A گازساز زیست توده یک راکتور ترموشیمیایی است که مواد آلی جامد - مانند خردههای چوب، بقایای کشاورزی، پوسته برنج یا زبالههای جامد شهری - را به یک مخلوط گاز قابل احتراق به نام گاز سنتز (گاز سنتز) تبدیل میکند. این تبدیل در دماهای بالا، معمولاً بین 700 درجه سانتیگراد و 1200 درجه سانتیگراد (1292 درجه فارنهایت–2192 درجه فارنهایت) ، در یک محیط کنترل شده و با اکسیژن محدود. گاز سنتز حاصل عمدتاً از مونوکسید کربن (CO)، هیدروژن (H2)، متان (CH4)، دی اکسید کربن (CO2) و نیتروژن (N2) تشکیل شده است و می تواند به طور مستقیم برای گرما، تولید برق یا به عنوان ماده اولیه شیمیایی استفاده شود.
برخلاف احتراق، که سوخت را به طور کامل می سوزاند تا گرما و گازهای خروجی تولید کند، گازی شدن انرژی موجود در زیست توده جامد را به یک سوخت گازی همه کاره تبدیل می کند. راندمان گاز سرد 60 تا 80 درصد در سیستم هایی که به خوبی طراحی شده اند. این باعث میشود که گازیکنندههای زیست توده به یک فناوری کلیدی در انرژیهای تجدیدپذیر، کاهش ضایعات و استراتژیهای برقرسانی روستایی در سراسر جهان تبدیل شوند.
گازی شدن یک واکنش منفرد نیست بلکه دنباله ای از همپوشانی مراحل ترموشیمیایی است. درک این مراحل روشن میکند که چرا طراحی گازیفایر، کنترل دما، و آمادهسازی مواد اولیه برای کیفیت خروجی بسیار مهم است.
با ورود زیست توده به گاز ساز، رطوبت در دماهای بالاتر از آن خارج می شود 200 درجه سانتی گراد . رطوبت مواد اولیه در حالت ایده آل باید کمتر باشد 20 درصد وزنی ; مواد اولیه مرطوب بالای 30 درصد رطوبت به طور قابل توجهی کیفیت گاز سنتز و راندمان گاز سرد را کاهش می دهد. به همین دلیل است که پیش خشک کردن یک مرحله استاندارد در کارخانه های گازی سازی زیست توده صنعتی است.
بین 200 درجه سانتی گراد and 700°C زیست توده از نظر حرارتی در غیاب اکسیژن به گازهای فرار (CO، H2، CH4، قطران)، زغال سنگ (کربن جامد) و خاکستر تجزیه می شود. این مرحله تقریباً 70 تا 80 درصد از مواد آلی را به صورت فرار آزاد می کند و ذغال غنی از کربن را پشت سر می گذارد که در واکنش های بعدی شرکت می کند.
مقدار کنترل شده و زیر استوکیومتری هوا، اکسیژن یا بخار به عنوان عامل گازدار معرفی می شود. احتراق جزئی زغال سنگ و مواد فرار رخ می دهد و گرمای لازم برای حفظ تمام واکنش های دیگر را ایجاد می کند. دما در این منطقه می رسد 900 درجه سانتیگراد تا 1200 درجه سانتیگراد . نسبت هم ارزی (ER) - نسبت هوای واقعی عرضه شده به هوای مورد نیاز استوکیومتری - معمولاً در 0.20-0.35 برای تبدیل به گاز زیست توده
در منطقه کاهش، ذغال سنگ داغ با CO2 و H2O (بخار) از طریق واکنش های گرماگیر واکنش می دهد تا CO و H2 - اجزای اولیه قابل احتراق گاز سنتز را تولید کند. واکنش های کلیدی عبارتند از:
گاز سنتز حاصل از یک گازساز با جریان هوای پایین معمولاً حاوی 18-22٪ CO، 15-20٪ H2، 1-5٪ CH4، 9-12٪ CO2، و نیتروژن باقیمانده، مقدار حرارت کمتری (LHV) تقریباً ایجاد می کند 4-6 MJ/Nm³ .
