Zgazowanie biomasy w układach kogeneracyjnych małej mocy
Wszystkie rodzaje biomasy są nośnikami energii chemicznej. Najbardziej efektywnie energetycznie można ją wykorzystać w elektrociepłowniach małej mocy, w których w skojarzeniu jest wytwarzana energia elektryczna i ciepło.
W pierwszej pośredniej przemianie energetycznej energia chemiczna biomasy może być zamieniona w ciepło – w procesie spalania w kotle lub zamieniona w energię chemiczną paliwa gazowego, które wytwarza się w procesie zgazowania biomasy w generatorze gazu. Wytwarzane w generatorze gazu paliwo gazowe z biomasy pozwala, podobnie jak gaz ziemny, na budowę różnych układów elektrociepłowni małych mocy – z silnikami gazowymi (rys. 1), z turbinami gazowymi pracującymi w obiegu prostym (rys. 2) lub turbinami gazowymi pracującymi w obiegu z wtryskiem pary wodnej STIG – Steam Injected Gas Turbine (rys. 3). Układy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła zintegrowane ze zgazowaniem biomasy mają – w porównaniu z układami z bezpośrednim jej spalaniem – szereg istotnych zalet. Przede wszystkim uzyskują wyższe wartości sprawności wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu, które są porównywalne ze sprawnością dużych układów.
Układy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła małej mocy z bezpośrednim spalaniem biomasy uzyskują sprawność elektrycznej do 20%, a zintegrowane z jej zgazowaniem do 38%. Dzięki wysokiej sprawności elektrycznej elektrociepłownie zintegrowane ze zgazowaniem biomasy mogą również uzyskiwać wyższe wartości oszczędności energii pierwotnej (PES – Primary Energy Savings)1.
Zintegrowanie procesu zgazowania biomasy z ogniwami paliwowymi może pozwolić na uzyskanie sprawności elektrycznej układu powyżej 50%. Wytwarzany z biomasy gaz syntezowy może być wykorzystywany w przyszłości do syntezy chemicznej.
Wybrane układy nie wyczerpują możliwości realizacji elektrociepłowni małych mocy opalanych gazem syntezowym wytwarzanym w procesie zgazowania biomasy. Prowadzone są m.in. prace nad układami z mikroturbinami i ogniwami paliwowymi2.
Rysunki i tabela (PDF)
Modelowanie procesu zgazowania biomasy
W celu umożliwienia przeprowadzenia wielowariantowych badań symulacyjnych aspektów energetycznych procesu zgazowania biomasy przy zmiennych jego parametrach (temperatura i ciśnienie procesu, rodzaj i temperatura czynnika zgazowującego oraz współczynnik nadmiaru czynnika zgazowującego – utleniacza) opracowany został matematyczny model procesu zgazowania biomasy. Jest on oparty na podstawach kwantowej fizyki statystycznej i opracowany został w postaci pozwalającej na symulację cyfrową różnych metod zgazowania wielu rodzajów biomasy – przy zastosowaniu zróżnicowanych czynników zgazowujących.
Model matematyczny stanowi układ równań opisujących zjawiska chemiczne, fizyczne i energetyczne, towarzyszące procesowi zgazowania biomasy i jest modelem równowagowym. Przyjęto bowiem założenie, że gaz wytwarzany w procesie zgazowania biomasy znajduje się w stanie lokalnej równowagi termodynamicznej, a wszystkie reakcje chemiczne przebiegają w fazie gazowej. Model składa się z nieliniowych równań algebraicznych, opisujących reakcje chemiczne, które przebiegają w procesie zgazowania biomasy, równań opisujących bilanse pierwiastków tworzących biomasę i czynnik zgazowujący, a także z równania bilansu energii generatora gazu, opisującego zachodzące w nim energetyczne procesy fizyczne i chemiczne. Sformułowany układ równań pozwala na wyznaczenie składu wytwarzanego gazu oraz określenie warunków równowagi energetycznej w generatorze gazu. Wszystkie inne właściwości fizyczne i energetyczne gazu (wytwarzanego w procesie zgazowania biomasy) są funkcjami jego składu, temperatury i ciśnienia.
