Biomassa di microturbines

Sebuah uji coba yang melibatkan Xcel Energy bertujuan untuk mengatasi beberapa tantangan utama biomassa hadiah.
oleh Phillip Hutton, Ph.D., Manajer Penelitian, Universitas North Dakota, Pusat Penelitian Energi & Lingkungan
Diterbitkan di: Agustus 20, 2010

Tulsa - Sebagai kekhawatiran tentang peningkatan perubahan iklim global, banyak pemerintah di dunia yang mewajibkan pemanfaatan peningkatan biomassa dalam portofolio energi mereka. Banyak utilitas yang mengikuti, membangun pembangkit listrik biomassa atau co-pembakaran biomas dengan batubara untuk mengurangi jejak karbon mereka.


Namun, karakteristik unik dari biomassa memberikan kesempatan terbatas untuk co-menembak dan produksi listrik terpusat biomassa. Tidak seperti batubara, yang memiliki kepadatan energi yang tinggi dan dapat ditambang en massa dari satu lokasi, biomassa umumnya sangat terdistribusi dan memiliki kepadatan energi yang rendah. Hal ini membatasi potensi co-menembak dan produksi listrik terpusat biomassa untuk sebagian kecil dari biomassa yang tersedia di seluruh dunia. Pengangkutan biomassa untuk co-menembak menjadi penghalang ekonomi luar radius sekitar 50 mil dari pembangkit listrik. Untuk produksi listrik biomassa terpusat, pabrik harus bersama-berlokasi dekat dengan sumber biomassa besar siap tersedia, seperti pabrik kertas atau penggergajian besar.

Daun ini mayoritas potensi sumber daya biomassa non-ekonomis untuk konversi daya. Di AS, hingga 6.000 GWh kekuatan potensi biomassa setiap tahun tersebut dilepas. Mengembangkan teknologi yang dapat memanfaatkan sumber daya ini memberikan manfaat ekonomi dan lingkungan dual. Pembuangan biaya berkurang dan penjualan listrik menyediakan sumber pendapatan sekunder. Dari perspektif lingkungan, bukan hanya ruang TPA berkurang, tapi emisi dari transportasi biomassa untuk TPA dieliminasi dan daya dihasilkan dengan nol emisi gas rumah kaca bersih.

Namun, sistem boiler konvensional adalah non-ekonomis dalam ukuran di bawah sekitar 10 MW. Pengembangan sistem kekuasaan didistribusikan, dioptimalkan untuk produksi listrik sebesar 1 MW sampai 5 MW, akan menyediakan teknologi yang memungkinkan untuk memanfaatkan sumber daya biomassa di dekat titik produksi sumber daya.

Hambatan Pasar Biomassa

Kunci untuk mengembangkan sistem terdistribusi biomassa komersial kekuasaan terletak pada pemahaman karakteristik pasar, mendesain sistem tenaga listrik yang mengatasi banyak hambatan pasar dan memaksimalkan keuntungan. Hambatan utama pasar biomassa adalah:

    * Sumber daya biomassa biasanya sangat terdistribusi dan memiliki kepadatan energi yang rendah. Hal ini membuat biaya transportasi tidak ekonomis di luar sekitar 50 mil.
    * Karakteristik fisik dan kimia dari biomassa bervariasi secara signifikan dari sumber ke sumber. Tidak ada sistem turnkey saat ini ada yang dapat memanfaatkan berbagai jenis biomassa.
    * Biomassa produsen tidak perusahaan energi dan tidak ingin menjadi satu. Selain itu, rasio biaya operasi dan pemeliharaan (O & M) untuk produksi listrik yang relatif tinggi terhadap sistem kekuasaan yang jauh lebih besar terpusat. sistem Power membutuhkan pelatihan khusus. Prospek mempekerjakan insinyur dan teknisi tambahan khusus untuk sistem yang dapat menghilangkan laba atas investasi untuk produsen.
    * Berlaku sistem gasifikasi atau pembakaran dapat menghasilkan jenis emisi dan limbah, seperti SO2 dan ter, yang membutuhkan biaya tambahan untuk mengurangi atau membuang.

Hambatan yang menakutkan dan telah menahan pemanfaatan sumber daya biomassa. Namun, ada karakteristik unik dari pasar ini yang dapat diberi hak-teknologi-membuatnya menguntungkan. Ini termasuk:

    * Pasar untuk energi terbarukan tumbuh pada rata-rata 50 persen per tahun, tanpa tanda meratakan off dalam waktu dekat. Banyak negara bagian di AS memiliki tujuan yang ditetapkan untuk mengganti hingga 40 persen dari penggunaan energi mereka pada tahun 2025 dengan energi terbarukan.
    * Para ekonomi energi terbarukan menjadi semakin lebih menguntungkan dengan pasar yang baru muncul dalam kredit energi terbarukan, karbon, kredit produksi dan kredit penghindaran pajak metana.
    * Power sistem co-terletak dekat sumber produksi residu biomassa dapat memperoleh bahan bakar dengan biaya minimal dan, dalam beberapa kasus, untuk keuntungan sedikit jika produsen biomassa saat ini membayar untuk membuang bahan bakar.
    * Tidak ada teknologi yang bersaing dalam ruang pasar.

