Curs Lemnul ca energie partea a treia.pdf

1

Conversie termochimica

2

• Conversia termochimica reprezinta un proces prin care lemnul este descompus termic in diferite conditii de mediu, temperatura, presiune sau durate de rezidenta, sub actiunea unor compusi chimici sau prin oxidare partiala, pentru a produce un combustibil alternativ sub forma lichida, solida sau gazoasa.

• Poate fi de trei tipuri: piroliza, gasificarea sau lichefactia catalitica directa

3

• ce este conversia termochimica?• care sunt tipurile de conversie

termochimica?

4

Piroliza

• Egiptul antic:– Gudroane pt. izolare ambarcatiuni– Agenti de imbalsamare

• In prezent, utilizata intensiv pentru productia de carbune de lemn

• descompunere termica a deseurilor din lemn intr-un mediu lipsit de oxigen sau in cantitati f. reduse(combustie partiala) :– Combinatie de carbune de lemn, gaz combustibil si bio-ulei

(lichid)– In mod normal, descompunerea lemnului incepe la temp. de

200 °C, atinge o pierdere masica maxima la app. 350 °C, apoi continua pana la 500 °C

5

• Ce este piroliza?

6

Piroliza individuala a celulozei, hemicelulozelor si ligninei• Celuloza (40-50 %)-se degradeaza la 240-350 °C• Hemicelulozele (25%-35%,28% la rasinoase si 35% la foioase.

Descompunerea are loc la temp. 200-260 °C:– Mai multe substante volatile, mai putine gudroane si carbune

decat produce celuloza– Pierderea de hemiceluloze in piroliza lenta are loc mai

devreme- temp. 130-194 °C (majoritatea pierderii masice la peste 180 °C)

• Lignina (23%-33%-rasinoase si 16%-25% -foioase)-descompunerela 280-500 °C (rata maxima la 350-450 °C)– Rezulta fenoli– Se descompune mai greu decat celuloza si hemicelulozele– Produce mai mult carbune rezidual decat celuloza, deci un

continut mai mare este benefic.– Se preferă lemnul cu densitate mare, mai bogat în lignină,din

care rezultă un produs mai bogat în carbon

7

Temperaturile de descompunere pentru principalii constituenti ai lemnului

(Bajus, 2010)

8

• Care sunt temperaturile de descompunere in timpul pirolizei pentru principalii constituenti ai lemnului?

9

Produși derivați din piroliza rapidă și lentă

Prin modificarea temperaturii si vitezei de transfer a caldurii in timpul pirolizei

(NAFI report, 2005)

10

Daca produsul primar al pirolizei estecarbunele de lemn

• Carbune de lemn –combustibil folosit in principal in combustia directa

• Prin piroliza lenta a lemnului: rata de incalzire lenta(cateva ore) si temperatura moderata (500C)-reactor cu strat fix– Tehnologia cea mai cunoscuta (riscuri economice

scazute ), implementata pe scara industriala larga• 4-10 t deseu din lemn -produc 1t carbune de lemn• Nu exista la ora actuala o varianta viabila de piroliza

rapida pentru producerea de carbune de lemn ca produsprincipal

11

Aplicatie a procesului de piroliza lenta

BEST Energies http://www.bestenergies.com/companies/bestpyrolysis.html-Australia

Gazul de sinteza in exces reprezintaenergie output netasi poate fi utilizatca si combustibilmotor sau pentruun boiler industrial sau poate constituimaterie prima pentru fabricareade combustibili de transport (prinprocedee specialede hidrogenare sidistilare)

12

• Descrieti procesul de piroliza lenta din figura precedenta, pe baza imaginii si a sagetilor

13

Daca produsul primar al pirolizei este uleiul de piroliza (bio-ulei)

• Prin piroliza rapida: tehnica relativ recenta (aparuta in anii 1980)• Rata rapida de transfer de caldura (domeniul secundelor) in absenta

oxigenului si temperatura moderata (400-650C)• Genereaza vapori si o cantitate relativ redusa de carbune de lemn

– Prin racire rapida a vaporilor si condensare se obtine un lichidmaro inchis numit bio-ulei (sau ulei de piroliza)

– Termeni sinonimi: “lichid de piroliza”, “bio-titei”, “lichid de lemn”, “ulei de lemn”, “lemn lichid”

• Materia prima trebuie sa aiba umiditate scazuta –particule fine (sub2mm in grosime): praf de lemn, coaja, rumegus

• Pe langa utilizarile clasice (caldura, electricitate, ind. chimica) uleiul de piroliza se poate rafina in combustibili pt. transport

14

Aplicatiile uleiului de piroliza

Transformarea uleiului de piroliza in combustibili pt. transport este tehnicfezabila, insa necesita inca cercetare

http://www.btgworld.com

FT-combustibili Fischer-TropschDME-Di-metil-eter

15

• Numiti aplicatiile uleiului de piroliza

16

Uleiul de piroliza ca si combustibil pt. transport

• Bio-uleiul se poate utiliza ca si combustibil pt. transport– dezavantaj: contine un amestec de multi compusi chimici, ceea

ce ii confera instabilitate odata cu cresterea temperaturii mediuluiambiant

• Expunerea la aer a lichidului de piroliza conduce la reactii de condensare: bio-uleiul se degradeaza, iar vascozitatea lui creste

• Este acid (si coroziv) si deci trebuie tratat inainte de a fi utilizat• Bio-uleiul nu se poate combina cu alte hidrocarburi , cum ar fi

motorina sau benzina• Uleiul de piroliza se poate combina cu 5-10% etanol- pt. reducerea

corozivitatii si a vascozitatii• Bio-uleiul nu este la fel de stabil precum sunt combustibilii fosili• Este necesar un volum considerabil de munca de cercetare pentru a

prelucra, purifica si utiliza uleiul de piroliza la scara industriala

17

Studii de cercetare la ora actuala in lumepentru comercializarea “pirolizei rapide

a lemnului” in lichid pt. transport

– National Renewable Energy Laboratory, University of Nancy, Colorado School of Mines, University of Twente, University of Laval, Mississippi State University, BBC Engineering, Ltd., Interchem Industries, Inc., Aston University, Irish Bio-energy Association, Naples University, BFH-Institute of Wood Chemistry, VTT Processes,etc.- (Mohan et al, 2006).