Opracowany równowagowy model procesu zgazowania biomasy składa się z układu nieliniowych równań algebraicznych, których liczba określona jest przez liczbę założonych składników gazu. Rodzaj i liczbę składników gazu ustalono w oparciu o analizę przebiegających w nim reakcji chemicznych. W wyniku przeprowadzonych badań i obliczeń założono, że w wytwarzanym gazie występuje 29 składników utworzonych z sześciu pierwiastków. Należało więc sformułować matematyczny model w postaci układu złożonego z 29 algebraicznych równań nieliniowych. Dodatkowym, 30. równaniem – uzupełniającym wyżej wymieniony układ równań – jest równanie bilansu energii generatora gazu, które stanowi podstawę wyznaczania temperatury procesu zgazowania lub, w przypadku jej założenia, podstawę określania wymaganego współczynnika nadmiaru czynnika zgazowującego i jego temperatury. Powstaje w ten sposób nowy układ nieliniowych równań algebraicznych, który stanowi podstawę wyznaczania składu i równowagowej temperatury procesu zgazowania biomasy.
Proces ten może być charakteryzowany przez jego sprawność chemiczną i energetyczną. Chemiczna sprawność procesu zgazowania została zdefiniowana jako stosunek energii chemicznej paliwa gazowego (wytwarzanego w procesie zgazowania) do energii chemicznej zgazowywanego węgla. Można ją wyznaczyć za pomocą zależności:
Energetyczną sprawność procesu zgazowania biomasy zdefiniowano za pomocą zależności:
gdzie:
qH2O zużycie pary wodnej na 1 kg biomasy,
Qgh wartość opałowa wytwarzanego gazu [kJ/Nm3],
Qbh wartość opałowa biomasy [kJ/kg],
Tg, Tgm temperatura gazu i czynnika zgazowującego [K],
T0 temperatura odniesienia (288,15 [K]),
Vg objętość gazu uzyskiwana z 1 kg biomasy [Nm3/kg],
Vgm zużycie czynnika zgazowującego przez 1 kg biomasy [Nm3/kg],
h(T0, TH2O) przyrost entalpii fizycznej popiołu i wody (albo pary) odniesiony do temperatury odniesienia T0 [kJ/kg],
H(T0, Tg) przyrost molowej entalpii fizycznej gazu odniesiony do temperatury T0 [kJ/kmol],
H(T0, Tgm) przyrost molowej entalpii fizycznej czynnika zgazowującego odniesiony do temperatury T0 [kJ/kmol].
Symulacja procesu zgazowania biomasy
Na podstawie omówionego powyżej matematycznego modelu procesu zgazowania biomasy opracowano program komputerowy, który umożliwia wykonanie wielowariantowej symulacji tego procesu. Symulację wykonano dla sześciu różnych metod zgazowania biomasy, różniących się rodzajem i temperaturą czynnika zgazowującego, współczynnikiem nadmiaru czynnika zgazowującego oraz temperaturą procesu zgazowania.
W każdym wariancie obliczeń wyznaczano skład gazu, objętość gazu uzyskiwanego z 1 kg biomasy, zużycie czynnika zgazowującego na 1 kg biomasy, wartość opałową gazu oraz sprawność chemiczną i energetyczną procesu.
Do obliczeń przyjęto następujący skład biomasy: C = 46,5%, H = 5,7%, S = 0,03%, O = 40,2%, N = 0,19%, W = 6% i A = 0,38%. Ważniejsze wyniki wykonanych symulacji procesu zgazowania biomasy przedstawiono w tabeli.
Wykonane obliczenia symulacyjne procesu zgazowania biomasy wskazują na istotny wpływ rodzaju i temperatury czynnika zgazowującego oraz temperatury procesu zgazowania na sprawność chemiczną procesu zgazowania i wartość opałową wytwarzanego gazu.