طراحی گازیفایر انعطاف پذیری مواد اولیه، تولید قیر، کیفیت گاز سنتز و مقیاس پذیری را تعیین می کند. هر پیکربندی دارای منطق عملیاتی و کاربرد هدف مشخصی است.
زیست توده از بالا تغذیه می شود و عامل گازدار از پایین وارد می شود و به سمت بالا حرکت می کند (جریان مخالف). گاز سنتز از بالا خارج می شود و از ناحیه پیرولیز عبور می کند و مقادیر زیادی قیر را جمع می کند - معمولاً 30-150 گرم در نیوتن متر مکعب . در حالی که گازیفایرهای جریان صعودی، مواد اولیه با رطوبت بالا (تا 60 درصد) را تحمل می کنند و راندمان حرارتی بالایی دارند، محتوای قیر بالا تمیز کردن گاز سنتز را گران می کند و کاربردهای احتراق مستقیم در دیگ ها را به جای استفاده از موتور محدود می کند.
هم زیست توده و هم عامل گازی به سمت پایین جریان می یابند (هم جریان)، و گاز سنتز قبل از خروج از منطقه اکسیداسیون با دمای بالا عبور می کند. این پیکربندی از نظر حرارتی اکثر تارها را می شکافد و در نتیجه گاز سنتزی با محتوای قطران بسیار کم ایجاد می شود. 0.5-5 گرم در نیوتن متر مکعب - به اندازه کافی تمیز برای راه اندازی مستقیم موتورهای احتراق داخلی و توربین های گازی. گازیفایرهای جریان پایین رایج ترین نوع برای تولید برق در مقیاس کوچک تا متوسط (10 کیلووات تا 1 مگاوات) هستند و برای زیست توده چوبی یکنواخت و کم رطوبت مناسب هستند.
بستری از مواد بی اثر (ماسه یا الیوین) توسط عامل گازدار سیال می شود و اختلاط شدید و توزیع یکنواخت دما در سراسر راکتور ایجاد می کند. گازیفایرهای بستر سیال حبابدار (BFB) و بستر سیال در گردش (CFB) طیف گسترده ای از مواد اولیه از جمله پسماندهای کشاورزی، زباله های جامد شهری و مواد پرخاکستر را که سیستم های بستر ثابت را مسدود می کنند، مدیریت می کنند. آنها در 750-900 درجه سانتیگراد و مقیاس پذیر هستند 50 مگاوات حرارتی و بالاتر ، آنها را به فناوری ترجیحی برای نیروگاه های زیست توده بزرگ صنعتی و کاربردی تبدیل می کند. محتوای تار متوسط است - معمولا 10-40 گرم در نیوتن متر مکعب - نیاز به پاکسازی پایین دستی برای کاربردهای موتور.
زیست توده ریز پودر شده (اندازه ذرات کمتر از 0.1 میلی متر) با اکسیژن یا بخار به یک راکتور با دمای بالا و فشار بالا تزریق می شود. 1200-1600 درجه سانتیگراد و 20-80 بار. زمان اقامت بسیار کوتاه است (ثانیه)، و دمای بالا تقریباً تمام قطران و هیدروکربنها را از بین میبرد و یک گاز سنتز بسیار تمیز و با کیفیت مناسب برای سنتز سوختهای مایع فیشر-تروپش تولید میکند. گازیفایرهای جریان حباب اساساً برای تولید در مقیاس بزرگ گاز طبیعی مصنوعی، متانول یا سوختهای هواپیمایی استفاده میشوند و به زیرساختهای آمادهسازی مواد اولیه نیاز دارند.
