ispitivawe procesa gasifikacije biomase u fluidizovanom...

Ana @bogar1, Stevan Nemoda1, Aleksandar Eri}1

Mili} Eri}1, Mirko Komatina2

1 Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Beograd2 Ma{inski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd

Ispitivawe procesa gasifikacije biomaseu fluidizovanom sloju

Originalni nau~ni radUDC: 662.636/.638:66.011BIBLID: 350-218X, 30 (2004), 1-4, 5‡22

Proces gasifikacije biomase postaje sve zna~ajnija tema razvojnihistraìvawa u energetici i procesnoj tehnici. Biomasa se smatra obnovqivim i „CO2-neutralnim” gorivom, ~ijom se gasifikacijommoè dobiti gas primenqiv u razli~ite svrhe.U okviru projekta Nacionalnog programa energetske efikasnostiispitivan je pro ces gasifikacije biomase (drvo, oklasak kukuruza),kao obnovqivog, lako dostupnog i jeftinog reaktanta. Ciq is-traìvawa je formulacija i konstrukcija pi lot-postrojewa zagasifikaciju biomase u fluidizovanom sloju inertnog materijala,kao osnove za {iru industrijsku primenu ove tehnologije.Proces gasifikacije biomase ispitivan je eksperimentalno i teo-rijski, da bi se odredili sastav produkata, kinetika procesa, ioptimalni uslovi odvijawa procesa. Sastav produkata i kineti-ka procesa odre|ivani su eksperimentalno, u laboratorijskom re-aktoru sa fluidizovanim slojem. Matemati~ki model gasifika-cije obuhvata hemijsko-kineti~ku karakterizaciju, energetske imaterijalne bilanse procesa, i hidrodinami~ke karakteristikereaktora sa fluidizovanim slojem. Dobijeni rezultati se moguiskoristiti za optimizaciju procesa gasifikacije biomase u ci-qu dobijawa kvalitativno i kvantitativno optimalnog prino-sa gasovitog proizvoda.

Kqu~ne re~i: biomasa, gasifikacija, fluidizovani sloj, optimi-zacija

Uvod

Sagorevawe fosilnih goriva predstavqa glavni ve{ta~ki izvor emisije

CO2 u atmosferu, gasa koji zna~ajno doprinosi globalnom zagrevawu planete. S druge

strane, biomasa se smatra „CO2 neutralnim” gorivom, jer su koli~ine CO2 koju

5

biqke absorbuju tokom ̀ ivota i koji se oslobodi tokom wihovog sagorevawa jednaki.

Biomasa je obnovqivo gorivo, {to je ~ini poèqnim energentom budu}nosti. Kao

gorivo naj~e{}e se koriste drvo i poqoprivredni ostaci. Oklasak kukuruza (ko~an-

ka) je u na{em okruèwu ~est otpad iz poqoprivrede, koji bi se mogao racionalno

koristiti kao gorivo.

Biomasa je specifi~na po svom sastavu [1‡3], koji se razlikuje od sastava

tradicionalno kori{}enih fosilnih goriva (ugaq, nafta). Biomasa ima mawu

toplotnu mo} u odnosu na fosilna goriva, ali i zna~ajno mawi sadràj sumpora.

Sadràj isparqivih gorivih materijala u biomasi je visok, {to uti~e na proces

sagorevawa. Tako|e, zna~ajna je i koli~ina kalijuma i hlora u mineralnom delu

biomase ‡ pepelu, koji uti~u na pona{awe pepela nastalog sagorevawem biomase.

Gasifikacija je termohemijski proces konverzije ~vrstog u gasovito gori-

vo. Glavni proizvodi gasifikacije su: CO, H2, CO2 i CnHm (negasifikovani produkt

pirolize). Sastav dobijenog gasovitog proizvoda zavisi od: tipa gasifikatora,

karakteristike gorivog dela biomase, sadràja vlage u biomasi, tem per a ture gasi-

fikacije, vrste oksidanta i dodavawa vodene pare. Prednosti gasifikacije biomase

su: (1) upotreba biomase, (2) proizvodwa gasa, koji moè da se primeni u razli~ite

svrhe, i (3) mawi {tetni uticaj proizvoda gasifikacije na ̀ ivotnu sredinu u odnosu

na produkte sagorevawa i pirolize fosilnih goriva.

Proces gasifikacije se odvija na 500‡1000 °C [4], pri koncentracijama

kiseonika koje ne dozvoqavaju da se proces sagorevawa razvije i time utro{i sva

goriva materija. Proces se sastoji iz tri faze: (1) su{ewe goriva, (2) piroliza, i (3)

gasifikacija. Proizvodi pirolize su gasovi, od kojih su neki pri normalnim uslovi-

ma kondenzibilni, a neki ne, i ~vrsti koksni ostatak. Prinos ovih proizvoda zavisi

od tem per a ture. Kondenzibilni gasovi, poznatiji kao „ter”, su ugqovodonici mole-

kulske mase ve}e od benzena, sa temperaturom kqu~awa iznad 150 °C. Tre}a faza

odnosi se na gasifikaciju koksnog ostatka, tj. konverziju ~vrstog gorivog dela u

gasovito gorivo. Piroliza je znatno brì proces od gasifikacije, tako da je gasifi-

kacija koksnog ostatka kontroli{u}a faza brzine odvijawa celokupnog procesa

gasifikacije.

Gasifikacija biomase moè da se predstavi jedna~inom nepotpunog sagore-

vawa uop{tenog molekula goriva ra~unato po 1 kg biomase, pri ~emu se uzima u obzir

da u produktima sagorevawa nema kiseonika:

C H O N S H O O N

CO H OC H O N S 2

2

n n n n n x c

a b c

+ + × ¢ × + =

= + +

a ( , )2 2

2

3 76

CO H SO N+ + +d e f2 2 2

gde su: a ‡ koeficijent vi{ka vazduha, ni – broj atoma hemijske vrste i u efektivnom

molekulu biomase bez vlage i pepela, a, b, c, d, e i f ‡ stehiometrijski brojevi

molekula za odgovaraju}e komponente produkata reakcije. Stehiometrijski broj c'

odgovara broju molekula kiseonika pri potpunom sagorevawu, koji se odre|uje iz

materijalnog bilansa stehiometrijske jedna~ine potpunog sagorevawa 1 kg biomase

(a = 1). Treba dodati da u produkte gasifikacije spadaju i nesagoreli ugqovodonici,

koji nastaju u procesu pirolize, a koji nisu sagoreli daqim pove}awem tem per a ture

pri gasifikaciji.

