Pienen kokoluokan kaasutustekniikan kehityspolku VTT Seminaari: Puuhakkeesta sähköä ja lämpöä pienen kokoluokan kaasutustekniikan kehitys ja tulevaisuus Ilkka Hiltunen, VTT 13.6.2013
2 Pienimuotoinen CHP-tekniikka: Puupohjaisten polttoaineiden kaasutus ja moottorivoimalaitos Sovellukset Kokoluokka 0-10 MW th, suuri potentiaali sähköä 20-30 %, sähkö + lämpö n. 80 % Pienet kaukolämpölaitokset Sahat ja muu mekaaninen metsäteollisuus Pienimmässä kokoluokassa maatilat Kehitysmaiden ja kehittyvien maiden markkinat T&K-työ ja eri tekniikat Useita myötävirtakaasuttimia yksinkertainen puhdistus Perusreaktorin eri versiot, 2-vaiheiset, muut viritelmät Novel-kiinteäkerroskaasutin tai leijukerroskaasutus sekä monimutkaisempi kaasun puhdistus suurempi kokoluokka Vastavirtakaasutus ja monivaiheinen kaasun pesu
3 Puupohjaisesta biomassaa käyttävät eri CHP teknologiat Mikro kokoluokan sovellukset (alle 100 kwe) Stirling moottori ( el 7-14 %) Mikroturbiini ( el 10-20 %) Kiinteäkerroskaasutus + kaasumoottori ( el 20-25 %) Pienen kokoluokan sovellukset (200-2000 kwe) ORC ( el 10-15 %) Höyrykone ( el 5-12 %) Mikroturbiini ( el < 20 %) Kiinteäkerroskaasutus + kaasumoottori ( el 20-30 %) Suuren kokoluokan sovellukset (yli 2000 kwe) Höyryturbiini ( el 20-30 %) Leijukerroskaasutus + kaasumoottori ( el ~30 %)
4 Kaasutusreaktorit VASTAVIRTA (updraft fixed bed) teho < 10 MWth polttoaineen palakoko 10-100 mm kostea polttoaine < 50 p-% kaasun lämpötila < 300 C tervainen kaasu, > 100 g/m3n MYÖTÄVIRTA (downdraft fixed bed) teho < 2 MWth polttoaineen palakoko 10-100 mm kuiva polttoaine < 25 p-% kaasun lämpötila < 800 C puhdas kaasu ainakin pilkkeestä LEIJUKERROS (fluidised bed) teho > 20 MWth polttoaineen palakoko <10 mm kaasun lämpötila < 800 C tasainen lämpötilajakauma PÖLYVIRTAUS (entrained flow) teho > 100 MWth polttoaineen palakoko <0.1 mm kivihiili, happikaasutus kaasutuslämpötila 1300-1700 C kaasutuspaine yleensä > 20 bar
5 Kaasutusreaktorit pieneen kokoluokkaan Myötävirtakaasutin (downdraft fixed bed) teho < 2 MWth polttoaineen palakoko 10-100 mm kuiva polttoaine < 25 p-% kaasun lämpötila < 800 C puhdas kaasu ainakin pilkkeestä lukumääräisesti yleisin, häkäpönttö Useimmiten vapaasti hengittävät moottorit ja alle 200 kwe useita kehityshankkeita käynnissä Suomessa ja EU-alueella: - Itävalta, Saksa, Sveitsi, Pohjois-Irlanti, Tanska - Volter ja Gasek Suomessa - häkäpönttöautoilijat ja alan harrastajat KUIVUMINEN PYROLYYSI HAPETTUMINEN PELKISTYMINEN POLTTOAINE ILMA TUOTE- KAASU
6 Myötävirtakaasutin (downdraft fixed bed) Polttoaine syötetään ylhäältä ja tuhka + reagoimaton hiiltojäännös poistetaan pohjalta Ilma johdetaan yleensä keskelle suoraan kuumaan palamisvyöhykkeeseen Tervat ja muut pyrolyysituotteet kulkevat läpi hapettumisvyöhykkeen ja kuuman jäännöshiilipatjan Hapettuminen (ja krakkautuminen) alentavat tervojen pitoisuuden ideaalikaasuttimessa erittäin alhaiseksi (alle 100 mg/m3n) => olennaista on ilman ja tervojen kontakti ja kanavoitumisen välttäminen => käytännössä ei onnistu MW-kokoluokassa Palamisvyöhykkeestä poistuva kaasu pelkistyy alimman kerroksen hiilipatjassa => kaasutusreaktiivisuus rajoittaa hiilikonversiota Poistuva kuuma kaasu johdetaan yläosan vaippatilan kautta jossa se luovuttaa lämpöä kuivumiseen ja pyrolyysiin => lämmönsiirto rajoittaa ja skaalaus ei onnistu KUIVUMINEN PYROLYYSI HAPETTUMINEN PELKISTYMINEN POLTTOAINE KAASU ILMA
