Nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết tính chất khí hóa sinh khối trong tầng sôi khí quyển

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV TEZE DISERTAČNÍ PRÁCE Ing. Nguyen Van Tuyen EXPERIMENTÁLNÍ A TEORETICKÝ VÝZKUM VLASTNOSTÍ PLYNU ZE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY V ATMOSFÉRICKÉ FLUIDNÍ VRSTVĚ (Experimental and theoretical research on producer-gas properties in atmospheric fluidised-bed gasification of biomass) Obor: Konstrukční a procesní inženýrství Školitel: Doc. Ladislav Ochrana, CSc Oponenti:. Datum obhajoby disertační práce:.

SOUČASNÝ STAV PROBLEMATIKY ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY VE FLUIDNÍ VRSTVĚ 2 2. Technologie zplyňování biomasy v atmosférické fluidní vrstvě 2 2. Matematické modelování zplyňovacího procesu 3 3. CÍL DISERTAČNÍ PRÁCE 5 4.

EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM 6 4. Experimentální zařízení 6 4. Úkoly a metodika měření 7 4. Použitá paliva 7 5.

ZPRACOVÁNÍ EXPERIMENTÁLNÍCH DAT 8 5. Metodika zpracování naměřených hodnot 8 5. Výsledky zplyňování biomasy 8 5. Složení produkovaného plynu 8 5.

Shrnutí výsledků měření 11 6. TEORETICKÝ VÝPOČET ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY VE FLUIDNÍ VRSTVĚ 13 6. Rovnovážný matematický model 13 6. Základní struktura a předpoklady matematického modelu 13 6.

Soustava rovnic ve výpočtovém programu 14 6. Provedení teoretického výpočtu 14 6. Požadavky na zlepšování matematického modelu 15 6. Zpřesňování matematického modelu 16 6.

Metodika nalezení korekcí matematickému modelu 16 6. Složení plynu 18 6. Upřesněný matematický model 20 7. ŽIVOTOPIS AUTORA 29 Poděkování: Rád bych touto cestou poděkoval mému školiteli Doc.

Ladislavu Ochranovi, CSc za jeho odborné vedení, cenné rady, poznatky a připomínky v průběhu celého doktorandského studia, za to, že mě vedl k myšlení a samostatnosti při řešení technických úkolů souvisejících se výzkumnou problematikou. Dále bych chtěl poděkovat mým kolegům Ing. Dvořákovi, Ing. Pospíšilovi a Ing.

Kubíčkovi, kteří dlouhodobou spoluprací při přípravách a zejména realizacích experimentů značnou měrou přispěli k dokončení této disertační práce. Také bych rád poděkoval všem profesorům, docentům, pracovníkům a doktorandům na Odboru tepelných a jaderných energetických zařízení Energetického ústavu Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně za všestrannou pomoc při mém studiu a pobytu v České Republice. Nguyen Van Tuyen i OBSAH Seznam hlavních užitých veličin iv 1. Přehled o současném stavu zplyňování biomasy ve fluidní vrstvě 3 2.

Současný stav v oblasti fluidních zplyňovacích technologií 3 2. Matematické modelování zplyňovacího procesu 10 3. Cíle disertační práce 13 4. Teorie zplyňování biomasy 14 4.

Vlastnosti biomasy z hlediska zplyňování 14 4. Fáze zplyňování 15 4. Termodynamika zplyňovacích reakcí 16 4. Složení vyrobeného plynu 18 4.

Rovnovážný stav reakce 19 4. Základní vlastnosti fluidní vrstvy 20 5. Experimentální výzkum 24 5. Experimentální zařízení 24 5.

Fluidní atmosférický generátor BIOFLUID 24 5. Úkoly a metodika měření 30 5. Úkoly vlastního měření 30 5. Výpočet průtoku produkovaného plynu 32 5.

Použitá paliva 35 5. Podávací schopnost šneku 36 6. Zpracování experimentálních dat 37 6. Nejistota měření a nejpravděpodobnější hodnota složek plynu 37 6.

Nejpravděpodobnější hodnota složek plynu 38 6. Metodika zpracování naměřených hodnot 38 6. Parametry vstupních a výstupních toků 39 6. Spalné teplo a výhřevnost suroviny 39 6.

