Mi az a biomassza gázosító és hogyan működik?

Mi az a biomassza gázosító

A biomassza gázosító egy olyan reaktor, amely szilárd szerves anyagokat, például faforgácsot, rizshéjat vagy mezőgazdasági hulladékot alakít át éghető gázkeverékké, amelyet termelőgáznak (vagy szintgáznak) neveznek, részleges elégetéssel alacsony oxigéntartalmú környezetben. Ahelyett, hogy teljesen elégetné a biomasszát, az elgázosító durván korlátozza az oxigénellátást 20-40%-a annak, ami a teljes égéshez szükséges lenne , aminek következtében az anyag szén-monoxidra, hidrogénre, metánra és más gázokra bomlik, amelyek aztán elégethetők egy motorban, turbinában vagy égőben.

Ez gyakorlatilag azért fontos, mert lehetővé teszi az iparágak és vidéki létesítmények számára, hogy az egyébként ártalmatlanításra kerülő hulladékot, például növényi maradványokat vagy fahulladékot hasznosítható hővé vagy villamos energiává alakítsák. Egy jól megtervezett, száraz faaprítékon működő lefelé irányuló gázosítóval a hideggáz hatásfoka 70-85% , ami azt jelenti, hogy a biomassza eredeti energiatartalmának nagy része felhasználható a kilépő gázban, nem pedig hőként veszít el az átalakítás során.

Hogyan működik a biomassza elgázosítás

Az elgázosító belsejében a biomassza négy különálló termokémiai zónán halad keresztül, miközben leereszkedik vagy áthalad a reaktoron. Ezeknek a szakaszoknak a megértése megmagyarázza, hogy az alapanyag nedvességtartalma és részecskemérete miért számít annyira az általános teljesítmény szempontjából.

Szárítási zóna

100-200°C-on a biomasszában rekedt nedvesség elpárolog, mielőtt bármilyen kémiai bomlás megindulna. A 25% feletti nedvességtartalmú alapanyag arra kényszeríti a gázosítót, hogy hőjének aránytalan részét csak az anyag szárítására fordítsa, ami csökkenti a felhasználható gázkibocsátást.

Pirolízis zóna

200-600°C között a megszáradt biomassza oxigén nélkül termikusan lebomlik, illékony gázok szabadulnak fel és szenet hagynak maguk után. Ebben a szakaszban keletkezik a legtöbb kátrányvegyület, amelyet később a gáztisztító rendszerben kell kezelni.

Égési zóna

Az ide befecskendezett korlátozott levegő elégeti a szenesedés egy részét és az illékony anyagokat, hőmérsékletet generálva 1000-1200°C amelyek a közvetlenül alatta zajló endoterm redukciós reakciókat hajtják végre.

Csökkentő zóna

700-900°C-on a szén-dioxid és a vízgőz reakcióba lép a visszamaradó szénnel, szén-monoxidot és hidrogént képezve, amely két gáz a termelő gáz tüzelőanyag-értékének legnagyobb részét adja.

A biomassza gázosítók típusai

A gázosítókat elsősorban aszerint osztályozzák, hogy a levegő és az üzemanyag hogyan mozog a reaktoron keresztül egymáshoz képest. Mindegyik kialakítás külön kompromisszumot tartalmaz a kátránykibocsátás, a méretezési alkalmasság és az alapanyag-tűrés tekintetében.

Motoron keresztül történő villamosenergia-termeléshez, a lefelé irányuló gázosítók a legszélesebb körben alkalmazott konstrukciók mert alacsony kátránykibocsátásuk csökkenti a gáztisztító berendezések terhelését és védi a motor alkatrészeit a szennyeződéstől.

Nyersanyag opciók és teljesítményük

Nem minden biomassza egyformán teljesít egy gázosító berendezésben. A nedvességtartalom, a hamutartalom és a fűtőérték együttesen határozza meg, hogy egy adott alapanyag mennyi felhasználható gázt termel.

