontból ezek a háttérbe szorítják a megújuló energetikát. A földgáz egy nagyon jó fosszilis energiahordozó, de sajnos ebből sincs végtelen sok, ezért kutatták annak a lehetőségét, hogy mesterségesen állítsanak elő szilárd anyagokból hasonló tulajdonságokkal rendelkező gázt. Ezt hívják elgázosításnak. A Gázosítási technológiát már a késői XIX. és a korai XX. századból ismerjük és alkalmazzuk a városi gáz gyártása kapcsán. Ezeket az első keresekedelmi gázgyárakat annak idején a villamos energia termelésének és használatának széles körű elterjedése váltotta le, tette szükségtelenné, így a gázgyártás technológiája is háttérbe szorult egészen a II. világháborúig, amikor a német tudósok jelentős fejlesztéseket hajtottak végre a szénből gáz és cseppfolyós üzemagyag gyártás technológiájának kidolgozása folyamán. Az 1950-es évek elején újabb lendületet kapott a technológia a finomítókban, az alacsony értékű melléktermékekből történő hidrogéngyártás kapcsán. Ezt a technológiát első sorban olyan helyeken alkalmazták, ahol jelentős mennyiségű kémiai melléktermék keletkezett. Az 1970-es évek elején kezdődtek és folytak azok a kísérletek, melyek célja a szilárd anyagok közvetlen elgázosítása technológiájának kidolgozása. Az 1980-as évek második felében készült el az az erőmű, melyben egy kombinált ciklusú erőművet egyesítettek, egy szénnel üzemelő, nagy hatékonyságú, és alacsony emissziójú elgázosítóval.[4] II. TCG rendszer Az elmúlt évek során sok egyedi terv és fejlesztési eredményként több ilyen típusú rendszer is született, melyek célja a nagyobb hatásfok elérése különböző technológiák bevonásával és az input anyagok megváltoztatása volt. A Thermo-Chemical Gasification Technology TCG egy nem túl magas hőmérsékleten, oxigénhiányos környezetben zajló thermo-kémiai elgázosító technológia. Az ilyen és hasonló technológiák elsődleges szempontja a szintézisgáz előállítása,amely a fűtésre, energiatermelésre, hidrogén előállításra, valamint olyan elsődleges fontosságú folyékony üzemanyagok gyártására használható, mint, az etanol, metanol, bio-diesel, vagy repülőbenzin A szintézisgáz négy gáz keverékéből áll. A CH 4, CO, CO 2, és a H 2 gáz belső arányai változnak a keletkezési körülmények függvényében. A TCG rendszerben keletkezett szintézisgáz, egy folyamatosan ellenőrzött, a standard értékektől +/- 1-2 %-os sávon belül tartott gáz. [2]

3 2 A syngas keletkezési tartománya a Pyrolysis/steam reforming rendszerben[3] A TCG berendezés alkalmas a kőszén, növényi biomassza ide értve a faaprítékot, rizs szalmát, stb. kommunális és ipari hulladékok, (szerves iszapok, petroleum coke,) bármilyen arányú keverékének felhasználásával syntézis gáz előállítására. A rendszer több, magas szintű technológiai fejlesztési eredményt egyesít, melyek a következők[3]: - készre, vagy félkészre szerelt, moduláris elemkből épül fel; - nincs szükség különleges hő és saválló tégla bevonatra a pirolízis kamrában; - nem igényel külön oxigén beadást, vagy leválasztást; - nem érzékeny az input anyag nedvesség tartalmára; - nem szükséges por vagy zagy formájában beadagolni az input anyagot; - rendkívüli rugalmasság az input anyagok és egymáshoz viszonyított arányuk terén, melynek köszönhetően üzemeltethető a rendszer szén, pet coke, biomassza, szennyvíziszap vagy egyéb szerves anyag szabadon választott arányú kombinációjával is; - a reakcióban fel nem használt anyagok reakciótérbe való visszavezethetősége eredményeként nincs a rendszernek gáznemű és cseppfolyós emissziója, melynek következtében közel zérus (csak szilárd anyag kibocsátás) emissziójú a rendszer. Mindezeken túlmenően, az elgázosítási reakció során keletkezett CO 2 összegyűjtésre kerül, és mint input anyagot használjuk úgy, hogy visszavezetjük a reaktortérbe. A TCG rendszer minimális illesztési módosítással szerves egységgé rendezhető a gázból cseppfolyós szénhidrogént előállító, bio-refinery egységgel. Mindezeknek is köszönhető, hogy a TCG rendszer és technológia alapvető és jelentős kereskedelmi potenciállal bír. [2]