| نوع گازیفایر | مقیاس معمولی | محتوای تار | انعطاف پذیری مواد اولیه | بهترین برنامه |
|---|---|---|---|---|
| Updraft Fixed-Bed | 10 کیلووات تا 10 مگاوات | 30-150 گرم در نیوتن متر مکعب | بالا (مقاوم در برابر رطوبت) | حرارت مستقیم / دیگهای بخار |
| Downdraft Fixed-Bed | 10 کیلووات تا 1 مگاوات | 0.5-5 گرم در نیوتن متر مکعب | متوسط (خوراک یکنواخت) | قدرت موتور / ژنراتور |
| تخت سیال حباب دار | 1-50 مگاوات | 10-40 گرم در نیوتن متر مکعب | بالا | CHP / حرارت صنعتی |
| تخت سیال در گردش | 10-300 مگاوات | 10-40 گرم در نیوتن متر مکعب | بسیار بالا | قدرت در مقیاس ابزار |
| جریان حباب شده | 50-1000 مگاوات | <0.1 گرم در نیوتن متر مکعب | کم (فقط ذرات ریز) | Synfuel / تولید شیمیایی |
انتخاب عامل گازدار به طور مستقیم ترکیب گاز سنتز، ارزش گرمایشی و هزینه عملیاتی را تعیین می کند. هر گزینه شامل مبادلات معنی دار است.
همه زیست توده ها به یک اندازه برای تبدیل به گاز مناسب نیستند. خواص مواد اولیه - میزان رطوبت، محتوای خاکستر، اندازه ذرات و چگالی ظاهری - تعیین می کند که کدام نوع گازساز مناسب است و چه پیش تصفیه ای لازم است.
یک گازساز زیست توده یک فناوری مستقل نیست - یک جزء اصلی در یک سیستم انرژی است. مقدار آن بستگی به نحوه استفاده نهایی از گاز سنتز دارد. کاربردهای زیر نشاندهندهترین کاربردهای تجاری و با رشد سریع هستند:
گاز سنتز از گازیفایرهای با جریان پایین یا بستر سیال تمیز می شود و برای تولید برق به موتورهای جرقه زنی یا توربین های گازی تغذیه می شود. سیستم های ترکیبی حرارت و برق (CHP) می توانند به بازده انرژی کلی دست یابند 70-85٪ زمانی که هم خروجی الکتریکی (معمولاً 25 تا 35 درصد راندمان الکتریکی) و هم گرمای بازیافتی استفاده می شود. یک نیروگاه CHP تبدیل به گاز زیست توده 1 مگاواتی که تقریباً مصرف می کند 1000 کیلوگرم در ساعت خرده چوب می تواند برق حدود 800 تا 1000 خانوار را تامین کند و در عین حال گرمای فرآیند را برای یک تاسیسات صنعتی تامین کند.
گاز سنتز را می توان به طور مستقیم در کوره های صنعتی، کوره ها و خشک کن ها به عنوان جایگزینی برای گاز طبیعی یا گازوئیل سوزاند. کارخانههای سیمان، کورههای آجرپزی و تأسیسات فرآوری مواد غذایی در هند، برزیل و آسیای جنوب شرقی از گازسازهای زیستتوده برای کاهش مصرف سوختهای فسیلی استفاده کردهاند. 40-80٪ بر اساس انرژی حرارتی، با دوره بازپرداخت اغلب کمتر از سه سال زمانی که دیزل جابجا می شود.
گاز سنتزی با کیفیت بالا (CO H2) از گازیفایرهای دمیده شده با اکسیژن یا بخار را می توان از طریق فرآیند فیشر-تروپش به هیدروکربن های مایع تبدیل کرد و دیزل مصنوعی، سوخت جت یا متانول تولید کرد. پروژه BioTfueL اروپا و کارخانه GoBiGas سوئد این مسیر را در مقیاس آزمایشی و نمایشی نشان داده اند، با کارخانه های BTL در مقیاس تجاری که هزینه های تولید را هدف قرار داده اند. 0.80-1.20 یورو در لیتر معادل دیزل مصنوعی
گازی شدن زیست توده با بخار و به دنبال آن راکتور جابجایی آب-گاز و جذب نوسان فشار (PSA) می تواند هیدروژن با خلوص تولید کند. 99.99٪ . هنگامی که زیست توده با جذب و ذخیره کربن (BECCS) یکپارچه می شود، این فرآیند می تواند به انتشار کربن خالص منفی دست یابد - تولید هیدروژن در حالی که CO2 اتمسفر را حذف می کند. این مسیر سرمایه گذاری قابل توجهی را به عنوان بخشی از استراتژی های ملی هیدروژن در اتحادیه اروپا، بریتانیا و استرالیا جذب می کند.
نیروگاههای گازیکننده زیست توده کوچک (5 تا 100 کیلووات) هزاران روستا را در هند، کامبوج و جنوب صحرای آفریقا که در آن گسترش شبکه غیراقتصادی است، برق رسانی کردهاند. وزارت انرژی های نو و تجدیدپذیر هند (MNRE) از نصب بیش از حد پشتیبانی کرده است 500 سیستم گازساز زیست توده برای منبع تغذیه غیرمتمرکز، هر کدام به 50 تا 200 خانوار با استفاده از بقایای کشاورزی موجود در محل خدمت می کنند.
گاز سنتز خام حاصل از گازسازهای زیست توده حاوی آلاینده هایی است که قبل از استفاده در موتورها، توربین ها یا راکتورهای شیمیایی باید حذف شوند. قطران مشکلسازترین آلاینده است - در لولهها، فیلترها و دریچههای موتور متراکم میشود و باعث انسداد و آسیب به تجهیزات میشود.
هنگامی که با منبع زیست توده پایدار مدیریت می شود، تبدیل به گاز زیست توده به طور گسترده به عنوان یک فناوری انرژی کم کربن شناخته می شود. چندین معیار محیطی مزایای آن را نشان می دهد:
علیرغم پتانسیل قابل توجهی که دارند، گازسازهای زیست توده با چالشهای عملی روبرو هستند که باید برای عملکرد قابل اعتماد و طولانی مدت در مقیاس تجاری مورد توجه قرار گیرند.
زیست توده ذاتاً ناهمگن است. تغییرات در رطوبت، اندازه ذرات و ترکیب شیمیایی در دستهها باعث نوسان در کیفیت گاز سنتز و پروفایلهای دمای گازساز میشود. ایجاد یک زنجیره تامین زیست توده قابل اعتماد در طول سال در یک شعاع حمل و نقل اقتصادی (معمولا 50-100 کیلومتر برای مواد اولیه با چگالی کم) اغلب پیچیده ترین چالش توسعه پروژه است.
تعمیر و نگهداری مرتبط با قیر - تمیز کردن مبدلهای حرارتی، فیلترها و اجزای موتور - به حساب میآید 30 تا 40 درصد کل هزینه های عملیاتی و نگهداری (O&M). در سیستم های بهینه سازی ضعیف پروژه هایی که الزامات مدیریت قطران را دست کم می گیرند، اغلب با زمان توقف برنامه ریزی نشده و گرانی هزینه مواجه می شوند.
عملکرد گازیفایر نشان داده شده در مقیاس آزمایشی همیشه به صورت خطی به سیستم های بزرگتر ترجمه نمی شود. دینامیک جریان، گرادیان دما، و راندمان ترک خوردگی قیر با حجم راکتور تغییر میکند و نیاز به اعتبارسنجی مهندسی دقیق در هر مقیاس دارد. چندین پروژه پرمخاطب در مقیاس تجاری گازسازی زیست توده در اروپا و آمریکای شمالی به دلیل مسائل مربوط به افزایش مقیاس رها شده یا به طور قابل توجهی به تعویق افتاده است.
هزینه های سرمایه ای نصب شده برای سیستم های گازرسانی زیست توده حدوداً متغیر است 2000 تا 5000 دلار به ازای هر کیلووات خروجی برق برای سیستم های مقیاس کوچک و 1500 تا 3000 دلار در هر کیلو وات برای گیاهان بستر سیال بزرگ - بالاتر از سیستم های احتراق ساده با ظرفیت معادل. تجهیزات تمیز کردن گاز سنتز (اسکرابرها، فیلترها، اصلاح کننده های کاتالیزوری) معمولاً 25 تا 40٪ از کل هزینه سرمایه را تشکیل می دهند.
انتخاب یک گازساز زیست توده شامل تطبیق فناوری با مواد اولیه، مقیاس و کاربرد نهایی است. معیارهای تصمیم گیری زیر یک چارچوب عملی را ارائه می دهند: