Procese de gazeificare a

biomasei in strat fix

Universitatea Politehnica din Bucuresti, Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor

Student: Maholea Sorina Laura

Master: Biocombustibili, Biorafinarii si

Tehnologii Conexe

Cuprins

1. Abstract..................................................................................................................................................................1

2. Introducere.............................................................................................................................................................2

2.1. Tipuri de biomasa..............................................................................................................................................3

2.2. Compozitia chimica a biomasei.........................................................................................................................4

3. Gazeificarea in strat fix..........................................................................................................................................4

3.1. Tipuri de gazeificatoare in strat fix....................................................................................................................5

3.2. Diferiti agenti de gazeificare utilizati in strat fix...............................................................................................6

4. Procesul de gazeificare...........................................................................................................................................6

4.1. Uscarea..............................................................................................................................................................6

4.2. Combustia..........................................................................................................................................................7

4.3. Piroliză...............................................................................................................................................................7

4.4. Gazeificare.........................................................................................................................................................8

5. Procedee recente de piroliză şi gazeificare a biomasei..........................................................................................8

6. Parametrii procesului.............................................................................................................................................9

1

1. Abstract

În ultimul timp, o mare însemnătate teoretică şi practică se acordă folosirii biomasei ca

materie primă combustibilă relativ abundentă (incluzând deşeuri celulozice şi clase largi de

deşeuri industriale, urbane etc), valorificabilă energetic.

Procesul de gazeificare este o tehnologie ce combină la nivel superior avantajele din

punct de vedere economic ale cărbunelui cu avantajele din punct de vedere ecologic ale

metanului. Scopul gazeificării biomasei este acela de a converti biomasa solidă în produse

gazoase care pot fi utilizate ulterior prin combustie sau pentru sinteze chimice. Pentru realizarea

gazeificării, se utilizează agenţi gazoşi ca: aer/oxigen, abur/aer, abur, sau chiar hydrogen (caz în

care gazeificarea se mai numeşte şi hidrogenantă).

Utilizarea biomasei ca sursa de energie a fost în continuare sporită în ultimii ani şi o

atenţie deosebită a fost acordată pentru gazeificarea biomasei. Ca urmare a interesului tot mai

mare în gazificarea biomasei, mai multe modele au fost propuse pentru a explica şi a înţelege

acest proces complex, şi deasemenea au fost efectuate design-ul, simularea, optimizarea şi

analiza procesului de gazeificare. Astfel s-a pus accent foarte mult pe analizarea mai multor

modele de gazeificare pe baza echilibrului termodinamic şi cinetic. Modelele termodinamice s-au

dovedit a fi un instrument util pentru comparaţiie preliminare şi pentru studiile privind influenta

celui mai important combustibil şi parametrii de proces. Acestea au avantajul de a fi independent

de design-ul procesului de gazeificare, dar nu dau rezultate foarte precise pentru toate cazurile

Modelele bazate pe cinetică prezintă o analiză de calcul mai intensă, dar cu rezultate

precise şi detaliate. Cu toate acestea, ele conţin parametrii care limitează aplicabilitatea lor

pentru differe procese.

2

2. Introducere

Biomasa a fost una dintre principalele surse de energie pentru omenire încă de la

începuturile civilizației, deși importanța ei s-a diminuat după extinderea în utilizarea de ulei și

cărbune la sfârșitul secolului al 19-lea. În ultimii ani a fost o renaștere a interesului în energia

obţinută din biomasă, în multe țări considerând beneficiile pe care le oferă. Este o sursă

regenerabilă, disponibilă pe scară largă, și are potențialul de a oferi locuri de muncă productive

semnificative în mediul rural. Biomasa este, de asemenea, capabilă să furnizeze energie.

Estimările au arătat că 15% -50% din consumul de energie primară din lume ar putea

veni din biomasă, până în anul 2050. În prezent, aproximativ 11% din energia primară a lumii

este estimat a fi îndeplinite cu biomasă. Pentru India, biomasa a fost întotdeauna o sursă

importantă de energie. Deși evaluarea energiei în India astăzi indică o creștere a dependenței de

formele convenționale de energie, aproximativ 32% din totalul de energie primară în țară este

încă derivată din biomasă și mai mult de 70% din populaţia țarii depinde de ea pentru nevoile

sale de energie.