7 Perinteisen myötävirtakaasuttimen kaaviokuva Imbert kaasutin, Georges Imbert v. 1924
8
9 Perinteisen Imbert-kaasuttimen ongelmat ja rajoitteet Rakenne ja kurkku rajoittavat polttoainepohjaa pitää olla pilkettä joka valuu hyvin Ei voi skaalata suureen kokoluokkaan, koska reunoilta puhallettava ilma ei tunkeudu riittävästi petiin tervattomuus perustuu pitkälti hapettumiseen Yritykset rakentaa suurempia MWkokoluokan kaasuttimia ovat johtaneet todella korkeisiin tervapitoisuuksiin Polttoaineen tuhka ja hienoaines tukkivat helposti kaasuttimen kurkun ja hiilipedin petiä on liikuteltava jollain tapaa Tuhkaa sisältävillä polttoaineilla tuhkan poiston yhteydessä poistuu samalla runsaasti reagoimatonta puuhiiltä Tuhkan sulamista on vaikea hallita
10 Ilmanjako onnistuu pienessä kaasuttimessa oikein mitoitettujen suuttimien kautta Pyrolyysituotteet ja ilma kohtaavat tehokkaasti Halkaisijan kasvattaminen johtaa ongelmiin 1980-luvulla VTT:llä oli muurattu myötävirtakaasutin, jossa osa ilmasta johdettiin arinaan kiinnitetyn pyörivän putken kautta reaktorin keskelle ja osa ilmasta reunoilta suuttimien läpi
11 Sulkusyötin VTT:n myötävirtakaasutin 1980-luvulta Muurattu alaosan rakenne Polttoainesäiliö T 5 Osa ilmasta pyöritettävän keskiputken kautta Suunniteltu kapasiteetti 500 kw kokeet käytännössä 150-300 kw tehoilla Ilma reaktoriin T 2 T 4 Reaktoriosa Tuhkan poisto T 1 T 3 T 6 Kaasu ulos Kokeita sekahakkeella ja palaturpeella Ongelmia: Pedin pakkautuminen Arinan pyöritys ja tuhkan poisto heilauttivat prosessia => korkeat tervapitoisuudet Tervataso hakkeella 1-2 g/m 3 n ja pesurin jälkeen 200-300 mg/m3n (haihdutusjäännös 105 o C)
12 Martezo-kaasuttimen mittaukset Italiassa 1990-luvulla Wood Sampling point A Sampling point B Sampling point C Scrubber Cooler t 1 t, P 1 2 Saw dust + clothe filter Condensate Gas Tank Air t, P 3 3 Bottom ash Cyclone dust Gas to engine Waste wate Project: JOR3-CT97-0168 Partners: VTT Energy, Finesport, Antiche Terre, Condens Test rig: Martezo downdraft gasifier, Perugia, Italy 1998 Suunniteltu moottoriteho 100 kw ja kaasutusteho noin 500 kw Käytännössä kokeet tehtiin n. 30-40 % teholla ei toiminut suuremmalla kunnolla Ajettiin lyhyehköjä 12 tunnin ajoja suodatin tukkeutui muutaman päivän jälkeen
13 Martezo-kaasutin Perinteinen myötävirta Polttoaineesta haihtuvan veden kondensointi vesijäähdytetyn seinämän avulla Tyylikkään näköinen show-case-laite
14 Table 3. Average gas composition (vol-%) in the test runs. Run H2 CO CO2 CH4 mean STDV mean STDV mean STDV mean STDV 13.5. 14.9 2.8 19.2 1.4 12.9 1.3 1.9 0.5 14.5. 17.5 2.8 19.0 1.2 12.7 2.1 1.9 0.5 15.5. 16.5 1.9 18.4 1.1 13.5 1.1 1.7 0.3 16.5. 12.7 1.7 16.7 1.9 13.2 1.7 1.6 0.3 18.5. 11.7 2.0 16.7 1.9 14.6 1.2 2.1 0.4 19.5. 12.2 2.5 17.9 2.1 13.6 1.2 2.0 0.4 Concentration (mg/m3n) 2,000 1,500 1,000 500 0 A B C Measuring point Benzene Tars PAC Figure 3. Tar content of gas after gasifier (A), after water scrubber (B) and after saw-dust filter (C).