18

Proprietatile uleiului de piroliza

• Bio-uleiul este dens-1.2 kg/l comparativ cu 0.85 kg/l-motorina• Are o valoare calorica de 16-18MJ/kg, adica app. 60% din valoarea

calorica a combustibilului conventional (petrol) –la volume egale• Comparativ cu combustia directa si gasificarea, piroliza rapida este

intr-un stagiu relativ incipient, deci si fabricarea uleiului de piroliza• Comparativ cu combustia directa, piroliza produce mai putine

substante poluante (datorita temperaturilor mai ridicate) :– Uleiul de piroliza –combustibil curat– Uleiul de piroliza este neutru din pdv al CO2/GHG(efect de sera)– Nu sunt emisii de SOx (oxizi de sulf) (biomasa contine cantitati

neglijabile de sulf)– uleiul de piroliza genereaza cu 50% mai putini oxizi de azot NOx

decat motorina

19

• Care sunt caracteristicile uleiului de piroliza si perspectivele utilizarii lui pentru producerea de combustibili pentru transport?

20

Reactor cu strat fluidizat pentru piroliza rapida

Mohan et al, 2006

-asigura un control adecvat al temperaturii-Transferul de caldura catre biomasaeste eficient-randament ridicat de producere de bio-ulei de calitate buna-produsul solid (carbune) esteeliminat rapid din reactor

21

• Stratul folosit pentru transferul de caldura este din nisip, ceea ce produce o calitate buna de ulei de piroliza si un randament ridicat de produs lichid.

• Carbunele nu se acumuleaza in stratul fluidizat fiind eliminat rapid.

• Timpul de rezidenta al substantelor solide (carbune) si al vaporilor este controlat prin rata de transfer de caldura.

• Vaporii sunt raciti in zona de condensare si se transforma in ulei de piroliza.

• O parte din gazele care nu precipita, sunt purificate in precipitatoare electrostatice, iar apoi, in stare curata, sunt fie exportate pentru alte aplicatii energetice, fie ca sunt reciclate inapoi in proces, asigurand incalzirea reactorului de piroliza.

22

• Descrieti procesul de piroliza rapida pentru producerea de ulei de piroliza din Figura

23

Daca produsul primar al pirolizei este gazulcombustibil

• pentru combustie directa sau gaz de sinteza• La temperaturi inalte-gasificare- (650-1000C) in

prezenta unei cantitati reduse de aer sau oxigen

Gazul de piroliza este similar gazului de sinteza, insa include cantitati mari de apa si gudroane si este insotit de producerea concomitenta de carbune (10-30%) (BEF- http://www.woodgas.com/history.htm). Pentru valorificare energetica superioara, procesul poate fi urmat de gasificare a carbunelui rezultat.

24

Exemplu de centrala de co-generare (caldurasi electricitate) (CHP)

maruntireamaterialului in tuburide piroliza

piroliza

1 2 3

gasificare+ aer +abura carbuneluirezidual

4

Oxidare la temp. inalte

Ethos Energy-Texas, http://www.compactpower.co.uk/

Incalzirea lemnuluiin absentaoxigenului la 800C

Convertirea in gaz – ramanreziduuri de carbon (carbune), metale grele

Gazele sunt oxidatela temperaturiridicate (1250C –app. 2 secunde)

Gazele de exhaustare asigura functionareaunui boiler cu abur, care captureaza cca. 85% din energia rezultata.

25

• In afara de combustia directa a gazului de piroliza rezultat pentru aplicatii de tipul caldurii si electricitatii, gazul de sinteza(CO si H2) poate fi utilizat pentru producerea indirecta a produselor chimice lichide, precum metanolul, amoniacul si mai recent, in stadiu de cercetare, a lichidelor pentru transport.

26

• Care sunt produsii de piroliza si care sunt aplicatiile acestora?

• Care sunt tipurile de piroliza si ce produsi principali rezulta?

• Descrieti procesul de piroliza rapida pentru producere de gaz de piroliza

27

Gasificarealemnului -istoric

• Se dezvolta in anii 1800 pentru producerea de gazurban pentru iluminat si gatit (incepe in Germania)

• Gazogene pt. lemn, utilizate pentru alimentareamotoarelor auto in Europa- al 2-lea razboi mondial-criza energetica

• Actualmente, utilizata pt. generare de caldura sielectricitate, iar prin tratamente speciale ale gazuluide sinteza- aplicatii diverse (incluzand combustibilipt. transport).