Gyakorlati szabályként az alapanyagot alá kell szárítani 20% nedvességtartalom mielőtt belép a legtöbb lefelé irányuló gázosítóba, mivel a nedvesebb anyagok csökkentik a gáz fűtőértékét, és működés közben teljesen kiolthatják az égési zónát.

A termelő gázösszetétele és energiakibocsátása

A biomassza-elgázosítóból távozó gáz éghető és inert komponensek keveréke. Pontos aránya a nyersanyagtól és az elgázosító kialakításától függ, de a tipikus lefelé irányuló kimenő teljesítmény meglehetősen egyenletes tartományba esik.

Ez az összetétel nagyjából a termelő gáz fűtőértékét adja 4,5-5,5 MJ/Nm³ , jóval alacsonyabb, mint a földgáz, de még mindig elegendő a szikragyújtású motor működtetéséhez, ha megfelelő levegő-üzemanyag aránnyal szállítják, és általában 20-30%-kal csökkenteni kell a motorokat a névleges földgázteljesítményükhöz képest.

Biomassza gázosítók alkalmazásai

A biomassza-elgázosítóból származó termelőgáz a létesítmény méretétől és végcéljától függően többféle módon is felhasználható.

• Villamosenergia-termelés – a termelői gáz egy generátorra csatlakoztatott módosított belső égésű motort táplál, ami a 10kW-tól 2MW-ig terjedő rendszerekben elterjedt
• Termikus alkalmazások – a termelőgáz közvetlen elégetése kemencékben, kemencékben vagy kazánokban olyan iparágakban, mint a téglagyártás, élelmiszerszárítás és textilfeldolgozás
• Kombinált hő- és villamosenergia (CHP) – a motor kipufogó- és hűtőrendszeréből származó hulladékhőt a villamosenergia-kibocsátás mellett szárításra vagy helyiségfűtésre használják fel.
• Vidéki főzési és közösségi mikrorácsok – kis fix ágyas elgázosítók főzőgázt vagy áramellátást biztosítanak az országos hálózathoz nem kapcsolódó elszigetelt közösségek számára
• Szingázból vegyi anyagokká – nagyobb fluidágyas rendszerekben a termelőgáz további katalitikus lépésekkel metanollá vagy szintetikus üzemanyaggá alakítható

Ezek közül továbbra is a 100 kW-1 MW-os elosztott energiatermelés a leggyakoribb kereskedelmi alkalmazás, különösen olyan létesítmények esetében, mint a rizsmalmok vagy fűrészüzemek, amelyek melléktermékként már a helyszínen termelnek biomassza-hulladékot.

Az értékelendő kulcsfontosságú teljesítménymutatók

Az elgázosító rendszerek vagy gyártók összehasonlításakor egy maroknyi mérőszám jelzi, hogy egy adott kialakítás megbízhatóan működik-e valós működési feltételek mellett, nem pedig ideális laboratóriumi beállítások mellett.

Hideggáz-hatékonyság

Ez azt méri, hogy a hűtött, tisztított termelőgázban hány százalékos biomassza energiatartalom kerül. Jól megtervezett downdraft rendszerek elérhetők 70-85% , míg a rosszul szigetelt vagy túlméretezett egységek 60% alá eshetnek.

Fajlagos elgázosítási sebesség

A reaktorkeresztmetszet négyzetméterére számítva óránként elfogyasztott biomassza kg-ban kifejezve ez határozza meg, hogy adott, jellemzően 100-300 kg/h/m² teljesítmény mellett milyen kompakt lehet egy gázosító.

Ágyazási arány

Ez azt jelzi, hogy a kibocsátás mennyivel csökkenthető a csúcskapacitástól a stabil elgázosítás mellett, miközben a legtöbb fix ágyas kialakítás támogatja a 3:1 és 4:1 közötti leállítási arány mielőtt a gáz minősége romlik.

Közös működési kihívások és megoldások

A legtöbb gázosító alulteljesítménye néhány visszatérő működési problémára vezethető vissza, amelyek mindegyike jól bevált mérséklési megközelítéssel rendelkezik.