Merancang Biomassa Power Systems

Untuk mengambil manfaat dari karakteristik unik filosofi desain yang tepat diperlukan. Dan itu adalah penekanan dari sistem tenaga biomassa saat ini sedang dikembangkan di University of North Dakota Energi & Lingkungan Research Center, dengan dana proyek yang diberikan oleh pelanggan Xcel Energy melalui hibah dari Dana Pembangunan Terbarukan. Persyaratan sistem, dalam urutan kepentingan, adalah kehandalan dan keselamatan, operasi dan biaya perawatan yang rendah, fleksibilitas bahan bakar dan biaya modal.

Perhatikan bahwa satu hal yang hilang dari daftar ini adalah efisiensi. studi ekonomi telah menunjukkan bahwa efisiensi adalah pertimbangan sekunder dengan persyaratan lainnya. Untuk biomassa residu, di mana biaya biomassa rendah atau bahkan bebas, mempengaruhi efisiensi sistem ekonomi hanya jika secara substansial meningkatkan sistem O & M dan biaya modal.

Memahami kepentingan relatif dari karakteristik ini membantu frame kendala sekitar jenis sistem sedang dikembangkan. Persyaratan untuk kehandalan dan keamanan sebagian besar aturan keluar gasifiers tinggi-tekanan dan boiler. Hal ini juga berarti sistem harus dioperasikan cukup jauh dari pusat penduduk dan fasilitas sehingga setiap hasil yang tak terduga bencana kegagalan kerusakan minimal di luar sistem.

Persyaratan untuk O & M disfavors rendah penggunaan genset pembakaran internal. Hal ini memerlukan pemeliharaan sering bila dioperasikan terus menerus dan harus bersama-berapi dengan slipstream gas alam atau diesel untuk operasi yang handal di syngas. Kebutuhan untuk fleksibilitas bahan bakar berarti sistem pakan yang harus diberi prioritas yang sama sebagai bagian dari sistem. Ini sering merupakan pertimbangan sekunder. Namun, selama operasi sekitar dua-pertiga dari masalah yang membutuhkan sistem shutdown karena aliran material melalui sistem pakan dan gasifier.

Turbin gas mikro dan Biomass gasifier

Dengan kendala dalam pikiran, Xcel Energi dan EERC sedang mengembangkan sebuah 30 kW biomas skala pilot sistem tenaga yang menggabungkan turbin gas mikro dan gasifier biomassa. Pekerjaan dimulai dengan mendesain ulang lengkap dari sistem pakan. Masalah dihadapi dengan sistem pakan sering termasuk bridging (ketika biomassa dibiarkan untuk terjun bebas dalam hopper atau pipa vertikal) dan menghubungkannya (ketika biomassa didorong melalui pipa horisontal). Feed masalah sistem dihilangkan dengan memastikan bahwa semua drop vertikal diminimalkan dan, jika tidak dapat dihindari, bahwa setiap perpipaan digunakan terjun bebas atau hopper kerucut menyimpang dari atas ke bawah. Pinch poin dirancang untuk sedekat mungkin dengan augers bawah mungkin untuk memungkinkan bor untuk mengganggu menjembatani sebelum bisa dimulai. Makanan melalui augers dan masuk ke gasifier itu dilakukan dengan augers besar diarahkan ke rpm rendah untuk torsi maksimum. Auger masuk ke dalam gasifier itu dipertahankan sampai hanya singkat dari zona pembakaran dalam gasifier dengan menggunakan baja stainless temperatur tinggi.

Dalam dunia yang ideal gasifier akan mengambil dalam biomassa dan mengubahnya menjadi gas sintesis murni untuk konversi hilir untuk listrik. Dalam dunia nyata, namun, proses konversi tidak lengkap. Seiring dengan syngas, yang gasifier akan menampilkan hidrogen sulfida, amonia, hidrogen klorida, partikulat dan ter-seperti minyak berat. Pencemar ini dengan partikel dan ter yang paling bermasalah. Partikel memerlukan serangkaian penyaring untuk menghapusnya dari aliran gas. Filter ini harus diganti secara teratur. Jumlah partikel ditoleransi dalam syngas tergantung pada komponen hilir gasifier tersebut. Untuk genset pembakaran internal, partikulat dapat steker katup input dan penurunan signifikan interval pemeliharaan mesin. Untuk turbin gas, partikulat bahkan lebih kritis, karena mereka mempengaruhi pisau turbin berkecepatan tinggi yang beroperasi setinggi 60.000 rpm. Hal ini dapat menimbulkan korosi pisau dalam waktu singkat, memerlukan penggantian turbin.