2.1. Tipuri de biomasă

Biomasa este reprezentată de: produse de origine agricolă și forestieră, deșeuri vegetale

din agricultură și silvicultură, deșeuri vegetale din industria alimentară, deșeuri vegetale fibroase

din producția de celuloză naturală și din producția de hârtie din celuloză, deșeuri de plută,

deșeuri lemnoase provenite de la construcții și demolări.

 În funcție de origine, biomasa poate fi clasificată astfel: primară, secundară, reziduală și fosilă

Biomasa primară este produsă prin activitatea de fotosinteză de către plante, reprezentând

ansamblul de materii prime vegetale, cu creștere mai mult sau mai puțin rapidă, folosite direct,

sau în urma unui proces de conversie, în alimentația umană, furajare, diferite industrii sau pentru

producerea de energie.

Biomasă secundară este produsă de către ființele heterotrofe, cele care utilizează biomasa

primară, și anume animale ierbivore și omnivore. De mare importanță sunt produsele reziduale

din activitățile industriale sau de creștere a vitelor.

3

Biomasa reziduală este produsă în activități umane: paie, rumeguș, resturi de la abatoare,

reziduuri urbane, ș.a.

Biomasa fosilă este reprezentată de petrol, gaze naturale și cărbune.

Din punct de vedere al reziduurilor (deşeurilor), biomasa poate fi clasificată astfel:

reziduuri primare; reziduurile secundare; reziduurile terţiare.

Reziduurile primare sunt produse din plante sau din produse forestiere. O astfel de biomasă este

disponibilă “în câmp” şi trebuie colectată pentru utilizarea ei ulterioară.

Reziduurile secundare sunt produse la prelucrarea biomasei pentru producerea produselor

alimentare sau a altor produse din lemn, fiind disponibile în industria alimentară, la fabrici de

producere a hârtiei, etc.

Reziduurile terţiare devin disponibile după ce un produs din biomasă a fost folosit. Acestea

reprezintă diferite deşeuri, incluzând deşeuri menajere, deşeuri lemnoase, deşeuri de la tratarea

apelor uzate, etc.

Biomasa energetică este reprezentată de materia organică utilizată pentru obținerea de

biocombustibili (biocarburanți), energie electrică și termică.

2.2. Compoziția chimică a biomasei.

De obicei plantele conțin 25% lignină și 75% glucide (celuloză și hemiceluloză) sau

zaharide. Fracțiunea glucidică este compusă dintr-o mulțime de molecule de zaharide, unite între

ele prin lanțuri polimerice lungi. Una din cele mai importante glucide este celuloza. Componenta

ligninică este compusă din molecule nezaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi

de celuloză la formarea țesuturilor, care asigură integritatea plantelor. Lignina apare în plante ca

ceva de genul lipiciului, care leagă moleculele celulozice între el.

3. Gazeificarea in strat fix

În instalația de gazeificare cu pat fix, combustibilul este alimentat la capătul superior al

acestui gazeificator. Între timp, la partea inferioara, oxigenul și aburul sunt introduse și zgura

este înlăturată. Combustibilul trece prin patru zone diferite; uscare, piroliză, oxidare și de

reducere. Uscarea apare atunci când gazul fierbinte produs intra în contact cu alimentarea în

partea de sus a gazeificatorului. În continuare combustibilul devolatilizat, formează gudroane și

4

uleiuri. Acești compuși ies cu gazul brut, și sunt capturaţi la partea inferioară și recirculaţi în

gazeificator. Combustibilul intră apoi în zona de gazeificare cu temperatură mare unde

reacţionează cu apa şi dioxidul de carbon. În partea de jos a instalaţiei cenușa rezultată

reacţionează cu oxigenul creând temperaturi suficient de ridicate pentru a topi cenușa și zgura.

3.1. Tipuri de gazeificatoare in strat fix

Întrucât există o interacţiune de aer, oxigen şi biomasă în instalaţiile de gazeificare,

acestea sunt clasificate în funcţie de modul în care aerul şi oxigenul sunt introduce în ele.