1. Kátrány elszennyeződés az áramlási szakaszban lévő berendezésekben, amelyet egy többlépcsős tisztítószerelvény kezel, amely ciklonleválasztókat, vízmosókat és szövetszűrőket kombinál
2. Inkonzisztens nyersanyag-nedvesség, amelyet a biomassza előszárításával egy céltartományig kezelnek a gázosítóból vagy a motor kipufogójából nyert hulladékhő felhasználásával
3. Hamu- és klinkerképződés magas hőmérsékleten, melynek megoldása 5% alatti hamutartalmú alapanyag kiválasztásával és forgó rostély felszerelésével a hamu eltávolításához
4. Az üzemanyag áthidalása és csatornázása a garatban, megfelelő részecskeméretezéssel (általában 20-100 mm) és mechanikus keverőrendszerekkel
5. A motor kopása a maradék részecskék miatt, amelyet egy utolsó finomszűrési fokozat hozzáadásával kezelnek, mielőtt a gáz elérné a motor szívónyílását

Azok a létesítmények, amelyek kihagyják a megfelelő gáztisztító szerelvényt, azt jelentik, hogy a motor karbantartási időközei a szokásoshoz képest csökkennek 4000-6000 üzemóra 1000 alá csökken , így a tisztítórendszer az egyik legnagyobb értékű beruházás a teljes rendszerben.

Költség és megtérülési szempontok

A teljes biomassza-elgázosítási rendszer tőkeköltsége, beleértve az elgázosítót, a gáztisztító szerelvényt és a motor-generátorkészletet, általában 800-1500 dollár kW-onként a beépített kapacitás, a kisebb rendszerek magasabb kW-költséggel bírnak a fix berendezések rezsi miatt.

Az üzemeltetési költségeket az alapanyag kezelése és előkészítése uralja, nem pedig maga az alapanyag, amikor hulladékbiomasszát a helyszínen használnak fel, mivel az anyag ténylegesen szabaddá válhat, miközben a szárítás, forgácsolás és szállítás teszi ki a folyamatos költségek nagy részét. A dízeltermelést helyettesítő létesítményekhez, megtérülési idők 2-4 év gyakran jelentenek ott, ahol a dízel literenkénti ára meghaladja a 0,80 USD-t, és már rendelkezésre áll állandó biomassza-hulladék.

Hogyan válasszuk ki a megfelelő biomassza gázosító rendszert

A megfelelő rendszer kiválasztása az elgázosító kialakításának és méretének a rendelkezésre álló alapanyaghoz és a tervezett végfelhasználáshoz való illeszkedésén múlik, nem pedig pusztán a kapacitás alapján.

• Győződjön meg arról, hogy a gázosító típusa megegyezik a domináns alapanyaggal; laza, kis sűrűségű anyagok, mint a rizshéj, gyakran fluidágyat igényelnek, nem pedig fix ágyas leeresztő egységet
• Győződjön meg arról, hogy az eladó a gáztisztító sorozat teljes specifikációját biztosítja, nem csak az elgázosító reaktort, mivel a kátránykezelés meghatározza a valós megbízhatóságot
• Kérjen tényleges hideggáz-hatékonysági adatokat egy hasonló alapanyagot használó referencialétesítménytől, ahelyett, hogy csupán elméleti tervezési adatokra hagyatkozna.
• Egész évben értékelje az alapanyag-ellátás konzisztenciáját, mivel a szezonális mezőgazdasági maradékok tárolási kapacitást vagy másodlagos alapanyagot igényelhetnek az állásidő elkerülése érdekében
• Előzetesen ellenőrizze a motor kompatibilitását és a leértékelési követelményeket, mivel nem minden dízel- vagy gázmotor vált át változtatás nélkül termelőgáz üzemre

A kezdettől fogva megfelelően méretezett és az alapanyag jellemzőihez igazított rendszerek folyamatosan felülmúlják a pusztán a kapacitásszám alapján kiválasztottakat, mivel a gázosító teljesítménye sokkal érzékenyebb az üzemanyag minőségére, mint a legtöbb más hőenergia-termelési technológia.