„Technologia per motori a gas per gas da legna ed esperienze da

„Technologia per motori a gas per gas da
legna ed esperienze da impianti realizzati“
B.T.S Syngas 25.01.2013
Montichiari
Dr. Günther Herdin
30.01.2013
Efficienza di varie tecnologie
Efficienza del carburanteel.+term.
Processo a vapore (turbina)
5.2 MW FP
Processo ORC
4.5 MW FP
Efficienza elettrica
netta [%]
source: EVN; Jenbacher; PGES
Gassificazione
con motore a gas
2-8 MW FP
Efficienza biomassa – Centrale termica
[%]
1 MWel.
5 MWel.
20 MWel.
Efficienza carbur.
Modo cogen.
(turbina a contropressione) Modo cogen.
Fonte: Fichtner Studie 4/2002
Impianto a
condensa
Principi della gassificazione
Fonte: agnion Technologies
Influenza dell‘umidità della biomassa sull‘efficienza elettrica
Fonte: reNet Güssing
Stato dell’arte della tecnologia di gassificazione
Gassificazione diretta (autotermica) : (Gassificazione tradizionale)
Rilascio di calore (combustione parziale) e
gassificazione in un reattore
Diluizione del singas prodotto tramite gas di scarico
della combustione parziale
Singas con potere calorifico basso
La produzione di SNG (Synthetic Natural Gassificazione
Gas) a basso costo non è possibile
e rilascio di calore
Su misura per ogni progetto
in reattori separati
Gassificazione indiretta (allotermica): (Agnion Heat Pipe Reactor)
Reattore separato per rilascio di calore
(camera di combustione) e
reattore di gassificazione (reformer)
Gassificazione con vapore (steam reforming)
Singas non diluito
Rapporto H2/CO idoneo per produzione SNG
Prodotto a bassissimo costo
Gassificazione
e rilascio di calore
in reattori separati
Fonte: agnion Technologies
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Confronto della qualità del singas autotermico
con l‘esempio aria/allotermico Heatpipe Reform
Composizione del gas [%]
CH4
Beneficio per l‘efficienza
del motore ~ 1,5%
Fonte: agnion Technologies
Composizione di vari gas di pirolisi
Volume [%]
Agnion HPR
2SV
Harboore Civitas Nova
Fonte: GEJenbacher/agnion
Prüfling
Motore a otto a gas
gas
compressore
intercooler
aria
valvola
turbina
scatola di accensione
motore
Motore con accensione Diesel Pilot
regolatore portata
compressore
intercooler
aria
(valvola)
motore
turbina
pompa
Iniez.
Efficienza netta dei vari concetti in relazione al
contenuto energetico di gas pirolitico
[%]
Confronto di vari concetti di gassificazione
[%]
Fonte: reNet, Solenia, Wilcox Babcock, Agnion Technologies
Microturbine – atm. Gasification Issue Compr. Power
Relation Power needs for Pressure and Volume
volume [m³/min]
150 kW
132 kW
Fonte: Ingersol Rand Sierra Product Line
Tecnologia motori a gas MPI
•
•
•
•
•
Premessa: Carica di pressione del singas
su 5 bar(a)
Sovralimentazione con turbosoffiante del
motore a gas
Iniezione del singas dopo
turbocompressoer e Intercooler
Valvole di iniezione dalla tecnologia dei
motori a idrogeno (Hörbiger)
Provoca:
100% elusione problema catrame a
via di regolazione del gas, turbocompressore e Intercooler
Elusione problema esplosione in caso
di reinnesco tramite iniezione diretta
prima della camera di combustione
Aumento dell‘efficienza del motore
tramite turbosoffiante a 3,4 bar(a)
(Downsizing)
Fonte: agnion Technologies
Potenziale di Port Injection
Gasmischung
nach Kompressor
vor Kompressor
0,42
Wirkungsgrad [-]
measured with ref. gas 1
BMEP = 8,6 bar
15
0,40
0,38
0,36
10
5
Mitteldruck [bar]
3000
2500
Ladedruck [mbar]
2000
1500
1000
1,70
1,90
Lambda [-]
2,10
Fonte: agnion Technologies
Agnion motore singas
versione: agnion MPI
versione: agnion SPI
Fonte: agnion Technologies
16
Condizione uscita formazione miscela nel tubo di
aspirazione senza dispositivo di omogeneizzazione
Aria
Singas
Fonte: agnion Technologies
Ottimizzazione dell‘omogeneizzazone prima della
valvola di immissione tramite ugello di miscelazione
Aria
Singas
Fonte: agnion Technologies
Confronto efficienza – Pfaffenhofen Pilot Plant
MAN 2876 Origin/agnion motore singas.
efficiency
[%]
5%
¼ TA-Luft
36 ppm NOx
TA-Luft
180 ppm NOx
potenza [kW]
Fonte: agnion Technologies
NOX generazione vari carburanti
Emissione NOX [g/kWh]
ricco
povero
Limiti poveri
idrogeno
NG
benzina
H2/N2 miscela (16/84 %vol.)