4 3 Villamos áram termelés esetén a tiszta szintézisgáz gázturbinákba/gázmotorokba kerül, így igen nagy mennyiségű (akár több tíz MW) elektromos áram termelésére fogható, kiemelkedő rentabilitás mellett, tekintettel arra, hogy az output anyagok döntő része - hulladékok - kvázi ingyen vannak, sőt átvételükért jelenős összegeket /átvételi ár/ is fizetnek. Egy 2004-es tanulmányban leírt barnaszén elgázosító rendszer hatásfok növelő módszer eredményeképp a rendszer hatásfoka 39,5 % ról egy úgy nevezett Szilárd Oxigén Cella (SOFC) alkalmazásával 46% is nőhetett. A Szilárd Oxidos Cellák (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) jelenleg a legmagasabb üzemi hőmérsékletű cellák. Az elektrolit olyan vékony kerámia (szilárd oxid) réteg, amely képes arra, hogy magas hőmérsékleten vezesse az oxigén ionokat. Az 1950-es évek második felében fejlesztették ki a két alapvető szilárd oxidos cellafajtát: a csöves és a paneles szerkezetűt. A töltéshordozó oxigén ionok a katódon keletkeznek oxigén molekulákból, elektronok felhasználásával. Az anódon pedig hidrogénnel egyesülve szabadulnak fel ismét az elektronok, melyek egy külső áramkörön keresztül áramot és hőenergiát termelve jutnak el ismét a katódhoz. A TCG rendszerek olcsó hidrogént is termelnek,amit szintén Hidrogén Cella alkalmazásával villamos-energia termelésre is fordíthatunk.[1] Hő A gázturbinák által leadott jelentős hőmennyiség (akár több tíz MW) is a megfelelő feltételek és igények megléte esetén szintén felhasználható. A SOFC beépítése itt is említendő. Cseppfolyós szénhidrogén /Metanol, etanol, Bio-diesel, repülőbenzin, stb./ További lehetőség, hogy a szintézisgáz további feldolgozása un. Fischer-Tropsch (FT) szintézis útján dízelolajjá, kerozinná, metanollá, etanollá, szintetikus nyersolajjá stb. alakítjuk.[3] Később különböző vizsgálatokat végeztek, hogy melyik elgázosító technológia a leghatékonyabb. Az összehasonlítás szempontjai a következők voltak: - hatékonyság, - működési megbízhatóság és általános biztonság, - energia kinyerési hatásfok, - PEI (Potential Environmental Impact) környezeti hatásfaktor, és - gazdaságosság. A sokoldalú vizsgálatok után a szakértők megállapítása,hogy: Egy oxigén/levegőhiányos környezetben lezajló TC (thermo-kémiai) pyrolysis/steam refining folyamat, valamennyi létező, vizsgált technológiák felett áll. [3]

5 4 A syngas keletkezési tartománya a Pyrolysis/steam reforming rendszerben[3] II/2. Az input anyagok Input anyag lehet minden, amelyben C, H, O, atomokból áll, és azok, amelyek kiegészítésként nitrogént is tartalmaznak.[2] A pyrolízis hatásfoka, a vég-, és melléktermékek minőségi jellemzői az input anyag(ok) alábbi jellemzőinek figyelembe vételével széles tartományban változtathatók: 1. Fűtőérték/Energia tartalom, 2. Hamu tartalom, 3. Illó tartalom, és, 4. A fenti illó anyag carbon tartalma, 5. Nedvesség tartalom. II/3. Az alapvető thermo-kémiai reakciók az elgázosítás kémiája A kőszénből vagy más, karbon tartalmú input anyagokból történő syngas termelés során a TCG rendszerben lezajló folyamatokat az alábbi kémiai egyenletek írják le.[2] Égés Oxygen jelenlétében: C + O 2 CO 2 Elgázosítás, Oxygen jelenlétében: 2C + O 2 2CO Elgázosítás, CO 2 jelenlétében: C + CO 2 2CO Elgázosítás, gőz jelenlétében: Elgázosítás, H 2 jelenlétében: C + H 2 O CO + H 2 C + 2H 2 CH 4 Víz-gáz átalakítási reakció: CO + H 2 O H 2 + CO 2 Metanizáció reakciója: CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O

6 5 III.Következtetés Magyarországon ilyen rendszerek gyártására és működtetésére mód és lehetőség is van. Ezáltal: újabb munkahelyeket teremt több iparűzési adót termel hozzájárul a városok további fejlődéséhez A TCG rendszer működése közben nagy mennyiségű olcsó hidrogén gyártható, mely előnyökkel jár, illetve felhasználható, mint környezetbarát városi közlekedés (buszok, kis járművek) üzemanyaga evvel példamutatás a környezettudatos gondolkodásra egyéb iparágak kiszolgálása hidrogén gázzal Források: [1] Prapan Kuchonthara, Sankar Bhattacharya, Atsushi Tsutsumi; Combination of thermochemical recuperative coal gasification cycle and fuel cell for power generation; sience direct October 2004 [2]J.-I. Hayashi, S. Hosokai, N. Sonoyama ; Gasification of solid fuels with thermochemical energy recuperation for hydrogen production and power generation; siencedirect November 2006 [3]Sts Group mérnöki iroda és a TCG ALENA GmbH. projekt vázoló anyagai. [4] Wikipedia ;