pyrolÝza a sply Ňovanie biomasy - …kchbi.chtf.stuba.sk/cevoze/doc/pod6/pyrolyza_a_spalovanie...
TRANSCRIPT
PYROLÝZA A SPLY ŇOVANIE BIOMASY
prof. Ing. Jozef Markoš, DrSc.doc. Ing. Ľudovít Jelemenský, PhD,Ing. Lukáš Gašparovi č
21. januára 2010 1
Ing. Lukáš Gašparovi č
Ústav chemického a environmentálneho inžinierstvaFakulta chemickej a potravinárskej technológie STURadlinského 9, Bratislava, [email protected]
Biomasa rastlinného pôvodu
Táto práca bola financovaná z projektu Norwegian – S lovakia project (SK0023) Establishment of a Slovak Centre of Excellence for Utilisation of Renewable
Energy Resources, (2008-2010).
OXID UHLIČITÝ, CO2
FOTOSYNTÉZA
2 2 2UVCO H O organické látky O+ → +
ROZKLAD ORG. LÁTOKDÝCHANIE
dnes v atmosfére cca 0,04%
v dávnej minulosti ?????
21. januára 2010 2
FOSÍLNE PALIVÁ
uväznená organika ktorá sa nerozložilaresp. skarbonizovala
2 2 2organické látky O CO H O+ → +
Ak sa pochová ve ľa takéhotouhlíka, v atmosfére ubúdaCO2 a pribúda kyslík(vznik dnešnej atmosféry)
POCHOVÁVANIE AKO CaCO3
OCEÁNOceánske Mikroorganizmy
2CO2O
21. januára 2010 3
2 23 3Ca CO CaCO+ −+ → ↓
2 2 2UVCO H O organické látky O+ → +
Satelitný snímokAtlantický oceán pri brehoch severného Škótska
21. januára 2010 4
Severné Škótsko
Emiliania huxleyi
PRIEMYSELNÁ ČINNOSŤ A ČINNOSŤ ĹUDSTVA AKO TAKÁ
FOSÍLNE PALIVÁ + O 2 ���� CO2 +...... + ENERGIA
VZNIK BIOMASY
CO2 pozitívny proces
21. januára 2010 5
VZNIK BIOMASY
2 2 2UVCO H O biomasa O+ → +
ENERGETICKÉ VYUŽITIE BIOMASY
2 2 2biomasa O CO H O+ → +
CO2 neutrálny proces
+ ENERGIA
pyrolysis 1 300 000 odkazovpyrolysis of biomas 209 000 odkazovgasification 1 450 000 odkazov
21. januára 2010 6
21. januára 2010 7
21. januára 2010 8
Najstarší ľuďmi využívaný proces pyrolýzy a splyňovania biomasy–horenie dreva za účelom získania tepla
HISTÓRIA SPRACOVANIA BIOMASY ČLOVEKOM
21. januára 2010 9
Foto: Dobová snímka z vykopávok v jaskyni Horná Dolná,rok cca 500 000 pnl ± 200 000
Splyňovanie za účelom získania dechtových zložiek – údenie potravín(odhaduje sa že cca 20 000 rokov stará technológia)
Výroba dreveného uhlia
Karbonizácia biomasy za účelomzískania dreveného uhlia
21. januára 2010 10
získania dreveného uhlia(cca 10 000 rokov)
ATĎ, ATĎ ......
BIOMASA RASTLINNÉHO A ŽIVO ČÍŠNEHO PÔVODU
odpad z poľnohosp. výroby
odpad z drevosprac. priemyslu
odpad z potravinárskeho
ZDROJE BIOMASY
4,643 6,019 2,368 0,021C H O NBiomasa=
Mäkké drevo
Slama
ZLOŽENIE BIOMASY
21. januára 2010 11
odpad z potravinárskehoprieyslu
triedený komunálny odpad
cielene pestovaná biomasa
kaly z ČOV
5,397 6,920 1,673 0,104C H O NBiomasa=
Slama
4,705 7,277 2,158 0,117C H O NBiomasa=
Triedený komunálny odpad
Spaľovanie
Výroba pary
Teplo
Elektrina a teplo
ZÁKLADNÉ PROCESY TERMICKÉHOSPRACOVANIA BIOMASY
21. januára 2010 12
Biomasa Pyrolýza
Splyňovanie
ČO SA DEJE PRI HORENÍ BIOMASY ?
SPAĽOVANIEexterný zdroj tepla
1.
vzdušný kyslíkvzdušný kyslík
prvotný rozklad zložiek biomasyuvo ľňovanie prchavých zložiek mimobiomasu
21. januára 2010 13
zdroj teplahorenie
zdroj te
plazdroj teplahorenie
zdroj te
pla
2.zapálenie prchavých zložieknový zdroj tepla-sála do okolia-rozkladá (pyrolyzuje) zložky biomasy-horenie pyrolýznych zložiek v plynnej fáze
zdroj tepla do okolia
horenie produktovpyrolýzy
zdroj tepla do okolia
horenie produktovpyrolýzy
3.
zdroj tepla do okoliazdroj tepla do okolia
horenie v plynnej fázekarbonizácia tuhej fázy
21. januára 2010 14
zdroj tepla do okolia
kyslík
zdroj tepla do okolia
kyslík4.
difúzia kyslíka do tuhej fázyvyhorievanie uhlíka
-120,5 111kJ molC O CO+ → −
-12 20,5 283 kJ molCO O CO+ → −
horenie CO
PYROLÝZA
zdroj tepla
kyslík
zdroj tepla
kyslík
zdroj teplazdroj tepla
SILNE ENDOTERMICKÝ PROCES
TEPLO Z EXTERNÉHO ZDROJATEPLO SPÁLENÍM ČASTI BIOMASY
CHEMICKÉ REAKCIE
ŠTIEPNE REAKCIE VÄZIEB
C C C H C O− − −
21. januára 2010 15
kyslíkkyslík
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....
tvorba koksu
kyslík
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....
tvorba koksu
kyslík
2( ) 2 2 2 2m n m n m m n nC H C H C H+ + + ++�
kondenzačné reakcie
alkylácie
cyklizácie
vznik aromátov
vznik koksu
zdroj tepla
kyslík
zdroj tepla
kyslík
zdroj teplazdroj tepla
PYROLÝZAZÁKLADNÉ PRODUKTY PYROLÝZY
PYROLÝZNY PLYN
21. januára 2010 16
kyslíkkyslík
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....
tvorba koksu
kyslík
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....
tvorba koksu
kyslík
DECHTY (BIO OLEJ)
PYROLÝZNY KOKS
ZÁKLADNÉ PRODUKTY PYROLÝZY
PYROLÝZNY PLYN
DECHTY (BIO OLEJ)
PYROLÝZNY KOKS
%
pôvod a zloženie biomasy
obsah vlhkosti
veľkos ť častíc
prítomnos ť inertného plynu
teplota
zdržná doby pyrolýzneho plynu v reaktore
21. januára 2010 17
plynu v reaktore
rýchlos ť ochladenia plynova dechtov po opustení reaktora
použitý tuhý inertný materiál
katalyzátory
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....
tvorba koksu
kyslík
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....
tvorba koksu
kyslík
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....kyslík
zdroj teplatvorba dechtovvodná paraCO, CH4, CO2,C2H6, .....kyslík
TEPLOTA 400 – 500°C
dlhá zdržná doba párv reaktore
TEPLOTA 500 – 600°C
veľmi krátka zdržná doba pár
KARBONIZÁCIA(tvorba koksu)
DECHTY
plyn 35%dechty 30%koks 35%
21. januára 2010 18
tvorba koksutvorba koksu
veľmi krátka zdržná doba párv reaktore(fast pyrolysis)
TEPLOTA 800 – 1000°C