6

(1)

Iako je gasifikacija kao proces konverzije poznata vi{e od 100 godina, tek

u posledwih dvadesetak godina raste interesovawe za primenu gasifikacije bioma-

se, {to se ogleda u izgradwi ve}eg broja laboratorijskih, pi lot- i demonstracionih

postrojewa. Gasifikacija biomase nudi vi{i stepen korisnosti procesa pri proiz-

vodwi elektri~ne energije u gasnim turbinama od klasi~nih postrojewa sa sagore-

vawem biomase i parnim ciklusom, i omogu}ava znatno niè emisije {tetnih gasova

i ~estica.

Gasifikatori sa fluidizovanim slojem sadrè inertni materijal koji

stabilizuje temperaturne promene i omogu}ava intenzivniji kontakt goriva sa

sredinom u reaktoru, usled ~ega se postiè velika brzina reakcije. Prednost reak-

tora sa fluidizovanim slojem je {to omogu}ava efikasan rad sa gorivima razli~ite

vla`nosti, kvaliteta i veli~ine. U gasifikatorima sa fluidizovanim slojem pro-

cesi se odvijaju na pribli`no konstantnoj temperaturi, u opsegu 800‡850 °C. Najve}i

deo procesa konverzije goriva se odvija u sloju, dok se u zoni iznad sloja uglavnom

odvija razgradwa tera u lak{e ugqovodonike. Stepen konverzije ugqenika dostiè

skoro 100%, mada se javqa izno{ewe ~estica koksnog ostatka van reaktora sa flu-

idizovanim slojem.

Naj~e{}i prob lem tehnologije sa fluidizovanim slojem je sinterovawe

inertnog materijala, {to je posebno izraèno pri radu sa biomasom. Pepeo biomase

sadrì visoke koncentracije alkalnih metala, ~iji oksidi stvaraju niskotopive

eutekti~ke sme{e (ispod 800 °C) sa kvarcnim peskom (naj~e{}e kori{}eni inertni

materijal). Sinterovawe ili aglomeracija ~estica inertnog materijala dovodi do

blokirawa fluidizacije i zaustavqawa rada reaktora. Prob lem sinterovawa moè

da se re{i zamenom kvarcnog peska materijalom koji ne stvara niskotopive eutek-

ti~ke sme{e sa alkalnim metalima iz pepela, npr. hematitom [5].

Za potrebe razvoja tehnologije i ure|aja za gasifikaciju biomase u fluidi-

zovanom sloju, potrebno je usmeriti istraìvawa u slede}im pravcima:

‡ odre|ivawe hemijskog sastava produkata gasifikacije i energetskog bilansa pro-

cesa,

‡ odre|ivawe hemijsko-kineti~kih karakteristika gasifikacije biomase ({to je

ograni~avaju}a komponenta u kinetici ukupnog procesa), i

‡ definisawe hidrodinami~kih karakteristika reaktora sa fluidizovanim slojem.

U ovom radu opisana je eksperimentalna analiza gasifikacije biomase u

fluidizovanom sloju i formulacija modela gasifikacije, koji }e posluìti raz-

voju ove tehnologije. Sastav gasovitog proizvoda i kinetika gasifikacije ko~anke

eksperimentalno su odre|ivani u {ar`nom laboratorijskom gasifikatoru sa flu-

idizovanim slojem. Formulisani matemati~ki model obuhvata hemijsko-kineti~ku

karakterizaciju, energetske i materijalne bilanse procesa i hidrodinami~ke ka-

rakteristike reaktora sa fluidizovanim slojem.

Kineti~ki parametri gasifikacije biomase

Imaju}i u vidu kompleksnost procesa gasifikacije, te{ko je odrediti

jednostavan, a sveobuhvatan metod za odre|ivawe kinetike gasifikacije biomase.

A. @bogar i dr.: Ispitivawe procesa gasifikacije biomase u ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 5–22 (2004)

7

Ipak, ve}ina istraìvawa opisanih u literaturi [6‡8] zasniva se na upro{}enom

pristupu po analogiji sa brzinom hemijske reakcije prvog reda:

d

d

wkw

t= - (2)

pri ~emu su: k ‡ konstanta brzine reakcije, w ‡ maseni udeo neproreagovalog materi-

jala posle vremena t. Izraz za konstantu brzine reakcije defini{e se pomo}u

Arenijusovog (Arrhenius) zakona:

k A= ea

R-

E

T (3)

gde je A ‡ predeksponencijalni faktor, Ea ‡ energija aktivacije, R ‡ univerzalna

gasna konstanta i T ‡ temperatura. Prema jedn. (2), konstanta brzine reakcije moè

jednostavno da se odredi eksperimentalno, pra}ewem gubitka mase uzorka u vremenu.

Kod homogenih reakcija, konstante A i Ea zavise samo od osobina reaktanata,

a ponekad se uzima u obzir i zavisnost A od tem per a ture. Kod heterogenih reakcija,

kao {to je slu~aj sa gasifikacijom biomase, konstante A i Ea moraju obuhvatati i

uticaje vezane za intenzitet prenosa toplote i mase, koji zavise od veli~ine komada

biomase, intenziteta prelaza toplote sa okolnog medijuma (fluidizovani sloj) na

komade biomase, specifi~ne povr{ine reaguju}ih komada biomase itd. Konstanta

brzine reakcije zavisi samo od tem per a ture.

Za potrebe projektovawa i konstruisawa laboratorijskih i industrijskih

gasifikatora, neophodno je poznavati brzinu reakcije za svaki tip goriva, i reìm i

uslove odvijawa procesa. U literaturi se mogu na}i podaci za konstante A i Ea za

ugqeve [9, 10], dok su za biomasu podaci oskudni i mahom se odnose na laboratorijske

uslove odvijawa procesa u struji inertnog gasa [11] ili me{avini CO2 i vodene pare.

