Газификация биомассы целлюлозы

Бутиловый спирт (Бутанол)

Газификация биомассы целлюлозы

Газификация целлюлозы методом пиролиз для получения синтез-газа и бионефти

Если рассматривать газификацию биомассы целлюлозы методом пиролиза, то необходимо взглянуть на переработку угля, так как здесь есть много общего. Это неудивительно, так как биомасса целлюлозы - это молодой уголь. Для газификации угля минимальная температура составляет около 900 °C, как показано в старом водно-газовом процессе, в котором температура была понижена от максимума с 1300 °C до 900 °C. Примерно такая же максимальная температура 800-900 °C необходима для газификации самой тугоплавкой части практически любой биомассы целлюлозы. Другими словами, температура, необходимая для полной тепловой газификации биомассы имеет тот же порядок, что и для угля. Эта высокая температура сочетается с примесями серы и компонентами золы, поэтому процессы газификации биомассы косвенным подогревом угля, в которых внешнее тепло должно быть передано через поверхность металла еще не достигли коммерческого успеха.

С другой стороны, есть ряд существенных различий между газификацией угля и газификацей биомассы целлюлозы, которые непосредственно связаны с природой исходного сырья. Во-первых, это качество биомассы золы, которая имеет сравнительно низкую температуру плавления, но в расплавленном состоянии очень агрессивена. Во-вторых, в целом высокая реактивность (см. Рисунок 3-3) биомассы целлюлозы. Кроме того, у растительной биомассы, есть свои характерные волокна. И, наконец, тот факт, что, при низкой температуре газификации биомасса целлюлозы выделяет очень большое количество смолы.

Несмотря на это, правильный пиролиз целлюлозной биомассы имеет очевидные преимущества в способности генерировать чистый синтез-газ, без смолы, как и требуется для химической промышленности

Кроме того, короткое время пребывания перерабатываемого потока целлюлозной биомассы в реакторе газификации требует небольшого размера перерабатываемых частиц биомассы, чтобы обеспечить полную газификацию этих частиц. До сих пор не найден ни один метод уменьшения размера , кроме шаровой мельницы, который будет удовлетворительно перерабатывать волокнистую биомассу.

Реакторы газификации биомассы целлюлозы опилок методом пиролиза с неподвижным слоем были применены к определенному сорту древесины, и эти аппараты применимы только к данному материалу. Они не будут работать на соломе, макулатуре или других материалах в крупнотоннажном производстве, если эти материалы не были ранее брикетированы. Кроме того, поток газа в газофикаторе сильно нагружен смолой. В качестве альтернативы можно использовать совместное сжигание материалов. Это может снизить существующую проблему образования смолы , но возникает необходимость поддержания хорошего контроля над соотношением материалов в потоке, что ограничивает применение этого решения для установок газификации очень небольшого размера.

На этом фоне, не удивительно, что большинство процессов для газификации биомассы используют взвешенный слой и направлены на поиск решения проблемы ликвидации образования смолы в газогенераторе. При совместном сжигании материалов, в которых синтез-газ сжигается совместно с большим количеством ископаемого котельного топлива, проблема может быть преодолена путем поддержания газа при температуре выше температуры точки росы смолы. Этот метод имеет дополнительное преимущество благодаря теплотворной способности смолы и переноса тепла от горячего синтез-газа в котел.

Существует много технологических процессов газификации биомассы целлюлозы, которые находятся на различных стадиях развития. Их краткое описание приведены, например у Квант (2001) и Ciferno и Марано (2002). Здесь выбраны только те процессы, которые достигли некоторой степени коммерциализации.

Установка по газификации твердого топлива «Салют»

Установка по газификации твердого топлива производства АО «НПЦ газотубостроения «Салют» предназначена для термической переработки (утилизации) различных видов твердых топлив и выработки генераторного газа с последующим его сжиганием и получением тепловой и/или электрической энергии, либо утилизацией с обеспечением низкого уровня выброса вредных веществ.