28

Gasificarea lemnului-caracteristici• Este un proces de conversie termica a lemnului (ca deseu) ce

utilizeaza aer sau numai oxigen si temperaturi ridicate pentru a obtine gaz

• Are loc o ardere incompleta in conditiile unui mediu cu deficit de oxigen

• Biomasa lemnoasa este convertita in gaz avand cca.20-25% din valoarea energetica a gazului natural

• Produsele gasificarii: CO plus H2 -cel mai valoros produs(syngas sau gazul de sinteza),plus CO2 , CH4 , H2O, NOx (candse foloseste aer) si contaminanti, precum particule de carbune, cenusa si gudroane.

• gazul rezultat trebuie purificat pt. eliminarea contaminantilorinainte de utilizarea lui ca si combustibil pt generarea caldurii sielectricitatii sau a altor aplicatii.

C + H2O→ CO + H2

29

• ce este gasificarea?• care sunt produsii de gasificare?

30

Procesul de gasificareNAFI report, 2005

Gasificarea difera de piroliza prin aceea ca deficitul de oxigen este mai putin sever, temperatura de reactie este mai ridicata si singurul produs utilizabil este gazul.

Datorita temperaturilor de conversie mai ridicate decat in piroliza, gasificarea este maiputin sensibila la continutul de umiditate al biomasei. Utilizarile produsilor de gasificare sunt ca in piroliza: pentru incalzire, electricitate sau o combinatie a celordoua. Alte aplicatii: metanol, amoniac si combustibili pt. transport

31

• care sunt aplicatiile gasificarii?

32

Compozitia tipica a gazului (de gasificare) cu valoare calorica scazuta sau medie

(Hakkila, 1989)

-participare a aerului in gasificare- continut ridicat de N2 –gaz cu valoare calorica redusa-4-6 MJ/m3

-Nitrogenul poate fi evitat daca in loc de aer plus abur, se utilizeazaoxigen plus abur in procesul de gasificare. Produsul este gaz cu valoare calorica medie- 10-14 MJ/m3 (comparativ cu gazul natural-39 MJ/m3 )

33

Aplicatii ale gasificarii

• Generare de caldura-gazul cu valoare calorica redusaeste supus combustiei intr-un boiler-proces exoterm

• Gazul cu valoare calorica scazuta este folosit pentrualimentarea unui motor diesel sau cu combustieinterna.

– Cerintele pentru un gaz epurat sunt mai stringente decat in cazul generarii de caldura- particulele fine emanate odata cu gazul pot coroda componentele interne ale motoarelor

• Producere de syngas (gaz de sinteza)– · Gaz cu valoare calorica medie – gaz foarte curat, care

teoretic nu contine sulf, gudron si particule contaminante.– Aplicatii ale gazului de sinteza: metanol, amoniac si lichide

pt. transport (inca in stadiu de cercetare).

34

• ce este gazul cu valoare calorica scazuta , dar cel cu valoare calorica medie?

35

Avantajele utilizarii biomasei ca materieprima in gasificare comparativ cu

combustibilii fosili solizi (carbune)• Volatilitate ridicata (70-90% material volatil

comparativ cu 30-45% in cazul carbunelui)• Compusii solizi (carbune de lemn) gasifica rapid in

prezenta aburului- rata de conversie mai rapida decat in cazul carbunelui fosil (si la temp mai scazute)

• Continut redus de cenusa- residuu necombustibil –trebuie eliminat pentru a evita infundarea reactorului siemisiile de particule fine

• Continut redus de sulf- costurile de epurare a gazuluisunt mai reduse si este mai putin coroziv

36

Dezavantajele utilizarii biomasei ca materieprima in gasificare

• Continutul de umiditate ridicat al biomaseigenereaza pierderi de energie si deci necesitapreuscare

• Densitate in vrac redusa- probleme de manipulare si stocare

37

• care sunt avantajele si dezavantajele materiei prime lemnoase pentru gasificare?

38

Eficienta gasificarii

• Este definita ca fiind raportul dintre energiatotala a gazului rezultat si energia biomaseialimentata in gazogen. – Eficienta gasificarii este diminuata de factori

precum:• pierderi de caldura din gazogen• Producerea de abur pentru gasificare• consumul de electricitate.• eficienta totala este in general de peste 90%.

39

Gazogene

• Se clasifica in functie de metoda folositapentru transferul combustibilului, caldurii sia gazului in reactor:– Cu strat fix,– Cu strat fluidizat– Cu flux antrenat

40

Gazogene cu strat fix –si flux ascendent

Generatoare de energie la scara mica (<10 MWth)

Materialul maruntit patrunde in generator pe la partea superioara, in timp ce aerul si aburulpatrund pe la baza sistemului. Biomasa trecede la partea superioara spre baza generatoruluiprin zone de uscare, piroliza (700C),gasificare (1000C) si combustie. Cenusa este indepartata de la bazageneratorului printr-un gratar. Temperatura gazului de reactie este scazuta: in cazul biomasei 80-300C, iar a carbunelui fosil300-600C-este folosit pentru incalzire.-gazogenele cu strat fix functioneaza foartebine cu material lemnos mai mare de 6 mm

Kavalov and Peteves, 2005

In zona de combustie, carbunele ramas este ars, asigurand caldura, eliminand CO2 si vapori de apa necesare pentru reactiile din zona de gasificare.

41

• In zona de uscare, biomasa este uscata. • In zona de piroliza, materia prima lemnoasa este

descompusa in gaze volatile si carbune solid. Caldura necesara pentru piroliza si uscare este in principal livrata de catre fluxul ascendent al gazului combustibil rezultat si partial, caldura este livrata prin radiatie dinspre zona de combustie (Quaak et al, 1999).