Tako|e su retki i podaci za brzine procesa gasifikacije u fluidizovanom sloju. S

druge strane, za formirawe laboratorijske aparature je neophodno bar okvirno

poznavati kinetiku procesa koji se ispituje.

Eksperiment

Laboratorijski gasifikator sa fluidizovanim slojem, prikazan na sl. 1,

ima ~eli~ni reaktor pre~nika 0,2 m i kapacitet od oko 700 g goriva na ~as. Relativno

velike dimenzije radnog prostora i kapacitet ove laboratorijske aparature omogu-

}avaju simulirawe uslova bliskim onima koji vladaju u industrijskim reaktorima.

Ovakav reaktor pruà mogu}nost pra}ewa efekata me{awa i procesa prenosa

toplote i mase u fluidizovanom sloju, koji sadrì ve}i broj komada biomase u

svakom trenutku rada reaktora.

Merna oprema obuhvata aparaturu za pra}ewe tem per a ture u reaktoru i

merewe protoka vazduha za fluidizaciju, i ure|aje za analizu gasova i akviziciju

izmerenih podataka. Prate}a instalaciona oprema obuhvata opremu za snabdevawe i

regulaciju greja~a elektri~nom energijom i sistem za odvo|ewe dimnih gasova.

Protok ulaznog vazduha za fluidizaciju, tem per a ture pribli`no 25 °C,

reguli{e se preko merne blende (3) i ventila (4). Fluidizovani sloj se zagreva

8

pomo}u dva elektootporna greja~a (5) ukupne snage 3 kW, koji su uroweni u sloj. Kao

inertni materijal za fluidizaciju kori{}ene su ~estice korunda sredweg pre~nika

350 mm. Izbor pre~nika inertnog materijala je veoma vaàn za ovaj proces. Obi~no

se koriste ~estice finijih granulacija nego kod loì{ta sa potpunim sagorevawem,

jer na taj na~in mogu da se obezbede dovoqno visoki stepeni fluidizacije, a da se pri

tome koriste male brzine (tj. mawi protok) vazduha za fluidizaciju, zbog ostvari-

vawa uslova nepotpunog sagorevawa. S druge strane, suvi{e fine granulacije in ert-

nog materijala nisu poèqne zbog mogu}ih pojava kanalne fluidizacije i lak{eg

sinterovawa ~estica sa pepelom.

Sud za fluidizaciju (1) je zatvoren sa gorwe strane poklopcem, pri ~emu

dimni gasovi iz reaktora izlaze ka sistemu za izvla~ewe gasova. Linija za analizu

gasa (11) obuhvata kontinualno uzorkovawe, kondicionirawe i analizirawe gasa

dobijenog procesom gasifikacije biomase u laboratorijskom reaktoru. Liniju ~ine

sonda za uzimawe uzorka gasa, grubi fil ter, grejano crevo, grejani fil ter, kondici-

oner i analizatori gasa.

Eksperimentalni postupak

Kada se fluidizovani sloj u reaktoru, (sl. 1), zagreje do radne tem per a ture, u

reaktor se ubacuje {arà ko~anke mase 300 g, i dimenzija komada pribli`no 2 ́ 2 cm.

Neposredno pre ubacivawa {arè, po~iwe kontinualno pra}ewe sastava izlaznih

gasova. Da bi se izbegao niz problema vezanih za kontinualno dozirawe biomase, a

posebno mogu}nost ulaska dodatnog vazduha u radni prostor, pribeglo se konti-

nualnoj promeni protoka vazduha koji se dovodi u reaktor, a koji sluì istovremeno

za fluidizaciju i za gasifikaciju. Promena protoka se obavqa ru~no, na osnovu

pra}ewa pokazivawa gasnog analizatora. Ideja je da se na osnovu poznatog elemen-


9

Slika 1. [ema laboratorijskoggasifikatora biomase. 1 ‡ sud za fluidizaciju 2 ‡ sloj ~estica korunda 3 ‡ blenda za merewa protoka vazduha 4 ‡ loptasti ventil 5 ‡ elektri~ni greja~i 6 ‡ cev za pra`wewe suda 7 ‡ toplotna izolacija 8 ‡ izvodi za merewe pritiska 9 ‡ poklopac10 ‡ linija za odvo|ewe gasa11 ‡ linija za analizu gasa12 ‡ termopar13 ‡ akvizicija tem per a ture

tarnog sastava biomase prora~unom odredi pribliàn sastav izlaznog gasa, pri

odre|enom vi{ku vazduha (a = 0,5) i temperaturi (550 °C). Smawivawem protoka

vazduha tokom odvijawa eksperimenta vrednosti koncentracija CO i CO2 u gasnom

produktu treba odràti pribli`no konstantnim, tako da odgovaraju koeficijentu

vi{ka vazduha od 0,5. Na taj na~in promena protoka vazduha u vremenu, pri kon-

stantnim uslovima odvijawa procesa, pruà direktan podatak o promeni mase {arè

biomase u vremenu. Ovaj pristup je mogu} sve dok se ne utro{i sva goriva materija,

ili kada daqe smawewe protoka vazduha dovodi do prestanka fluidizacije.

Radi obezbe|ivawa konstantnog vi{ka vazduha i time kontinualnosti pro-

cesa gasifikacije, protok vazduha je smawivan tako da se stepen fluidizacije mewao

od 7 do 2. Zbog tehni~kih ograni~ewa, eksperimenti su ra|eni na temperaturi od

pribli`no 530 °C, {to odgovara gasifikaciji na niìm temperaturama [4].

Eksperimentalni rezultati

Dobijeni rezultati prikazani su na sl. 2 i predstavqaju sastav gasa dobije-

nog gasifikacijom jedne {arè goriva od 300 g. Karakteristi~ni rezultati serije

merewa pokazuju da se gasifikacijom komada ko~anke na 500 °C moè dobiti gas

slede}eg sastava:

X

X

X

CO

CO

C H

20 20

0 10

0 10

@

@

>

, ,

, ,

, (

i

izvan mernog opsegan m

instrumenta),

gde X predstavqa zapreminski procenat komponente i u uzorkovanom gasu iz koga je

odstrawena voda.

