Menu

Toryfikacja biomasy

 Wiadomości wstępne

 Charakterystyka procesu

 Opis technologii ECN

 Toryfikacja + peletyzacja 

 

 

  Wiadomości wstępne

 Toryfikacja (od ang. torrefaction, tzn. prażenie) jest procesem wstępnego, cieplnego przetwarzania biomasy mającym za zadanie zbliżyć ją do właściwości węgla, a przede wszystkim poprawić jej przemiałowość. Proces toryfikacji przypomina prażenie ziaren kawy,  znany jest od lat trzydziestych, jednak dopiero teraz nabiera statusu komercyjnego z powodu konieczności współspalania biomasy z węglem w kotłach pyłowych.  Biomasa po procesie toryfikacji nosi nazwę toryfikatu i daje się dalej przetwarzać np. na specjalne pelety, tzw. TOP Pellet.   Pelety z toryfikatu odznaczają się jeszcze większym podobieństwem do niskokalorycznych węgli (przypominają węgiel drzewny, mają czarny kolor). W porównaniu do klasycznych peletów z biomasy mają niemal zerową wilgotność i charakteryzują się doskonałą przemiałowością. Toryfikat można zatem spalać w kotłach pyłowych bez konieczności zmian układów nawęglania i paleniskowego kotła.

 

  Charakterystyka procesu

 

  Zanim przejdziemy do charakterystyki procesu toryfikacji, przyjrzyjmy się pokrótce innemu procesowi - peletyzacji. Technologia peletyzacji wywodzi się z technik granulowania stosowanych w przemysłach:
farmaceutycznym, chemicznym i paszowym, jednak granulowanie biomasy odbywa się pod znacznie
większym ciśnieniem. Przed wytłaczaniem oczyszczona biomasa w zależności od zawartości wilgoci jest
suszona (lub dowilżana) do zawartości ∼15% wody, a następnie rozdrabniana. W zależności od gatunku
biomasy, może być wymagane dodawanie substancji wiążącej, czyli lepiszcza.

  Ujednolicenie rozmiarów peletów spowodowało rozszerzenie stosowalności biomasy na wiele
urządzeń energetycznych: paleniska retortowe, rusztowe, fluidalne i pyłowe.
Niezmiernie ważną cechą peletów jest możliwość ich transportowania podajnikami ślimakowymi oraz
znacznie lepsza przemiałowość niż biomasy typu zrębki.

  Pomimo licznych zalet peletów, nadal posiadają one pewne negatywne cechy biomasy
nieprzetworzonej. Ich higroskopijna natura powoduje chłonięcie wilgoci z otoczenia, co prowadzi do
pęcznienia i kruszenia. Z tego powodu pelety należy transportować i składować w szczelnych workach, a
ich magazynowanie powinno odbywać się w silosach lub co najmniej pod zadaszeniem. W przeciwnym
razie, pelety narażone na działanie wilgoci ulegną szybko biodegradacji.
Peletyzacja usuwa wiec wiele niedostatków biomasy typu drewno lub słoma, ale nie w takim
stopniu, żeby pelety stały się pełnym substytutem węgla. Mimo poprawionej przemiałowości pelety w
dalszym ciągu wymagają stosowania młynów młotkowych w celu ich rozdrabniania dla kotłów
pyłowych, gdy strumień biomasy znacznie przekracza 10% strumienia paliwa do kotła. Podsumowując
można stwierdzić, że chociaż peletyzacja zapewniła większą gęstość energetyczną biopaliwa i ułatwiła
jego przemiał, to w dalszym ciągu poszukuje się technologii, która przybliżyłaby oba te parametry do
parametrów węgli.

  Toryfikacja biomasy znana jest w literaturze też po innymi nazwami: prażenie, powolna piroliza czy wysokotemperaturowe suszenie. Polega na termicznej obróbce biomasy w zakresie temperatur            200-300 °C, pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego, bez dostępu tlenu. Standardowo jednostkowy przyrost temperatury w procesie nie powinien przekraczać 50 °C/min.

ozebio47.jpg

Rys. Etapy procesu toryfikacji

 

Proces, na który składa się: suszenie, piroliza i zgazowanie, zachodzi w reaktorze o kontrolowanej temperaturze. Ze względu na sposób doprowadzenia ciepła do reaktora dzieli się je na 2 typy:
reaktory pośrednie, w których ciepło dostarczane jest do biomasy przeponowo przez taki nośnik energii, jak para wodna, woda, olej, spaliny,
reaktory bezpośrednie, w których ciepło przekazywane jest bezpośrednio do biomasy od spalin lub innego gazu reaktorowego (np. zgazowywarki i suszarnie fluidalne).

