Wat is een biomassavergasser en hoe werkt deze?

Wat is een biomassavergasser

A biomassa vergasser is een reactor die vast organisch materiaal zoals houtsnippers, rijstschillen of landbouwafval omzet in een brandbaar gasmengsel dat productiegas (of syngas) wordt genoemd door gedeeltelijke verbranding in een zuurstofarme omgeving. In plaats van de biomassa volledig te verbranden, beperkt de vergasser de zuurstoftoevoer tot grofweg 20-40% van wat volledige verbranding nodig zou hebben waardoor het materiaal wordt afgebroken tot koolmonoxide, waterstof, methaan en andere gassen die vervolgens kunnen worden verbrand in een motor, turbine of brander.

Dit is praktisch van belang omdat het industrieën en plattelandsvoorzieningen in staat stelt afvalmateriaal dat anders zou worden weggegooid, zoals oogstresten of houtafval, om te zetten in bruikbare warmte of elektriciteit. Een goed ontworpen neerwaartse vergasser die op droge houtsnippers draait, kan een koudgasrendement van 70-85% , wat betekent dat het grootste deel van de oorspronkelijke energie-inhoud van de biomassa bruikbaar wordt in het uitgangsgas in plaats van verloren te gaan als warmte tijdens de conversie.

Hoe biomassavergassing werkt

In een vergasser beweegt biomassa door vier verschillende thermochemische zones terwijl het naar beneden gaat of door de reactor gaat. Het begrijpen van deze fasen verklaart waarom het vochtgehalte en de deeltjesgrootte van de grondstof zo belangrijk zijn voor de algehele prestaties.

Droogzone

Bij 100-200°C verdampt het vocht dat in de biomassa zit voordat enige chemische afbraak begint. Grondstof met een vochtgehalte van meer dan 25% dwingt de vergasser om een ​​onevenredig groot deel van zijn warmte te besteden aan het drogen van materiaal, waardoor de bruikbare gasproductie afneemt.

Pyrolysezone

Tussen 200 en 600 °C ontleedt de gedroogde biomassa thermisch zonder zuurstof, waarbij vluchtige gassen vrijkomen en verkoling achterblijft. In deze fase worden de meeste teerverbindingen geproduceerd die later in het gasreinigingssysteem moeten worden beheerd.

Verbrandingszone

De beperkte lucht die hier wordt geïnjecteerd, verbrandt een deel van de kool en vluchtige stoffen, waardoor temperaturen ontstaan van 1.000-1.200°C die de endotherme reductiereacties veroorzaken die net daaronder plaatsvinden.

Reductiezone

Bij 700-900°C reageren kooldioxide en waterdamp met de resterende houtskool en vormen koolmonoxide en waterstof, de twee gassen die het productiegas het grootste deel van zijn brandstofwaarde geven.

Soorten biomassavergassers

Vergassers worden voornamelijk geclassificeerd op basis van de manier waarop lucht en brandstof ten opzichte van elkaar door de reactor bewegen. Elk ontwerp heeft verschillende afwegingen wat betreft teerproductie, schaalgeschiktheid en tolerantie voor grondstoffen.

Voor de opwekking van elektriciteit via een motor, Downdraft-vergassers zijn het meest gebruikte ontwerp omdat hun lage teerproductie de belasting van gasreinigingsapparatuur vermindert en motoronderdelen beschermt tegen vervuiling.

Grondstofopties en hun prestaties

Niet alle biomassa presteert even goed in een vergasser. Het vochtgehalte, het asgehalte en de calorische waarde bepalen samen hoeveel bruikbaar gas een bepaalde grondstof zal produceren.

Als praktische regel geldt dat de grondstof tot onder de grond moet worden gedroogd 20% vochtgehalte voordat het de meeste neerwaartse vergassers binnengaat, omdat natter materiaal de calorische waarde van het gas verlaagt en de verbrandingszone tijdens bedrijf volledig kan doven.