Ter merupakan masalah yang bahkan lebih besar dari partikel. Pada output dari gasifier tersebut, ter dalam syngas yang cukup panas untuk berada dalam fase gas. Namun, aplikasi yang paling hilir memerlukan syngas harus didinginkan. Setelah didinginkan, yang ter mulai mengembun dalam pipa dan peralatan gasifier hilir dan sistem plug. Ini mewajibkan seluruh pipa-pipa dan peralatan hilir gasifier yang akan dibersihkan secara teratur. Bahkan lebih bermasalah, ter biomassa dikenal mengeras jika tidak segera dibersihkan cukup. Setelah mengeras, satu-satunya pilihan sering adalah untuk menggantikan pipa sama sekali.

Ter adalah penghalang terbesar untuk mengkomersilkan sistem konvensional daya turbin gas biomas berbasis. Gambar 1 (atas, kiri) menunjukkan desain sistem yang disederhanakan untuk turbin gas daya berbasis sistem. udara tekan dipanaskan awal oleh recuperator dan kemudian disuntikkan ke dalam sebuah ruang bakar. Pembakar panas, gas bertekanan keluar dari mengubah turbin ekspansi yang, pada gilirannya, mengoperasikan kompresor dan generator listrik. Untuk menggunakan gas sintesis dari gasifier, maka harus dibersihkan dari partikel dan gas asam dan dikompresi dengan tekanan tinggi untuk menyuntikkan ke dalam ruang bakar tersebut. kompresor tidak dapat menangani input gas panas, bukan yang memerlukan pendinginan dari syngas sebelum kompresi. Hal ini, pada gilirannya, memerlukan syngas luas menggosok sistem antara gasifier dan kompresor. Modal dan biaya operasi dari sistem scrubbing syngas dalam jenis desain dapat melebihi orang-orang dari gasifier dan turbin gas, membuat sistem ini tidak ekonomis untuk produksi listrik didistribusikan.

Pilihan lain adalah turbin gas dipanaskan secara tidak langsung, seperti disajikan pada Gambar 2

Dalam sistem ini, syngas panas makan ke ruang bakar atmosfer yang kemudian memanaskan udara bertekanan tinggi melalui penukar panas suhu tinggi. Karena tidak pernah kontak syngas turbin berkecepatan tinggi, partikulat persyaratan pembersihan yang sangat berkurang. kompresor ini dieliminasi seperti kebutuhan untuk mendinginkan syngas di bawah temperatur kondensasi ter. Fouling ini menghilangkan tar dalam pipa dan mengurangi persyaratan partikulat pembersihan.

Penggunaan penukar panas tinggi suhu udara panas bukan ruang bakar yang menyajikan beberapa tantangan dan manfaat bagi sistem. Penukar panas harus mampu mentransfer panas pada suhu lebih besar dari 1.500 M ke udara tinggi-tekanan pada tingkat aliran tinggi. Manfaat utama adalah bahwa persyaratan menggosok dari syngas yang sangat berkurang. Partikel pernah dampak pisau turbin berkecepatan tinggi. Suhu syngas dapat disimpan tinggi untuk mencegah larutan ter dalam pipa. Para ter dan kontaminan lainnya kemudian dibakar dan keluar sistem sebagai gas buang.

Saat ini ada jika ada beberapa produsen yang memproduksi penukar panas dibuat untuk para suhu dan perbedaan tekanan. Selain itu, produsen gas turbin saat ini memproduksi turbin gas dengan ruang bakar di zona bertekanan tinggi, biasanya untuk digunakan dengan gas alam bersih atau diesel. The EERC saat ini memodifikasi sebuah-dari rak-turbin gas mikro 30 kW untuk memindahkan ruang bakar keluar dari zona bertekanan tinggi dan masuk ke zona tekanan rendah. Selain itu, penukar panas tinggi suhu sedang dimasukkan ke dalam turbin gas mikro dimodifikasi untuk bekerja dengan recuperator saham.

The EERC juga sistematis merancang dan pengujian masing-masing komponen, dari sistem pakan, untuk gasifier, untuk turbin gas mikro dalam upaya untuk menunjukkan kelayakan sistem untuk sistem terdistribusi daya biomassa. Sampai saat ini, sistem feed telah terbukti bekerja seperti yang dirancang. Sebuah gasifier baru, dirancang untuk ekstrak klinker sebelum mereka bergabung ke dalam potongan yang lebih besar, telah dibangun dan dihubungkan dengan sistem umpan. Arus dingin pengujian berbagai bahan bakar biomassa melalui sistem pakan dan gasifier telah berhasil.

modifikasi turbin gas mikro yang terintegrasi dengan penukar panas suhu tinggi telah selesai dan pekerjaan berjalan sesuai jadwal. Hot penggeledahan dari gasifier dan konstruksi dari turbin gas mikro dimodifikasi dijadwalkan selesai pada akhir kuartal 3 tahun 2010. Pada akhir 2010, konstruksi dan pengoperasian sistem lengkap harus selesai.

demonstrasi yang berhasil sistem ini akan menyediakan sistem teknologi tingkat memungkinkan untuk mendapatkan keuntungan dari sejumlah besar residu biomassa saat ini sedang dijual.