Ze względu na bezpośredni kontakt gorącego czynnika z surowcem drugi typ reaktorów umożliwia stosowanie krótszych czasów przebywania, z drugiej zaś strony takie rozwiązanie jest trudniejsze w zastosowaniu. Najnowsze koncepcje reaktorów zakładają konstrukcje na wzór pieca obrotowego bądź reaktora ślimakowego z wykorzystaniem torgazu jako czynnika gazowego.

  W czasie procesu toryfikacji następuje redukcja nawet 30% masy początkowej surowca, która spowodowana jest przede wszystkim usunięciem z niego wilgoci, ale również częściowym wydzieleniem substancji lotnych. Wydzielenie części lotnych z surowca wiąże się z pewnym ubytkiem energii, który zwykle nie przekracza 10% energii zawartej w surowcu. Rozdział masy i energii w typowym procesie toryfikacji został przedstawiony na rysunku:

 

Rys. Rozdział energii początkowej w procesie toryfikacji.

 

W zależności od temperatury procesu, czasu przebywania w reaktorze, rodzaju biomasy i zawartej w niej wilgoci uzysk masy i energii produktu końcowego może się różnić. Zwykło się mówić o 30% zagęszczeniu energii dla typowego procesu toryfikacji.
Części lotne (zwane torgazem) składają się z wielu palnych składników organicznych, ale także ze składników niepalnych, jak woda i CO2. Udziały palnych i niepalnych składników torgazu zależą od zawartości wilgoci w surowcu, ale również od parametrów procesu. Torgaz jest gazem wilgotnym, bowiem nawet jeżeli surowiec jest suchy, należy się spodziewać, że około 50% masy powstającego gazu stanowić będzie woda, a kolejne 10% CO2. Dlatego przy zachowaniu typowych warunków toryfikacji jest problematyczne uzyskanie palnego gazu, który spalany dostarczałby wymagany w procesie strumień ciepła do procesu.

  Typowa wartość opałowa biowęgla powstającego w wyniku toryfikacji zrębków drzewnych wynosi od 18 nawet do 23 MJ/kg. Dzięki niewielkiej zawartości wilgoci w produkcie (1÷6%) różnica między wartością opałową i ciepłem spalania jest nieznaczna. Biowęgiel posiada niską gęstość nasypową w zakresie 180÷300 kg/m3, jest kruchy i jednorodny. Stwierdzono, że biowęgiel otrzymany zarówno z drewna ze ścinki, drewna porozbiórkowego i drewna odpadowego ma dość zbliżone właściwości fizyczne i chemiczne. Dodatkową zaletą biowęgla jest jego hydrofobowa natura. Pochłanianie wilgoci przez toryfikowaną biomasę jest silnie ograniczone z powodu reakcji dehydratacji zachodzącej podczas rozkładu termicznego. Zniszczenie grup OH w biomasie w wyniku reakcji dehydratacji powoduje utratę zdolności do formowania wiązań wodoru z wodą. Dzięki temu biowęgiel może być składowany na zewnątrz bez obawy o jego grzybienie. Toryfikacja wywiera również korzystne zmiany dla procesu spalania, gdyż zarówno czas zapłonu części lotnych jak i koksu ulega skróceniu. Jest to
szczególnie istotne w przypadku spalania w kotłach fluidalnych.

 

Technologia produkcji biowęgla (biocoal)

 

Światowym liderem w zakresie badań nad procesem toryfikacji jest Energy Research Centre w Holandii. Większość prac w tym holenderskim centrum badawczym dotyczy tzw. technologii ECN - tj. wysokosprawnej metody pozyskiwania toryfikatu z zastosowaniem reaktora bezpośredniego (Rys.). Według tej technologii surowiec jest poddawany bezpośredniemu działaniu gorących gazów powstałych w procesie toryfikacji. Standardowo torgaz zawiera około 10% energii pierwotnej surowca i w
optymalnych warunkach może być wykorzystany do wstępnego suszenia i toryfikacji. Przez optymalne warunki rozumie się zawartość wilgoci w biomasie, która nie powinna przekroczyć 15÷20%. Torgaz składa się głównie z: H2O, CO2, CO, CH4 i organicznych składników kondensujących. W wyższej temperaturze rozkładu mogą się również pojawić: propan, aldehyd octowy, kwas octowy, formaldehyd, alkohol metylowy i śladowe ilości fenolu. W omawianej technologii toryfikacji po
podniesieniu ciśnienia i dogrzaniu torgazu w wymienniku ciepła jest on wprowadzany bezpośrednio do reaktora ze złożem ruchomym.