Množství a složení produkovaného plynu 40 6. Materiálová bilance 41 6. Výsledky zplyňování biomasy 47 6. Složení produkovaného plynu 47 6.

Vliv přívodu vzduchu do zplyňovacího generátoru 56 6. Teoretický výpočet zplyňování biomasy ve fluidní vrstvě 60 7. Rovnovážný matematický model 60 7. Základní struktura a předpoklady matematického modelu 60 ii 7.

Soustava rovnic ve výpočtovém programu 61 7. Vstupní údaje matematického modelu 63 7. Výpočet rovnovážných konstant 66 7. Výsledky teoretického výpočtu 67 7.

Požadavky na zlepšování matematického modelu 72 7. Zpřesňování matematického modelu 73 7. Metodika nalezení korekcí matematickému modelu 73 7. Složení plynu 80 7.

Analýza výsledků 83 8. Vlastní publikační činnost se vztahem k problematice disertační práce 94 11. Seznam příloh 99 iii SEZNAM HLAVNÍCH UŽÍTÝCH VELIČIN Značka Význam Jednotka B spotřeba paliva na 1 mn3 surového vlhkého plynu kg/mn3 cp,j měrná tepelná kapacita j-té látky kJ/kgK, kJ/m3K d, D průměr m e stupeň využití uhlíku - E aktivační energie reakce J/mol f frekvence měniče šneku Hz g gravitační zrychlení m/s2 G hmotnostní tok kg/h h měrná entalpie kJ/kg k rychlostní konstanta chemické reakce (závisí na řadu reakce) K rovnovážná konstanta , obecná - Kp rovnovážná konstanta (na základě parciálních tlaků) - lv výparné teplo vody při 0 °C kJ/m3 M molární hmotnost kg/kmol n počet otáček 1/min p tlak Pa, kPa Δp tlaková diference Pa, kPa Q tepelný tok kW Qv spalné teplo kJ/kg, kJ/m3n Qn výhřevnost kJ/kg, kJ/m3n R univerzální plynová konstanta J/kgK R koeficient determinace - s měrná entropie kJ/kgK S plocha průřezu m2 o t teplota C T termodynamická teplota K v měrný objem m3/kg V objemový tok m3/h 3 V množství vzduchu na 1 mn surového vlhkého plynu mn3/mn3 w rychlost m/s xM stupeň dosažení rovnováhy metanizační reakce - yj objemový podíl j-té složky ve plynu %, - Y poměr spotřeby vzduchu ku spotřebě biomasy mn3/kg z měrná tepelná ztráta - Z tepelná ztráta kW ZP zplyňovací poměr - ΔΗr reakční teplo kJ/kmol α součinitel přestupu tepla W/m2K ε mezerovitost fluidní vrstvy - η účinnost -,% ϕ relativní vlhkost vzduchu -,% λ součinitel tepelné vodivosti W/mK μ dynamická viskozita Pa.s iv ν kinematická viskozita m2/s ρ měrná hmotnost kg/m3 ρg měrná hmotnost plynu kg/m3 ρs měrná hmotnost pevných částic kg/m3 Indexy Horní index a analytický stav paliva d bezvodý stav (dry) daf hořlavina paliva (dry, ash free) r původní stav paliva Dolní index 0 označuje standardní podmínku (298,15 K; 101,325 kPa) i týká se i-tého měření j týká se j-té složky plynu p parciální tlak vz vzduch Pozn.: Ostatní neuvedené symboly spolu s vysvětlením a platnými jednotkami jsou uvedeny přímo v příslušných kapitolách textu. ÚVOD V posledních dvaceti letech probíhá ve všech vyspělých zemích velmi intenzivní výzkum, vývoj a zavádění do praxe moderních technologií využívajících pro výrobu energie dříve málo používané druhy obnovitelných energetických zdrojů.

Biomasa představuje jeden z nejvýznamnějších. Je to organická hmota rostlinného nebo živočišného původu, která se získává jako odpad ze zemědělské a průmyslové činnosti nebo jako komunální odpad. Biomasa může být i výsledkem záměrné výrobní činnosti v zemědělství a lesnictví. Je to surovina ekologicky čistá, produkty jejího spalování nezatěžují životní prostředí.

Využití biomasy má nulovou bilanci CO2 a nedochází ke stupňování skleníkového efektu. Její použití pro výrobu elektrické energie a tepla nabízí širokou škálu ekologických a ekonomických výhod jako je: • zachování zdrojů fosilních paliv, • snížení závislosti na dovozu paliv, • využití zemědělských, lesních a průmyslových odpadů, • využití nevyužívaných zemědělských ploch. Dosud běžným a zvládnutý způsobem energetického využití biomasy je spalování. Dřevo se úspěšně spaluje ve spalovnách nebo pecích.

Kombinované spalování uhlí s biomasou se uskutečňuje ve výtopnách, případně ve větších elektrárenských nebo teplárenských kotlích. Jinou cestou využití biomasy k energetickým účelům je její zplyňování. Je to termochemický proces probíhající za nedostatku kyslíku při vyšších teplotách. Vzniklý plyn je potom spalován v kotli nebo v spalovacích motorech resp.

ve spalovacích turbínách. Za výhody zplyňování oproti spalování lze považovat: • možnost použití kogenerace s vyšším teplárenským modulem a tudíž s vyšším podílem výroby elektřiny, vedoucí k vyšší úspoře primárních paliv a nižším měrným provozním nákladům, • převedení pevného paliva s velikým měrným objemem na plynné palivo s možností spalování v tepelných strojích, • možnost využít různá alternativní pevná paliva, např. odpady, • snížení produkce CO2 a emisních škodlivin. Tato technologie je na druhé straně technologií méně prozkoumanou.

Základní technický problém zplyňovacích jednotek s tepelnými motory je vedle zvládnutí zplyňovacího procesu také následné vyčištění produkovaného plynu od dehtů a tuhých částic. Existují různé technologie zplyňování, které jsou závislé hlavně na druhu biomasy, výkonu zařízení a způsobu použití produkovaného plynu. Vlastnosti produktů zplyňování jsou proto velmi odlišné, a to podle procesních podmínek, k nimž patří především teplota, doba setrvání částic biomasy v reakční zóně a další parametry. Podle konstrukce jsou v současné době používány hlavně dva základní způsoby zplyňování biomasy: • zplyňování v generátorech s pevným ložem, • zplyňování ve fluidních generátorech.

První metoda je jednodušší, méně investičně náročná, vhodná pro nejmenší tepelné výkony. Zplyňování zde probíhá nejčastěji za atmosférického tlaku. U druhé metody probíhá zplyňovací proces obvykle za teploty 750–900 oC a to bud‘ při atmosférickém tlaku nebo v přetlaku (1,5 až 2,5 MPa). Tento způsob je složitější a ekonomicky rentabilní začíná být při vyšších tepelných výkonech ( řádově v desítkách MW [25] ).

1 Zařízení se zplyňováním biomasy v tlakových fluidních generátorech navazují na dlouholetý výzkum, vývoj i realizaci fluidních generátorů využívajících uhlí. Jejich aplikace na biomasu je teprve v počátku a zařízení uvedená do provozu jsou zatím většinou pilotní a demonstrační. Vyrobený plyn je vhodně použit jako palivo pro spalovací turbíny, zapojené nejlépe v paroplynovém systému (IGCC). Ukázalo se však, že pro malé tepelné výkony, které přicházejí do úvahy pro zplyňování biomasy, jsou zařízení s tlakovými generátory zbytečně složitá a drahá.

Zájem výzkumu se tedy obrátil k atmosférickým generátorům. Výhody atmosférických zplyňovacích technologií oproti tlakovými jsou: • menší požadavky na vývojové práce, • jednodušší palivový a popelový systém - spolehlivější provoz, • spolehlivější čistění plynu (i s použitím sprchové pračky zaručuje dobrou kvalitu plynu vhodnou pro spalovací turbíny), • možnost použití širšího spektra paliv, včetně odpadu, • možnost přivedení doplňkového hoření v kotli na odpadní teplo ke zvýšení výkonu zařízení, • možnost provedení nepřímého ohřevu generátoru vedoucího k výrobě plynu vyšší výhřevnosti, • slabé procesní spojení mezi zplyňovacím generátorem a spalovací turbínou. Nevýhoda se projeví až při použití plynu pro spalovací turbíny, díky tlakovému rozdílu pracovního vzduchu. Důležitým úkolem při výzkumu zplyňování biomasy je zkoumání vlastností a složení produkovaného plynu, a určení provozních charakteristik vlastního procesu.

Jsou to hlavní údaje pro návrh nejen vlastního zplyňovacího generátoru, ale i zařazeného spalovacího motoru. Tyto vlastnosti plynu a charakteristiky procesu jsou bud´ změřeny experimentálně nebo jsou vypočítat teoreticky. Vývoj zplyňovacích technologií je v poslední době neobyčejně intenzivní a ve světě poměrně značně roztříštěný a nepřehledný. Zabývá se jím totiž řada výzkumných organizací v rámci vysokých škol, průmysl a nejrůznější velké i malé výrobní podniky.

Vyvíjí se velké množství technologických procesů, někdy odlišných zásadně, někdy jen menšími detaily. Většina z vyvíjených zařízení je zatím ve stadiu pokusů, projektů nebo pilotních zařízení. To vyžaduje další výzkumy pro postupné uvádění do stadia demonstračních zařízení a do komerční podoby. Energetická politika ČR počítá se zvýšením podílu obnovitelných zdrojů na celkové energetické koncepci a je zde velká snaha k podpoře kogeneračních technologií.

Z uvedených důvodů vzniklo v rámci výzkumného projektu MŠMT na VUT v Brně pracoviště, které se zabývá výzkumem zplyňování biomasy a odpadních paliv v atmosférické fluidní vrstvě. Cílem výzkumu je jednak rozšíření teoretických poznatků procesu zplyňování formou matematického modelování, tak experimentální ověřování vlastností produkovaných plynů z různých paliv a jejich další využití. Tato disertační práce, která je zaměřena k problematice zplyňování biomasy v atmosférické fluidní vrstvě, měla za úkol provést měření vlastností vyrobeného plynu a stanovit matematický model pro teoretický výpočet zplyňovacího procesu. Je úzce vázána s aktivitou kolektivu v Odboru tepelných a jaderných energetických zařízení (OTJEZ) Energetického ústavu (EÚ) Fakulty strojního inženýrství (FSI) Vysokého učení technického (VUT) v Brně v rámci výzkumného projektu zplyňování biomasy a tuhých směsí odpadních paliv.

PŘEHLED O SOUČASNÉM STAVU ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY VE FLUIDNÍ VRSTVĚ 2. Současný stav v oblasti fluidních zplyňovacích technologií Do dnešního dne byla vyvinuta řada konstrukcí zplyňovacích zařízení. Zkušenosti při vývoji a realizacích zplyňovacích generátorů ukázaly, že každá ze zplyňovacích technologií má vhodnou výkonovou oblast použití, danou jak technickými, tak ekonomickými okolnostmi. Zatímco protiproudé generátory (se sesuvným ložem) lze vhodně uplatní pro tepelné výkony do 10 MW a souproudé generátory s hrdlem pro výrobu elektrické energie jen do 1 MW, u fluidních generátorů je výkon řádově větší.

Rovněž přiřazení energetického zařízení využívajícího generátorový plyn závisí na velikosti požadovaného výkonu [33, 62, 79]. Ve srovnání s generátorem se sesuvným ložem, má fluidní generátor následující charakteristiky [1, 13, 66]: • Umožňuje použití širšího rozsahu paliva, včetně odpadů s velkým obsahem popele. • Nevyžaduje zvláštní opatření k zabránění spékání paliva díky nízké reakční teplotě, která je nižší než teplota měknutí paliva. • Umožňuje dosáhnout velkého výkonu, aniž by ovlivňoval kvalitu produkovaného plynu.

• Umožňuje vyrobit plyn s nízkým obsahem dehtů. • Umožňuje zapojit tlakový fluidní generátor se spalovací turbínou přímo v integrovaném paroplynovém systému. • Vyžaduje náročnější opatření k odlučování prachu a k dosažení vysokého stupně konverze uhlíku. Tato podkapitola se věnuje takovým typům fluidních zplyňovacích generátorů vhodných pro biomasu, které se používají v současném vývoji.