dlhá zdržná doba párv reaktorekatalyzátory
DECHTY(bio oil)
PYROLÝZNY PLYN
plyn 85%dechty 5%koks 10%
plyn 13%dechty 75%koks 12%
SPLYŇOVANIE BIOMASY
HLAVNÝ CIEĽOVÝ PRODUKT = PROCESNÝ PLYN
ZDROJ TEPLA
EXTERNÝ
SPÁLENIE ČASTI BIOMASYprídavkom vzduchu/kyslíka 20,5C O CO+ →
(napr. spálením koksu a dechtov)
21. januára 2010 19
prídavkom vzduchu/kyslíka
PRIDANÍM VODNEJ PARY
sply ňovanie koksuzvyšuje sa podiel vodíka
POUŽITIE KATALYZÁTOROV: KATALYTICKÁ PYROLÝZA DECHT OV
2 2C H O CO H+ +�
2
2 22n m
mC H nH O nCO n H
+ + +
� (R9)
2 222n m
mC H nCO nCO H+ +� (R10)
20,5C O CO+ → (R1) -1111kJ mol−
2 20,5CO O CO+ → (R2) -1283 kJ mol−
2 2 20,5H O H O+ → (R4) -1242 kJ mol−
Pyrolýza org. makromolekúl
21. januára 2010 20
2 2C CO CO+ � (R3) -1172 kJ mol+
2 2C H O CO H+ +� (R5) -1131 kJ mol+
2 42C H CH+ � (R6) -175 kJ mol−
2 2 2CO H O CO H+ +� (R7) -141 kJ mol−
4 2 23CH H O CO H+ +� (R8) -1206 kJ mol+
2 4 2
2 2
1,0Biomasa+7,607vzduch 2,407CO+2,079 H +0,181CH +1,3CO
+6,078N +0,158H O+0,064Koks+0,0547Decht
→
4,643 6,019 2,368 0,021C H O NBiomasa=
6,750 1,97 1,042 0,023C H O NKoks=5,600 6,930 1,608 0,005C H O NDecht=
Rao et al., 2004:
Drevné štiepky (mäkké drevo)
52,1%C28,1%C3,9%C9,3%C6,6%C
COCO2CH4C (koks)dechty
21. januára 2010 21
6,6%C dechty
Sójová slama (suchá)
2 4 2
2 2
1.0Biomasa+9,738vzduch=3,496CO+2,425H +0,381CH +1,061CO +
+7,743N +0,199H O
5,397 6,920 1,673 0,104C H O NBiomasa=žiaden dechtžiaden koks
ZÁKLADNÉ TYPY REAKTOROV
plyn
reaktor
c)
VSÁDZKOVÝ PYROLYZÉR
21. januára 2010 22
recirkulované plynyinertmožnosť spaľovania
21. januára 2010 23
biomasa, inertnýtuhý materiál, katalyzátor
procesnýplyn
externý zdroj tepla
exte
rný
zdro
j tep
la
PRESTUP TEPLA
PYROLYZÉR S POHYBLIVÝM LÔŽKOM TUHEJ FÁZY
21. januára 2010 24
rošt, šnek,.... tuhý zvyšok
externý zdroj tepla
exte
rný
zdro
j tep
la
inertný plyn
Biomasa Plyn
sušiaca zóna
vyparovanie prchavýchzložiek
splynovacia zóna(málo/žiaden kyslík)
Biomasa Plyn
sušiaca zóna
vyparovanie prchavýchzložiek
splynovacia zóna(málo/žiaden kyslík)
SPLYŇOVAČ S POHYBLIVÝM LÔŽKOM TUHEJ FÁZY
INTERNÝ ZDROJ TEPLA
spaľovanie časti biomasykyslíkom
Čistý kyslík: cenaVzduch: riedenie procesného plynu
dusíkom (cca 50%obj)
21. januára 2010 25
popol vodná para+ vzduch (kyslík)
(málo/žiaden kyslík)
zóna horenia(vela kyslíka)
popol vodná para+ vzduch (kyslík)
(málo/žiaden kyslík)
zóna horenia(vela kyslíka)
dusíkom (cca 50%obj)
V každom prípade riedenie procesného plynu oxidom uhli čitým (cca 10%obj)
Výhrevnos ť procesného plynus použitím:
kyslík: 10 – 18 MJ/m 3
vzduch: 4 – 7 MJ/m 3 !