Для обеспечения комплексной выработки электрической и тепловой энергии установка может поставляться в комплекте с котлом и паротурбинным блоком или газопоршневым двигателем (газовой турбиной) с генератором. При сжигании генераторного газа и утилизации полученного тепла в паровом либо водогрейном котле получаемые пар и горячая вода могут использоваться для технологических процессов в различных отраслях промышленности и для коммунальных сетей.

Процессы газификации целлюлозы от компании Lurgi для циркуляционного кипящего слоя

Процесс Lurgi CFB описан в разделе 5.2. Установки, работающие на биомассе и отходах перерабатывают Rüdersdorf в Германии (500 тонн / сутки отходов) и Geertruiden-берг в Нидерландах (400 тонн / сутки древесных отходов). В последнем заводе 600MWe горячий синтез-газ, выходящий из циклона при температуре около 500 °C непосредственно поступает в котел совместно с углем. В Rüdersdorf, газ сжигается в печи для обжига цемента (Greil и соавт., 2002).

Foster Wheeler процесс с Циркуляционным кипящим слоем

Foster Wheeler (первоначально Ahlstrom) CFB процесс был разработан для обработки отходов биомассы в целлюлозно-бумажной промышленности. Первый блок был построен в 1983 году, а синтез-газ был использован в качестве печного топлива в печи для обжига извести на бумажной фабрике. Еще три блока были построены в Швеции и Португалии для подобных применений. Диапазон размеров от 17 до 35 MВт час.

Самый крупный блок на сегодняшний день имеет мощность 40-70 МВт (в зависимости от топлива) и действует по принципу совместного сжигания газа в качестве дополнения топлива в существующих угольных котлах в Лахти, Финляндия (Анттикоски 2002).

Все эти устройства работают при атмосферном давлении. В другом развитии, Foster Wheeler также разработала версию под давлением, которые легли в основу 6MWC IGCC биомассы в Varnamo в Швеции (см. Рисунок 5-36). Газогенератор работает на 20 бар и имеет мощность 18 МВт.

Газификатор использует для подачи шнековый питатель. Газификация биомассы происходит при 950-1000 °C. Первичное удаление золы происходит с помощью блокировки бункеров в нижней части газогенератора, а удаление частиц происходит в горячих газовых фильтрах с керамическими свечами (позднее заменены металлическими свечами) при 350-400 °C, при этой температуре синтез-газ и поступает в камеру сгорания газовых турбин. Синтез-газ из газогенератора, как сообщается, содержит менее 5g/Nm3 примесей. Демонстрационная программа была завершена в 1999 году, после более 8500 часов работы. Технически, это был успех. Экономические показатели оказались конкурентоспособными по отношению к другим системам для биомассы, но пока все еще зависят от правительственных субсидий для биомассы (Sydkraft 1998).

Процесс TPS

TPS процесса TPS Termiska Processer AB является атмосферным CFB, также как процесс Foster Wheeler, описанный выше, разработанный в середине 1980-х годов для получения энергии из отходов биомассы в целлюлозно-бумажной промышленности. Первое коммерческое применение было в Греве в Кьянти в Италии, где в 1992 запущены в эксплуатацию два блока 15 MWUl для обработки полученного из отходов топлива (Моррис и Waldheim 2002). Процесс был выбран и построен для 8 MWe ARBRE TGCC проекта в Соединенном Королевстве (Morris и Waldheim 2002). Отличительной чертой процесса TPS является смола , которая использует доломитный катализатор во второй CFB.

Процессы в кипящим слоем под давлением

В дополнение к процессу Foster Wheeler применяется в Varnamo и горячего процесса, описанного в разделе 5.2, существуют другие процессы, работающие в кипящем слое под давлением жидкости. Следует отметить два процесса, как развитых, так из IGT U-технологического газа и биомассы специально для приложений. Одним из них является RENUGAS процесс, который был применен для переработки 100 тонн/день жома а топливном блоке на Гавайях, но который уже не работает (Cifcrno и Marano 2002). А другой Carbona процесс в Финляндии. 20MWth опытно эксплуатируется на различных биомассах.