• In zona de reductie (gasificare), au loc multe reactii chimice, care implica CO2, carbune solid si vapori de apa, si in care, carbonul este convertit in CO si H2 (gaz de sinteza), ca produs principal al gasificarii.

• In zona de combustie, carbunele ramas este ars, asigurand caldura, eliminand CO2 si vapori de apa necesare pentru reactiile din zona de gasificare.

42

Gazogen cu strat fix si flux ascendent

(OPET Finland Report, 2002)

43

Avantajele gazogenelor cu strat fix si flux ascendent

• simplitate a constructiei si utilizarii• randament ridicat de ardere a carbunelui• schimb de caldura intern, care conduce la temperaturi

scazute ale gazului combustibil la iesirea din gazogen si o eficienta ridicata a gasificarii

• datorita schimbului de caldura intern, materia prima este uscata la intrarea in gazogen (partea superioara), ceea ce permite utilizarea unui material cu umiditati destul de ridicate, de pana la 60%.

• Acest tip de gazogen, chiar daca utilizeaza material maruntit (peste 6 mm), poate accepta variatii de marime ale materialului

44

Dezavantajele gazogenelor cu strat fix si flux ascendent

• Rezulta o cantitate mare de gudroane si produsi de piroliza, datorita faptului ca gazul de piroliza nu poate trece prin zona de combustie si deci nu poate fi folosit pentru asigurarea incalzirii in gazogen.

• Daca amestecul de gaze produs de gazogen urmeaza sa fie utilizat pentru incalzire directa dezavantajul dispare– gudroanele sunt arse in acest proces

• daca se intentioneaza utilizarea gazului pentru motoare, este necesara o epurare intensiva a gazului

45

Materia prima folosita de gazogenele cu stratfix

• ·aschii din reziduuri forestiere (umiditate-10-55%)

• · praf si rumegus de lemn• · coaja zdrobita• · lemn din demolari• ·deseuri din industria placajului si a mobilei

46

• care sunt tipurile de gazogene?• care este principiul de functionare al

gazogenului cu strat fix si flux ascendent?Avantaje si dezavantaje

47

Gazogen cu strat fix –si flux descendentIntr-un gazogen cu flux descendent, aerul sauoxigenul este alimentat pe la partea centrala a reactorului. Produsele combustiei (gazele) trecprintr-un strat fierbinte de carbune de lemn sise evacueaza pe la baza reactorului. Gudronul si uleiurile sunt reduse la mai putinde 10% comparativ cu gazogenele cu flux ascendent, iar gazul rezultat aproape ca nu contine gudroane.Datorita continutului redus de gudroane, gazuleste acceptabil pentru transportul in conducte sipentru utilizare ca si combustibil motor. Acesttip de gazogen a fost utilizat in cel de-al doilearazboi mondial pt. alimentare automobile,autobuze si barci cu motor (mai ales inFinlanda). Alte aplicatii: generare de caldurasi electricitate. Continutul de umiditate maxim admis este de 25-30%.

Generatoare de energie la scara mica(<10 MWth)


48

• Biomasa este uscata in zona de uscare, apoi este supusa pirolizei in zona de piroliza. – Aceste zone sunt incalzite prin radiatie (si partial prin

convectie) dinspre zona de combustie, zona in care o parte din carbune este ars.

• Gazele de piroliza sunt directionate si ele prin aceasta zona de combustie si sunt arse pentru a produce caldura necesara procesului.

• Dupa zona de combustie, carbunele ramas si produsii de combustie: CO2 si vapori de apa, trec in zona de reductie (gasificare), unde se formeaza CO si H2

49

Avantajele gazogenului cu strat fix si flux descendent

• Principalul avantaj al unui gazogen cu strat fix si flux descendent este producerea unui gaz cu continut redus de gudroane, facandu-l utilizabil pentru motoare si pentru transport in conducte (nu este atat de coroziv).

• Totusi, in practica, nu se poate obtine un gaz lipsit complet de gudroane. – nu toate gazele trec prin zonele fierbinti, iar timpul lor de

rezidenta in zona de combustie poate fi prea scurt pentru a se elibera complet de gudroane

• Totusi, continutul de gudron si uleiuri reziduale ale gazului este mai mic de 10%.

50

Dezavantajele gazogenului cu strat fix si flux descendent

• O cantitate mare de cenusa si particule in suspensie raman in gaz, pentru ca el se elimina la partea inferioara si trece prin gratar

• Cerintele dimensionale pentru materia prima sunt mai stricte, materialul trebuie sa fie uniform (4-10 cm), astfel incat sa nu blocheze trecerea gazelor de piroliza catre zona de combustie, iar a caldurii rezultate dupa combustie sa difuzeze catre zonele superioare. Se prefera din acest motiv materialul compactat sub forma de peleti sau brichete.

• Continutul de umiditate al biomasei trebuie sa fie sub 25%

• Temperatura relativ ridicata a gazului la iesirea din gazogen, diminueaza din eficienta gasificarii

51

Aplicatii ale gazogenului cu strat fix si flux descendent

• alimentarea autoturismelor, autobuzelor, barcilor (in special in Finlanda) in al doilea razboi mondial

• Alte aplicatii: generare de caldura si de electricitate.

52

Gazogen cu strat fix si flux descendent


53

• care este principiul de functionare al gazogenului cu strat fix si flux descendent?Avantaje si dezavantaje

54

Test de evaluare a cunoştinţelor• ce este conversia termochimica?• care sunt tipurile de conversie termochimica?• Ce este piroliza?• Care sunt produsii de piroliza si care sunt aplicatiile acestora?• Care sunt tipurile de piroliza si ce produsi principali rezulta?• Care sunt temperaturile de descompunere in timpul pirolizei pentru principalii constituenti ai lemnului?• Descrieti procesul de piroliza lenta pentru producerea carbunelui de lemn ca produs principal• Descrieti procesul de piroliza lenta din Figura , pe baza imaginii si a sagetilor• Descrieti procesul de piroliza rapida pentru producerea de ulei de piroliza (bio-ulei)• Descrieti procesul de piroliza rapida pentru producerea de ulei de piroliza din Figura • Numiti aplicatiile uleiului de piroliza• Care sunt caracteristicile uleiului de piroliza si perspectivele utilizarii lui pentru producerea de combustibili

pentru transport?• Descrieti procesul de piroliza rapida pentru producere de gaz de piroliza• ce este gasificarea?• care sunt produsii de gasificare?• care sunt aplicatiile gasificarii?• care sunt avantajele si dezavantajele materiei prime lemnoase pentru gasificare?• ce este gazul cu valoare calorica scazuta , dar cel cu valoare calorica medie?• care sunt tipurile de gazogene?• care este principiul de functionare al gazogenului cu strat fix si flux ascendent?Avantaje si dezavantaje• care este principiul de functionare al gazogenului cu strat fix si flux descendent?Avantaje si dezavantaje

55

Gazogen cu strat fluidizatKavalov and Peteves, 2005

- Gazul se ridica printr-un strat de particulefine (nisip)-suprafata de transfer de calduraeste mai mare si reactiile chimice se producmai rapid. - Gazogenele cu strat fluidizat produc gaz cu un continut foarte scazut de gudron, insaviteza mare a gazului antreneaza si cenusa siparticulele solide din reactor- necesitaseparare in cicloane sau saci de filtrare la iesirea din reactor.-Functioneaza cu biomasa lemnoasa cu dimensiuni intre 3-6 mm -Comparativ cu gazogenele cu strat fix, temperatura de gasificare este relativ scazuta, app. 750-900C- gazul (iese la 400C) trebuie racit si epuratinainte de combustia in boiler (utilizare de absorbanti si filtre)

recomandate pentru capacitati mari de productie de peste 10MWth (Megawatt thermal).

56

• Particulele de lemn se amesteca rapid cu cele de nisip fierbinte, conducand la un transfer de caldura rapid, la o piroliza rapida si la o cantitate destul de mare de gaze de piroliza.

• Datorita temperaturilor de operare relativ reduse, se produce o cantitate mica de gudroane

• datorita vitezei ridicate a gazului rezultat, acesta tinde sa antreneze cu sine cenusa si carbune afara din reactor, iar acesti contaminanti trebuiesc separati in cicloane sau saci de filtrare.

57

Gazogen cu strat fluidizat


58

Avantajele gazogenelor cu strat fluidizat comparativ cu gazogenele cu strat fix

• Constructie compacta datorita schimbului de caldura ridicat si ratei de reactie rapide cauzata de amestecarea materiei prime cu stratul de nisip

• Flexibilitate ridicata la modificari ale continutului de umiditate al materiei prime

• Abilitate de a utiliza materiale care au o densitate in vrac scazuta si un continut de cenusa ridicat.

• Punct de topire al cenusii scazut datorita temperaturilor de reactie scazute

59

Dezvantajele gazogenelor cu strat fluidizat comparativ cu gazogenele cu strat fix

• Continut ridicat de cenusa si particule in suspensie pentru gazul combustibil

• Temperaturi ridicate ale gazului la iesirea din gazogen

• Ardere incompleta a carbunelui

60

Epurarea gazelor• Un domeniu prioritar de cercetare- gasirea unei metode

ieftine si eficiente de epurare a gazelor la un nivelacceptabil

• Impuritatile care trebuiesc “eliminate” din gazul produsprin gasificare sunt:– hidrocarburi (gudron), praf (particule), amoniac, cloruri, sulf

si substante alcaline. – Praful este filtrat cu ajutorul filtrelor de panza. – Amoniacul, sulful si clorurile pot fi eliminate cu ajutorul

epuratoarelor sau prin utilizarea unor aditivi care extragcontaminantii.

61

Aplicatii ale gazogenelor cu strat fluidizat

• energie electrica.• co-ardere a lemnului in prezenta carbunelui,

pentru a folosit la aplicatii de incalzire directa sau pentru motoare cu combustie interna

62

• care este principiul de functionare al gazogenului cu strat fluidizat?Avantaje sidezavantaje

63

• In gasificarea pentru obtinere de energie electrica sau termica se utilizeaza ca agent de oxidare aerul, ca fiind cel mai ieftin dintre agentii posibili de oxidare.

• Utilizarea aerului, insa, produce cantitati ridicate de azotin gazul rezultat, intrucat azotul este principalul constituent al aerului.

• Prezenta unei cantitati atat de mari de azot in gazul produs nu impiedica prea mult producerea de caldura sau electricitate, insa actioneaza ca un factor negativ in productia BTL.

• Din punct de vedere tehnicoeconomic, cel mai potrivit agent de oxidare este oxigenul pur, si care necesita utilizarea unor gazogene speciale, cu flux antrenat.

64

Transformarea biomasei in lichid (BTL-biomass to liquid)

• Gazul produs prin gasificare se poate utiliza fie in mod direct ca si combustibil, fie ca syngas-ul poate constituimaterie prima pentru obtinerea altor produsi: chimici saulichid pt. transport.