15 Erilaisia tapoja toteuttaa myötävirtakaasutuksen periaate ja pyrkiä välttämään samalla rakenteen asettamat rajoitukset - eli pyrolyysituotteiden tehokas hapettaminen tai hajottaminen jo kaasuttimen yhteydessä
16 Kiinassa 1960-luvulla kehitetty riisinkuorta polttoaineena käyttävä opentop kaasutin 1 Kaasutusilma avoimesta yläosasta, pyritään hitaaseen hapettumiseen pedissä Kuumavyöhyke pyrkii vaeltamaan pedissä, peti palaa puhki, räjähdysvaara Ei kavennusta kaasuttimessa, polttoaine valuu paremmin Tervojen hapettuminen ei yhtä tehokasta kuin Imbert kaasuttimessa 10 4 9 5 6 300mm 600mm 11 1000mm 14mm 12 12 10 2 3 7 8 1. Fuel and air inlet 4. Gas outlet 7. Ash-settling pond 10. Cooling-water effluent 2. Cooling water jacket 5. Rotary grate 8. Ash-remorving tube 11. Gas 3. Furnance-grate reduction box 4. Gas outlet 9. Cooling-water intake 12. Ash Source: Hubert Stassen, 1995
17 USA:ssa 1980-luvulla kehitetyssä ns. stratified-kaasutin
18 Open-core/Stratified-kaasutimen toimintaperiaate ja haasteet Ilma ja polttoaine syötetään yhdessä kaasuttimen yläosan kautta. Tällä tavoitellaan flaming-pyrolyysiä, jossa pyrolyysituotteet hapettuvat hiiltyvässä polttoainekerroksessa ja tuovat samalla prosessin tarvitseman lämmön. Kanavoituminen on ollut ongelmallista etenkin, kun reaktorihalkaisijaa on suurennettu tai on siirrytty epähomogeenisiin polttoaineisiin Hapettumiskerroksen stabiilius. Hapettuminen siirtyy helposti ylöspäin, jolloin tervapitoisuus kasvaa huomattavasti ja lähestytään vastavirtakaasutusta. Myöskään alaspäin siirtyminen ei ole hyvä, koska silloin kaasutusvyöhyke jää lyhyeksi eikä kunnon kaasua saada. Käytännössä intensiivinen hapettuminen helposti vaeltaa edestakaisin polttoainekerroksessa. Räjähdykset kaasuttimen yläosassa, jonne ilman sekaan joutuu ajoittain pyrolyysikaasuja. Lämpötila on alhainen jolloin ei tapahdu hallittua syttymistä vaan räjähdys. Tuhkan poiston ongelma, koska kaasuttimen moitteeton toiminta edellyttää pelkistysvyöhykkeenä toimivan koksipedin olemassaoloa Poistetaan tuhkan mukana runsaasti koksia Toisena vaihtoehtona on pedin tukkeutuminen kun hienoa koksipölyä kertyy petiin ja arinalle
19 Esimerkkejä stratified-kaasuttimista Buck Rogers B C A Testattu MW kokoluokassa 1980-luvulla. Kaasutusilma avoimesta yläosasta ja reaktorin keskellä pyörivän agitaattorin kautta Pyritään stabiloimaan kuumavyöhyke haluttuun kohtaan Ilman jakaminen ja säätö haasteellista Lähde: US patent 4 583 992, 1986
20 Esimerkkejä stratified-kaasuttimista SERI- kaasutin 1980-luvulta Paineistettu kaasutin, jolla tavoiteltiin synteesikaasua ei johtanut teollisiin sovelluksiin Polttoaine syötetään ylhäältä Happi (ilma) johdetaan usean suutintason kautta polttoainekerrokseen. Ensimmäinen syöttöpiste PA-kerroksen yläpuolella Lämpötilan hallinta perustuu happisyöttöjen säätöön
21 Tervan polttoon perustuvan kaasuttimen perustyyppi ns. DeLaCotte-kaasutin Kaasuttimen yläpää vastavirtaperiaatteella ja alapää myötävirtaperiaatteella Yläpään tervaiset pyrolyysikaasut imetään ejektorilla tai puhaltimella erilliseen polttokammioon Polttovaiheen kuumat kaasut johdetaan kaasuttimen keskelle Alakaasu pelkistyy jäännöshiilipedissä Virtausten hallinta haastavaa
22 900 C 930 C 600 C 800 C 500 C 950 C. Michel-Kim-kaasutin Polttoaine syötetään alhaalla olevaan primäärikaasuttimeen, jossa se pyrolysoituu. Lämpö tuotetaan polttamalla osa koksista esilämmitetyllä ilmalla. Primäärivaiheen kaasut ja hiilipöly johdetaan välikaasuttimeen, jossa sekundääri-ilmasyötön avulla nostetaan lämpötila tervojen hajottamiseksi tasolle 950 o C Kaasut poistuvat sekundäärikaasuttimeen, jonne myös kaasun mukana olevat koksihiukkaset laskeutuvat pohja-arinalle. Tässä tapahtuu jäännöshiilen kaasutusta ja kaasun lämpötila alenee reaktiivisuuden määräämälle tasolle.