Процесс паровой газификации целлюлозы в кипящем слое Твин СильваГаз от компании Battelle

Twin SilvaGas процесс - это двухступенчатый атмосферный процесс газификации биомассы, был разработан Battelle, и его первый коммерческий демонстрационный блок с мощностью по питанию 200 тонн / сутки был построен в Берлингтон, штат Вермонт. Цель коммерциализации этого процесса был захват будущих энергетических ресурсов (FERCQ), и который продавался бы под именем SilvaGas. Синтез-Газ от демонстрационного устройства неправляется в существующий котел для сжигания биомассы, а в дальнейшем планируется быть использованным в турбине электрогенератора (Paisley, и Overend 2002).

Принцип процесса SilvaGas (см. Рисунок 5-37) похож на каталитический крекинг на нефтеперерабатывающем заводе или процесс Exxon FLEXICOKER. Во всех этих процессах используются два реактоа с кипящим слоем. В одном происходит эндотермический процесс для газификации биомассы. Необходимое количество тепла для реакции поставляется с твердым веществом (песок, катализатор, или кокс), который нагревается в экзотермической реакции во втором реакторе.

Как и во всех процессах газификации биомассы, на этапе подготовки сырья происходит измельчение биомассы до чипов длиной до 30-70 мм, а негабаритные или посторонние материалы, такие как металлы удаляются. Биомасса подается в газификатор, где она смешивается с горячим песком (около 980 °C) и паром. В ходе следующей эндотермической реакции крекинга легких газообразных углеводородов образуются монооксид углерода СО и водород Н2. После отделения теплоносителя от синтез-газа в циклонах, относительно холодный теплоноситель (кварцевый песок) и остаточные непрореагировавшые части цллюлозы сбрасываются в камеру сгорания или регенератор. Песок нагревается в камере сгорания путем сжигания целлюлозных чипсов с воздухом. Подогретый песок отделяется от дымовых газов в циклоне и возвращается в газификатор.

Синтез-газ из газогенератора по-прежнему содержит обычно около 16 г / м3 смол. В зависимости от применения (например, как топливный газ для турбины), эти смолы должны быть удалены. Катализаторы крекинга, применяемые в нефтяной промышленности, используются, чтобы сломать тяжелые углеводороды. Продолжается работа, чтобы найти более дешевые одноразовые катализаторы для этого приложения. Синтез-газ очищается в скруббере для щелочных примесей и удаления частиц. Типичный состав синтез-газа от демонстрационного блока Burlington показан в таблице 5-17.

состав синтез-газа от демонстрационного блока

Синтез-газ - ценный источник высокой температуры. Его теплота используя для того, чтобы предварительно высушить подаваемую биомассу и помогает увеличить эффективность процесса, но существует его альтернативное использование, такое как производство пара в рекуператоре, если особые условия позволяют это сделать.

Процесс FICFB.

FICFB (быстрый внутренний обращающаяся кипящий слой) процесс, развитый Венским Технологическим университетом в Австрии, является другим процессом, который отделяет паровую газификацию биомассы от сжигания случайных частиц (см. рисунок 5-38). Объединенная коммерческая демонстрационная установка с подачей на 42 тонны/день (CHP) была построена в городе Скверно, где она объединена с местной теплоцентралью для операции местной полезности. Синтез-газ поступает в газопоршневую установку для выработки 2MWC, а пар высокой температурой на 4.5 мВт поставляется внутренним и внешним потребителям. Завод был запущен в действие в декабре 2001.

Газогенератор действует в качестве постоянного реактора с кипяшим слоем с песком как псевдоожижающей средой. Песок и негазифицируемая случайные частицы покидают реактор в основании и попадают в камеру сгорания, где случайные частицы сжигаются, чтобы нагреть песок. Горячий песок отделяют от синтез-газа в циклоне и возвращают в газогенератор через ножку печати, вводящую необходимую высокую температуру для реакции газификации, которая равна приблизительно 850°C. Синтез-газ охлаждается и направляется для использования в газовом двигателе. Установкой, предназначенной для отмывки нефти , удаляют смолы. В демонстрационном блоке в Giissing RME метиловый эфир используется в качестве абсорбционного масла (Hofbauer 2002). Газовый состав дан в Таблицах 5-18 и 5-19.

Процессы пиролиза

Как отмечалось в разделе 43, логистики биомассы коллекции в целом предела биомассы объектов газификации до максимума 30-40 МВт *. Для того, чтобы преодолеть это ограничение в получении выгод от эффекта масштаба, сочетание децентрализованного пиролизной установки и центральные био-нефти газификации была предложена (например, Генрих, Dinjus, и Майер, 2002).

Рисунок 5-39 показывает общий био-нефтяной завод, на котором обычно около 75% сухого сырья извлекается в виде био-нефти. Зола (10-15% по массе) и газ (15-20% по массе) будут восстановлены и сжигаются для производства тепловой энергии, необходимой для сушки сырья и нагрева реактора. Пиролиз протекает при 450-475 ° С, время пребывания около 1 секунды.

Процессы пиролиза биомассы на данном этапе находятся все еще в зачаточном состоянии. Есть целый ряд мелких коммерческих и демонстрационных установок, которые были построены, наиболее важные приведены в таблице 5-20.

В настоящее время в составе полученной био-нефти обнаружены специальные химические вещества, которые имеют важное значение для экономики (Фрил 2002).

Различные проекты находятся в стадии подготовки для тестирования оборудования с био-нефтяной-каналы. Fortum есть горелка-тестирование программы с Oilon Oy. Тест программ для тихоходных морских

Тестовые программы для тихоходных судовых дизельных двигателей (например, Omrod) ведутся, испытания проводятся также на газовых турбинах. Количество био-нефти в настоящее время является однако небольшим, что ограничивает возможности для такого тестирования.

Предложения для тестирования газификационных характеристик био-нефти также были сделаны (Генрих, Dinjus, и Майер, 2002). Первоначальное тестирование пилотной установки уже завершено.

Европейский Союз имеет программу по разработке стандартов био-нефти, учитывая требования конечных пользователей. Руководство по анализу и характеристика методов, специально адаптированных к био-нефтяным продуктам были опубликованы (Oasmaa и Peacocke 2002).

5.5.4 Другие процессы.

Анаэробное сбраживание биомассы.

Один из возможных способов использования уникальных свойств биомассы - это ее преобразование с помощью биохимических реакций, но эта тема, выходит за рамки настоящей статьи. Достаточно упомянуть, что анаэробное сбраживание является наиболее элегантным и эффективным процессом газификации, в котором целлюлозные отходы, растворенные в воде, могут быть использованы в качестве питательного сырья для бактерий, производящих метан. КПД получается около 95%. К сожалению, в настоящее время для процессов газификации доступна только гемицеллюлоза, как часть биомассы. Реакцию на целлюлозу можно записать в виде:

Анаэробное сбраживание биомассы применяется только в небольших установках ниже 5 МВт для преобразования сельскохозяйственных и жидких бытовых отходов (Kriiger 1995). Использование термофильных микроорганизмов сделало это преобразование более привлекательными, но для разумного преобразования биомассы в течение двух-трех недель все же требуется, чтобы этот процесс был более-менее пригодным для крупномасштабных установок. Должно быть, что с гипер-термофильными микроорганизми, период сбраживания может быть сокращен, что также может найти применение в крупномасштабных установках. Кроме того, с помощью гипер-термофилов, не потребуется финишная стерилизация / дегельминтизация, что является необходимым при сбраживания отходов, которые будут в дальнейшем переработаны в сельско-хозяйственных предприятиях. Наконец, может оказаться, что гипер-термофилы смогут также конвертировать и лигнин. Вырабатываемый в процессе анаэробного сбраживания газ является по существу смесью метана и СО2 и может быть использован только преимущественно в комбинированной выработке тепла и электроэнергии (схемы ТЭЦ) с использованием газового двигателя или небольших газовых турбин для выработки электроэнергии.