Rapporto A/F
Fonte: GEJenbacher
Andamento efficienza di potenza MAN 2842
E312 (Lambda 1) ed escercizio con Lambda 1,35 TA-Luft
Efficienza [%]
Lambda 1.35
500 mg NOx/nm³
Lambda 1 @ NOx = ~ 6000mg/nm³
Gas da legna Hu = 1,85 kWh/nm³
30.01.2013
Fonte: MAN, 2g
21
Curva effettiva MAN 2876 – SAE 40@90°C Temp. olio
Potenza effettiva [kW]
Velocità [rpm]
30.01.2013
Fonte: 2g-drives
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Scissione termica catrame (Nexterra)/purificazione
secca del gas
> 20g Σtar/nm³
< 1g Σtar/nm³
> 1000°C
30.01.2013
Fonte: Nexterra/PGES
Al motore
conforme
TA 1000 0300
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Impianto Nexterra 2 MW UBC, controllo pressione cicl.
Sensore pressione a cilindro
tipo Kistler
Emissioni prima di OXI Catalyst@ Lambda 2,197
NOx = 19 ppm
CO = 1064 ppm
CH4 = 41 ppm
30.01.2013
Fonte: Nexterra; PGES
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Composizione gas Güssing stato 2006
30.01.2013
Fonte: reNet/PGES
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Agnion motore a singas concetto di regolazione „Closed loop“
Fonte: agnion Technologies
Concetto – Güssing con lavaggio gas RME
Güssing durata motore > 60 000 ore
30.01.2013
Fonte: reNet Güssing
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Spiez – Qualità del gas di legna
25
100
Rohgas
20
80
15
60
10
CO
H2
CH4
CO2
O2
N2
5
0
40
20
0
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
2:00
4:00
6:00
Uhrzeit [hh:mm]
Fonte: Pyroforce/PSI
8:00 10:00 12:00 14:00
mol% N2
mol% ohne N2
Produktegas
Emissioni senza controllo del rapporto A/F
O2 [%vol.]
CO, NOX [mg/Nm³]
O2
CO
NOX
time
Fonte: Hydrotest AG
Pyroforce
Efficienza – motore gas di legno vs. carico e NOx
efficiency
BMEP 14 bar, 800 mg NOx/sm³
carico massimo vicino al limite
di accensione anticipata e deton.
BMEP 12 bar
450 mg NOx/sm³
BMEP = 9 bar, 90 mg NOx/sm³
motore lavora vicino al
limite di carico
Carico [%]
fuel: H2 = 16 %, CO = 26%, CH4 = 1,5 %
Fonte: lezione Herdin, GEJ varie presentazioni,
impianto Harboore
Fasatura dell‘accensione ed emissioni NOx
NO x, CO,
C xH y Motorabgas
[mg/Nm³ @ 5% O 2]
emissions
[mg/sm³@5%O2]
1750
ZZP bei NH3-Messreihe
19°KW v.OT
Gasmotor GE J156,
in Teillast bei 42 kW el
Treibgas: Holzgas aus
Gestufter Vergasung
"CleanStGas",
IWT, TU Graz, 19.09.2006
Holzgaszusammensetzung:
H2 24,0 v%tr, CO 16,5 v%tr,
CH4 1,0 v%tr, CO2 14,5 v%tr
(alle trockene Basis), Rest N2.
H2O 5,5 v%tr.
λ ≈ 1,17 (bis auf ZZP 25°/30°)
NOx
λ = 1.19
1500
CO
CxHy
1250
CO
CO
1000
750
500
ZZP 25° & 30°
λ = 1,27
λ = 1.27
NOx
NOx
250
Quelle: IWT-TUG
/ LEC / GE J.