Rys. Schemat technologii ECN.

 

Technologia toryfikacji biomasy nie osiągnęła dotąd statusu komercyjnego i wciąż jest na etapie badań i testów w instalacjach pilotażowych. Poza wspomnianą technologią ECN na szczególną uwagę zasługuje instalacja demonstracyjna firmy Pachiney (obecnie Rio Tinto), która powstała w 1980 roku w La Val de Cere we Francji i przez 10 lat służyła do produkcji substytutu koksu, wykorzystywanego w procesie produkcji aluminium. Instalacja pracowała z wydajnością 12 tys. Mg/rok z wykorzystaniem drewna z pobliskich lasów jako surowca. Mokre zrębki (∼40% wilgoci) suszono do zawartości wilgoci
10%, a następnie wprowadzano do reaktora ślimakowego typu: pośredni wymiennik ciepła.

Rys. Schemat technologii Pachiney.

 

Czynnikiem pośredniczącym w wymianie ciepła był cyrkulujący pomiędzy reaktorem i wymiennikiem ciepła olej. W wymienniku olej odbierał ciepło ze spalin ze spalania zrębków i torgazu. Część strumienia spalin służyła do suszenia mokrych zrębków. Standardowo czas przebywania surowca w reaktorze wynosił od 60 do 90 min, a temperatura w reaktorze nie przekraczała 280°C. W celu uniknięcia samozapalenia gorący produkt opuszczający reaktor (∼280°C ) poddawany był ochłodzeniu do temperatury co najmniej 150°C poprzez bezpośredni kontakt z wodą. W 1990 roku demonstracyjna instalacja Pachiney`a została zamknięta z powodu niskiej sprawności energetycznej (65÷75%) i wysokich kosztów produkcji. Długi czas przebywania surowca w reaktorze oraz niewielka skala instalacji decydowały o wysokich kosztach produkcji.

 

6.3.4 Toryfikacja + peletyzacja 

 

Obecnie prowadzone są próby integracji technologii toryfikacji z peletyzacją przy zachowaniu ciągłej pracy reaktora, tak by proces ten był autotermiczny [4]. W produkcji peletów toryfikowanych można bowiem wykorzystać istniejące linie technologiczne do produkcji peletów biomasowych w układzie, jak pokazano schematycznie na rysunku 7. Rozdrabnianie surowca do peletyzacji odbywałoby się po toryfikacji, co pozwoliłoby zmniejszyć wydatek energetyczny. Dołączenie reaktora toryfikującego spowoduje zwiększenie kosztu całej instalacji w stosunku do instalacji peletyzującej o 20%, a koszt
wytworzenia peletów z toryfikatu (tzw. pelety II generacji) w stosunku do bio-peletów będzie większy nawet o 25% [4]. Warto przy tym zaznaczyć, że zarówno w przypadku toryfikacji, jak i peletyzacji od wysuszonego surowca wymaga się podobnej zawartości wilgoci ok. 15%. Nie zachodzi więc konieczność wymiany suszarni bębnowych używanych zwykle w tradycyjnym procesie peletyzacji.

ozebio51.jpg

Rys. Łańcuch przemian przy procesie łączonym toryfikacji i peletyzacji.

 

Firma Topell (Holandia) przygotowuje się do komercyjnej produkcji toryfikowanych peletów o wartości opałowej 18÷20 GJ/m3, to jest o około 20% większej od wartości opałowej bio-peletów. Planuje się osiągnięcie wydajność rzędu 1 mln Mg/rok toryfikowanych peletów w 2012 r. Innym przykładem działań zmierzających do wprowadzenia na europejski rynek biopaliw peletów toryfikowanych jest konsorcjum 3 holenderskich organizacji: Econcern, ECN i Chemio, które podpisały
porozumienie dotyczące przyszłej produkcji toryfikatów. Poniżej wygląd peletów klasycznych i Top-peletów.

 

Rys. Od lewej - pelet drzewny, toryfikat, TOP-Pelet.

 

Produkcja toryfikatu i TOP-Peletów pozwala na znaczne obniżenie energii przy mieleniu biomasy. Na poniższym wykresie przedstawiono przykładowe zapotrzebowanie energii do mielenia różnych typów biomasy.

Rys. Wykres przedstawiający zużycie energii elektrycznej na mielenie różnych typów biomasy oraz toryfikatu drugiej generacji ECN w zależności od wielkości cząsteczek, oznaczenia z indeksem C i W to holenderskie TOP pelety. 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});