A gazeificator de biomasă este un reactor care transformă material organic solid, cum ar fi așchii de lemn, coajă de orez sau deșeuri agricole, într-un amestec de gaz combustibil numit gaz de producție (sau gaz de sinteză) prin ardere parțială într-un mediu cu conținut scăzut de oxigen. În loc să ardă biomasa complet, gazeificatorul limitează alimentarea cu oxigen la aproximativ 20-40% din ceea ce ar necesita arderea completă , ceea ce face ca materialul să se descompună în monoxid de carbon, hidrogen, metan și alte gaze care pot fi apoi arse într-un motor, turbină sau arzător.
Acest lucru contează practic, deoarece permite industriilor și facilităților rurale să transforme deșeurile care altfel ar fi eliminate, cum ar fi reziduurile de culturi sau deșeurile de lemn, în căldură sau electricitate utilizabilă. Un gazeificator cu curent descendent bine conceput, care funcționează pe așchii de lemn uscat, poate obține a eficienta gazului rece de 70-85% , ceea ce înseamnă că cea mai mare parte a conținutului de energie inițial al biomasei ajunge să fie utilizabilă în gazul de ieșire, mai degrabă decât să se piardă sub formă de căldură în timpul conversiei.
În interiorul unui gazeificator, biomasa se deplasează prin patru zone termochimice distincte pe măsură ce coboară sau trece prin reactor. Înțelegerea acestor etape explică de ce umiditatea materiei prime și dimensiunea particulelor contează atât de mult pentru performanța generală.
La 100-200°C, umiditatea prinsă în biomasă se evaporă înainte de a începe orice defalcare chimică. Materiile prime cu umiditate peste 25% forțează gazeificatorul să cheltuiască o parte disproporționată din căldură doar pentru a usca materialul, ceea ce scade producția de gaz utilizabil.
Între 200-600°C, biomasa uscată se descompune termic fără oxigen, eliberând gaze volatile și lăsând în urmă carbune. Această etapă produce majoritatea compușilor de gudron care ulterior trebuie gestionați în sistemul de curățare a gazelor.
Aerul limitat injectat aici arde o parte din carbon și substanțe volatile, generând temperaturi de 1.000-1.200°C care conduc reacțiile de reducere endotermă care au loc chiar mai jos.
La 700-900°C, dioxidul de carbon și vaporii de apă reacționează cu carbonul rămas pentru a forma monoxid de carbon și hidrogen, cele două gaze care conferă gazului producător cea mai mare parte din valoarea sa de combustibil.
Gazeificatoarele sunt clasificate în primul rând după modul în care aerul și combustibilul se deplasează prin reactor unul față de celălalt. Fiecare proiect are compromisuri distincte în ceea ce privește producția de gudron, adecvarea la scară și toleranța materiilor prime.
| Tip gazificator | Ieșire de gudron | Cea mai bună scară |
|---|---|---|
| Updraft | Ridicat (10-150 g/Nm³) | Căldură directă, industrial mare |
| Draft descendent | Scăzut (0,1-3 g/Nm³) | Producerea de energie mică-medie |
| Ciornă încrucișată | Mediu (1-3 g/Nm³) | Materie primă de cărbune la scară mică |
| Pat fluidizat | Mediu (1-15 g/Nm³) | Materie prime industriale mari, variabile |
Pentru generarea de energie electrică printr-un motor, gazeificatoarele cu curent descendent sunt cele mai utilizate modele deoarece debitul lor scăzut de gudron reduce sarcina pe echipamentul de curățare a gazelor și protejează componentele motorului de murdărie.
Nu toată biomasa funcționează la fel în interiorul unui gazeificator. Conținutul de umiditate, conținutul de cenușă și puterea calorică împreună determină cât de mult gaz utilizabil va produce o anumită materie primă.
| Materiile prime | Conținutul de umiditate | Valoare calorică |
|---|---|---|
| așchii de lemn (uscate) | 10-20% | 15-18 MJ/kg |
| Coji de orez | 8-12% | 13-15 MJ/kg |
| bagas de trestie de zahăr | 15-25% | 14-16 MJ/kg |
| Coji de nucă de cocos | 8-15% | 18-20 MJ/kg |
Ca regulă practică, materia primă ar trebui să fie uscată mai jos 20% umiditate înainte de a intra în majoritatea gazeificatoarelor cu curent descendent, deoarece materialul mai umed scade puterea calorică a gazului și poate stinge zona de ardere complet în timpul funcționării.
Gazul care iese dintr-un gazeificator de biomasă este un amestec de componente combustibile și inerte. Raportul său exact depinde de designul materiei prime și al gazeificatorului, dar ieșirea tipică a fluxului descendent se încadrează într-un interval destul de consistent.
| Componentă | Cotă tipică |
|---|---|
| monoxid de carbon (CO) | 17-22% |
| Hidrogen (H2) | 15-20% |
| Metan (CH4) | 1-3% |
| Dioxid de carbon (CO2) | 10-15% |
| Azot (N2) | 45-50% |
Această compoziție conferă gazului producător o putere calorică de aproximativ 4,5-5,5 MJ/Nm³ , mult mai mic decât gazul natural, dar suficient pentru a funcționa un motor cu aprindere prin scânteie atunci când este furnizat la raportul aer-combustibil corect, necesitând de obicei ca motoarele să fie reduse cu 20-30% în comparație cu puterea lor nominală de gaz natural.
Gazul de producție de la un gazeificator de biomasă poate fi utilizat în mai multe moduri distincte, în funcție de amploarea și scopul final al instalației.
Printre acestea, generarea de energie distribuită în gama 100kW-1MW rămâne cea mai comună implementare comercială, în special pentru instalații precum morile de orez sau gaterele care generează deja deșeuri de biomasă la fața locului ca produs secundar.
Când se compară sistemele de gazeificare sau furnizorii, o mână de valori indică dacă un anumit design va funcționa fiabil în condiții reale de funcționare, mai degrabă decât numai în setările ideale de laborator.
Aceasta măsoară procentul din conținutul de energie din biomasă care ajunge în gazul de producție răcit și curățat. Sistemele de downdraft bine concepute ajung 70-85% , în timp ce unitățile prost izolate sau supradimensionate pot scădea sub 60%.
Exprimat în kg de biomasă consumată pe oră pe metru pătrat de secțiune transversală a reactorului, aceasta determină cât de compact poate fi un gazeificator pentru o putere dată, variind de obicei între 100-300 kg/h/m².
Acest lucru indică cât de departe poate fi redusă producția de la capacitatea de vârf, menținând în același timp gazeificarea stabilă, majoritatea modelelor cu pat fix susținând un Raport de turndown de la 3:1 la 4:1 înainte ca calitatea gazului să se degradeze.
Majoritatea performanțelor insuficiente ale gazeificatorului se regăsesc la o mână de probleme operaționale recurente, fiecare dintre ele având o abordare de atenuare bine stabilită.
Instalațiile care opresc un tren adecvat de curățare a gazelor raportează intervalele de întreținere a motorului care se micșorează de la obișnuit 4.000-6.000 de ore de funcționare până la sub 1.000 de ore , făcând din sistemul de curățare una dintre investițiile cu cea mai mare valoare din întreaga instalație.
Costul de capital pentru un sistem complet de gazificare a biomasei, inclusiv gazeificatorul, trenul de curățare a gazelor și grupul motor-generator, variază de obicei de la 800 USD până la 1.500 USD per kW de capacitate instalată, cu sisteme mai mici care suportă un cost pe kW mai mare din cauza supraîncărcării echipamentelor fixe.
Costul de exploatare este dominat de manipularea și pregătirea materiei prime, mai degrabă decât de materia primă în sine atunci când biomasa reziduală este utilizată la fața locului, deoarece materialul poate fi efectiv liber în timp ce uscarea, ciobirea și transportul reprezintă cea mai mare parte a cheltuielilor curente. Pentru instalațiile care înlocuiesc generarea diesel, perioadele de amortizare de 2 până la 4 ani sunt raportate în mod obișnuit în cazul în care costurile motorinei depășesc 0,80 USD pe litru și un flux constant de deșeuri de biomasă este deja disponibil.
Selectarea unui sistem adecvat depinde de potrivirea designului și scara gazeificatorului la materia primă disponibilă și la utilizarea finală intenționată, mai degrabă decât alegerea numai pe baza capacității.
Sistemele dimensionate și adaptate corect cu caracteristicile materiei prime de la început le depășesc în mod constant pe cele selectate numai pe baza capacității, deoarece performanța gazeificatorului este mult mai sensibilă la calitatea combustibilului decât majoritatea altor tehnologii de generare a energiei termice.
Producători de echipamente termice și de ardere de înaltă performanță OEM/ODM
