Zplyňování biomasy

Zplynovač dřeva Güssing (2006)
Zařízení na zplyňování dřeva Villach, 15,5 MW BWL, (2010)

Zplyňování biomasy se týká tepelně-chemické přeměny z biomasy do hořlavého vyprodukovaný plyn ( topný plyn ) se za pomoci zplynování nebo oxidačního činidla (nejčastěji vzduchu , kyslíku , oxidu uhličitého nebo vodní páry ).

Protože dřevo se primárně používá jako biomasa jak historicky, tak v současnosti, obvykle se označuje jako zplyňování dřeva.

Prostřednictvím zplyňování lze biomasu přítomnou ve formě tuhého paliva přeměnit na plynné sekundární palivo , které lze použít v různých možnostech, jako je výroba energie nebo jako energie a palivo (topný plyn), nebo pro použití jako syntetický plyn pro chemickou syntézu lze použít efektivněji. Podobné procesy existují i ​​pro jiná pevná paliva, zejména pro zplyňování uhlí ( zplyňování uhlí ).

Nakonec každému procesu spalování biomasy předchází proces zplyňování, protože spalovací není samotná biomasa, ale v zásadě pouze plyny vznikající z biomasy.

Dějiny

Zplynovač dřeva na Opel P4 (1940)
Lokomotiva zplynovače dřeva v Bavorském železničním muzeu v Nördlingenu. Vůz byl vyroben společností Deutz v roce 1916 pro benzenový provoz a v roce 1935 jej převedl Imbert v Kolíně nad Rýnem

Zplyňování dřeva vyvinul Philippe Lebon na konci 18. století .

V 19. století bylo pomocí zuhelnatění vyrobeno mnoho důležitých surovin pro chemický průmysl, jako je methanol (dřevní destilát), aceton a kyselina octová . Hlavní produkt zuhelnatění, dřevěné uhlí , stále nachází mimo jiné důležité oblasti použití jako aktivní uhlí .

Zejména v dobách války a krize, kdy je nedostatek paliva, jsou vozidla obvykle vybavena improvizovaným zplynovačem dřeva z vlastní iniciativy. Dokonce i Deutsche Reichsbahn zkoušela ve 30. a 40. letech 20. století použití uhelných zplynovačů na posunovacích lokomotivách řady Köf II (viz také: plynový motor ).

  • Adler Diplomat 3 GS s generátorem plynného dřeva (1941)

  • Pohon na dřevoplyn v Berlíně (1946)

  • Pohled zepředu zleva

Dřevoplyn byl použit mimo jiné spalovací motory z motorových vozidel na pohon . Generátory byly postaveny na vnější straně těla nebo přepravovány jako přívěsy. Technický systém pro tento účel, zplynovač dřeva, byl naplněn palivovým dříví a fungoval jako zplynovač s pevným ložem. Když se dřevo zahřívá směs hořlavý plyn ( dřevoplyn ) byla vydána, jehož složky se skládala hlavně z nehořlavého dusíku ve vzduchu, oxidu uhličitého , hořlavý oxid uhelnatý (dohromady cca. 85%) a metanu , jakož jako menší podíl ethylenu a vodíku . Do počátku 50. let se v Německu používala řada malých nákladních vozidel se zvláštním řidičským průkazem, pro které bylo povoleno používat pouze testované a schválené bukové kmeny . Asi jeden litr benzínu lze nahradit množstvím plynu získaného ze 3 kg dřeva.

  • Opel Kadett City s pohonem na dřevoplyn

  • Ford Model A 1928 s pohonem na dřevoplyn

  • Nákladní vůz na dřevo

  • Nákladní automobil Chevrolet HS 157D vyrobený v roce 1937 ve Švédsku

  • Moderní auto se zplynovačem dřeva

V souvislosti s diskusí o rostoucím využívání obnovitelných surovin na konci 20. a na počátku 21. století, zplyňování dřeva a zplyňování dalších organických látek, zejména organických zbytků, pro výrobu plynných paliv pro teplo a výroba energie byly znovu probrány a implementovány do jednotlivých demonstračních systémů. V návaznosti na toto čistě energetické využití bylo rovněž zacíleno na využití produkčního plynu jako suroviny pro chemickou syntézu biopaliv a produktů chemického průmyslu, které bude v blízké budoucnosti realizováno, zejména u paliv BtL , dimethyletheru a methanolu. Následná metanace a zpracování znamená, že jej lze také přivádět do sítě zemního plynu jako náhradní zemní plyn (SNG). V případě vysoce kvalitních produktových plynů, které obsahují více než 50% vodíku, se také používá takzvaný biohydrogen .