Producent Gassamenstelling en energieopbrengst

Het gas dat een biomassavergasser verlaat, is een mengsel van brandbare en inerte componenten. De exacte verhouding hangt af van het ontwerp van de grondstof en de vergasser, maar de typische downdraft-opbrengst valt binnen een redelijk consistent bereik.

Door deze samenstelling heeft het producentengas een calorische waarde van ongeveer 4,5-5,5 MJ/Nm³ , veel lager dan aardgas, maar nog steeds voldoende om een motor met elektrische ontsteking te laten draaien wanneer deze wordt geleverd in de juiste lucht-brandstofverhouding, waarbij doorgaans vereist is dat de motoren met 20-30% worden verlaagd in vergelijking met hun nominale aardgasproductie.

Toepassingen van biomassavergassers

Produceergas uit een biomassavergasser kan op verschillende manieren worden gebruikt, afhankelijk van de schaal en het einddoel van de installatie.

• Opwekking van elektriciteit – producentengas voedt een aangepaste verbrandingsmotor die is aangesloten op een generator, gebruikelijk in systemen van 10 kW tot 2 MW
• Thermische toepassingen – directe verbranding van productiegas in ovens, ovens of ketels voor industrieën zoals de baksteenproductie, het drogen van voedsel en de textielverwerking
• Gecombineerde warmte en kracht (WKK) – restwarmte van het uitlaat- en koelsysteem van de motor wordt opgevangen voor drogen of ruimteverwarming naast de elektriciteitsproductie
• Landelijk koken en gemeenschappelijke microgrids – kleine vergassers met een vast bed leveren kookgas of elektriciteitsgeïsoleerde gemeenschappen die niet zijn aangesloten op een nationaal elektriciteitsnet
• Syngas-naar-chemicaliën – in grotere wervelbedsystemen kan het productiegas via extra katalytische stappen verder worden verwerkt tot methanol of synthetische brandstoffen

Hiervan blijft gedistribueerde energieopwekking in het bereik van 100 kW tot 1 MW de meest voorkomende commerciële toepassing, vooral voor faciliteiten zoals rijstmolens of zagerijen die ter plaatse al biomassa-afval genereren als bijproduct.

Belangrijke prestatiestatistieken om te evalueren

Bij het vergelijken van vergassingssystemen of leveranciers geeft een handvol meetgegevens aan of een bepaald ontwerp betrouwbaar zal presteren onder reële bedrijfsomstandigheden, in plaats van alleen onder ideale laboratoriuminstellingen.

Koudgasefficiëntie

Deze meet het percentage biomassa-energie-inhoud dat in het gekoelde, gereinigde productiegas terechtkomt. Goed ontworpen afzuigsystemen reiken 70-85% terwijl slecht geïsoleerde of te grote eenheden onder de 60% kunnen komen.

Specifieke vergassingssnelheid

Uitgedrukt in kg biomassa die per uur wordt verbruikt per vierkante meter reactordoorsnede, bepaalt dit hoe compact een vergasser kan zijn voor een gegeven vermogen, doorgaans variërend van 100-300 kg/h/m².

Turndown-ratio

Dit geeft aan in hoeverre de productie kan worden verlaagd ten opzichte van de piekcapaciteit terwijl een stabiele vergassing behouden blijft, waarbij de meeste ontwerpen met een vast bed een 3:1 tot 4:1 turndown-verhouding voordat de gaskwaliteit verslechtert.

Gemeenschappelijke operationele uitdagingen en oplossingen

De meeste ondermaatse prestaties van vergassers zijn terug te voeren op een handvol terugkerende operationele problemen, die allemaal een beproefde mitigatieaanpak kennen.