10

Slika 2. Promena sastava gasnog produkta sa vremenom

Odre|ivawe kinetike procesa

Na osnovu jedn. (1) i masenih bilansa za svaku atomsku vrstu koja se nalazi u

molekulu biomase [12], moè da se odredi veza izme|u masenog protoka vazduha za

gasifikaciju i masenog protoka primarnog goriva (biomase):

&&

( , )m

m

c M Mpg

v

O N

=¢ +a

2 23 76

(4)

Kako je ve} nagla{eno, da bi se ostvarili konstantni uslovi odvijawa

procesa {ar`ne gasifikacije, potrebno je smawivati protok vazduha u vremenu

odre|enom dinamikom, {to je posledica smawivawa protoka mase primarnog goriva

({arè biomase). Drugim re~ima, maseni protok primarnog goriva odgovara brzini

konverzije {arè biomase:

&m km wpg = 0 (5)

gde je m0 ‡ po~etna masa {arè.

Na osnovu iznetih napomena, promena masenog protoka biomase koja reaguje

moè da se izrazi primenom jedn. (3) i (5), na slede}i na~in:

&m km kpg e= -

0t (6)

Primenom izraza (6) i izmerenih podataka o promeni masenog protoka

reaguju}e biomase u vremenu, koja se odre|uje na osnovu promene koncentracije

komponenata u proizvedenom gasu, mogu}e je odrediti koeficijent brzine ispi-

tivane reakcije. Opisana analiza pokazuje da brzina gasifikacije komada ko~anke

na temperaturi od 530 °C i pri vi{ku vazduha 0,5 iznosi k = 0,0015 1/s.

U skladu sa zakqu~cima iz rada [6] moè da se pretpostavi da je energija

aktivacije gasifikacije ko~anke pribli`no jednaka energiji aktivacije drveta.

Usvajaju}i ovu pretpostavku i uzimaju}i da je Ea = 4000 J/mol (u skladu sa [6]) na osnovu

izmerene vrednosti za brzinu reakcije dobija se da predeksponencijalni faktor za

date uslove reakcije iznosi: A = 0,2185 1/s. Na sl. 3. prikazano je pore|ewe rezultata

eksperimenata sa usvojenom kinetikom odvijawa ispitivanog procesa gasifikacije,

pri t = 530 °C, a = 0,50, X X XCO CO H2 217 724 9 775 15 121= = =, , , , .i

Dobijeni rezultati znatno odstupaju u odnosu na ranije eksperimente [6], u

kojima je gasifikovano drvo u fiksnom sloju. Predeksponencijalni faktor A je za

red veli~ine vi{i u odnosu na set eksperimentalnih rezultata prikazanih u [6], iako

razlika u veli~ini kori{}enih komada goriva nije zna~ajna. Kako je zakqu~eno u

radu [6], evidentan je uticaj difuzije, dakle veli~ine komada i strukture ~vrstog

goriva, na vrednost predeksponencijalnog faktora. Dakle, razlozi za razli~ite

vrednosti brzine reakcije su pre svega bitne razlike u strukturi dva goriva, tj.


11

drveta i ko~anke. Za razliku od drveta, oklasak kukuruza je mawe kalorijske vrednos-

ti, ali jako porozan i sa velikom aktivnom povr{inom.

Modelovawe procesa gasifikacije

Prora~un sastava produkata gasifikacije

Teorijski sastav produkata gasifikacije moè da se odredi pomo}u jedn. (1).

Broj atoma ni u efektivnom molekulu biomase moè da se odredi na osnovu podataka

elementarne i tehni~ke analize biomase, koje daje masene udele atomskih vrsta C, H,

O, N i S ( )¢yv i pepela ( )¢yp u ukupnoj masi goriva. Maseni udeli atomskih vrsta C, H, N,

N i S u delu biomase bez vlage i pepela moè da se izrazi kao:

yy m

m

y m

y y y y y m

y

y yi

i i i=¢ ¢

=¢ ¢

¢ + ¢ + ¢ + ¢ + ¢ ¢=

¢

¢ + ¢ +( )C H O N S C H ¢ + ¢ + ¢y y yO N S

(7)

gde su m' i m mase ukupnog komada biomase i mase bez vlage i pepela, respektivno. Svi

materijalni bilansi u prora~unu se baziraju na masi biomase (sa vlagom i pepelom)

od 1 kg (m' = 1 kg), pa je: m y y y y y m= ¢ + ¢ + ¢ + ¢ + ¢ ¢( )C H O N S . Broj atoma hemijske vrste i u

efektivnom molekulu biomase bez vlage i pepela se mogu izraziti na slede}i na~in:

ny m

Ai

i

i

= (8)

gde je Ai atomska masa hemijske vrste i. Broj molova vlage u 1 kg biomase x se defi-

ni{e pomo}u slede}eg izraza:

xy

M=

¢v

H O2

(9)

12

Slika 3. Pore|ewe eksperimenatasa usvojenom kinetikom

Na osnovu stehiometrijske jedn. (1) mogu da se postave maseni bilansi za

svaku atomsku vrstu u molekulu biomase:

Bilans za ugqenik: nC = a + c (10a)

Bilans za vodonik: nH = 2x = 2b + 2d (10b)

Bilans za kiseonik: nO + x + 2a ×c' = 2a + 2b + C + 2e (10v)

Bilans za sumpor: nS = e (10g)

Bilans za azot: nN + 2×3,76a×c = 2f (10d)

Postavqawem jedna~ina materijalnog bilansa komponenata i hemijske rav-

noteè izme|u najreaktivnijih komponenata produkata [12, 13], teorijski moè da se

predvidi sastav dobijenog gasa.

