Mikä on biomassan kaasutin ja miten se toimii?

Mikä on biomassan kaasutin

A biomassan kaasutin on reaktori, joka muuntaa kiinteän orgaanisen materiaalin, kuten hakkeen, riisinkuoren tai maatalousjätteen, palavaksi kaasuseokseksi, jota kutsutaan tuottajakaasuksi (tai synteesikaasuksi) osittaisella poltolla vähähappisessa ympäristössä. Sen sijaan, että polttaisi biomassan kokonaan, kaasutin rajoittaa hapen syöttöä karkeasti 20-40 % siitä, mitä täysi palaminen vaatisi , joka saa materiaalin hajoamaan hiilimonoksidiksi, vedyksi, metaaniksi ja muiksi kaasuiksi, jotka voidaan sitten polttaa moottorissa, turbiinissa tai polttimessa.

Tällä on käytännössä merkitystä, koska sen avulla teollisuus ja maaseutulaitokset voivat muuttaa muutoin hävitettäväksi joutuvat jätemateriaalit, kuten satotähteet tai puujätteet, käyttökelpoiseksi lämmöksi tai sähköksi. Hyvin suunnitellulla kuivalla hakkeella toimivalla alasvirtakaasuttimella voidaan saavuttaa a kylmäkaasun hyötysuhde 70-85 % , mikä tarkoittaa, että suurin osa biomassan alkuperäisestä energiasisällöstä päätyy käyttökelpoiseksi lähtökaasussa sen sijaan, että se häviää lämmönä muuntamisen aikana.

Kuinka biomassan kaasutus toimii

Kaasuttimen sisällä biomassa liikkuu neljän erillisen termokemiallisen vyöhykkeen läpi, kun se laskeutuu tai kulkee reaktorin läpi. Näiden vaiheiden ymmärtäminen selittää, miksi raaka-aineen kosteus ja hiukkaskoko ovat niin tärkeitä kokonaissuorituskyvyn kannalta.

Kuivausalue

100-200°C:ssa biomassaan jäänyt kosteus haihtuu ennen kuin kemiallinen hajoaminen alkaa. Yli 25 % kosteutta sisältävä raaka-aine pakottaa kaasuttimen käyttämään suhteettoman osan lämmöstään materiaalin kuivaamiseen, mikä alentaa käyttökelpoista kaasun tuotantoa.

Pyrolyysialue

200-600°C:ssa kuivattu biomassa hajoaa termisesti ilman happea vapauttaen haihtuvia kaasuja ja jättäen jälkeensä hiiltä. Tässä vaiheessa syntyy suurin osa tervayhdisteistä, jotka on myöhemmin käsiteltävä kaasunpuhdistusjärjestelmässä.

Polttovyöhyke

Täällä ruiskutettu rajoitettu ilma polttaa osan hiilestä ja haihtuvista aineista, jolloin syntyy lämpötiloja 1 000 - 1 200 °C jotka ohjaavat endotermisiä pelkistysreaktioita, jotka tapahtuvat juuri alla.

Vähennysalue

700-900°C:ssa hiilidioksidi ja vesihöyry reagoivat jäljellä olevan hiilen kanssa muodostaen hiilimonoksidia ja vetyä, kahta kaasua, jotka antavat tuottajakaasulle suurimman osan polttoainearvostaan.

Biomassan kaasuttimien tyypit

Kaasuttimet luokitellaan ensisijaisesti sen mukaan, miten ilma ja polttoaine liikkuvat reaktorin läpi suhteessa toisiinsa. Jokaisella mallilla on selkeät kompromissit tervan tuoton, mittakaavan sopivuuden ja raaka-aineen sietokyvyn suhteen.

Sähköntuotantoon moottorin kautta, alaspäin suuntautuvat kaasuttimet ovat laajimmin käytetty malli koska niiden alhainen tervatuotanto vähentää kaasunpuhdistuslaitteiden kuormitusta ja suojaa moottorin osia likaantumiselta.

Raaka-ainevaihtoehdot ja niiden suorituskyky

Kaikki biomassa ei toimi yhtä hyvin kaasuttimen sisällä. Kosteus, tuhkapitoisuus ja lämpöarvo yhdessä määräävät, kuinka paljon käyttökelpoista kaasua tietty syöttöraaka-aine tuottaa.

Käytännön sääntönä on, että raaka-aine tulee kuivata alle 20% kosteuspitoisuus ennen kuin se menee useimpiin alasvirtauskaasuttimiin, koska kosteampi materiaali laskee kaasun lämpöarvoa ja voi sammuttaa paloalueen kokonaan käytön aikana.

Tuottajan kaasun koostumus ja energian tuotanto

Biomassakaasuttimesta lähtevä kaasu on palavien ja inerttien komponenttien seos. Sen tarkka suhde riippuu raaka-aineesta ja kaasuttimen suunnittelusta, mutta tyypillinen alasvirtaus on melko tasaisella alueella.

Tämä koostumus antaa tuottajakaasun lämpöarvon suunnilleen 4,5-5,5 MJ/Nm³ , paljon pienempi kuin maakaasu, mutta silti riittävä kipinäsytytysmoottorin pyörittämiseen, kun se toimitetaan oikealla ilma-polttoainesuhteella, mikä vaatii tyypillisesti moottoreiden pienentämistä 20–30 % niiden maakaasun nimellistehoon verrattuna.

Biomassan kaasuttimien sovellukset

Biomassakaasuttimen tuotantokaasua voidaan käyttää useilla eri tavoilla riippuen laitoksen laajuudesta ja päämäärästä.

• Sähkön tuotanto – tuottajakaasu polttaa muunnettua polttomoottoria, joka on kytketty generaattoriin, yleinen järjestelmissä, joiden teho vaihtelee välillä 10kW - 2MW
• Lämpösovellukset – tuotantokaasun suora poltto uuneissa, uuneissa tai kattiloissa sellaisille teollisuudenaloille kuin tiilenvalmistus, elintarvikkeiden kuivaus ja tekstiilien jalostus
• Yhdistetty lämpö ja sähkö (CHP) – moottorin pako- ja jäähdytysjärjestelmän hukkalämpö otetaan talteen kuivaukseen tai tilan lämmitykseen sähköntuotannon ohella
• Maaseudun ruoanlaitto ja yhteisön mikroverkot – pienet kiinteäkerroksiset kaasuttimet syöttävät keittokaasua tai sähköä eristetyille yhteisöille, jotka eivät ole yhteydessä kansalliseen verkkoon
• Synteesikaasusta kemikaaliksi – suuremmissa leijukerrosjärjestelmissä tuotantokaasua voidaan jalostaa edelleen metanoliksi tai synteettisiksi polttoaineiksi lisäkatalyyttisten vaiheiden avulla

Näistä 100kW-1MW:n hajautettu sähköntuotanto on edelleen yleisin kaupallinen käyttökohde, erityisesti sellaisille laitoksille, kuten riisitehtaille tai sahoille, jotka jo tuottavat biomassajätettä paikan päällä sivutuotteena.

Tärkeimmät arvioitavat tehokkuustiedot

Kun verrataan kaasutinjärjestelmiä tai toimittajia, kourallinen mittareita osoittaa, toimiiko tietty malli luotettavasti todellisissa käyttöolosuhteissa eikä vain ihanteellisissa laboratorio-asetuksissa.

Kylmän kaasun tehokkuus

Tämä mittaa biomassan energiasisällön prosenttiosuutta, joka päätyy jäähdytettyyn, puhdistettuun tuottajakaasuun. Hyvin suunnitellut alasvirtajärjestelmät ulottuvat 70-85 % , kun taas huonosti eristetyt tai ylisuuret yksiköt voivat laskea alle 60 %.

Ominaiskaasutusnopeus

Ilmaistuna kiloina biomassaa, joka kulutetaan tunnissa reaktorin poikkileikkauksen neliömetriä kohti, tämä määrittää, kuinka kompakti kaasutin voi olla tietyllä teholla, joka on tyypillisesti 100-300 kg/h/m².

Huoneen yökuntoon laitto

Tämä osoittaa, kuinka paljon tuotantoa voidaan vähentää huippukapasiteetista samalla kun kaasutus säilyy vakaana, useimpien kiinteäkerrosmallien tukeessa 3:1 - 4:1 yöpymissuhde ennen kuin kaasun laatu heikkenee.

Yhteiset toiminnalliset haasteet ja ratkaisut

Suurin osa kaasuttimen vajaatoiminnasta juontaa juurensa kouralliseen toistuviin toimintaongelmiin, joista jokaisella on vakiintunut lievennystapa.