Efektivní kotle se zplynovačem dřeva jsou nyní nabízeny také pro soukromé domácnosti.

popis procesu

Zplyňování biomasy začíná po sušení při teplotách 150 ° C, přičemž nejprve uniká vodní pára a kyslík. Při vyšších teplotách se zplyňují pevné složky biomasy, zejména lignin a celulóza . Tento plyn se vznítí, jakmile je přiváděn sekundární vzduch, teplota vznícení je 230 ° C až 280 ° C.

Technické zplyňování biomasy zahrnuje částečné spalování pomocí zplyňovacího činidla nebo oxidačního činidla (většinou vzduchu , kyslíku , oxidu uhličitého nebo vodní páry ) bez vznícení při teplotách 700 ° C až 900 ° C, které se nezmění na oxid uhličitý tak, jak je v případě spalování (CO 2 ), ale je v zásadě oxidován na oxid uhelnatý (CO) . Dalšími složkami výsledného plynu jsou vodík (H 2 ), oxid uhličitý (CO 2 ), methan (CH 4 ), vodní pára (H 2 O) a v závislosti na použité biomase a procesu zplyňování řada organických látek v různých koncentracích. Jako pevný zbytek zůstává popel a zbytky biouhlu . Když teplota procesního plynu poklesne, vodní pára ve směsi s organickými složkami kondenzuje na dehet nebo na organicky znečištěný kondenzát dřevoplynu .

Hořlavý produktový plyn lze dále oxidovat v následném procesu spalováním (topný plyn) nebo chemickou syntézou ( syntézní plyn ) s uvolňováním energie ( exotermický proces ). Pokud se jedná o zplyňování vzduchem, který tím je tvořen dusíkem zředěným produktovým plynem, často nazývaným chudý plyn (LCV, plyn s nízkou výhřevností).

Hydrotermální zplyňování

Hydrotermální zplyňování je zvláštním případem zplyňování biomasy, kdy se vlhká biomasa má přeměnit na vodík a metan. Biokonverze se provádí při teplotách od 400 ° C do 700 ° C a tlaku od 200 bar až 300 bar pomocí reakce s nadkritickou vodou , čímž se dosáhne téměř úplné konverze organických složek biomasy.

Poměr přebytečného vzduchu

Poměr přebytečného vzduchu při zplyňovacím procesu a hydrotermálním zplyňování je menší než jedna a větší než nula, zatímco je větší nebo roven jedné v případě úplného spalování a nulové v případě pyrolýzy .

suroviny

Suroviny používané při zplyňování biomasy jsou především zemědělské suroviny bohaté na lignocelulózu , stejně jako zbytkové lesní dřevo , zbytkové dřevo , ale také z. B. čistírenské kaly , usazeniny a trus koní . První je primárně stonková biomasa, jako jsou obilné a kukuřičné stonky a další zbytkové produkty z pěstování zemědělských obilovin. Kromě toho existují energetické plodiny, jako je obrovský čínský rákos ( Miscanthus × giganteus ), stejně jako topolové a vrbové dřevo z plantáží s krátkým střídáním . Využívání toků organického odpadu z průmyslu a domácností z. B. odpadní dřevo a zelený odpad (kuchyňský odpad, zahradní odpad, odřezky trávníků , listí, křoví a odřezky stromů) pro zplyňování biomasy jsou diskutovány a dokonce lze recyklovat i odpadní (plastové) materiály.

Předchozí zařízení na zplyňování biomasy jsou určena pro zplyňování dřeva ve formě lesního dřeva a zbytkového dřeva, které se dodává jako dřevní štěpka . Tato forma zplyňování biomasy se nazývá zplyňování dřeva.

Biomasa musí být předem zplyňována. Po zpřístupnění biomasy se to provádí sušením a drcením biomasy na částice, které by měly mít ve zplynovači co největší plochu a malý objem. Zejména pro použití v reaktoru s unášeným tokem musí být částice odprášeny a jemně rozemlety v suspenzi .