Produkti nepotpunog sagorevawa ‡ desna strana materijalnog bilansa (1) ‡

sastoje se od 6 komponenti koje sadrè 5 atomskih vrsta, pa se zato i sistem jedna~ina

sastoji od 5 jedna~ina sa 6 nepoznatih. Da bi se formirala jo{ jedna jedna~ina,

neophodna za upotpuwavawe sistema jedna~ina materijalnog bilansa, potrebno je

primeniti izraz za hemijsku ravnoteù izme|u najreaktivnijih komponenata produ-

kata sagorevawa:

a d c bCO H CO H O2 2 2+ = + (11)

gde je konstanta hemijske ravnoteè K:

Kc b

a d=

×

×(12)

Konstanta hemijske ravnoteè moè da se odredi na osnovu Vant Hofovog

(Van't Hoff) izraza:

d

d R

(ln )K

T=

DH

T 2(13)

gde je DH promena entalpije reakcije, koja je dostupna iz lit er a ture [14]. Re{avawem

navedenog sistema jedna~ina dobijaju se brojevi molova (a, b, c, d, e, f) svih komponenti

u stehiometrijskoj jedn. (1), za sagorevawe 1 kg biomase.

Prora~un teorijske tem per a ture sagorevawa

Adijabatska temperatura sagorevawa je temperatura koju pri adijabatskim

uslovima procesa dostiù produkti sagorevawa. Da bi se dobila stvarna tem pera-

tura sagorevawa potrebno je jo{ uzeti u obzir vi{ak vazduha, efekte me{awa i


13

intenzitet razmene toplote sa okolinom. Preliminarni prora~un zanemaruje stru-

jawe, difuziju mase i prenos toplote, a zasniva se na slede}im pretpostavkama: (1)

proces sagorevawa se odvija adijabatski, (2) vazduh i gorivo su idealno izme{ani, i

(3) ne uzimaju se u obzir efekti disocijacije [12].

Prora~un adijabatske tem per a ture sagorevawa se bazira na toplotnom bi-

lansu, tj. na jednakosti ukupnih entalpija gorive sme{e i produkata sagorevawa:

Q c T v c Tii

p i j p ji

T Ti

dreakt prod

d ds

+ å ò = òå= =

v , ,298 298

(14)

gde je Qd ‡ dowa toplotna mo} goriva, v ‡ stehiometrijski koeficijent prema

jedna~ini (1), cp ‡ toplotni kapacitet, Ts ‡ temperatura sagorevawa, a indeksi i i j

ozna~avaju reaktante i produkte procesa, respektivno. Po{to se sagorevawe u

kotlovima malih snaga odvija pri konstantnom pritisku, ovde }e biti razmatran

samo prora~un za uslove sagorevawa na atmosferskom pritisku.

Kada se razmatra nepotpuno sagorevawe, kao kod procesa gasifikacije,

potrebno je korigovati toplotni efekat hemijskih reakcija. To se najjednostavnije

moè uraditi korigovawem efektivne toplotne mo}i goriva na osnovu udela ugqe-

nikovih i vodonikovih atoma koji su proreagovali do CO2, odnosno H2O:

Qd = [340 y'C yyC + 1030 y'HyH - 109 (y'O- y'S) -25 y'v] 100 (15)

pri ~emu je:

yCCO

CO CO

=+

aM

aM cM2

2

(16a)

yHH O

H O H

=+

bM

bM dM2

2 2

(16b)

Kineti~ki parametri gasifikacije biomase

Primewuju}i jedn. (2), moè da se odredi vreme potrebno za konverziju pri

hemijskoj reakciju prvog reda:

t =æ

èç

ö

ø÷

1 0

k

w

wln (17)

pri ~emu je w0 ‡ maseni udeo neproreagovalog materijala u trenutku t = 0 (izuzima-

ju}i sadràj pepela), i w ‡ maseni udeo neizdvojenog materijala posle vremena t.

Konstanta brzine reakcije se odre|uje pomo}u Arenijusovog zakona.

Prema jedn. (17), konstanta brzine reakcije moè jednostavno eksperi-

mentalno da se odredi pra}ewem gubitka mase uzorka u vremenu, kao sto je ve}

opisano. Tako|e, konstante u Arenijusovom izrazu (A, Ea) mogu da se odrede pomo}u

vrednosti konstanti brzine reakcije za razli~ite tem per a ture odvijawa procesa,

ali to u ovom radu nije ostvareno.

14

Hidrodinami~ke karakteristike reaktorasa fluidizovanim slojem

Adekvatno definisawe hidrodinami~kih karakteristika fluidizovanog

sloja je veoma zna~ajno, jer je potrebno pored predvi|awa efikasnog me{awa, uzeti u

obzir i ograni~ewa za protok vazduha zbog obezbe|ewa slabooksiduju}e atmosfere.

Drugim re~ima, potrebno je istovremeno uskladiti dobro me{awe u sloju i ̀ eqeni

vi{ak vazduha. Da bi se to ostvarilo potrebno je uzeti u obzir faktore koji

defini{u intenzitet me{awa inertnog materijala fluidizovanog sloja, na osnovu

kojih se optimizuje reìm fluidizacije.

Minimalna brzina fluidizacije (Umf) je jedan od najva`nijih parametara

potrebnih za izbor optimalnog reìma rada reaktora sa fluidizovanim slojem.

Mehuri u fluidizovanom sloju su osnovni nosilac me{awa inertnog materijala, a

razlika (U – Umf) se uzima kao mera intenziteta me{awa ~estica [15]. Ipak, {irom je

usvojeno da se tzv. stepen fluidizacije (Nf) koristi kao merilo intenziteta fluidi-

zacije, koji predstavqa odnos U/Umf.

Po{to minimalna brzina fluidizacije po definiciji odgovara brzini

kada ~estice po~iwu da lebde, to se Umf moè ra~unski odrediti izjedna~avawem sila

trewa fluida koji struji kroz sloj ~estica sa silom teè ovog sloja. Najefikasniji

modeli, zasnovani na ovakvoj analizi, imaju slede}i oblik:

Re ( ) ,mf Ar= + -a b a2 0 5 (18)

gde su: Ar ‡ Arhimedov broj, a a i b ‡ konstante semiempirijske zavisnosti. U jedn. (15)

se mogu na}i razli~ite vrednosti za konstante a i b, gde se a uglavnom kre}e od 9 do 33,

dok b moè biti izme|u 0,02 i 0,049.