1. Tervalikaantuminen loppupään laitteissa, joka on korjattu monivaiheisella puhdistussarjalla, joka yhdistää syklonierottimet, vesipesurit ja kangassuodattimet
2. Epäjohdonmukainen raaka-aineen kosteus, joka käsitellään esikuivaamalla biomassa tavoitealueelle käyttämällä kaasuttimesta tai moottorin pakokaasusta talteenotettua hukkalämpöä
3. Tuhkan ja klinkkerin muodostuminen korkeissa lämpötiloissa, mikä korjataan valitsemalla raaka-aine, jonka tuhkapitoisuus on alle 5 % ja asentamalla pyörivä arina tuhkanpoistoon
4. Polttoaineen silloitus ja kanavointi suppilon sisällä, joka on hoidettu asianmukaisella hiukkaskoolla (tyypillisesti 20-100 mm) ja mekaanisilla sekoitusjärjestelmillä
5. Jäännöshiukkasten aiheuttama moottorin kuluminen, joka korjataan lisäämällä viimeinen hienosuodatusvaihe ennen kuin kaasu saavuttaa moottorin imuaukon

Tilat, jotka ohittavat kunnollisen kaasunpuhdistusjunan, raportoivat moottorin huoltovälin kutistuvan tyypillisestä 4 000-6 000 käyttötuntia alle 1 000 tuntiin , mikä tekee puhdistusjärjestelmästä yhden arvokkaimmista sijoituksista koko kokoonpanossa.

Kustannus- ja takaisinmaksunäkökohdat

Täydellisen biomassan kaasutusvoimajärjestelmän, mukaan lukien kaasutin, kaasunpuhdistusjuna ja moottori-generaattorisarja, pääomakustannukset vaihtelevat tyypillisesti 800–1500 dollaria kW:lta asennetun kapasiteetin, pienemmillä järjestelmillä on korkeammat kW-kustannukset kiinteiden laitteiden yleiskustannusten vuoksi.

Käyttökustannuksia hallitsevat raaka-aineen käsittely ja valmistus, eikä itse raaka-aine, kun jätebiomassaa käytetään paikan päällä, koska materiaali voi olla tehokkaasti vapaata, kun kuivaus, haketus ja kuljetus muodostavat suurimman osan juoksevista kustannuksista. Dieseltuotantoa korvaaville laitoksille takaisinmaksuajat 2-4 vuotta on yleisesti raportoitu, kun dieselin hinta ylittää 0,80 dollaria litralta ja tasainen biomassajätevirta on jo saatavilla.

Kuinka valita oikea biomassan kaasutinjärjestelmä

Sopivan järjestelmän valinta riippuu kaasuttimen suunnittelun ja mittakaavan mukauttamisesta käytettävissä olevaan raaka-aineeseen ja aiottuun loppukäyttöön sen sijaan, että valittaisiin pelkän kapasiteetin perusteella.

• Varmista, että kaasuttimen tyyppi vastaa hallitsevaa raaka-ainettasi; irtonainen, matalatiheyksinen materiaali, kuten riisinkuori, tarvitsee usein leijukerroksen kiinteän kerroksen alasvirtausyksikön sijaan
• Varmista, että myyjä toimittaa täydellisen kaasunpuhdistussarjan teknisen tiedot, ei vain kaasutusreaktoria, koska tervan käsittely määrittää todellisen luotettavuuden
• Pyydä todellisia kylmäkaasun tehokkuustietoja vertailulaitokselta, joka käyttää samanlaista raaka-ainetta, sen sijaan, että luottaisi pelkästään teoreettisiin suunnittelulukuihin
• Arvioi raaka-ainesaannin tasaisuus ympäri vuoden, koska kausiluonteiset maatalousjätteet saattavat vaatia varastokapasiteettia tai toissijaista raaka-ainetta seisokkien välttämiseksi
• Tarkista moottorin yhteensopivuus ja vähennysvaatimukset etukäteen, koska kaikki diesel- tai kaasumoottorit eivät siirry tuotantokaasukäyttöön ilman muutoksia

Järjestelmät, jotka on alusta alkaen mitoitettu ja sovitettu oikein raaka-aineen ominaisuuksiin, ovat jatkuvasti parempia kuin ne, jotka on valittu pelkästään kapasiteettilukujen perusteella, koska kaasuttimen suorituskyky on paljon herkempi polttoaineen laadulle kuin useimmat muut lämpövoiman tuotantotekniikat.