source:
IWT/LEC/GEJ
CxHy
CxHy
0
10
15
20
25
Zündzeitpunkt
(ZZP) [°KW
v.OT]
fasatura [°CA
bTDC]
30
35
Catalizzatore Oxi test Güssing
[mg/Nm³ @ 5%O2]
Fonte: GEJ varie presentazioni
Gas di legna & emissioni analisi WILA
mg@5% O2
contenuto [%]
w/o cat
3000
H2
2000
CO
1000
CO limit
CH4
with cat
NOx limit
CO
Emissioni
Fonte: WILA
NOx
Problemi di potassio – rilevazione nell‘olio motore
500,00
400,00
4000.00
3932/310 h
Potassio[ppm]
273/200 h
300,00
lavaggio acqua & purificazione gas
basata su trucioli di legno
200,00
100,00
0,00
100,00
2/320 h
4/250 h
9/1000 h
3/350 h
8
6
6
3
76
200,00
Purificazione gas basata su
filtri trattati a secco o ESP
300,00
400,00
345
Fe da usura in olio motore [ppm]
500,00
Waukesha Cummins
Austria
India
Guascor
Spagna
Jenbacher Jenbacher
Danimarca Svizzera
Fonte: GEJ diff. presentatinons
Jenbacher
Svizzera
Esempio di analisi d‘olio (catalizzatore)
Non OK per catalizz.,
Purificazione del gas non
è abbastanza
Fonte: GEJ diff. presentatinons
Esempio di analisi d‘olio (catalizzatore)
OK per
catalizzatore
Fonte: GEJ diff. presentatinons
Conversione NH3 a NOx
Confronto NG con gas di legna
3500
NOx im Motorabgas [mg/Nm³ @5%O 2].
Gasmotor GE J156, in Teillast bei 50 kW el
3000
2500
2000
1500
1000
Holzgas
Erdgas
500
Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J.
0
0
250
500
750
1000
1250
NH3-Beladung im Gemisch [ppm]
Fonte: GEJ diff. presentatinons
1500
Influenza di NH3 sulle emissioni di NOx
NOx [mg/sm³@5 % O2]
NOx limite TA-Luft = 500 mg
Güssing
440 mg NH3
Jenbacher
2 MW
Harboore
<5 mg NH3
Jenbacher
1.4 MW
Spagna
4600 mg NH3
Guascor
160 kW
Fonte: GEJ diff. presentatinons
Balingen
2010 mg NH3
Liebherr
90 kW
Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk
HarboØre/Dk
2 x JMS 320 GS S.L
Gassificatore a
corrente ascendente
Potenza
2 x 765 kW
Gas di legna:
H2
CH4
CO
CO2
N2
LHV
Fonte: GE Jenbacher
15-18%
3-5%
25-28%
7-10%
50-55%
6.85 MJ/sm³
Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk
Stato impianto pilota 12/2007: motore n. 1. ore 25309
motore n. 2. ore 24895
12/2011 ogni motore più di 60 000 h
Fonte: GE Jenbacher
Gas di legna India – Ankur
Cliente
Ankur gasifier test
(Ankur facilities)
sistema di purificazione gas (secco)
dopo il lavaggio umido
L’olio presenta 218 mg K/400 h !!!
Gassificatore a letto fluido Spain (Almond Shells)
ENAMORA - Mora de Ebro (Tarragona)
operation
gasifier
engines
K in oil
no wear
NH3: 5 500 ppm
NOx Waukesha/Guascor: 4560 mg NOx/Nm³ @5% O2 (lean limit)
12/06
20 000 h
16 000 h
2 mg/kg
Problemi di potassio nel turbocompressore (2440 h di
esercizio) – impianto pilota in Austria
Fonte: PGES
Condizione elementi 10 500 ore Spiez (2)
Fonte: GE Jenbacher
Condizione elementi 10 500 ore Spiez (3)
Fonte: GE Jenbacher
In causa propria
Die Fördergesellschaft
Erneuerbare Energien
(FEE e.V.) è la rete più
attiva e più grande in
Germania che si dedica alla
gassificazione di biomassa.
Focus:
• Incontri periodici
• Convegni internazionali
• Progetti di ricerca
• Sondaggi
• Guide del settore
• ecc.
Riassunto
•
•
•
•
•
La gassificazione delle biomasse e la produzione di corrente tramite
un motore a gas è la forma più effettiva della conversione
L‘utilizzo di turbine a gas (microturbine) riduce l‘efficienza di
conversione sotto il 20 %, dato che la compressione di un „gas
povero“ a seconda del concetto di gassificazione necessita fino al 18
% della corrente prodotta
Con un utilizzo massimo della biomassa tramite combinazione calore
– forza in caso di processi a vapore le efficienze sono a seconda della
dimensione del sistema al di sotto del 15 %
Le emissioni Nox di moderni motori a gas sono chiaramente sotto i
valori TA-Luf, per la riduzione delle emissioni di CO la purificazione
del gas deve essere eseguita seguendo lo stato dell‘arte della tecnica
In ogni caso il trattamento del gas è molto importante, dato che ha un
influenza sulla funzione dell‘intero impianto e sulla sua durata
d‘esercizio. Oltre al catrame anche l‘NH3 e il potassio devono essere
eliminati nel miglior modo possibile
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