Parametri za ocenu efikasnosti gasifikacije

Primenom predloènih matemati~kih modela hemijskog sastava produkata

gasifikacije, energetskog bilansa i kineti~kih karakteristika procesa, i hidro-

dinami~kih karakteristika reaktora sa fluidizovanim slojem, mogu}e je analizira-

ti koncept gasifikatora zasnovanih na nepotpunom sagorevawu biomase u fluidi-

zovanom sloju ~estica inertnog materijala. S ta~ke gledi{ta razvoja i projekto-

vawa gasifikatora potrebno je obaviti procene mogu}ih kapaciteta i snage, koje

gasifikator moè da ostvari pri razli~itim reìmima rada.

Primenom navedenih modela moè da se odredi zavisnost ravnote`nih sas-

tava produkata gasifikacije od tem per a ture, za odre|enu vrednost vi{ka vazduha.

Ravnote`ni sastav produkata gasifikacije pruà podatak o toplotnoj mo}i dobije-

ne sme{e gasova, pri razli~itim reìmima gasifikacije. Tako|e, na osnovu poznate

hemijske kinetike procesa i hidrodinami~kih karakteristika fluidizovanog sloja,

mogu}e je proceniti specifi~nu snagu dobijenog protoka gasovitog goriva za odre-


15

|eni vi{ak vazduha i radnu temperaturu. Dowa toplotna mo} dobijene sme{e gasova,

Qd,g, dobijenog gasifikovawem 1 kg biomase, moè da se odredi iz jedna~ine:

Q cM Q dM Qd,g CO d,CO H d,H= +2 2

(19)

gde su: c i d ‡ stehiometrijski koeficijenti u jedn. (1), M ‡ molarna masa, i Qd,CO i

Qd,H2 ‡ dowe toplotne mo}i ugqen-monoksida i vodonika.

Specifi~na snaga produkata nepotpunog sagorevawa biomase moè da se

defini{e kao proizvod toplotne mo}i produkata gasifikacije, Qd i masenog proto-

ka biomase, &mpg po 1 m3 fluidizovanog sloja, VFS:

Wm Q

=&

pg d

FSV(20)

Maseni protok biomase se odre|uje na osnovu brzine reakcije gasifikacije

i iskustvenog podatka da je, sa stanovi{ta optimalnog rada fluidizovanih reaktora

preporu~eni udeo ~vrstog goriva u masi fluidizovanog sloja oko 5%.

Efikasnost procesa gasifikacije moè da se odredi kao odnos dowe top-

lotne mo}i dobijenog gasovitog goriva i dowe toplotne mo}i goriva kada se ono u

osnovnom (~vrstom) obliku sagoreva:

hg

Q

Q=

d,g

d,s

(21)

Parametralna analiza modela

Opisani model omogu}ava odre|ivawe sastava gasa, dobijenog gasifikaci-

jom biomase i energetski bilans procesa, pri ~emu moraju da budu poznate vrednosti

16

Slika 4. Teorijska temperatura sagorevawa i zapreminski udeli produkata gasifikacijeko~anke, u zavisnosti od koeficijenta vi{ka vazduha

masenih udela svih elemenata, vlage i pepela u gorivu. Maseni udeli elemenata u

gorivu koje se razmatra, kao i udeli vlage i pepela u sirovom uzorku goriva dat je u

tabl. 1. Na sl. 4 su prikazani zapreminski udeli CO2, CO, H2 i N2 u suvom produktu

gasifikacije ko~anke, i teorijska temperatura sagorevawa u zavisnosti od koefici-

jenta vi{ka vazduha.

Tablica 1. Elementarni i tehni~ki sastav bukve i ko~anke [13]

Gorivo

C H O N S Vlaga Pepeo

[%mas. u ~istom gorivu][%mas. u sirovom

uzorku]

Drvo (bukva) 48,6 6,11 44,62 0,65 0 7,4 2

Ko~anka 46,5 5,94 46,8 0,74 0,02 8 2,4

Udeli CO i H2 se smawuju sa pove}awem udela vazduha (kiseonika) u sme{i,

jer dolazi do potpunijeg sagorevawa. Udeo azota, inertnog gasa u vazduhu, u dobijenom

gasu je najve}i, {to direktno smawuje toplotnu mo} gasa. To je razlog zbog kojeg se

gasifikacija ~esto odvija u struji kiseonika, umesto u struji vazduha.

Pomo}u hemijska kinetike procesa i hidrodinami~ke karakteristike flu-

idizovanog sloja mogu}e je proceniti specifi~nu snagu dobijenog protoka gasovitog

goriva ‡ jedn. (20) ‡ za odre|eni vi{ak vazduha i radnu temeraturu. Zavisnost dowe

toplotne mo}i i specifi~na snaga produkata gasifikacije prikazana je na sl. 5.

Na sl. 5 vidimo da se na krivoj zavisnosti specifi~ne snage od vi{ka vazduha

javqa maksimum, za vrednost vi{ka vazduha a = 0,5‡0,6. Maksimum se javqa usled

istovremenog rasta vrednosti potrebnog masenog protoka goriva sa porastom vi{ka


17

Slika 5. Zavisnost dowe toplotne mo}i i specifi~ne snage dobijenog gasaod vi{ka vazduha za bukvu i ko~anku

vazduha, i smawewa vrednosti toplotne mo}i dobijenog gasa (zbog smawewa udela CO

i H2 u dobijenom gasu).

Na sl. 6 prikazani su stepen fluidizacije, ra~unat prema kinetici gasifi-

kacije, i efikasnost procesa gasifikacije, ra~unat iz jedn. (21), u zavisnosti od

vi{ka vazduha, za drvo i ko~anku.

Mo`e se uo~iti da stepen fluidizacije intenzivno raste sa pove}awem

vi{ka vazduha, ali sa ovom veli~inom mo`e da se manipuli{e prilago|avawem

pre~nika reaktora.

Predvi|eni uticaj tem per a ture sloja na proces gasifikacije prikazan je na

sl. 7, kroz promenu specifi~ne snage dobijenog gasa i efikasnosti procesa, za

18

Slika 6. Stepen iskori{}ewa procesa gasifikacije i stepen fluidizacijeu zavisnosti od vi{ka vazduha za drvo i ko~anku

Slika 7. Uticaj tem per a ture na efikasnost procesa gasifikacije

vrednosti vi{ka vazduha a = 0,30, 0,35 i 0,40. Efikasnost procesa blago raste sa

temperaturom, a opada sa pove}awem vi{ka vazduha. Pove}avawem vi{ka vazduha

dolazi i do pove}awa koncentracije CO2, ~ime sam proces gasifikacije gubi na

efikasnosti. S druge strane, specifi~na snaga dobijenog gasnog produkta blago

opada sa pove}awem vi{ka vazduha, ali naglo raste sa pove}awem tem per a ture, koja

direktno uti~e na brzinu reakcije.

Pore|ewe modela i eksperimenta

Rezultati pore|ewa predloènog modela predvi|awa sastava gasifikacije

biomase sa rezultatima eksperimenta su prikazani u tabl. 2.

Tablica 2. Pore|ewe eksperimenta i modela

Hemijska komponentaEksperiment

[vol.% u suvom uzorku gasa]Model

[vol.% u suvom uzorku gasa]

CO2 ~20 17,7

CO ~10 10,6

H2 – 17,9

CnHm >10 0

Kako se iz tabl. 2. vidi, slagawe rezultata prora~una i eksperimenta je

relativno dobro. Posebno se dobro slaè prognoza izdvojenog CO sa stvarnom

vredno{}u. Odstupawe u vrednostima koncentracije CO2 moè da se dovede u vezu sa

relativno nepovoqnim uslovima gasifikacije (zbog niske tem per a ture), zbog ~ega

se u eksperimentu javqa visok sadràj metana i vi{ih ugqovodonika (CnHm), {to

modelom nije uzeto u obzir.

Koriste}i rezultate dobijene modelom, moè da se predvidi i toplotna mo}

gasa dobijenog opisanim eksperimentom gasifikacije ko~anke. Naime, uzimaju}i u

obzir podatke iz desne kolone u tabl. 2. moè se re}i da toplotna mo} gasa (iz koga je

izdvojena voda) dobijenog opisanim postupkom, iznosi pribli`no 3,3 MJ/Nm3.

Zakqu~ak

Proces gasifikacije biomase ispitivan je eksperimentalno i teorijski, da

bi se odredili sastav produkata, kinetika procesa i optimalni uslovi odvijawa

procesa. Eksperimentalno odre|ivawe sastava produkata i kinetika procesa je

obavqeno u {ar`nom laboratorijskom reaktoru sa fluidizovanim slojem, gde je

manipulisawem protoka vazduha uspe{no ostvarena kvazi-kontinualnost procesa

gasifikacije. Pore|ewem eksperimentalnih rezultata sa teorijskim prora~unom

utvr|eno je da je mogu}e predvideti sastav dobijenog gasa sa zadovoqavaju}om ta~-


19

no{}u, iako je na postignutoj niskoj radnoj temperaturi zna~ajan udeo nesagorelih

ugqovodonika, koji su produkti pirolize. Iz podataka o promeni protoka vazduha za

fluidizaciju, koji ukazuju na promenu {arè biomase u eksperimentalnom gasifi-

katoru, odre|ena je ukupna kinetika procesa gasifikacije komada ko~anke u fluidi-

zovanom sloju za postignutu radnu temperaturu.

Matemati~ki model gasifikacije obuhvata hemijsko-kineti~ku karakte-

rizaciju, energetske i materijalne bilanse procesa, i hidrodinami~ke karakteris-

tike reaktora sa fluidizovanim slojem. Tako|e, formulisani su i parametri za

procenu efikasnosti procesa, tj. specifi~na snaga dobijenog gasa i efikasnosti

procesa gasifikacije. Na temperaturnoj zavisnosti specifi~ne snage gasnog pro-

dukta, koja zavisi od kinetike sagorevawa i od toplotne mo}i goriva, uo~ava se

pojava maksimuma, koji moè da posluì kao indikator za odre|ivawe optimalnog

reìma gasifikacije. Dobijeni rezultati mogu da se iskoriste za optimizaciju

procesa gasifikacije biomase u ciqu dobijawa kvalitativno i kvantitativno opti-

malnog prinosa gasovitog proizvoda.

Zahvalnica

Ovaj rad je deo projekta „Razvoj tehnologije sagorevawa i gasifikacije

ostataka biomase radi efikasnijeg iskori{}ewa lokalnih izvora energija” (NP

EE401-99B), finansiranog od strane Ministartsva za nauku i za{titu ìvotne sre-

dine Republike Srbije.

Oznake

A ‡ predeksponencijalni faktor, [1/s]a, b, c, d, e, f ‡ stehiometrijski brojevi u reakciji (1), [–]Ai ‡ atomska masa atomske vrste i [kg]Ar ‡ Arhimedov broj [–]c' ‡ stehiometrijski broj molekula kiseonika pri potpunom sagorevawu 1 kg biomase, [–]cp ‡ toplotni kapacitet, [kJ/kgK]Ea ‡ energija aktivacije, [J/mol]DH ‡ promena entalpije reakcije, [kJ/kmol]K ‡ konstanta hemijske ravnoteè, [–]k ‡ konstanta brzine reakcije, [1/s]M ‡ molarna masa, [kg/kmol]m0 ‡ po~etna masa {arè, [kg]&mpg ‡ maseni protok goriva, [kg/s]&mv ‡ maseni protok vazduha, [kg/s]ni ‡ broj atoma hemijske vrste i u efektivnom molekulu biomase bez vlage i pepela, [–]Nf ‡ stepen fluidizacije, [–]Qd ‡ dowa toplotna mo}, [kJ/kg]R ‡ univerzalna gasna konstanta, [kJ/kmolK]Remf ‡ Rejnoldsov broj pri minimalnoj brzini fluidizacije, [–]T ‡ temperatura, [K]t ‡ temperatura, [°C]Umf ‡ minimalna brzina fluidizacije, [m/s]VFS ‡ zapremina fluidizovanog sloja, [m3]W ‡ specifi~na snaga produkata nepotpunog sagorevawa, [kW/m3]w ‡ maseni udeo neproreagovalog materijala posle vremena t (bez pepela), [–]

20

w0 ‡ maseni udeo neizdvojenog materijala u trenutku t = 0, [–]Xi ‡ zapreminski udeo komponente i u uzorkovanom gasu (bez vode), [–]x ‡ broj molova vlage u 1 kg biomase, [–]

¢yi ‡ maseni udeo atomske vrste i u gorivu, [–]yi ‡ maseni udeo atomske vrste i u gorivu (bez vlage i pepela), [–]

Gr~ka slova

a ‡ koeficijent vi{ka vazduha, [–]hg ‡ efikasnost procesa gasifikacije, [–]v ‡ uop{teni stehiometrijski koeficijent u jedn. (1), [–]t ‡ vreme, [s]y ‡ korekcioni faktor, [–]

Indeksi

g ‡ gasi ‡ reaktantij ‡ produktip ‡ pepeos ‡ sagorevawev ‡ voda

Literatura

[1] Biomasa kao gorivo ‡ Mogu}nosti i ograni~ewa, Monografija (ur. S. Oka, Q. Jovanovi}),Jugoslovensko dru{tvo termi~ara i Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Beograd, 1987

[2] Arsi}, B., Oka, S., Sagorevawe presovane slame i oklaska klipa kukuruza u fluidizovanomsloju, Interni izve{taj IBK-ITE-319, Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Beograd, 1981

[3] Sander, B., Prop er ties of Dan ish Biofuels and the Re quire ments for Power Pro duc tion, Bio mass &Bioenergy, 12 (1997), 3, 177-183

[4] Jankes, G., Milovanovi}, N., Bio mass Gasi fi ca tion in Small-Scale Units for the Use in Ag ri cul tural andFor estry in Ser bia, Ther mal Sci ence, 5 (2001), 2, 49-57

[5] Grubor, B. D., Oka, S. N., Ili}, M. S., Daki}, D. V., Arsi}, B. T., Bio mass FB Com bus tion – Bed Ag glom er a -tion Prob lems, Pro ceed ings (ed. K. J. Heinschel), 13th In ter na tional Con fer ence on FBC, Or lando, FL,USA, May 7–10,1995, 515-522

[6] Gvero, P., Istra`ivawe kinetike osloba|awa gorivih isparqivih materija drveta, Magistar-ska teza, Ma{inski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1997.

[7] Gvero, P., Ili}, M., Oka, S., Radovanovi}, M., Istra`ivawe kinetike pirolize drveta ureaktoru sa fluidizovanim slojem, Termotehnika, 23 (1997), 4, 345-412

[8] Molina, A., Mandragon, F., Reactivity of Coal Gasi fi ca tion with Steam and CO2, Fuel, 77 (1998), 15,1813-1839

[9] Hegerman, R., Huettinger, K. J., Ki net ics of Brown Coal Gasi fi ca tion, Sym po sium on the Fun da men talsof Gasi fi ca tion, April 9-14, 1989, Dal las, TX, USA, 22-29

[10] John son, L. J., Ki net ics of Coal Gasi fi ca tion: a Com pi la tion of Re search, John Wiley & Sons, New York,1979

[11] Gvero, P., Modelirawe procesa devolatilizacije biomase, Doktorska teza, Ma{inski fakul-tet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2002

[12] Nemoda, S., Eri}, M., Aleksendri}, M., Teoretska temperatura i sastav produkata sagorevawabiomase, Interni izve{taj NIV-ITE-241, Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, 2003, Beo-grad

[13] Nemoda, S., Eri}, M., Aleksendri}, M., Koncepcija gasifikacije biomase u fluidizovanomsloju sa podstehiometrijskom strujom vazduha, Interni izve{taj NIV-ITE-262, Institut zanuklearne nauke „Vin~a”, 2003, Beograd


21

[14] Joksimovi}-Tjapkin, S., Procesi sagorevawa, Tehnolo{ko-metalur{ki fakultet, Beograd,1987.

[15] Oka, S., Sagorevawe u fluidizovanom sloju ‡ Procesi i primena, Jugoslovensko dru{tvotermi~ara, Beograd, 1994.

Ab stract

In ves ti ga tion of Bio mass Gasi fi ca tionin a Fluidized Bed

by

Ana @BOGAR1, Stevan NEMODA1, Aleksandar ERI]1,Mili} ERI]1, and Mirko KOMATINA2

1 VIN^A In sti tute of Nu clear Sci ences, Bel grade, Ser bia and Montenegro2 Fac ulty of Me chan i cal En gi neer ing, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia and Montenegro

The pro cess of bio mass gasi fi ca tion is be com ing a sig nif i cant sub ject of de vel op -men tal pro jects in energetics and pro cess tech nol ogy. Bio mass is con sid ered to be re new -able and ”CO2-neu tral” fuel, which gasi fi ca tion leads to pro duc tion of gas that can beuti lized for dif fer ent pur poses.

A pro ject deal ing with the gasi fi ca tion of bio mass (wood, corn cobs), as a re new -able, eas ily assecible and cheap re ac tant, was con ducted as a part of Na tional En ergy Ef fi -ciency Pro gram. The aim of the pro ject is to for mu late and con struct pi lot fa cil ity forbio mass gasi fi ca tion in a fluidized bed of in ert ma te rial, as a ba sis for a broader in dus trialap pli ca tion of this tech nol ogy.

Bio mass gasi fi ca tion was in ves ti gated ex per i men tally and theoretically, in or derto de ter mine the prod uct com po si tion, the pro cess ki net ics, and the op ti mal pro cess con -di tions. The prod uct com po si tion and the pro cess ki net ics are de ter mined ex per i men -tally, in the lab o ra tory fluidized bed gasifier. The math e mat i cal model of gasi fi ca tionin cludes chem i cal-ki net ics char ac ter iza tion, the en ergy and mass bal ances of the pro cess,and the hy dro dy namic char ac ter is tics of the fluidized-bed re ac tor. Ob tained re sults canbe used for op ti mi za tion of bio mass gasi fi ca tion pro cess, for get ting qual i ta tively andquan ti ta tively op ti mal gas prod uct yield.

Key words: bio mass, gasi fi ca tion, fluidized bed, op ti mi za tion

Odgovorni autor / Corresponding author (S. Nemoda)E-mail: [email protected]

22

ispitivawe procesa gasifikacije biomase u fluidizovanom...

Documents