23 Wamsler-kaasutin Kaasuttimen yläosa on tavanomainen myötävirtakaasutin Jäännöshiili valuu keskellä olevan kartioarinan sivuilta alempaan petiin, jossa tapahtuu jäännöshiilen loppuun kaasutus Patentin mukaisessa järjestelyssä alaosa toimii leijukerrosperiaatteella Vastaavia ratkaisuja on esitetty jossa alaosa on vastavirtatyyppinen kiinteäkerros Perusajatuksena on parantaa myötävirtakaasuttimen hiilikonversiota
24 VTT Novel (1999) Yhdistetty vastavirta- ja myötävirtakaasutin Alaosan vastavirta-periaatteen takia hyvä hiilikonversio Sekundääri-ilmaa 3-4 suutintason kautta suurella nopeudella Osa suuttimista tangentiaalisia Ensimmäinen ilmansyöttö välittömästi polttoainepinnan yläpuolelle ilmaa myös polttoainesyötön mukana keskiputken kautta Lämpötilan nousu vähitellen ilmasyötön mukana Kaasuttimen jälkeen katalyyttinen reformeri
25 Novel power plant: 1.8 MWe + 3.3 MW heat Supplier: Condens Oy Kokemäki, Finland Tar reformer Scrubber Novel gasifier Gas cooler and Filter Gas engines
26 Tanskalainen Viking-kaasutin Hyviä käyttökokemuksia pieneltä korkeakoulun demolaitokselta Ruuvikuivurin ja -pyrolysaattorin skaalaus ei ole helppoa lämmönsiirto rajoittaa Myös palamisvyöhykkeen teho parempi pienessä reaktorissa Alaosan kaasutusvyöhyke vastaa perinteistä myötävirtakaasutinta huono hiilikonversio ja/tai pedin pakkautuminen
27 Kaasutus CHP voimalaitos, Tanska, Skive Carbona-Andritzin suomalaisen ja kansainvälisen kehitystyön tulos 6 MW POWER 12 MW DISTRICT HEAT BIOMASS GASIFIER TAR REFORMER SKIVE PROCESS DIAGRAM GAS FILTER GAS SCRUBBER 2 BOILERS TO STACK FLY ASH 2x10 MWth DISTRICT HEATING 12 MWth WATER AIR/STEAM GAS BUFFER TANK POWER 3x2 MWe BFB GASIFIER BOTTOM ASH GAS COOLERS 3 GAS ENGINES WOOD PELLETS FLARE 2 GAS BOILERS Lähde: Carbona/Andritz 3 GAS ENGINES 3 GAS ENGINES
28 Kaasutus CHP voimalaitos, Itävalta,Güssing Gussingin demo laitos: Polttoaineteho 8 MW Sähköteho 2 MW Electrical eff. 25 % Thermal eff. 56,3 % Investointi 10 M, Euroopan komission ja kansallista tukea 60 % Teknologian kehitys: TUW- 10 kw 1993-1996 TUW - 100 kw 1997-2002 Gussing/Demo 2002-2004 Commercial 2004 => Source: TU Vienna, Austria
29 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa