Review Maholea Laura
-
Upload
maholealaura -
Category
Documents
-
view
214 -
download
2
Transcript of Review Maholea Laura
Procese de gazeificare a
biomasei in strat fix
Universitatea Politehnica din Bucuresti, Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor
Student: Maholea Sorina Laura
Master: Biocombustibili, Biorafinarii si
Tehnologii Conexe
Cuprins
1. Abstract..................................................................................................................................................................1
2. Introducere.............................................................................................................................................................2
2.1. Tipuri de biomasa..............................................................................................................................................3
2.2. Compozitia chimica a biomasei.........................................................................................................................4
3. Gazeificarea in strat fix..........................................................................................................................................4
3.1. Tipuri de gazeificatoare in strat fix....................................................................................................................5
3.2. Diferiti agenti de gazeificare utilizati in strat fix...............................................................................................6
4. Procesul de gazeificare...........................................................................................................................................6
4.1. Uscarea..............................................................................................................................................................6
4.2. Combustia..........................................................................................................................................................7
4.3. Piroliză...............................................................................................................................................................7
4.4. Gazeificare.........................................................................................................................................................8
5. Procedee recente de piroliză şi gazeificare a biomasei..........................................................................................8
6. Parametrii procesului.............................................................................................................................................9
1
1. Abstract
În ultimul timp, o mare însemnătate teoretică şi practică se acordă folosirii biomasei ca
materie primă combustibilă relativ abundentă (incluzând deşeuri celulozice şi clase largi de
deşeuri industriale, urbane etc), valorificabilă energetic.
Procesul de gazeificare este o tehnologie ce combină la nivel superior avantajele din
punct de vedere economic ale cărbunelui cu avantajele din punct de vedere ecologic ale
metanului. Scopul gazeificării biomasei este acela de a converti biomasa solidă în produse
gazoase care pot fi utilizate ulterior prin combustie sau pentru sinteze chimice. Pentru realizarea
gazeificării, se utilizează agenţi gazoşi ca: aer/oxigen, abur/aer, abur, sau chiar hydrogen (caz în
care gazeificarea se mai numeşte şi hidrogenantă).
Utilizarea biomasei ca sursa de energie a fost în continuare sporită în ultimii ani şi o
atenţie deosebită a fost acordată pentru gazeificarea biomasei. Ca urmare a interesului tot mai
mare în gazificarea biomasei, mai multe modele au fost propuse pentru a explica şi a înţelege
acest proces complex, şi deasemenea au fost efectuate design-ul, simularea, optimizarea şi
analiza procesului de gazeificare. Astfel s-a pus accent foarte mult pe analizarea mai multor
modele de gazeificare pe baza echilibrului termodinamic şi cinetic. Modelele termodinamice s-au
dovedit a fi un instrument util pentru comparaţiie preliminare şi pentru studiile privind influenta
celui mai important combustibil şi parametrii de proces. Acestea au avantajul de a fi independent
de design-ul procesului de gazeificare, dar nu dau rezultate foarte precise pentru toate cazurile
Modelele bazate pe cinetică prezintă o analiză de calcul mai intensă, dar cu rezultate
precise şi detaliate. Cu toate acestea, ele conţin parametrii care limitează aplicabilitatea lor
pentru differe procese.
2
2. Introducere
Biomasa a fost una dintre principalele surse de energie pentru omenire încă de la
începuturile civilizației, deși importanța ei s-a diminuat după extinderea în utilizarea de ulei și
cărbune la sfârșitul secolului al 19-lea. În ultimii ani a fost o renaștere a interesului în energia
obţinută din biomasă, în multe țări considerând beneficiile pe care le oferă. Este o sursă
regenerabilă, disponibilă pe scară largă, și are potențialul de a oferi locuri de muncă productive
semnificative în mediul rural. Biomasa este, de asemenea, capabilă să furnizeze energie.
Estimările au arătat că 15% -50% din consumul de energie primară din lume ar putea
veni din biomasă, până în anul 2050. În prezent, aproximativ 11% din energia primară a lumii
este estimat a fi îndeplinite cu biomasă. Pentru India, biomasa a fost întotdeauna o sursă
importantă de energie. Deși evaluarea energiei în India astăzi indică o creștere a dependenței de
formele convenționale de energie, aproximativ 32% din totalul de energie primară în țară este
încă derivată din biomasă și mai mult de 70% din populaţia țarii depinde de ea pentru nevoile
sale de energie.
2.1. Tipuri de biomasă
Biomasa este reprezentată de: produse de origine agricolă și forestieră, deșeuri vegetale
din agricultură și silvicultură, deșeuri vegetale din industria alimentară, deșeuri vegetale fibroase
din producția de celuloză naturală și din producția de hârtie din celuloză, deșeuri de plută,
deșeuri lemnoase provenite de la construcții și demolări.
În funcție de origine, biomasa poate fi clasificată astfel: primară, secundară, reziduală și fosilă
Biomasa primară este produsă prin activitatea de fotosinteză de către plante, reprezentând
ansamblul de materii prime vegetale, cu creștere mai mult sau mai puțin rapidă, folosite direct,
sau în urma unui proces de conversie, în alimentația umană, furajare, diferite industrii sau pentru
producerea de energie.
Biomasă secundară este produsă de către ființele heterotrofe, cele care utilizează biomasa
primară, și anume animale ierbivore și omnivore. De mare importanță sunt produsele reziduale
din activitățile industriale sau de creștere a vitelor.
3
Biomasa reziduală este produsă în activități umane: paie, rumeguș, resturi de la abatoare,
reziduuri urbane, ș.a.
Biomasa fosilă este reprezentată de petrol, gaze naturale și cărbune.
Din punct de vedere al reziduurilor (deşeurilor), biomasa poate fi clasificată astfel:
reziduuri primare; reziduurile secundare; reziduurile terţiare.
Reziduurile primare sunt produse din plante sau din produse forestiere. O astfel de biomasă este
disponibilă “în câmp” şi trebuie colectată pentru utilizarea ei ulterioară.
Reziduurile secundare sunt produse la prelucrarea biomasei pentru producerea produselor
alimentare sau a altor produse din lemn, fiind disponibile în industria alimentară, la fabrici de
producere a hârtiei, etc.
Reziduurile terţiare devin disponibile după ce un produs din biomasă a fost folosit. Acestea
reprezintă diferite deşeuri, incluzând deşeuri menajere, deşeuri lemnoase, deşeuri de la tratarea
apelor uzate, etc.
Biomasa energetică este reprezentată de materia organică utilizată pentru obținerea de
biocombustibili (biocarburanți), energie electrică și termică.
2.2. Compoziția chimică a biomasei.
De obicei plantele conțin 25% lignină și 75% glucide (celuloză și hemiceluloză) sau
zaharide. Fracțiunea glucidică este compusă dintr-o mulțime de molecule de zaharide, unite între
ele prin lanțuri polimerice lungi. Una din cele mai importante glucide este celuloza. Componenta
ligninică este compusă din molecule nezaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi
de celuloză la formarea țesuturilor, care asigură integritatea plantelor. Lignina apare în plante ca
ceva de genul lipiciului, care leagă moleculele celulozice între el.
3. Gazeificarea in strat fix
În instalația de gazeificare cu pat fix, combustibilul este alimentat la capătul superior al
acestui gazeificator. Între timp, la partea inferioara, oxigenul și aburul sunt introduse și zgura
este înlăturată. Combustibilul trece prin patru zone diferite; uscare, piroliză, oxidare și de
reducere. Uscarea apare atunci când gazul fierbinte produs intra în contact cu alimentarea în
partea de sus a gazeificatorului. În continuare combustibilul devolatilizat, formează gudroane și
4
uleiuri. Acești compuși ies cu gazul brut, și sunt capturaţi la partea inferioară și recirculaţi în
gazeificator. Combustibilul intră apoi în zona de gazeificare cu temperatură mare unde
reacţionează cu apa şi dioxidul de carbon. În partea de jos a instalaţiei cenușa rezultată
reacţionează cu oxigenul creând temperaturi suficient de ridicate pentru a topi cenușa și zgura.
3.1. Tipuri de gazeificatoare in strat fix
Întrucât există o interacţiune de aer, oxigen şi biomasă în instalaţiile de gazeificare,
acestea sunt clasificate în funcţie de modul în care aerul şi oxigenul sunt introduce în ele.
Figura 1. Gazeificatoare in strat fix
5
3.2. Diferiți agenți de gazeificare utilizați in strat fix
Diferiți agenți de gazeificare in strat fix sunt prezentați in tabelul 1
Agenti de gazeificare Avantaje
Aer 1. Arderea parțiala pentru furnizarea căldurii de gazeificare2. Conţinut moderat de cenuşă şi gudron
Abur 1. Producerea gazului la temperatură înaltă (10–15 MJ N/m3)2. Produce gaz cu o cantitate bogată de hidrogen (ex,450% din volum)
Dioxid de carbon 1. Produce gaz cu valoare de încălzire mare2. Produce gaz cu un conţinut mare de hidrogen şi monoxid de carbon şi conţinut mic de dioxid de carbon.
Tabelul 1: Avantajele agenţilor de gazeificare
4. Procesul de gazeificare
În mod usual combustibilul solid este compus din elementele, carbon, hidrogen şi
oxygen. În gazeificarea clasică biomasa este încălzită prin combustie. În reactor se disting patru
procese diferite: uscarea, piroliza, oxidarea şi reducerea.
În procesele moderne de obicei uscarea biomasei se execută în exteriorul reactorului.
Sunt totuşi, realizări recente, în care uscarea se produce în reactor, cu mare viteză, iar vaporii
produşi sunt apoi folosiţi în procesul de reducere, Sunt cunoscute tehnologii de piroliza rapidă
din care rezultă în principal un combustibil lichid, bio-oil şi tehnologii de gazeificare în care
rezultă în principal un combustibil gazos, gaz de sinteză sau singaz.
4.1. Uscarea
6
În această etapă, conținutul de umiditate al biomasei este de obicei redus de aproximativ
5-35%. Uscarea are loc la o temperature de aproximativ 100-200° C, cu reducerea conținutului
de umiditate din biomasă până la <5%.
4.2. Combustia
Această manieră de procesare se desfăşoară în atmosferă oxidantă. Materiile prime
gazoase şi volatile realizează combustia rapidă a amestecului aer-gaze şi a cărbunelui. Energia
termică se regăseşte, la circa 900–1000oC, în căldura sensibilă a gazelor calde necombustibile.
Recuperarea acestei energii este realizată prin răcirea gazelor arse într-un cazan, care permite
producerea de abur comprimat şi supraîncălzit, în vederea unei conversii eficiente căldură – lucru
mecanic. Poluanţii aflaţi în materia primă sunt majoritar evacuaţi ca gaze, care ar trebui în
prealabil epurate/filtrate, înainte de eliberarea în atmosferă.
4.3. Piroliză
În acest caz, are loc încălzirea materiei prime în absenţa oxigenului (operaţie cunoscută
sub numele de ardere înăbuşită), care conduce la obţinerea unui amestec de gaze uşoare
necondensabile, gudroane şi cocs. Proporţia acestora depinde de condiţiile tratării. În piroliza
lentă şi la temperatură joasă (400–500oC), produsele reacţiilor de descompunere sunt majoritar
solide (cocs cu steril), iar la o încălzire rapidă cu temperaturi mari (700–800oC), este favorizată
producţia de gaze.
Figura 2. Procesul de gazeificare
7
4.4. Gazeificare
Materia primă este introdusă într-o instalaţie, la presiuni şi temperaturi mari, împreună cu
aer şi vapori de apă. Materiile volatile formate nu sunt supuse la un proces de combustie.
Carbonul fix va reacţiona cu aburul, la temperaturi de circa 900oC, în reacţii endoterme de
transformare:
C + H2O → CO + H2.
Simultan, există şi alte reacţii de formare de CO şi CH4. Aportul de căldură este realizat
prin combustia parţială a materiei prime, cu generarea de gaze (de putere calorifică ce nu
depăşeşte 18 MJ/m3), mai sărace în comparaţie cu metanul (a cărui putere calorifică este de 35
MJ/m3). Amestecul gazos produs poate fi recuperat, cracat termic pentru a descompune
gudroanele, apoi epurat şi răcit pentru a alimenta un motor cu gaz sau o turbină cu gaz. Carbonul
este complet epuizat şi reziduul solid este inert. Deşi gazul de sinteză are o putere calorifică mai
mică decât a metanului, el poate fi utilizat eficient la termocentrale pe gaz sau în industria
chimică.
5. Procedee recente de gazeificare a biomasei
Prin tratarea termochimică a biomasei sunt generate mai multe produse valorificabile:
abur relativ curat, combustibil lichid şi cocs (mangal cu steril). In cazul rumeguşului, cocsul
conţine peste 93% carbon (C). Dacă s-ar vapo-craca întreaga producţie de combustibil gazos şi
lichid, precum şi cocsul cu peste 50% C, s-ar produce un combustibil gazos cu peste 90% H2,
care, din punct de vedere ecologic, ar fi net superior metanului. Acest scop nu poate fi atins prin
combustie/incinerare (procedeu dezavantajat în ultima vreme), deoarece se generează debite mari
de gaze de ardere poluante, a căror valorificare prin recuperarea căldurii lor sensibile este foarte
costisitoare şi necesită colectarea cu dificultate a cenuşii dispersate în gaze. Incinerarea a fost
practic înlocuită de piroliză şi gazificare, pentru care s-au propus numeroase variante.
8
Tehnologia IMG
IMG (Gazeificare Integrată a Multicombustibililor) reprezintă un proces de gazeificare
desfăşurat în mai multe etape, urmat de un proces de tratare şi condiţionare a gazului produs în
mai multe etape. Gazul rezultat în cadrul procesului este un gaz sintetic curat (singaz) cu conţinut
energetic. Tehnologia patentată IMG asigură tratarea completă a tuturor compuşilor gazoşi toxici
şi neutralizarea reziduurilor. Stabileşte noi măsuri în ceea ce priveşte stabilirea unei metode
economice şi ecologice durabile de tratare a tuturor fracţiilor de deşeuri calorice. Tehnologia
IMG îşi găseşte aplicabilitatea în toate sectoarele energetice şi în producţia de materiale
valorificabile obţinute prin procesarea deşeurilor.
Tehnologia IMG reprezintă rezultatul încununării anilor de experienţă în domeniul
tehnologiilor de gazeificare. Proiectele experimentale, de cercetare şi dezvoltare au condus la
îmbunătăţirea performanţelor tehnologiei IMG atât din punct de vedere economic, cât şi
ecologic. Prima instalaţie industrială comercială se afla în prezent în faza de construcţie în
Braşov - România.
Tehnologia noastră acoperă o arie largă în ce priveşte diversitatea deşeurilor procesate:
• Biomasa de toate tipurile
• Deşeuri menajere
• Deşeuri industriale şi ambalaje
• RDF - deşeuri pretratate
• Reziduuri lichide
Comparativ cu alte tehnologii, avantajele tehnologiei IMG constă în disponibilitatea şi
flexibilitatea materiei prime şi posibilitatea tratării oricărui tip de deşeuri, fără a necesita o tratare
în prealabil.
Procedeul WIKING
Tip: gazogen cu două faze (pirogazogen).
Materii prime tratate: biomasă şi deşeuri de lemn.
Principiu:
Sistemul de alimentare cu biomasă are un buncăr şi un snec. În prima fază se realizează
uscarea şi piroliza (la 600oC); apoi are loc gazificarea până la 1250oC într-un reactor vertical
9
constând din cilindri concentrici. La partea inferioară, cenuşa şi mangalul trec printr-un grătar. S-
a urmărit obţinerea unui gaz răcit, purificat, cu conţinut cît mai redus de gudroane (sub 15
mg/m3) şi utilizabil într-un motor. În Danemarca, s-a realizat recent un pilot alimentat de trei ori
pe zi, care a furnizat 75 kWt, timp de 1000 ore, folosind ca materie primă aşchii de lemn.
6. Parametrii procesului
Performanta procesului de gazeificare este afectata in mod direct de urmatorii parametrii:
Temperatura
Temperatura este considerată a fi principalul parametru de estimare privind performanța
gazeificării biomasei. O dată cu creșterea temperaturii se reduce conținutul de gudron şi scade
conţinutul de cenuşa din interiorul gazeificatorului. Creşterea randamentului în gaz se datorează
cracării superioare a grudonului.
La o temperatură cuprinsă între 170 şi 270oC, se formează gaze (oxid şi dioxid de carbon,
cantităţi mici de vapori condensabili ce conţin acid acetic şi metanol) şi cantităţi însemnate de
gudroane. În domeniul de temperaturi de la 270 la 280oC, formarea acidului acetic, a metanolului
şi a gudroanelor atinge valoarea maximă; apoi începe producerea de hidrocarburi. În intervalul
de temperatură 280–400oC are loc carbonizarea lemnului, iar formarea hidrocarburilor ajunge la
un punct de maxim. Procesul de carbonizare continua şi peste această temperatură, având loc o
creştere a conţinutului de carbon din mangal. Astfel, dacă mangalul obţinut la o temperatură de
până la 380oC are un conţinut de circa 78%, acesta creşte la 84% când piroliza se efectuează la
temperatura de 400–500oC, ajungând la peste 91% pentru 700–900oC.
Valoarea calorică
Valoarea calorică (CV) dintr-un material este o expresie de energie sau de căldură,
eliberată atunci când materialul arde in aer. Valoarea calorica este de obicei măsurată în
cantitatea de energie conținută pe unitatea de masă sau de volum (MJ / m3).
Raportul de echivalentă
10
Raportul de echivalență (ER) este parametrul cel mai influent din orice proces de
gazeificare și de multe ori are un impact semnificativ asupra compoziției gazului produs.
Raportul de echivalență a fost calculat din cantitatea de oxigen introdusă în gazeificator împărțită
la cantitatea de oxigen necesară pentru arderea completă. Pentru un gazeificator efectiv, raportul
de echivalentă ar trebui să fie intre 0,2-0,4.
Combustibil Metoda de gazeificare
Procente de volum Valoarea caloric(MJ/m3)
CO H2 CH4 CO2 N2
Carbune Downdraft 28-31 5-10 1-2 1-2 55-60 4.60-5.65Lemn Downdraft 17-22 16-20 2-3 10-15 55-50 5.00-5.86Pelete Downdraft 14-17 17-19 - 11-14 - 4.50Nuca de cocos Downdraft 16-20 17-19.5 - 10-15 - 5.80Coji de nuca de cocos
Downdraft 19-24 10-15 - 11-15 - 7.20
Porumb stiulete Downdraft 18.6 16.5 6.4 - - 6.29Orez Downdraft 16.1 9.6 0.95 - - 3.25Tulpini de bumbac
Downdraft 15.7 11.7 3.4 - - 4.32
Tabel 2. Compozitia gazului rezultat din surse diferite
Compoziţia gazului
Compoziţia gazului produs reprezintă cantitatea în procente de volum a diferitelor gaze
rezultate. Aceasta compoziţia este reprezentată în tabelul care urmează
:
Gaz Compozitie
Monoxid de carbon 18%–20%
Hidrogen 15%–20%
Metan 1%–5%
Dioxid de carbon 9%–12%
Azot 45%–55%
Tabel 3. Compoziţia gazului
11
Bibliografie
1. Weihong Yang , Anna Ponzio, Carlos Lucas, Wlodzimierz Blasiak, Performance analysis
of a fixed-bed biomass gasifier using high-temperature air, Fuel Processing Technology
87 (2006) 235 – 245
2. Maria Puig-Arnavat, Joan Carles Bruno, Alberto Coronas, Review and analysis of
biomass gasification models, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010)
2841–2851
3. Anjireddy Bhavanam and R. C. Sastry, Biomass Gasification Processes in Downdraft
Fixed Bed Reactors: A Review, International Journal of Chemical Engineering and
Applications, Vol. 2, No. 6, December 2011
4. Andrés Melgara, Juan Pérezb, Alfonso Horrilloc, Biomass gasification process in a
downdraft fixed bed gasifier: a real time diagnosis model based on gas composition
analysis, Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia. pp. 9-18. Septiembre, 2009
5. Hina Beohara, Bhupendra Guptaa, V. K. Sethib, Mukesh Pandeyb, Parametric Study of
Fixed Bed Biomass Gasifier: A review, International Journal of Thermal Technologies,
Vol.2, No.1 (March 2012)
12
13