Moderní postupy termochemické konverze paliv

Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2018
Odpovědný řešitel: Ing. Michal Šyc, Ph.D., Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.
Spolupracující pracoviště: Ústav chemických procesů AV ČR, Ústav makromolekulární chemie AV ČR, Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, Ústav fyziky plazmatu AV ČR

Aktivita 1 Minimalizace environmentálních dopadů termochemické konverze paliv

V oblasti využití membránových separací byly sledovány jak využití dutých vláken tak další výzkum využití vodní kondenzující membrány pro čištění spalin. Na ÚMCH byly vybrány vhodné materiály pro separaci kyslíku ze vzduchu (aplikace zvýšení účinnosti spalovacích procesů elektráren) a separace CO₂ od dusíku (modelová směs pro proces zachytávání CO₂ ze spalin tepelných elektráren). Pro tyto účely byly zvoleny ULTEM 1000 (aromatický polyetherimid) pro separaci O₂/N₂ a PEBAX MV 1070 (separace CO₂/N₂).

Z těchto materiálů byly připraveny laboratorní vzorky plochých membrán s asymetrickou strukturou. V případě aplikace PEBAXu jako selektivního polymeru bylo potřeba tento polymer nanést na speciální porézní podložku z mikroporezního polysulfonu – tzv. kompozitní membrána. U membrán byla charakterizována morfologie, mechanická i chemická odolnost a transportní vlastnosti pro plyny. V současné době probíhá optimalizace parametrů přípravy membrán, tak aby bylo dosaženo co nejvyšších separačních účinností při zachování příznivých mechanických vlastností. To je důležité pro navazující etapy vývoje membrán v podobě dutých vláken.

Obrázek 1 Svrchní selektivní vrstva asymetrické polyetherimidové membrány (příčný lom, zvětšení 5000x)

Na jaře roku 2018 byla okalibrována v minulém roce dokončena laboratorní aparatura sloužící k dočištění plynných produktů spalin metodou vodní kondenzující membrány. Poté bylo zahájeno úspěšné měření touto metodou, která využívá přirozeně obsažené vlhkosti ve spalinách. Tato vlhkost vykondenzuje na reverzně-osmotické polyamidové membráně, která je chlazena pod rosný bod nástřiku (feed). Z níže uvedeného schématu vyplývá, že obsah SO₂, coby hlavního polutantu ve spalinách, skrze membránu byl ve srovnání s původním množstvím snížen o 48 %.

Obrázek 2

Nyní naše skupina pracuje na testování nových membrán s vnitřní mikroporozitou, které by měly rovněž odstraňovat CO₂, SO₂ ze spalin.

V oblasti využití pevných zbytků z čištění spalin byl proveden prvotní screening složení vybraných popílků ze ZEVO.

Aktivita 2 Nové postupy termochemické konverze biomasy a odpadů

Úkol 1: Decentralizované technologie pro materiálové a energetické využití biomasy – řešitel ÚCHP

Výsledkem práce bylo vyšetření materiálové a energetické bilance teplárny v obci Kozomín, patřící firmě BOR Biotechnology, a. s. a charakterizace vlastností biocharu produkovaných z různých typů dřevní biomasy za praktických provozních podmínek.

Výsledky práce byly publikovány na mezinárodních konferencích a na řešené téma se připravuje ucelená publikace.

Citace vybrané konference:

1. Brynda J., Skoblia S., Pohořelý M., Beňo Z., Moško J., Soukup K.: Possibilities of Multi-stage Gasification for Combined Heat and Power and Biochar Production. Biomass to Power and Heat 2018, Book of Abstracts, pp. 1-15, Zittau, Germany, 06-07 June 2018.

Název připravované publikace:

• Application of a multi-stage woody biomass gasification for low-tar gas and biochar production: Experiences with operation of the cogeneration plant Kozomín.

Obrázek 3 – Multi-stage (two-stage/twin-fire) gasifier GP750

Úkol 2: Materiálové využití jednodruhových odpadů procesem pyrolýzy – řešitel ÚSMH a ÚCHP

Výsledkem práce je finální úprava stávajících i nově zbudovaných pyrolýzních jednotek sloužící primárně k výrobě uhlíkatých materiálů se specifickými sorpčními vlastnostmi a dále k produkci olejů z odpadních materiálů.

Vedle vsázkového způsobu tepelného zpracování čistírenských kalů byla rozpracována i varianta kontinuálního zpracování založená na pyrolýze materiálu v rotační peci se sesuvným ložem.

Zařízení slouží již k řešení navazujících projektů aplikovaného výzkumu:

• Materiálová transformace čistírenského kalu na hnojivo se zvýšeným obsahem fosforu – TH03020119.
• Zpracování zbytkové biomasy kombinovanou termolýzou na pokročilé energetické nosiče a půdní aditiva – QK1820175.

Výsledky práce byly publikovány na konferencích i ve vědeckých impaktovaných časopisech.

Citace vybrané konference / popularizační přednášky:

• Pohořelý M., Moško J., Šyc M., Václavková Š., Skoblia S., Beňo Z., Svoboda K.: Materiálové a energetické využití suchého stabilizovaného čistírenského kalu. Kaly a odpady 2018, Sborník přednášek a posterů z 28. konference, pp. 29-38, Brno – hotel Myslivna, Czech Republic, 20-21 June 2018.

Vybraná publikace:

1. Straka P., Bičáková O., Šupová M.: Thermal conversion of polyolefins/polystyrene ternary mixtures: Kinetics and pyrolysis on a laboratory and commercial scales. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 128 (2017) 196-207.

Obrázek 4 – Zařízení pro kontinuální tepelné zpracování čistírenských kalů

Úkol 3: Plazmové zplyňování organických látek – řešitel ÚFP a ÚCHP

Výsledkem práce je soubor údajů o možnostech využití plazmových technologií pro plazmové zplyňování několika typů organických látek a pro konverzi plynných a kapalných uhlovodíků. Na základě analýzy testů plazmové konverze metanu, biomasy, lignitu a organických odpadů reakcemi s vodou a oxidem uhličitým v plazmatu vodní páry byly ověřeny specifické vlastností plazmových technologií, zejména snadná kontrola parametrů procesu a složení výstupních plynů, malé reakční objemy, vysoká rychlost procesu a minimální obsah dehtů a škodlivých látek.

Nově instalovaný reaktor pro plazmové průtokové zplyňování byl vybaven komplexní diagnostikou pro určení hmotové a energetické bilance procesu zplyňování.

Obrázek 3 – Reaktor pro plazmové průtokové zplyňování

Výsledky práce jsou využívány při spolupráci s firmou Millenium,a.s., která připravuje zahájení provozu pilotního reaktoru pro plazmové zplyňování odpadů v Dubé.

Publikace zaslaná do časopisu:

1. A.A. Serov, M. Hrabovsky, V. Kopecky, A. Maslani, M. Hlina, O. Hurba: Lignite gasification in thermal steam plasma. Plasma Chemistry and Plasma Processing.