Figura 1. Gazeificatoare in strat fix

5

3.2. Diferiți agenți de gazeificare utilizați in strat fix

Diferiți agenți de gazeificare in strat fix sunt prezentați in tabelul 1

Agenti de gazeificare Avantaje

Aer 1. Arderea parțiala pentru furnizarea căldurii de gazeificare2. Conţinut moderat de cenuşă şi gudron

Abur 1. Producerea gazului la temperatură înaltă (10–15 MJ N/m3)2. Produce gaz cu o cantitate bogată de hidrogen (ex,450% din volum)

Dioxid de carbon 1. Produce gaz cu valoare de încălzire mare2. Produce gaz cu un conţinut mare de hidrogen şi monoxid de carbon şi conţinut mic de dioxid de carbon.

Tabelul 1: Avantajele agenţilor de gazeificare

4. Procesul de gazeificare

În mod usual combustibilul solid este compus din elementele, carbon, hidrogen şi

oxygen. În gazeificarea clasică biomasa este încălzită prin combustie. În reactor se disting patru

procese diferite: uscarea, piroliza, oxidarea şi reducerea.

În procesele moderne de obicei uscarea biomasei se execută în exteriorul reactorului.

Sunt totuşi, realizări recente, în care uscarea se produce în reactor, cu mare viteză, iar vaporii

produşi sunt apoi folosiţi în procesul de reducere, Sunt cunoscute tehnologii de piroliza rapidă

din care rezultă în principal un combustibil lichid, bio-oil şi tehnologii de gazeificare în care

rezultă în principal un combustibil gazos, gaz de sinteză sau singaz.

4.1. Uscarea

6

În această etapă, conținutul de umiditate al biomasei este de obicei redus de aproximativ

5-35%. Uscarea are loc la o temperature de aproximativ 100-200° C, cu reducerea conținutului

de umiditate din biomasă până la <5%.

4.2. Combustia

Această manieră de procesare se desfăşoară în atmosferă oxidantă. Materiile prime

gazoase şi volatile realizează combustia rapidă a amestecului aer-gaze şi a cărbunelui. Energia

termică se regăseşte, la circa 900–1000oC, în căldura sensibilă a gazelor calde necombustibile.

Recuperarea acestei energii este realizată prin răcirea gazelor arse într-un cazan, care permite

producerea de abur comprimat şi supraîncălzit, în vederea unei conversii eficiente căldură – lucru

mecanic. Poluanţii aflaţi în materia primă sunt majoritar evacuaţi ca gaze, care ar trebui în

prealabil epurate/filtrate, înainte de eliberarea în atmosferă.

4.3. Piroliză

În acest caz, are loc încălzirea materiei prime în absenţa oxigenului (operaţie cunoscută

sub numele de ardere înăbuşită), care conduce la obţinerea unui amestec de gaze uşoare

necondensabile, gudroane şi cocs. Proporţia acestora depinde de condiţiile tratării. În piroliza

lentă şi la temperatură joasă (400–500oC), produsele reacţiilor de descompunere sunt majoritar

solide (cocs cu steril), iar la o încălzire rapidă cu temperaturi mari (700–800oC), este favorizată

producţia de gaze.

Figura 2. Procesul de gazeificare

7

4.4. Gazeificare

Materia primă este introdusă într-o instalaţie, la presiuni şi temperaturi mari, împreună cu

aer şi vapori de apă. Materiile volatile formate nu sunt supuse la un proces de combustie.

Carbonul fix va reacţiona cu aburul, la temperaturi de circa 900oC, în reacţii endoterme de

transformare:

C + H2O → CO + H2.

Simultan, există şi alte reacţii de formare de CO şi CH4. Aportul de căldură este realizat

prin combustia parţială a materiei prime, cu generarea de gaze (de putere calorifică ce nu

depăşeşte 18 MJ/m3), mai sărace în comparaţie cu metanul (a cărui putere calorifică este de 35

MJ/m3). Amestecul gazos produs poate fi recuperat, cracat termic pentru a descompune

gudroanele, apoi epurat şi răcit pentru a alimenta un motor cu gaz sau o turbină cu gaz. Carbonul

este complet epuizat şi reziduul solid este inert. Deşi gazul de sinteză are o putere calorifică mai

mică decât a metanului, el poate fi utilizat eficient la termocentrale pe gaz sau în industria

chimică.