• Syngas- prin cresterea temperaturii la1200-1500ºC, presiuni ridicate (10-50 bar) si reducere a timpului de rezidenta a materiei prime in interiorul reactorului

• Marimea particulelor biomasei lemnoase (mai mica decatin gasificarea condusa pentru generare de electricitate)sub1mm sau chiar sub 100 μm in unele cazuri

• Agentul de oxidare folosit pt. obtinere de gaz de sintezapurificat (pentru BTL) este oxigenul. Tipul de reactor estecel cu flux antrenat- nu rezulta nitrogen!

65

Gazogen cu flux antrenat

(Kavalov and Peteves, 2005

-opereaza la presiuni ridicate (10-60 bar)-alimentarepneumatica si temperaturi mai mari (1200-1500ºC) decat alte gazogene (sub 900ºC). -Durata de rezidenta a materiei prime (biomasa) estemult mai redusa (cateva secunde) comparativ cu altegazogene.

Cenusa topita + gaz de sinteza

66

• Gazogenele cu flux antrenat au fost concepute pentru carbune, existand o experienta destul de limitata pentru utilizarea acestora pentru biomasa lemnoasa (necesitareducere dimensionala, reducere a continutului de umiditate) .

• Marimea redusa a particulelor asigura o calitate superioara a gazului, o reducere a dimensiunilor reactorului, o crestere a cantitatii de gaz rezultat si o crestere a puterii calorice a gazului

• temperaturile ridicate cauzate de oxigenul adaugat distrug aproape complet uleiurile si gudroanele.

• Temperaturile foarte ridicate determina ca cenusa rezultata sa fie topita si adusa in stare lichida, eliminandu-se la partea inferioara a gazogenului.

• eficienta termica este oarecum mai scazuta, deoarece gazul trebuie racit inainte de a fi epurat

67

Avantajele gazogenelor cu flux antrenat

• Gazul este lipsit de gudroane, aproape lipsit de metan

• Se obtine un gaz de sinteza superior calitativ• Asigura o conversie eficienta a carbonului

>99%• Permit capacitati mari de productie 1GW

68

• care este principiul de functionare al gazogenului cu flux antrenat?Avantaje sidezavantaje

69

Cel mai nou tip de gazogen-cu plasma

• functioneaza cu plasma generata electric, degajand temperaturi extrem de ridicate 1500-5000C, la presiune atmosferica.

• este capabil sa produca cel mai curat tip de gaz de sinteza

• materialul anorganic rezultat ca reziduu estevitrificat

(E4tech, 2009- www.nnfcc.co.uk )

70

Perspective pentru conversia gazului in lichidpentru transport (BTL)


FT a aparut in 1925 in Germania si s-a aplicat in cazul carbunelui fosil.Mai tarziu, la finele anilor ‘90- pentrubiomasa

http://www.zero.no/transport/bio/fischer-tropsch-reactor-fed-by-syngas

Procesul Fischer-Tropsch reprezintao reactie chimica de catalizare(catalizatori: fier, cobalt, nichel, ruteniu), care regleaza raportulCO/H2 si prin care gazul de sintezaeste transformat in hidrocarburilichide de diverse tipuri (lichide pt. transport)

Combustibilii lichizi obtinuti prinsinteza biomasei pot alimentacamioane, automobile si chiarmotoare de avioane

(n/2 + m) H2 + m CO CmHn + m H2O

71

Transformare biomasa in combustibillichid (BTL) prin sinteza Fischer Tropsch

biomass.ucdavis.edu/materials/forums%20and%20workshops/f2005/f2005_Yowell.pdf

Sinteza BTL este maieficienta decatconversia in energieelectrica.

72

• descrieti etapele prin care biomasalemnoasa poate fi convertita in lichidpentru transport prin metoda gasificarii

73

Produsi de transformare syngas in combustibililichizi


BTL asigura reducerea emisiilor in atmosfera comparativ cu combustibilii derivati din petrol (motorina, benzina), dar costurile combustibililor BTL sunt de 2-3 ori mairidicate.Nu exista unitati de productie care sa produca combustibili BTL la scara comerciala-stadiu de cercetare si prototip.Fabrici pilot activeaza in Germania (Carbo V-Choren), Suedia, Olanda siAustria

74

• care sunt tipurile de biocombustibil care se pot obtine din gaz de sinteza?

75

• Se estimeaza ca in perioada 2010-2020, cca. 20% din combustibilii de transport vor fisubstituiti cu combustibili BTL

• Proiectul european RENEW [http://www.renew-fuel.com -movie], finantat de Comisia Europeana

Consumul de energie in EU-25 (calculul nu include Romania siBulgaria), (Mtoe)-milioane de tone de petrol echivalent

76

• care sunt perspectivele biocombustibililorpentru transport pana in anul 2020 in raport cu combustibilii clasici?

77

Lichefactie catalitica directa

• Lichefactie catalitica indirecta-productia de gaz de sinteza prin gasificare cu oxigen –conversie ulterioaraa gazului in metanol si chiar combustibili pt. transport.

• Lichefactie catalitica directa(carboxylolysis), biomasaeste transformata intr-un singur pas in lichid (sub presiune).Produsul final este uleiul biologic, plus compusi secundari: gaz si reziduuri solide

78

Lichefactie catalitica directa

• In anii 1920 s-a descoperit faptul ca lignina si celulozapot fi convertite in ulei prin hidrogenare sub actiuneamonoxidului de carbon (CO) si a aburului(Cheremisinoff,

1980). • reactia CO si a aburului cu materia organica in prezenta

unui catalizator (carbonat de Na- material alcalin) la temperaturi de 250-400C si presiuni ridicate (20MPa).

• Prima unitate pilot: ERDA’s Pittsburgh Energy Research Center (PERC) la inceputul anilor 1970.

• in prezent sunt studiate si alte procese de lichefactiecatalitica directa- stadiu de cercetare

79

Diagramă a procesului de lichefacţie catalitică directă- Arizona University

(Stevens, 1985)

80

• Uleiul combustibil din lichefactia catalitica directa („biocrude” in limba engleza) are aplicatii similare cu ale uleiului de piroliza („bio-oil” in limba engleza), dar are o putere calorica mai mare, un continut de umiditate mai scazut, vascozitate mai mare, insa timpul de rezidenta si cheltuielile de capital sunt mai ridicate.

81

Uleiuri biologice obtinute prin lichefactie cataliticadirecta

• Uleiurile biologice tind sa fie inferioare petrolului brut. • Sunt corozive datorita aciditatii, instabile si neplacut mirositoare• Bio-uleiul are un continut de umiditate ridicat si o valoare calorica

scazuta (35 MJ/kg) in comparatie cu titeiul (cca. 41,5 MJ/kg), fiindnecesara rafinarea, pentru a-l separa de fenoli.

• Uleiurile biologice prezinta potential pt. transformare in combustibilipt transport (hidrocarburi alifatice), insa cercetarea este incipienta. Arnecesita eliminarea oxigenului, reducerea masei moleculare :– Bio-uleiurile pot fi hidrotratate si transformate intr-un combustibil

asemanator benzinei cu un continut de energie de 44 MJ/kg– procesul nu este inca tehnic pregatit pentru aplicatii industriale–se

fac in prezent cercetari!– obtinerea de combustibili pentru transport direct, fara a mai fi

necesara etapa transformarii in gaz este o optiune atractiva si mai ieftina.

82

• Descrieti procesul de lichefactie cataliticadirecta, produsul rezultat si aplicatiile sale

• Prezentati caracteristicile uleiului de lichefactie catalitica directa in comparatiecu uleiul de piroliza

• Care sunt perspectivele utilizarii uleiului de lichefactie directa pentru fabricareabiocombustibililor pentru transport?

83

Conversie biochimica-celuloza (40-50% ) si hemicelulozele (20-35%) suntdepolimerizate (prin hidroliza) ca sa formeze zaharuri simple –lignina ramane insolubila, se filtreaza-prezinta in sine o sursa de energie

-Cu acizi (sulfuric, clorhidric) sau cu enzime.

-Solutiile de zaharuri – folosite pt. productia de etanol prinfermentare.

NAFI report, 2005

84

Materia prima pentru conversiebiochimica

• In mod normal se foloseste amidoncontinut in cereale, cum ar fi porumb

• Lesie reziduala, obtinuta ca produssecundar in procesul de defibrare sulfitica-95 l cu 95% etanol se obtin dintr-o tonade pasta de fibre sulfitica

• Biomasa lemnoasa (aschii, fibre)

85

Hidroliza acida

• Procedeul cel mai utilizat – hidroliza cu acid diluat si temperatura ridicata-fermentare cu producere de etanol– fabrici in Germania, Elvetia, Rusia, Brazilia– Mare dezavantaj:costuri ridicate ale

investitiei, corozivitatea si recuperareaacidului.

• Procedeul prin hidroliza cu acid concentrat sitemperatura scazuta urmata de fermentare-aplicatiile industriale sunt limitate

86

Hidroliza enzimatica• Celuloza este transformata in glucoza prin intermediul

organismelor biologice:– Trichoderma viride sau Aspergillus niger iar zaharurile sunt

apoi fermentate in etanol. • 60% din enzimele industriale sunt produse in Europa, iar 40% in

SUA si Japonia.• Avantaje: corozivitate minima, nu se mai formeaza produsi toxici in

urma degradarii zaharurilor-sursa biologica ecologica• Dezavantaje: biomasa trebuie pretratata (prin explozie cu abur,

hidroliza termica sau prin utilizarea unor acizi) astfel incat biomasa sadevina cat mai accesibila unui atac enzimatic. Costurile de productie a enzimelor sunt ridicate.

http://www.afdc.energy.gov/afdc/ethanol/production_cellulosic.html

87

Schuetzle-CIFAR Conference, 2007

Procesul de conversie

biochimica in etanol

88

• Comparati avantajele si dezavantajelehidrolizei acide si enzimatice

89

Utilizari ale etanolului

• Cea mai uzuala utilizare- bauturi alcoolice• Materie prima si solvent in industria

chimica• Folosit ca si combustibil pt. motoare auto in

forma pura sau in combinatie cu benzina(10-20% etanol)- tehnologia este scumpa in cazul etanolului din biomasa

90

• Brazilia – tara de avangarda in utilizareacombustibilior regenerabili. Inlocuirea benzinei cu etanol a inceput din 1975- automobile pe etanol (FAO, 2007)- introducerea de benzinarii pe etanol si fabricarea unor automobile cu alimentare cu etanol

• In lume, cca. 40 organizatii sunt axate la ora actuala peproducerea de bio-alcool (etanol, metanol) din biomasa(Schuetzle-CIFAR Conference, 2007)- under research

• UE a stabilit targeturi clare pentru substituireacombustibililor fosili cu bio-combustibili– 2% la sfarsitul anului 2005 si 5.75% pana la sfarsitul anului2010

91

• Grupuri din SUA, Canada si Europa au dezvoltat, construit si au inceput sa opereze fabrici pilot de multi-milioane de dolari pentru a investiga conversia diferitelor tipuri de materie prima (lemn, reziduuri agricole), cai de hidrolizare (cu acizi sau enzime) si modalitati de fermentare (RIRDC Australia Project, 2002).

