Газификация биомассы: Газификация биомассы

Содержание

Сравнительный анализ технологий высокотемпературной газификации угля/биомассы/отходов

Please use this identifier to cite or link to this item:
http://hdl.handle.net/10995/74860

Title:	Сравнительный анализ технологий высокотемпературной газификации угля/биомассы/отходов
Other Titles:	COMPARATIVE ANALYSIS OF HIGH-TEMPERATURE GASIFICATION TECHNOLOGIES OF COAL / BIOMASS / WASTE
Authors:	Maslov, D. S. Volkova, Y. V. Volkova, A. A. Маслов, Д. С. Волкова, Ю. В. Волкова, А. А.
Issue Date:	2018
Publisher:	УрФУ
Citation:	Маслов Д. С. Сравнительный анализ технологий высокотемпературной газификации угля/биомассы/отходов / Д. С. Маслов, Ю. В. Волкова, А. А. Волкова // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Данилова Н. И. (1945–2015) – Даниловских чтений (Екатеринбург, 10–14 декабря 2018 г.). — Екатеринбург : УрФУ, 2018. — С. 969-973.
Abstract:	The paper includes the comparative analysis following methods of gasification of solid fuel and biomass: air, steam, oxygen, pyrolysis and gasification with supercritical water (SCW). Criteria were determined that will influence the quality of the produced synthesis gas and its further use for energy. The features and technical characteristics of the following gasification technologies: air, steam, oxygen, supercritical water, and pyrolysis are described. В статье рассматриваются следующие способы газификации твёрдого топлива и биомассы: воздушная, паровая, кислородная, пиролиз и газификация сверхкритической водой (СКВ). Были определены критерии, определяющие качество полученного синтез-газа и дальнейшее его использование для получения энергии, описаны особенности и технические характеристики технологий газификации: воздушной, паровой, кислородной, сверхкритической водной и пиролиза.
Keywords:	GASIFICATION STEAM AND AIR GASIFICATION SUPERCRITICAL OXIDATION PYROLYSIS ГАЗИФИКАЦИЯ ПАРОВАЯ И ВОЗДУШНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ПИРОЛИЗ
URI:	http://hdl.handle.net/10995/74860
Conference name:	Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященная памяти профессора Данилова Н. И. (1945–2015) — Даниловские чтения «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика»
Conference date:	10.12.2018-14.12.2018
Origin:	Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика. — Екатеринбург, 2018
Appears in Collections:	Конференции, семинары, сборники

Show full item record
Google Scholar

Численное исследование режимов газификации угля и биомассы в поточном газогенераторе с парокислородным дутьем | Донской

De S., Agarwal A.K., Moholkar V.S., Thallada B. (eds.) Coal and Biomass Gasification. Recent Advances and Future. Springer, 2018. 524 p. DOI: 10.1007/978-981-10-7335-9

Wang T., Stiegel G. (Eds.) Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) Technologies. Woodhead Publ., 2017. 929 p. DOI: 10.1016/B978-0-08-100167-7.00001-9

Van der Drift B. Biomass gasification in the Netherlands. ECN-E-13-032. Petten: ECN, 2013. 33 p.

Sofia D., Llano P.C., Giuliano A., Hernandez M.I., Pena F.G., Barletta D. Co-Gasification of Coal-Petcoke and Biomass in the Puertollano IGCC Power Plant. Chemical Engineering Research and Design, 2014, vol. 92,

pp. 1428–1440. DOI: 10.1016/j.cherd.2013.11.019

Thattai A.T., Oldenboek V., Schoenmakers L., Woudstra T., Aravind P.V. Experimental Model Validation and Thermodynamic Assessment on High Percentage (up to 70%) Biomass Co-Gasification at the 253 MWe In-tegrated Gasification Combined Cycle Power Plant in Buggenum, The Netherlands. Applied Energy, 2016, vol. 168, pp. 381–393. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.01.131

Ali D.A., Gadalla M.A., Abdelaziz O.Y., Hulteberg C.P., Ashour F.H. Co-Gasification of Coal and Biomass Wastes in an Entrained Flow Gasifier: Modelling, Simulation and Integration Opportunities. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2017, vol. 37, pp. 126–137. DOI: 10.1016/j.jngse.2016.11.044

Jeong H.J., Hwang I.S., Park S.S., Hwang J. Investigation on Co-Gasification of Coal and Biomass in Shell Gasifier by Using a Validated Gasification Model. Fuel, 2017, vol. 196, pp. 371–377. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.01.103

Kobayashi N., Suami A., Itaya Y. Co-Gasification Behaviour of Woody Biomass and Coal in an Entrained Down-Flow Gasifier. Journal of Chemical Engineering of Japan, 2017, vol. 50, no. 11, pp. 862–870. DOI: 10.1252/jcej.16we266

Fang X., Jia L. Experimental Study on Ash Fusion Characteristics of Biomass. Bioresource Technology, 2012, vol. 104, pp. 769–774. DOI: 10.1016/j. biortech.2011.11.055

Mallick D., Mahanta P., Moholkar V.S. Co-Gasification of Coal and Biomass Blends: Chemistry and En-gineering. Fuel, 2017, vol. 204, pp. 106–128. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.05.006

Long III H.A., Wang T. Parametric Techno-Economic Studies of Coal/Biomass Co-Gasification for IGCC Plants with Carbon Capture Using Various Coal Ranks, Fuel-Feeding Schemes, and Syngas Cooling Meth-ods. International Journal of Energy Research, 2016, vol. 40, no. 4, pp. 473–496. DOI: 10.1002/er.3452

Донской И.Г. Математическое моделирование реакционной зоны газогенератора типа Shell-Prenflo с помощью моделей последовательных равновесий. Химия твердого топлива. 2016. № 3. С. 54–59. [Donskoi I.G. Mathematical Modeling of the Reaction Zone of a Shell-Prenflo Gasifier with the Use of the Models of Se-quential Equilibrium. Solid Fuel Chemistry, 2016, vol. 50, no. 3, pp. 191–196.] DOI: 10.3103/S0361521916030034

Gazzani M., Manzolini G., Macchi E., Ghoniem A.F. Reduced Order Modeling of the Shell-Prenflo En-trained Flow Gasifier. Fuel, 2013, vol. 104, pp. 822–837. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.06.117

Tremel A., Spliethoff H. Gasification Kinetics during Entrained flow Gasification. Part III: Modelling and Optimization of Entrained Flow Gasifiers. Fuel, 2013, vol. 107, pp. 170–182. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.01.062

Hwang M., Song E., Song J. One-Dimensional Modeling of an Entrained Coal Gasification Process Using Kinetic Parameters. Energies, 2016, vol. 9, article no. 99, 21 p. DOI: 10.3390/en9020099

Дектерев А.А., Осипов П.В., Чернецкий М.Ю., Рыжков А.Ф. Влияние скорости предварительного нагрева угольной пыли на реакционную способность коксового остатка. Химия твердого топлива. 2017.

№ 1. С. 21–27. [Dekterev A.A., Osipov P.V., Chernetskiy M.Y., Ryzhkov A.F. Effect of the Rate of Pulverized Coal Preheating on Char Reactivity. Solid Fuel Chemistry, 2017, vol. 51, no. 1, pp. 17–23.] DOI: 10.3103/S0361521917010037

Козлов А.Н., Свищев Д.А., Худякова Г.И., Рыжков А.Ф. Кинетический анализ термохимической конверсии твердых топлив (обзор). Химия твердого топлива. 2017. № 4. С. 12–21. [Kozlov A.N., Svishchev D.A., Khudiakova G.I., Ryzhkov A.F. A Kinetic Analysis of the Thermochemical Conversion of Solid Fuels (A Review). Solid Fuel Chemistry, 2017, vol. 51, no. 4, pp. 205–213.] DOI: 10.3103/S0361521917040061

Kaganovich B.M., Keiko A.V., Shamansky V.A. Equilibrium Thermodynamic Modeling of Dissipative Macroscopic Systems. Advances in Chemical Engineering, 2010, vol. 39, no. C, pp. 1–74. DOI: 10.1016/S0065-2377(10)39001-6