Co se týče novely vyhlášky o kalech z čistíren odpadních vod v Německu, která proběhla v roce 2017, stále více se soustřeďuje zplyňování kalu z kalu. Uvažuje se také o zpětném získání fosforu.

technologie

Většina systémů zplyňování dřeva generuje energii potřebnou pro zplyňování částečným spalováním dřeva s nedostatkem vzduchu. V závislosti na použitém zplyňovacím činidle se vytvářejí různé produktové plyny s příslušně odlišnou kvalitou, což je důležité pro následné použití. Při použití vzduchu (21% kyslíku, 79% dusíku) obsahuje produktový plyn velmi vysoký podíl dusíku, který nepřispívá k výhřevnosti plynu a snižuje výtěžek vodíku. Naproti tomu při použití kyslíku a vodní páry neobsahují produktové plyny dusík, a proto mají vyšší výhřevnost a vysoký výtěžek vodíku.

Vytvořený plyn se ochladí, přičemž vodní pára a uhlovodíky kondenzují, a filtruje se a poté se odešle k jeho použití. Zpracování a čištění tohoto kondenzátu je podstatnou součástí technologie systému ve velkých systémech, protože obsahuje organické znečišťující látky ( fenoly nebo amonné sloučeniny ), které je třeba cíleně likvidovat, například v čistírně odpadních vod nebo v termálním po spalování .

Allotermální a autotermální zplyňování

Na základě typu dodávky tepla pro zplyňovací proces lze typy zplynovačů rozdělit na alotermální a autotermální zplynovače. Při alotermálním dodávce tepla je procesní teplo dodáváno zvenčí, zatímco u autotermální varianty je generováno částečným spalováním suroviny.

Při alotermálním zplyňování je teplo potřebné pro proces zplyňování přiváděno prostřednictvím tepelného výměníku. Novější vývoj pracuje s tepelnými trubkami , které mají vysokou hustotu tepelného toku. Hlavní výhodou tohoto procesu je výroba procesního plynu s vysokou výhřevností (hlavně vodík a oxid uhelnatý). Díky vstupu alotermálního tepla není procesní plyn vystaven dalším spalinám ze spalování.

Podobným procesem je zavádění tepla prostřednictvím vodní páry nebo vstupem částic. Ve většině případů se zbytky zplyňování ( koks ) přivádějí do parogenerátoru jako energetické médium. To značně zvyšuje účinnost studeného plynu .

Typy karburátoru

Pro zplyňování biomasy lze použít různé technické zplynovače , které se liší hlavně v typu kontaktu mezi biomasou a zplyňovacím činidlem (vzduch, kyslík nebo vodní pára). Zpravidla se používají tři základní typy reaktoru:

Zplynovač s pevným ložem

Princip kotle zplynovače s pevným ložem

Ve zplynovači s pevným ložem leží paliva na roštu jako v běžné peci .

Výroba dřevoplynu pomocí protiproudých procesů
Výroba dřevoplynu procesem stejnosměrného proudu

V protiproudu je vzduch nasáván mřížkou a hořícím dřevem. Vrstvy dřeva nahoře hoří jen částečně a doutnají na produkční plyn, který je odsáván na horním konci pece. Vzduch a produktový plyn se pohybují v opačném směru (v protiproudu) k pomalu klesajícímu dřevu. Výsledný plyn má relativně nízkou teplotu, obvykle kolem 100 ° C, a v důsledku sušení a zuhelnatění dřeva obsahuje odpovídající množství vodní páry a organických složek, které kondenzují na kondenzát dřevního plynu, když je dále ochlazován . Kondenzát je obvykle docela kyselý s hodnotou pH kolem 3, což je způsobeno hlavně složkami kyseliny mravenčí a octové .

Při souběžném procesu je vzduch přiváděn přímo nad rošt do horké zplyňovací zóny pece a extrahován pod roštem. Produktový plyn a vzduch se v oblasti mřížky pohybují stejným směrem ( stejnosměrným proudem ). Teplota produkovaného plynu je zde mnohem vyšší (několik stovek ° C) a protože má plyn před opuštěním pece velmi vysokou teplotu , obsahuje v kondenzátu podstatně méně organických složek. Kondenzát zde má mírně zásaditou hodnotu pH, kterou lze připsat amonným sloučeninám, které vznikají v redukční atmosféře horké zóny (kvůli nedostatku kyslíku) .