92

Autovehicule alimentate cu etanol• Ford, Volvo si Saab sunt leaderii mondiali in

productia de Flex-Fuel Vehicles (vehicule alimentate cu bioetanol in diverse proportii, de la 5% -bioetanol E5, la 85%-bioetanol E85)-

VOLVO S40 FORD Mondeo Estate

Exemple de autoturisme alimentate cu bioetanol E85 (85% bioetanol, 15% benzina) http://www.nextgreencar.com/view-car/

93

Beneficiile utilizarii etanoluluicomparativ cu combustibilii fosili

• a) Emisii de gaze cu efect de sera (GHG) reduse• b) Imbunatateste cifra octanica in amestecurile

petrol/alcool (Cu cat cifra octanica a combustibilului pt. transport este mai ridicata cu atat mai incet se produce arderea)

• c) producerea de etanol din resurse interne permite unei tari sa reduca importurile de combustibili fosili

94

• Descrieti conversia biochimica, produsulrezultat si utilizarile sale

• Ce avantaje confera bioetanolul fata de combustibilii fosili?

95

Costuri si perspective

• In prezent, etanolul (si metanolul) obtinute din surse regenerabile sunt mai scumpe decat combustibilii derivati din titei.

• Costul bioetanolului a fost estimat la 82 centi/litru in 2002, iar biometanolul la 62 centi/litru, produse intr-o unitate din Australia, care folosea cea mai buna tehnologie din lume. In 2002 se estima, ca datorita numeroaselor imbunatatiri aduse procesului, in decurs de 15 ani pretul bioetanolului va scadea cu cca. 50% (RIRDC Australia Project, 2002).

96

Conversie biologica

-lemnul este descompus in absenta aerului de catre anumitegrupe de bacterii.

-Produsul de digestie este un amestec de gaz metan si CO2 + un reziduu biologic ce poate fi folosit ca fertilizator

. Utilizarea pe scara larga a procesului de conversie biologica este impiedicata totusi de costurile ridicate implicate.

97

• Descrieti etapele conversiei biologice, produsii rezultati si utilizari

98

Eficienta conversiei biologice pentru diverse tipuri de materie prima

• eficienta conversiei celulozei este cea mai ridicata (plopul contine si lignina)

• Cercetarile se concentreaza pe cautarea unor organisme care sa poata digera inclusiv partile ne-celulozice ale plantelor.

99

Putere calorica comparativa pentru diversi combustibili

Hakkila, 1989-10-14 MJ/m3Gaz de sinteza HCV (valoare cal. ridicata)

Hakkila, 1989-4-6 MJ/m3Gaz de sinteza LCV (valoare cal. scazuta)

Demirbas, 2011www.EngineeringToolBox.com

8,738,1 MJ/m3

43 MJ/ m3Gaz natural

Demirbas, 2011-30-36 MJ/kgulei de lichefactie directa

Demirbas, 2011-15-22 MJ/kgulei de piroliza

www.pelletheat.org9,517 MJ/kgpeleti

Demirbas, 20116,615 MJ/kgLemn (U=15%)


333,3 MJ/kg15-27 MJ/kg

carbune

Demirbas, 201129,218 MJ/kgmetanol


24,630,8 MJ/l35 MJ/l

kerosen

Hakkila, 1989-44 MJ/kgbio-benzina


25,232,1 MJ/l47,3 MJ/kg

benzina

Demirbas, 201144,532,6 MJ/lbiodiesel (bio-motorina)


33,333,2 MJ/l44,8 MJ/kg

motorina

Hakkila, 1989-41,5 MJ/kgtitei

Demirbas, 201131,121 MJ/letanol

SursaPret iulie 2008 SUA ($/GJ)

Putere caloricaCombustibil

100

Test de evaluare a cunoştinţelor• care este principiul de functionare al gazogenului cu strat fluidizat?Avantaje si

dezavantaje• care este principiul de functionare al gazogenului cu flux antrenat?Avantaje si

dezavantaje• descrieti etapele prin care biomasa lemnoasa poate fi convertita in lichid pentru

transport prin metoda gasificarii• care sunt tipurile de biocombustibil care se pot obtine din gaz de sinteza?• care sunt perspectivele biocombustibililor pentru transport pana in anul 2020 in raport

cu combustibilii clasici?• Descrieti procesul de lichefactie catalitica directa, produsul rezultat si aplicatiile sale• Prezentati caracteristicile uleiului de lichefactie catalitica directa in comparatie cu uleiul

de piroliza• Care sunt perspectivele utilizarii uleiului de lichefactie directa pentru fabricarea

biocombustibililor pentru transport?• Descrieti conversia biochimica, produsul rezultat si utilizarile sale• Comparati avantajele si dezavantajele hidrolizei acide si enzimatice• Ce avantaje confera bioetanolul fata de combustibilii fosili?• Ce posibilitati prezinta bioetanolul de a fi utilizat ca si combustibil pentru transport?

Dar, in special, bioetanolul din biomasa lemnoasa?• Descrieti etapele conversiei biologice, produsii rezultati si utilizari• Care sunt limitarile acestei tehnologii?

Curs Lemnul ca energie partea a treia.pdf

Documents

Transcript of Curs Lemnul ca energie partea a treia.pdf