Pajarre R., Koukkari P., Kangas P. Constrained and Extended Free Energy Minimisation for Modelling of Processes and Materials. Chemical Engineering Science, 2016, vol. 146, pp. 244–258. DOI: 10.1016/j.ces.2016.02.033

Ding L., Zhang Y., Wang Z., Huang J., Fang Y. Interaction and Its Induced Inhibiting or Synergistic Ef-fects during Co-Gasification of Coal Char and Biomass Char. Bioresource Technology, 2014, vol. 173, pp. 11–20. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.09.007

Tchapda A.H., Pisupari S. B.V. A Review of Thermal Co-Conversion of Coal and Biomass/Waste. Ener-gies, 2014, vol. 7, pp. 1098–1148. DOI: 10.3390/en7031098

Svishchev D.A., Kozlov A.N., Donskoy I.G., Ryzhkov A.F. A Semi-Empirical Approach to the Thermody-namic Analysis of Downdraft Gasification. Fuel, 2016, vol. 168, pp. 91–106. DOI: 10.1016/j.fuel.2015.11.066

Seggiani M. Modelling and Simulation of Time Varying Slag Flow in a Prenflo Entrained-Flow Gasifier. Fuel, 1998, vol. 77, no. 14, pp. 1611–1621. DOI: 10.1016/S0016-2361(98)00075-1

Biagini E. Study of the Equilibrium of Air-Blown Gasification of Biomass to Coal Evolution Fuels. Energy Conversion and Management, 2016, vol. 128, pp. 120–133. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.09.068

Roberts, D.G., Harris D.J., Tremel A., Ilyushechkin A.Y. Linking Laboratory Data with Pilot Scale En-trained Flow Coal Gasification Performance. Part 2: Pilot Scale Testing. Fuel Processing Technology, 2012,

vol. 94, no. 1, pp. 26–33. DOI: 10.1016/j.fuproc.2011. 10.011

Производство водорода: газификация биомассы | Министерство энергетики

Изображение

Газификация биомассы — это зрелый технологический путь, в котором используется контролируемый процесс с участием тепла, пара и кислорода для преобразования биомассы в водород и другие продукты без сжигания. Поскольку выращивание биомассы приводит к удалению углекислого газа из атмосферы, чистые выбросы углерода при этом методе могут быть низкими, особенно в сочетании с улавливанием, утилизацией и хранением углерода в долгосрочной перспективе. Заводы по газификации биотоплива строятся и эксплуатируются, и они могут предоставить передовой опыт и извлеченные уроки для производства водорода. Министерство энергетики США ожидает, что газификация биомассы может быть развернута в ближайшем будущем.

Что такое биомасса?

Биомасса, возобновляемый органический ресурс, включает остатки сельскохозяйственных культур (такие как кукурузная солома или пшеничная солома), лесные отходы, специальные культуры, выращиваемые специально для использования в качестве энергии (такие как просо или ивы), органические твердые бытовые отходы и отходы животноводства . Этот возобновляемый ресурс можно использовать для производства водорода вместе с другими побочными продуктами путем газификации.

Как работает газификация биомассы?

Газификация представляет собой процесс, который превращает органические или ископаемые углеродсодержащие материалы при высоких температурах (>700°C) без сжигания с контролируемым количеством кислорода и/или пара в монооксид углерода, водород и диоксид углерода. Окись углерода затем реагирует с водой с образованием двуокиси углерода и большего количества водорода посредством реакции конверсии водяного газа. Адсорберы или специальные мембраны могут отделять водород от этого газового потока.

Упрощенный пример реакции
C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ + H ₂ O → CO + CO ₂ + H ₂ + Другие виды

_{36. : В приведенной выше реакции глюкоза используется в качестве заменителя целлюлозы. Фактическая биомасса имеет очень разнообразный состав и сложность, а целлюлоза является одним из основных компонентов.}

Реакция конверсии водяного газа
CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ (+ небольшое количество тепла)

Пиролиз – это газификация биомассы в отсутствие кислорода. В общем, биомасса не так легко газифицируется, как уголь, и она производит другие углеводородные соединения в газовой смеси, выходящей из газификатора; это особенно верно, когда кислород не используется. В результате, как правило, необходимо предпринять дополнительную стадию для реформирования этих углеводородов с помощью катализатора, чтобы получить чистую смесь синтез-газа из водорода, монооксида углерода и диоксида углерода. Затем, как и в процессе газификации для производства водорода, на стадии реакции сдвига (с паром) монооксид углерода преобразуется в диоксид углерода. Полученный водород затем отделяют и очищают.