Źródła
dr hab. inż. Bolesław Zaporowski
Instytut Elektroenergetyki
Politechnika Poznańska
W pierwszej pośredniej przemianie energetycznej energia chemiczna biomasy może być zamieniona w ciepło – w procesie spalania w kotle lub zamieniona w energię chemiczną paliwa gazowego, które wytwarza się w procesie zgazowania biomasy w generatorze gazu. Wytwarzane w generatorze gazu paliwo gazowe z biomasy pozwala, podobnie jak gaz ziemny, na budowę różnych układów elektrociepłowni małych mocy – z silnikami gazowymi (rys. 1), z turbinami gazowymi pracującymi w obiegu prostym (rys. 2) lub turbinami gazowymi pracującymi w obiegu z wtryskiem pary wodnej STIG – Steam Injected Gas Turbine (rys. 3). Układy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła zintegrowane ze zgazowaniem biomasy mają – w porównaniu z układami z bezpośrednim jej spalaniem – szereg istotnych zalet. Przede wszystkim uzyskują wyższe wartości sprawności wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu, które są porównywalne ze sprawnością dużych układów.
Układy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła małej mocy z bezpośrednim spalaniem biomasy uzyskują sprawność elektrycznej do 20%, a zintegrowane z jej zgazowaniem do 38%. Dzięki wysokiej sprawności elektrycznej elektrociepłownie zintegrowane ze zgazowaniem biomasy mogą również uzyskiwać wyższe wartości oszczędności energii pierwotnej (PES – Primary Energy Savings)1.
Zintegrowanie procesu zgazowania biomasy z ogniwami paliwowymi może pozwolić na uzyskanie sprawności elektrycznej układu powyżej 50%. Wytwarzany z biomasy gaz syntezowy może być wykorzystywany w przyszłości do syntezy chemicznej.
Wybrane układy nie wyczerpują możliwości realizacji elektrociepłowni małych mocy opalanych gazem syntezowym wytwarzanym w procesie zgazowania biomasy. Prowadzone są m.in. prace nad układami z mikroturbinami i ogniwami paliwowymi2.
Rysunki i tabela (PDF)
Modelowanie procesu zgazowania biomasy
W celu umożliwienia przeprowadzenia wielowariantowych badań symulacyjnych aspektów energetycznych procesu zgazowania biomasy przy zmiennych jego parametrach (temperatura i ciśnienie procesu, rodzaj i temperatura czynnika zgazowującego oraz współczynnik nadmiaru czynnika zgazowującego – utleniacza) opracowany został matematyczny model procesu zgazowania biomasy. Jest on oparty na podstawach kwantowej fizyki statystycznej i opracowany został w postaci pozwalającej na symulację cyfrową różnych metod zgazowania wielu rodzajów biomasy – przy zastosowaniu zróżnicowanych czynników zgazowujących.
Model matematyczny stanowi układ równań opisujących zjawiska chemiczne, fizyczne i energetyczne, towarzyszące procesowi zgazowania biomasy i jest modelem równowagowym. Przyjęto bowiem założenie, że gaz wytwarzany w procesie zgazowania biomasy znajduje się w stanie lokalnej równowagi termodynamicznej, a wszystkie reakcje chemiczne przebiegają w fazie gazowej. Model składa się z nieliniowych równań algebraicznych, opisujących reakcje chemiczne, które przebiegają w procesie zgazowania biomasy, równań opisujących bilanse pierwiastków tworzących biomasę i czynnik zgazowujący, a także z równania bilansu energii generatora gazu, opisującego zachodzące w nim energetyczne procesy fizyczne i chemiczne. Sformułowany układ równań pozwala na wyznaczenie składu wytwarzanego gazu oraz określenie warunków równowagi energetycznej w generatorze gazu. Wszystkie inne właściwości fizyczne i energetyczne gazu (wytwarzanego w procesie zgazowania biomasy) są funkcjami jego składu, temperatury i ciśnienia.