20,5C O CO+ →
2 2C H O CO H+ +�
vzduch (kyslík)para
horenie, sušenie
pyrolýza tuhej fázya horenie
Biomasa(katalyzátor)
Pomocný horák
SPLYŇOVAČ S POHYBLIVÝM LÔŽKOM TUHEJ FÁZY
21. januára 2010 26
popol,kayalyzátor
procesný plyn
pyrolýzasplyňovanie koksu(málo alebo žiadny
kyslík)
pyrolýza dechtovsplyňovanie koksu
reaktor
plyn
cyklón
biomasa
b)
spaliny
uhlík + piesok
spaľ. reak
FLUIDNÝ PYROLYZÉR
21. januára 2010 27
nosné / inertné médium
piesok
vzduch
reakteplo
možnosť spaľovania
recirkulované plyny
biomasa
reaktor
plyn
cyklón
spalinyspa
c)FLUIDNÝ SPLYŇOVAČ
21. januára 2010 28vzduch/O2/vodná para
spaľovacíreaktorteplo
piesok, katalyzátor
vzduch
popol
PYROLÝZNY PLYN
DECHTY (BIO OLEJ)
PRODUKTY PYROLÝZY A SPLY ŇOVANIA BIOMASY
BIOMASA
21. januára 2010 29
PYROLÝZNY KOKS
PYROLÝZNY KOKS
drevné uhlie
aktívne uhlie – priemyselná adsorpcia
SPLYŇOVANIE 20,5C O CO+ →OBOHATENIE
21. januára 2010 30
SPLYŇOVANIE 20,5C O CO+ →
2 2C H O CO H+ +�
OBOHATENIEPROCESNÉHO PLYNU
o CO a H2
biomasa
reaktor
plyn
cyklón
vzduch/O2/vodná para
spaliny
spaľova
círeakto
rteplopiesok, katalyzátor
vzduch
popol
c)
SPÁLENIE 20,5C O CO+ →
2 2C O CO+ →
2 20,5CO O CO+ →
ZDROJ TEPLAPRE PYROLÝZU/SPLYŇOVANIE
DECHTY (bio oil)
ZLOŽENIE
od pôvodu biomasy
od typu procesu(teplota, zdržná doba,katalyzátor)
21. januára 2010 31
katalyzátor)
od rýchlosti ochladeniana výstupe z reaktora
POUŽITIE DECHTOV:
IZOLÁCIA ČISTÝCH CHEMIKÁLIÍ1
ZMES MNOŽSTVA LÁTOKVEĽMI NÍZKE KONCENTRÁCIE
21. januára 2010 32
MENŠIA CHEMICKÁ FABRIKA
extrakcie, rektifikácie, adsorpcie,absorpcie, chrom. separácie, iónová výmena, kryštalizácia...
výhrevnos ť = 50%klasických motorových palív
kyslíkaté zlú č. = nízka termická stabilita
POUŽITIE DECHTOV:
IZOLÁCIA ČISTÝCH CHEMIKÁLIÍ1
Pridáva ť (mieša ť) s klasickými motorovými palivami
2
21. januára 2010 33
kyslíkaté zlú č. = nízka termická stabilita
nemiešate ľné s klasickými motorovými palivami
NEVYHNUTNOSŤ RAFINÁCIE DECHTOV
katalytické krakovaniehydrogenácia...... zdroj vodíka
POUŽITIE DECHTOV:
IZOLÁCIA ČISTÝCH CHEMIKÁLIÍ1
Miešať s klasickými motorovými palivami2
3Spáli ť a použi ť ako externýzdroj tepla pre pyrolýzu/sply ňovanie biomasy
21. januára 2010 34
sply ňovanie biomasy
POUŽITIE DECHTOV:
IZOLÁCIA ČISTÝCH CHEMIKÁLIÍ1
Miešať s klasickými motorovými palivami2
3Spáli ť a použi ť ako externýzdroj tepla pre pyrolýzu/sply ňovanie biomasy
21. januára 2010 35
4Spáli ť v spa ľovacej turbíneresp. motore a priamo vyrába ť
el. energiu
Splodiny horenia sú korozívne, Prítomnos ť tuhých častíc spôsobuje tvorbu usadenín
POUŽITIE DECHTOV:
IZOLÁCIA ČISTÝCH CHEMIKÁLIÍ1
Miešať s klasickými motorovými palivami2
3Spáli ť a použi ť ako externýzdroj tepla pre pyrolýzu/sply ňovanie biomasy
4Spáli ť v spa ľovacej turbíneresp. motore a priamo vyrába ť
el. energiu
21. januára 2010 36
5 Katalyticky krakova ť na procesný plyn
AK JE CIEĽOM ZÍSKANIEPROCESNÉHO PLYNU
pyrolýznyreaktor
biomasy
biomasa
vzduchvodná para
katalytickýrozklad dechtov
PROCESNÝ PLYN
2 4 2 2
2 4
, , , , ,...CO H CH CO H O
C C−
5 Katalyticky krakova ť na procesný plyn
21. januára 2010 37
vodná para
ZDROJ TEPLApopolKOKS katalyzátor
POUŽITIE
IZOLÁCIA ČISTÝCH CHEMIKÁLIÍ1
Miešať s klasickými motorovými palivami2
3Spáli ť a použi ť ako externýzdroj tepla pre pyrolýzu/sply ňovanie biomasy
Σ
21. januára 2010 38
POUŽITIE DECHTOV:
4Spáli ť v spa ľovacej turbíneresp. motore a priamo vyrába ť
el. energiu
5 Katalyticky krakova ť na procesný plyn
PROCESNÝ PLYN
Spaľovacímotor
Spaľovacia turbína
1
2
Elektrina a teplo
2 4 2 2 2 4, , , , ,CO H CH CO H O C C− + nečistoty
21. januára 2010 39
Syntézny plynFisher-Tropshovasyntéza - PHM
Metanol
3
náro čné na vedenie procesučistenie procesného plynuúprava pomeru CO : H 2
2:CO H
Syntézny plyn3
náro čné na vedenie procesučistenie procesného plynu: CO 2, sulfán, metylsulfán...úprava pomeru CO : H 2odstránenie metánu
2:CO H
2 2 2CO H O CO H+ +�
4 2 23CH H O CO H+ +�
ENERGETICKYNÁROČNÉ
21. januára 2010 40
Fisher-Tropshovasyntéza - PHM
Metanol
2 2 22CO H CH H O+ → − − +-1165kJ molr H∆ =
2 32CO H CH OH+ →
2 2 3 23CO H CH OH H O+ → +
3 3 3 22CH OH CH O CH H O→ − − +
CHEMICKÁ FABRIKA?