1. Teervervuiling in stroomafwaartse apparatuur, aangepakt met een meertrapsreinigingstrein die cycloonafscheiders, waterwassers en doekfilters combineert
2. Inconsistent vochtgehalte van de grondstof, aangepakt door biomassa voor te drogen tot een bepaald doelbereik met behulp van afvalwarmte die wordt teruggewonnen uit de vergasser of de uitlaatgassen van de motor
3. As- en klinkervorming bij hoge temperaturen, aangepakt door grondstoffen te selecteren met een asgehalte van minder dan 5% en een roterend rooster te installeren voor asverwijdering
4. Overbruggen en kanaliseren van brandstof in de trechter, aangepakt door middel van de juiste deeltjesgrootte (doorgaans 20-100 mm) en mechanische roersystemen
5. Motorslijtage door resterende deeltjes, aangepakt door een laatste fase van fijne filtratie toe te voegen voordat het gas de motorinlaat bereikt

Faciliteiten die een goede gasreinigingstrein overslaan, melden dat de onderhoudsintervallen van de motoren korter zijn dan normaal 4.000-6.000 bedrijfsuren tot minder dan 1.000 uur , waardoor het reinigingssysteem een van de meest waardevolle investeringen in de hele installatie is.

Kosten- en terugverdientijdoverwegingen

De kapitaalkosten voor een compleet energiesysteem voor biomassavergassing, inclusief de vergasser, de gasreinigingstrein en de motor-generatorset, variëren doorgaans van $ 800 tot $ 1.500 per kW van de geïnstalleerde capaciteit, waarbij kleinere systemen hogere kosten per kW met zich meebrengen vanwege de overhead van vaste apparatuur.

De bedrijfskosten worden gedomineerd door de verwerking en voorbereiding van de grondstoffen, en niet door de grondstoffen zelf wanneer afvalbiomassa ter plaatse wordt gebruikt, aangezien het materiaal effectief vrij kan zijn terwijl het drogen, versnipperen en transporteren het grootste deel van de lopende kosten voor hun rekening nemen. Voor faciliteiten die de dieselopwekking vervangen, gelden terugverdientijden van 2 tot 4 jaar Er wordt vaak gerapporteerd dat de dieselkosten hoger zijn dan $ 0,80 per liter en dat er al een gestage afvalstroom van biomassa beschikbaar is.

Hoe u het juiste biomassavergassersysteem kiest

Het selecteren van een geschikt systeem hangt af van het afstemmen van het ontwerp en de schaal van de vergasser op de beschikbare grondstoffen en het beoogde eindgebruik, in plaats van te kiezen op basis van alleen capaciteit.

• Controleer of het type vergasser overeenkomt met uw dominante grondstof; los materiaal met een lage dichtheid, zoals rijstschillen, heeft vaak een wervelbed nodig in plaats van een afzuigunit met een vast bed
• Controleer of de leverancier een volledige specificatie voor de gasreinigingstrein levert, en niet alleen de vergassingsreactor, aangezien de behandeling van teer de werkelijke betrouwbaarheid bepaalt
• Vraag actuele gegevens over de koudgasefficiëntie op van een referentie-installatie die vergelijkbare grondstoffen gebruikt, in plaats van alleen op theoretische ontwerpcijfers te vertrouwen
• Beoordeel de consistentie van het grondstoffenaanbod het hele jaar door, aangezien seizoensgebonden landbouwresten opslagcapaciteit of een secundaire grondstof nodig kunnen hebben om stilstand te voorkomen
• Controleer vooraf de motorcompatibiliteit en de reductievereisten, aangezien niet alle diesel- of gasmotoren zonder aanpassingen overstappen op productiegas

Systemen die vanaf het begin correct zijn gedimensioneerd en afgestemd op de kenmerken van de grondstoffen, presteren consequent beter dan de systemen die alleen op basis van capaciteitsaantallen zijn geselecteerd, omdat de prestaties van de vergasser veel gevoeliger zijn voor de brandstofkwaliteit dan de meeste andere technologieën voor de opwekking van thermische energie.