Opracowany równowagowy model procesu zgazowania biomasy składa się z układu nieliniowych równań algebraicznych, których liczba określona jest przez liczbę założonych składników gazu. Rodzaj i liczbę składników gazu ustalono w oparciu o analizę przebiegających w nim reakcji chemicznych. W wyniku przeprowadzonych badań i obliczeń założono, że w wytwarzanym gazie występuje 29 składników utworzonych z sześciu pierwiastków. Należało więc sformułować matematyczny model w postaci układu złożonego z 29 algebraicznych równań nieliniowych. Dodatkowym, 30. równaniem – uzupełniającym wyżej wymieniony układ równań – jest równanie bilansu energii generatora gazu, które stanowi podstawę wyznaczania temperatury procesu zgazowania lub, w przypadku jej założenia, podstawę określania wymaganego współczynnika nadmiaru czynnika zgazowującego i jego temperatury. Powstaje w ten sposób nowy układ nieliniowych równań algebraicznych, który stanowi podstawę wyznaczania składu i równowagowej temperatury procesu zgazowania biomasy.
Proces ten może być charakteryzowany przez jego sprawność chemiczną i energetyczną. Chemiczna sprawność procesu zgazowania została zdefiniowana jako stosunek energii chemicznej paliwa gazowego (wytwarzanego w procesie zgazowania) do energii chemicznej zgazowywanego węgla. Można ją wyznaczyć za pomocą zależności:
Energetyczną sprawność procesu zgazowania biomasy zdefiniowano za pomocą zależności:
gdzie:
qH2O zużycie pary wodnej na 1 kg biomasy,
Qgh wartość opałowa wytwarzanego gazu [kJ/Nm3],
Qbh wartość opałowa biomasy [kJ/kg],
Tg, Tgm temperatura gazu i czynnika zgazowującego [K],
T0 temperatura odniesienia (288,15 [K]),
Vg objętość gazu uzyskiwana z 1 kg biomasy [Nm3/kg],
Vgm zużycie czynnika zgazowującego przez 1 kg biomasy [Nm3/kg],
h(T0, TH2O) przyrost entalpii fizycznej popiołu i wody (albo pary) odniesiony do temperatury odniesienia T0 [kJ/kg],
H(T0, Tg) przyrost molowej entalpii fizycznej gazu odniesiony do temperatury T0 [kJ/kmol],
H(T0, Tgm) przyrost molowej entalpii fizycznej czynnika zgazowującego odniesiony do temperatury T0 [kJ/kmol].
Symulacja procesu zgazowania biomasy
Na podstawie omówionego powyżej matematycznego modelu procesu zgazowania biomasy opracowano program komputerowy, który umożliwia wykonanie wielowariantowej symulacji tego procesu. Symulację wykonano dla sześciu różnych metod zgazowania biomasy, różniących się rodzajem i temperaturą czynnika zgazowującego, współczynnikiem nadmiaru czynnika zgazowującego oraz temperaturą procesu zgazowania.
W każdym wariancie obliczeń wyznaczano skład gazu, objętość gazu uzyskiwanego z 1 kg biomasy, zużycie czynnika zgazowującego na 1 kg biomasy, wartość opałową gazu oraz sprawność chemiczną i energetyczną procesu.
Do obliczeń przyjęto następujący skład biomasy: C = 46,5%, H = 5,7%, S = 0,03%, O = 40,2%, N = 0,19%, W = 6% i A = 0,38%. Ważniejsze wyniki wykonanych symulacji procesu zgazowania biomasy przedstawiono w tabeli.
Wykonane obliczenia symulacyjne procesu zgazowania biomasy wskazują na istotny wpływ rodzaju i temperatury czynnika zgazowującego oraz temperatury procesu zgazowania na sprawność chemiczną procesu zgazowania i wartość opałową wytwarzanego gazu.
Źródła
- Dyrektywa 2004/8/WE z 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii.
- Handbook Biomass Gasification. BTG biomass technology group. Enschede, Holandia 2005.
dr hab. inż. Bolesław Zaporowski
Instytut Elektroenergetyki
Politechnika Poznańska