ENERGETICKYNÁROČNÉ
Spaľovanie
Výroba pary
Teplo
Koks
Elektrina a teplo
Aktívne uhlie
Spaľovacímotor
PRODUKTY PYROLÝZY A SPLY ŇOVANIA BIOMASY
21. januára 2010 41
Biomasa Pyrolýza
Splyňovanie
Dechty(bio-olej)
Procesnýplyn
motor
Spaľovacia turbína
Syntézny plyn
Fisher-Tropshovasyntéza - PHM
Metanol
Rafinácia –PHM
Čisté chemikálie
LOGISTIKA TEPELNÉHO SPRACOVANIA BIOMASY
21. januára 2010 42
elektrina
elektrina
elektrina
LOKÁLNE SPRACOVANIE
21. januára 2010 43
zdroj biomasyspracovanie biomasytransport biomasy
elektrina
elektrina
PLYN SPÁLIŤ (turbína, motor)DECHTY – rozbi ť na plyn
spáli ť – energia na sply ňovaniaKOKS – zdroj tepla na sply ňovanie
Odpadá doprava biomasy na väčšie vzdialenosti –spotreba energie
CENTRÁLNE SPRACOVANIE
21. januára 2010 44
zdroj biomasyspracovanie biomasytransport biomasy
doprava biomasy naveľké vzdialenosti
chemické spracovaniedechtov, syntézny plyn
1
decht
elektrina1 1elektrina
elektrina
KOMBINOVANÉ SPRACOVANIE
21. januára 2010 45
zdroj biomasy
1primárne spracovanie biomasy
transport biomasy
2decht
1 elektrina
separácia čistých látoksyntézny plyn – Fischer Tropsh
2 spracovanie dechtov
VZNIK BIOMASY
2 2 2UVCO H O biomasa O+ → +
ZÁDRHEL
+ organické zložky z pôdy + minerálne zložky z pôdy
ENERGETICKÉ VYUŽITIE BIOMASY2 2 2biomasa O CO H O+ → +
PRIRODZENÝ ROZKLAD BIOMASY(baktérie, huby a i.)
21. januára 2010 46
do pôdy sa nevracia ni č!
2 2 2biomasa O CO H O+ → +2 2 2
organické zložkyminerálne zložky
NÁVRAT DOPÔDY
DEVASTÁCIA PÔDNEHO FONDUVÝROBA HNOJÍV, PESTICÍDOV,...
CENA PRODUKTOV
Pri výrobe motorovej nafty z biomasycez jej splynenie na syntézny plyn anásledná výroba nafty Fisher Tropshovou syntézou cena jedného GJ takejto energie je 16 až 19 US$, pri výrobe z fosílnych palív je to okolo 4 US$.
Výhrevnos ť dechtov: 50% klasických palívz ropy
21. januára 2010 47
Výhrevnos ť procesného plynupri sply ňovaní s:
kyslíkom: 10 – 18 MJ/m 3
vzduchom: 4 – 7 MJ/m 3 !zemný plyn: do 40 MJ/m 3
Jedlé po ľnohospodárskeplodiny vs. technické plodinyna biopalivá
ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ
Bio nafta
21. januára 2010 48
Táto práca bola financovaná z projektu Norwegian – Sl ovakia project (SK0023) Establishment of a Slovak Centre of Excellence for Utilisation of Renewable
Energy Resources, (2008-2010).
ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