5. Procedee recente de gazeificare a biomasei

Prin tratarea termochimică a biomasei sunt generate mai multe produse valorificabile:

abur relativ curat, combustibil lichid şi cocs (mangal cu steril). In cazul rumeguşului, cocsul

conţine peste 93% carbon (C). Dacă s-ar vapo-craca întreaga producţie de combustibil gazos şi

lichid, precum şi cocsul cu peste 50% C, s-ar produce un combustibil gazos cu peste 90% H2,

care, din punct de vedere ecologic, ar fi net superior metanului. Acest scop nu poate fi atins prin

combustie/incinerare (procedeu dezavantajat în ultima vreme), deoarece se generează debite mari

de gaze de ardere poluante, a căror valorificare prin recuperarea căldurii lor sensibile este foarte

costisitoare şi necesită colectarea cu dificultate a cenuşii dispersate în gaze. Incinerarea a fost

practic înlocuită de piroliză şi gazificare, pentru care s-au propus numeroase variante.

8

Tehnologia IMG

IMG (Gazeificare Integrată a Multicombustibililor) reprezintă un proces de gazeificare

desfăşurat în mai multe etape, urmat de un proces de tratare şi condiţionare a gazului produs în

mai multe etape. Gazul rezultat în cadrul procesului este un gaz sintetic curat (singaz) cu conţinut

energetic. Tehnologia patentată IMG asigură tratarea completă a tuturor compuşilor gazoşi toxici

şi neutralizarea reziduurilor. Stabileşte noi măsuri în ceea ce priveşte stabilirea unei metode

economice şi ecologice durabile de tratare a tuturor fracţiilor de deşeuri calorice. Tehnologia

IMG îşi găseşte aplicabilitatea în toate sectoarele energetice şi în producţia de materiale

valorificabile obţinute prin procesarea deşeurilor.

Tehnologia IMG reprezintă rezultatul încununării anilor de experienţă în domeniul

tehnologiilor de gazeificare. Proiectele experimentale, de cercetare şi dezvoltare au condus la

îmbunătăţirea performanţelor tehnologiei IMG atât din punct de vedere economic, cât şi

ecologic. Prima instalaţie industrială comercială se afla în prezent în faza de construcţie în

Braşov - România.

Tehnologia noastră acoperă o arie largă în ce priveşte diversitatea deşeurilor procesate:

• Biomasa de toate tipurile

• Deşeuri menajere

• Deşeuri industriale şi ambalaje

• RDF - deşeuri pretratate

• Reziduuri lichide

Comparativ cu alte tehnologii, avantajele tehnologiei IMG constă în disponibilitatea şi

flexibilitatea materiei prime şi posibilitatea tratării oricărui tip de deşeuri, fără a necesita o tratare

în prealabil.

Procedeul WIKING

Tip: gazogen cu două faze (pirogazogen).

Materii prime tratate: biomasă şi deşeuri de lemn.

Principiu:

Sistemul de alimentare cu biomasă are un buncăr şi un snec. În prima fază se realizează

uscarea şi piroliza (la 600oC); apoi are loc gazificarea până la 1250oC într-un reactor vertical

9

constând din cilindri concentrici. La partea inferioară, cenuşa şi mangalul trec printr-un grătar. S-

a urmărit obţinerea unui gaz răcit, purificat, cu conţinut cît mai redus de gudroane (sub 15

mg/m3) şi utilizabil într-un motor. În Danemarca, s-a realizat recent un pilot alimentat de trei ori

pe zi, care a furnizat 75 kWt, timp de 1000 ore, folosind ca materie primă aşchii de lemn.

6. Parametrii procesului

Performanta procesului de gazeificare este afectata in mod direct de urmatorii parametrii:

Temperatura

Temperatura este considerată a fi principalul parametru de estimare privind performanța

gazeificării biomasei. O dată cu creșterea temperaturii se reduce conținutul de gudron şi scade

conţinutul de cenuşa din interiorul gazeificatorului. Creşterea randamentului în gaz se datorează

cracării superioare a grudonului.

La o temperatură cuprinsă între 170 şi 270oC, se formează gaze (oxid şi dioxid de carbon,

cantităţi mici de vapori condensabili ce conţin acid acetic şi metanol) şi cantităţi însemnate de

gudroane. În domeniul de temperaturi de la 270 la 280oC, formarea acidului acetic, a metanolului

şi a gudroanelor atinge valoarea maximă; apoi începe producerea de hidrocarburi. În intervalul

de temperatură 280–400oC are loc carbonizarea lemnului, iar formarea hidrocarburilor ajunge la

un punct de maxim. Procesul de carbonizare continua şi peste această temperatură, având loc o

creştere a conţinutului de carbon din mangal. Astfel, dacă mangalul obţinut la o temperatură de

până la 380oC are un conţinut de circa 78%, acesta creşte la 84% când piroliza se efectuează la

temperatura de 400–500oC, ajungând la peste 91% pentru 700–900oC.

Valoarea calorică

Valoarea calorică (CV) dintr-un material este o expresie de energie sau de căldură,

eliberată atunci când materialul arde in aer. Valoarea calorica este de obicei măsurată în

cantitatea de energie conținută pe unitatea de masă sau de volum (MJ / m3).

Raportul de echivalentă

10

Raportul de echivalență (ER) este parametrul cel mai influent din orice proces de

gazeificare și de multe ori are un impact semnificativ asupra compoziției gazului produs.

Raportul de echivalență a fost calculat din cantitatea de oxigen introdusă în gazeificator împărțită

la cantitatea de oxigen necesară pentru arderea completă. Pentru un gazeificator efectiv, raportul

de echivalentă ar trebui să fie intre 0,2-0,4.

Combustibil Metoda de gazeificare

Procente de volum Valoarea caloric(MJ/m3)

CO H2 CH4 CO2 N2

Carbune Downdraft 28-31 5-10 1-2 1-2 55-60 4.60-5.65Lemn Downdraft 17-22 16-20 2-3 10-15 55-50 5.00-5.86Pelete Downdraft 14-17 17-19 - 11-14 - 4.50Nuca de cocos Downdraft 16-20 17-19.5 - 10-15 - 5.80Coji de nuca de cocos

Downdraft 19-24 10-15 - 11-15 - 7.20

Porumb stiulete Downdraft 18.6 16.5 6.4 - - 6.29Orez Downdraft 16.1 9.6 0.95 - - 3.25Tulpini de bumbac

Downdraft 15.7 11.7 3.4 - - 4.32

Tabel 2. Compozitia gazului rezultat din surse diferite

Compoziţia gazului

Compoziţia gazului produs reprezintă cantitatea în procente de volum a diferitelor gaze

rezultate. Aceasta compoziţia este reprezentată în tabelul care urmează

:

Gaz Compozitie

Monoxid de carbon 18%–20%

Hidrogen 15%–20%

Metan 1%–5%

Dioxid de carbon 9%–12%

Azot 45%–55%

Tabel 3. Compoziţia gazului

11

Bibliografie

1. Weihong Yang , Anna Ponzio, Carlos Lucas, Wlodzimierz Blasiak, Performance analysis

of a fixed-bed biomass gasifier using high-temperature air, Fuel Processing Technology

87 (2006) 235 – 245

2. Maria Puig-Arnavat, Joan Carles Bruno, Alberto Coronas, Review and analysis of

biomass gasification models, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010)

2841–2851

3. Anjireddy Bhavanam and R. C. Sastry, Biomass Gasification Processes in Downdraft

Fixed Bed Reactors: A Review, International Journal of Chemical Engineering and

Applications, Vol. 2, No. 6, December 2011

4. Andrés Melgara, Juan Pérezb, Alfonso Horrilloc, Biomass gasification process in a

downdraft fixed bed gasifier: a real time diagnosis model based on gas composition

analysis, Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia. pp. 9-18. Septiembre, 2009

5. Hina Beohara, Bhupendra Guptaa, V. K. Sethib, Mukesh Pandeyb, Parametric Study of

Fixed Bed Biomass Gasifier: A review, International Journal of Thermal Technologies,

Vol.2, No.1 (March 2012)

12

13