Почему рассматривается этот путь?

Биомасса является обильным внутренним ресурсом.
В Соединенных Штатах имеется больше биомассы, чем требуется для производства продуктов питания и кормов для животных. В недавнем отчете прогнозируется, что с ожидаемыми улучшениями в методах ведения сельского хозяйства и селекции растений ежегодно для использования в качестве энергии может быть доступно до 1 миллиарда сухих тонн биомассы. Для получения дополнительной информации см. «Обновление в миллиардах тонн США: поставка биомассы для отрасли биоэнергетики и биопродуктов».

Биомасса «перерабатывает» углекислый газ.
Растения потребляют углекислый газ из атмосферы в процессе своего естественного роста по мере того, как они производят биомассу, компенсируя углекислый газ, высвобождаемый при производстве водорода в результате газификации биомассы, что приводит к низким чистым выбросам парниковых газов.

Исследования сосредоточены на преодолении проблем

Ключевые проблемы производства водорода с помощью газификации биомассы включают снижение затрат, связанных с капитальным оборудованием и сырьем для биомассы.

Исследования по снижению капитальных затрат:

Замена криогенного процесса, используемого в настоящее время для отделения кислорода от воздуха, когда кислород используется в газификаторе, новой мембранной технологией.
Разработка новых мембранных технологий для лучшего отделения и очистки водорода от производимого газового потока (по аналогии с газификацией угля).
Интенсификация процесса (объединение шагов в меньшее количество операций).

Исследования по снижению стоимости сырья для биомассы:

Усовершенствованные методы ведения сельского хозяйства и усилия по разведению должны привести к низкой и стабильной стоимости сырья.

Поскольку газификация биомассы является зрелой технологией, затраты на сырье и уроки, извлеченные из коммерческих демонстраций, определят ее потенциал в качестве жизнеспособного пути для производства водорода по конкурентоспособным ценам.

1.3.2. Биомасса | netl.doe.gov

Биомасса — это широкий термин, используемый для описания любого органического материала или ресурса, полученного из растительного или животного сырья и в основном используемого в качестве топлива. Сюда входят древесина, продовольственные культуры, травы и древесные растения, отходы сельского и лесного хозяйства, а также органические компоненты бытовых и промышленных отходов. Биомасса не включает органический материал, который был преобразован в результате геологических процессов в ископаемое топливо, такое как уголь, нефть или природный газ.

Биомасса может снизить зависимость от иностранной нефти за счет производства биотоплива и дать толчок развитию сельскохозяйственной и лесной промышленности, превращая малоценные отходы в ценное топливо, удобрения, химикаты и электроэнергию.

Химический состав биомассы существенно различается из-за большого количества используемых материалов, но основными компонентами являются влага, углеводы или сахара, лигнин и минеральное вещество, которое превращается в золу при сгорании или газификации.

Использование биомассы для компенсации использования ископаемого топлива может снизить выбросы парниковых газов. Сжигание биомассы для получения энергии создает углекислый газ; однако такое же количество углекислого газа повторно улавливается при будущем росте биомассы. Таким образом, до тех пор, пока во время производства биомассы (выращивание, сбор и переработка) в атмосферу не выбрасывается углекислый газ, в сумме процесс приводит к нулевому чистому выбросу углекислого газа в атмосферу. Кроме того, если биомассу оставляют разлагаться естественным путем или сжигают открыто, большая часть углерода в биомассе превращается в метан (CH ₄). Процент углерода в биомассе, который преобразуется в CH ₄ , составляет пятьдесят процентов в случае гниения и от пяти до десяти процентов в случае открытого сжигания. Эти процессы на самом деле хуже с точки зрения выбросов парниковых газов, чем газификация биомассы, которая преобразует почти весь углерод, содержащийся в биомассе, в CO ₂ , поскольку CH ₄ является гораздо более сильным парниковым газом, чем CO ₂. .

В следующей таблице показаны некоторые распространенные виды биомассы, их химический и физический состав, а также их сравнение с углем.

Признание ценности биомассы для дополнения использования ископаемого топлива и компенсации выбросов CO ₂ является одним из важных факторов реализации программы NETL «Уголь и уголь/биомасса в жидкости», которая спонсирует исследования и разработки в технических областях, которые увеличат использование биомассы при газификации. и подпитывает синтез. Некоторые из соответствующих областей исследований и разработок включают подачу биомассы в газификаторы и использование биомассы для увеличения содержания водорода в синтез-газе, что требуется для облегчения эффективного синтеза топлива.

Преимущества газификации биомассы
Существует два метода преобразования биомассы в ценные конечные продукты: биохимическая и термохимическая конверсия. Биохимическая конверсия включает использование биологических процессов для преобразования биомассы в биотопливо, химикаты и электроэнергию. В случае производства этанола используются ферменты и/или химические процессы для извлечения сахаров из биомассы, которые затем могут быть преобразованы в этанол путем ферментации. Термохимическая конверсия, либо газификация с использованием меньшего количества кислорода, чем стехиометрическое, либо пиролиз (газификация биомассы в отсутствие кислорода), использует тепло и давление для преобразования биомассы в жидкое топливо, химические вещества и электроэнергию. Сжигание – это вариант преобразования биомассы в электроэнергию; однако синтетический газ, полученный в результате газификации, намного легче и экономичнее очищать, чем выхлопные газы, образующиеся в результате сжигания. Это приводит к тому, что газификация обеспечивает лучшие экологические показатели, включая более дешевый метод улавливания углекислого газа. Кроме того, синтетический газ, полученный путем газификации, также можно перерабатывать в различные товарные продукты, где сжигание ограничивается производством электроэнергии посредством парового цикла.

Двумя основными преимуществами газификации по сравнению с процессами биохимической конверсии являются скорость производства конечного продукта (минуты для газификации по сравнению с днями для биохимической конверсии) и способность газификации извлекать энергию, содержащуюся в лигнине, более твердой структурной части биомасса. Методы ферментации в настоящее время не могут извлекать энергию, запасенную в лигнине; однако это дает возможность использовать газификацию в качестве метода обработки отходов для материалов, которые не могут быть ферментированы на установке биохимической переработки.

Описание процесса
Путем газификации биомасса преобразуется в газ, состоящий из водорода, моноксида углерода, диоксида углерода и других соединений, путем применения тепла и давления в присутствии пара и небольшого количества кислорода, типичных для газификации любого органический материал. Как правило, биомасса не так легко газифицируется, как уголь. Биомасса производит углеводородные соединения в газе, особенно в отсутствие кислорода, что требует дополнительной стадии для их удаления с помощью катализатора после газогенератора. Затем используется реакция конверсии водяного газа для превращения части монооксида углерода с водой в большее количество диоксида углерода и водорода.

Большинство основных типов газификаторов может быть спроектировано для работы с биомассой или комбинацией биомассы и угля, но каждый из них имеет положительные и отрицательные стороны, и выбор зависит от конкретного сырья и желаемого продукта или продуктов. Доступна более подробная информация по теме газификации биомассы/ТКО и совместной газификации угля и биомассы.

Проблемы
Существует несколько препятствий, прежде чем газификация биомассы сможет получить широкое распространение на рынке. Во-первых, в случае газификации биомассы с продувкой кислородом затраты, связанные с выделением кислорода из воздуха с помощью криогенных процессов, очень высоки, и их можно снизить за счет продолжения разработки новой технологии мембранного разделения. Мембраны также обладают потенциалом для снижения затрат, связанных с очисткой потоков технологического газа, образующихся при газификации. Наконец, исследования методов ведения сельского хозяйства и селекции повысят эффективность использования этих материалов в качестве топлива для производства энергии и, в свою очередь, снизят и стабилизируют их стоимость, а также будут способствовать стандартизации этих материалов в промышленности.

Газификация биомассы: Газификация биомассы — Christof Industries