Zplynovač s fluidním ložem

Zplynovač s fluidním ložem je v podstatě pec s fluidním ložem, která pracuje s nedostatkem vzduchu, a tak dodává požadovaný produktový plyn v důsledku neúplného spalování dřeva jako odpadního plynu. Paliva se zavádějí do spalovací komory s velikostí částic menší než 40 milimetrů, tj. Ve formě dřevní štěpky nebo pilin , s obsahem vody nejméně 25% a smíchají se s horkým pískem. Produktový plyn se vyrábí při teplotě kolem 900 ° C.

Tato technologie se používá hlavně v energetických systémech v rozsahu výkonu od 1,5 do 3 MW, elektrická účinnost je kolem 30% a tedy výrazně vyšší než u konvenčních parních elektráren na biomasu.

Karburátor s unášeným průtokem

Ve zplyňovači s unášeným tokem se palivo zavádí do zplyňovací komory jako prach, kaše nebo pasta pomocí hořáku, přičemž zplyňovací procesy probíhají v takzvaném prachovém mraku. Tato forma dodávky vyžaduje odpovídající předběžnou úpravu biomasy, aby mohla být zavedena do zplynovače pomocí pneumatického systému a aby tam mohla být zplyňována ve velmi krátké době.

Použití plynu

Plyn vyrobený při zplyňování biomasy lze využít energeticky i materiálově.

Energetické využití spalováním

V současné době se pro směs plynů ze zplyňování biomasy běžně používá spalování ve vhodných spalovacích zařízeních za účelem výroby tepla (páry) a elektřiny , přičemž je velmi vysoký stupeň účinnosti přeměny energie dosažen prostřednictvím kombinovaného systému tepla a energie .

Alternativně lze směs plynů ze zplyňování biomasy převádět přímo na elektřinu v palivových článcích na tuhý oxid . Konstrukce čištění plynu závisí na použitém procesu zplyňování a typu použitého palivového článku na tuhý oxid. Princip fungování této technologie byl prokázán již v roce 2004 při zkouškách s protiproudými zplynovači a planárními palivovými články na tuhý oxid.

S výjimkou přímého spalování ještě horkého plynu (implementovaného v moderních systémech spalování dřeva ve dvoustupňovém spalování , při kterém se v první fázi dřevo zplyňuje při nedostatku kyslíku, ve druhé fázi s přebytkem kyslíku pro úplné spalování s nízkými znečišťujícími látkami) nedochází ke kondenzaci dřevoplynového chlazení na plyn , který je třeba ekologicky zlikvidovat ve vlastních zařízeních společnosti, například v nezanedbatelném množství (cca 0,5 litru na kg použitého dřeva) . B. v čistírnách odpadních vod.

Použít jako syntetický plyn

Kromě toho lze produktový plyn složený z oxidu uhelnatého a vodíku použít jako syntetický plyn pro chemickou syntézu různých produktů . Materiálové využití syntézního plynu ze zplyňování biomasy je v současné době stále ve vývoji; odpovídající systémy se v současnosti nacházejí pouze v laboratorním a demonstračním měřítku. Velkovýroba a použití syntézního plynu CO / H 2 v současné době probíhá výhradně na bázi zemního plynu a dalších fosilních paliv, jako je uhlí a nafta .

Chemicko-technické možnosti použití jsou především výroba vodíku a následná výroba čpavku pomocí Haber-Boschova procesu , syntéza methanolu , různé oxosyntézy a výroba biopaliv ( paliva BtL ) a dalších produktů prostřednictvím rybářů -Tropschova syntéza :

Procesní schéma pro výrobu paliv BtL
  1. při syntéze amoniaku pomocí procesu Haber-Bosch
  2. při syntéze methanolu
  3. v oxo syntéze
  4. v syntéze Fischer-Tropsch

Kromě těchto chemicko-technických oblastí použití lze syntetický plyn použít také biotechnologicky prostřednictvím fermentace syntézního plynu . Produkty této možnosti mohou např. Alkoholy, jako je ethanol , butanol , aceton , organické kyseliny a biopolymery . Toto použití je v současné době stále ve fázi vývoje, a proto se dosud nepoužívá ve velkém měřítku.

Biopaliva

Také při výrobě biopaliv se produktový plyn vyrobený v procesu zplyňování používá jako syntézní plyn v již popsaných procesech syntézy. Důraz je kladen na plynná paliva, jako je bio-vodík , náhradní zemní plyn (metan, SNG) a dimethylether, jakož i kapalná paliva, jako je methanol a BTL paliva.

Biohydrogen se získává ze syntézního plynu pomocí parního reformování , methan lze vyrábět methanací plynu. K výrobě methanolu a dimethyletheru se používá syntéza methanolu . Paliva BTL se vyrábějí pomocí Fischer-Tropschovy syntézy , přičemž díky parametrům procesu lze vyrábět jak benzínové, tak naftové frakce.

Viz také

literatura

  • Hermann Hofbauer, Alexander Vogel, Martin Kaltschmitt : Plynofikace. In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (eds.): Energie z biomasy. Základy, techniky a postupy. Springer Verlag, Berlin and Heidelberg 2009, str. 599-669, ISBN 978-3-540-85094-6 .
  • Heinz Hiller mimo jiné: Výroba plynu. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Wiley-VCH, Weinheim 2005, doi : 10,1002 / 14356007.a02_143.pub2 .
  • Christopher Higman, Maarten van der Burgt: Zplyňování. 2. vydání, Gulf Professional Publishing 2008. ISBN 978-0-7506-8528-3 .
  • T. Metz: Allotermické zplyňování biomasy v nepřímo vyhřívaných fluidních ložích. Technical University of Munich, 2006, online (PDF; 2,76 MB), na energetische-biomassenutzen.de, přístup k 15. lednu 2017.
  • Ralf Röger : Otázky environmentálního práva při výstavbě zařízení na zplyňování dřeva. In: Reinhard Hendler, Peter Marburger, Michael Reinhardt, Meinhard Schröder (eds.): Ročenka práva životního prostředí a technologie. 2005, s. 361-381, ISBN 978-3-503-08753-2 .

webové odkazy

Commons : zplyňování dřeva  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů

Individuální důkazy

  1. ↑ a b c d e f Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Thomas Nussbauer: Procesy termochemické přeměny. In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (eds.): Energie z biomasy. Základy, techniky a postupy. Springer Verlag, Berlín a Heidelberg 2009; 377-378. ISBN 978-3-540-85094-6 .
  2. ↑ a b c d Sven Geitmann: Obnovitelné energie. Hydrogeit-Verlag, Oberkrämer 2010; 149 až 150. ISBN 978-3937863146
  3. ↑ FTP: Energie budoucnosti: Elektřina z jedle a smrku ( Memento od 15. září 2013 v archivu webového archivu. Dnes ), 28. dubna 2013, přístup k 15. září 2013.
  4. ↑ První plynové topení na wasistwas.de, zpřístupněno 15. září 2013.
  5. ↑ Konstrukce zplyňovacího kotle na dřevo . na holzvergaser.org. Archivovány z originálu 27. listopadu 2015. Informace: Odkaz na archiv byl vložen automaticky a ještě nebyl zkontrolován. Zkontrolujte prosím původní a archivovaný odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odstraňte. Citováno 16. května 2015. @ 1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / www.holzvergaser.org
  6. ↑ Příloha o zplyňování kalů z čistíren odpadních vod (PDF; 486 kB), na aoew.de, přístupná 18. ledna 2017.
  7. ↑ Bioplyn z trusu koní na energiizukunft.eu, přístup 18. ledna 2017.
  8. ↑ Generování syntézního plynu z odpadních plastů (PDF; 992 kB), na bine.info, přístup k 18. lednu 2017.
  9. ↑ Tepelné využití kalů z čistíren odpadních vod - přehled a klasifikace stávajících procesů, strana 155, zpřístupněno 19. října 2020
  10. ^ Hermann Hofbauer, Alexander Vogel, Martin Kaltschmitt: Vergasung. Technologie zplyňování. In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (eds.): Energie z biomasy. Základy, techniky a postupy. Springer Verlag, Berlín a Heidelberg 2009; Str. 600-601. ISBN 978-3-540-85094-6 .
  11. ↑ Florian Nagel: Elektřina ze dřeva kombinací zplyňování a palivových článků na tuhý oxid. Dizertační práce, Švýcarský federální technologický institut, ETH Curych, č. 17856, 2008, doi : 10,3929 / ethz-a-005773119 .
  12. ^ Hermann Hofbauer, Alexander Vogel, Martin Kaltschmitt: Vergasung. In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (eds.): Energie z biomasy. Základy, techniky a postupy. Springer Verlag, Berlín a Heidelberg 2009; 599-600. ISBN 978-3-540-85094-6 .