Technologie

SPALANIE

Jest to stara i zanieczyszczająca technologia wykorzystywana do spalania śmieci i odpadów z gospodarstw domowych. Spalanie wytwarza ograniczoną ilość ciepła, które jest zwykle wykorzystywane do podgrzewania kotłów do wytwarzania pary w celu napędzania turbin parowych do wytwarzania ograniczonych ilości energii elektrycznej. Technologia ta nie jest już uważana za realną alternatywę. Wiele z tych starych urządzeń jest modernizowanych do zakładów gazyfikacji.

ZGAZOWANIE 

Jest to droga do przyszłości, zarówno pod względem wydajności, jak i ochrony środowiska. Zgazowanie jest elastyczną i czystą technologią energetyczną, która może przekształcić różne surowce w energię, pomagając zmniejszyć zależność od źródeł energii opartych na węglu, stanowiących czyste alternatywne źródło energii elektrycznej, nawozów, paliw i innych użytecznych produktów ubocznych. Gazyfikacja przekształca prawie każdy materiał w użyteczny i wydajny gaz (gaz syntezowy). Gaz syntezowy, zwany także wodnym, może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej bezpośrednio, poprzez turbiny gazowe lub do produkcji paliw płynnych, biopaliw, substytutu gazu ziemnego (SNG) lub wodoru. Na całym świecie działa ponad 140 zakładów gazyfikacji. Dziewiętnaście z tych zakładów znajduje się w Stanach Zjednoczonych. Przewiduje się, że do 2015 r. światowe moce przerobowe w zakresie gazyfikacji wzrosną o 70%, przy czym 80% tego wzrostu nastąpi w Azji. Istnieje wiele przedsiębiorstw produkujących technologie gazyfikacji. Istnieją dwa główne rodzaje zgazowania: piroliza i łuk plazmowy.

GAZYFIKACJA

Zgazowanie jest przyjaznym dla środowiska rozwiązaniem problemu ochrony środowiska.

Świat stoi w obliczu szybkiego wzrostu zapotrzebowania na energię, utrzymujących się wysokich cen energii oraz wyzwania, jakim jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla powstającego przy wytwarzaniu i wytwarzaniu energii. Żadna pojedyncza technologia ani zasoby nie są w stanie rozwiązać problemu, ale zgazowanie może być częścią rozwiązania wraz z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak wiatr i programy efektywności energetycznej.

Gazyfikacja może wzmocnić amerykański i światowy portfel energetyczny przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji do atmosfery, mniejszym zużyciu wody i wytwarzaniu mniejszej ilości odpadów niż większość tradycyjnych technologii energetycznych. Niezależnie od tego, czy chodzi o wytwarzanie energii elektrycznej, zastępczy gaz ziemny, czy też o wytwarzanie dużej liczby produktów energochłonnych, zgazowanie ma istotne korzyści dla środowiska naturalnego w porównaniu z technologiami konwencjonalnymi.

Zgazowanie zapewnia znaczące korzyści dla środowiska naturalnego

• Zakłady zgazowania wytwarzają znacznie mniejsze ilości zanieczyszczeń powietrza.
• Zgazowanie może zmniejszyć wpływ utylizacji odpadów na środowisko naturalne, ponieważ może wykorzystywać odpady jako surowiec, generując wartościowe produkty z materiałów, które w przeciwnym razie zostałyby usunięte jako odpady.
• Produkty uboczne gazyfikacji nie są niebezpieczne i można je łatwo wprowadzić do obrotu.
• Zakłady zgazowania zużywają znacznie mniej wody niż tradycyjne elektrownie węglowe i mogą być zaprojektowane w taki sposób, aby przetwarzały wodę technologiczną, nie odprowadzając jej do otaczającego środowiska.
• Dwutlenek węgla (CO2) może być wychwytywany z zakładu przemysłowego zgazowania przy użyciu sprawdzonych technologii. W rzeczywistości, od 2000 roku, elektrownia Great Plains Substitute Natural Gas w Północnej Dakocie wychwytuje taką samą ilość CO2, jaką elektrownia węglowa o mocy 400 MW produkowałaby i wysyłała CO2 rurociągiem do Kanady w celu zwiększenia wydobycia ropy naftowej.
• Gazyfikacja oferuje najczystsze, najbardziej efektywne sposoby wytwarzania energii elektrycznej z węgla i najniższe koszty wychwytywania CO2 z produkcji energii elektrycznej, według Departamentu Energii USA.

KORZYŚCI EKONOMICZNE

• Zgazowanie może skutecznie konkurować w środowiskach o wysokiej cenie energii w celu dostarczenia energii i produktów.
• Zgazowanie może być wykorzystane do przekształcenia tańszych surowców, takich jak koks naftowy i węgiel, w bardzo wartościowe produkty, takie jak energia elektryczna, gaz zastępczy, paliwa, chemikalia i nawozy. Na przykład, zakład chemiczny może zgazować koks naftowy lub węgiel o wysokiej zawartości siarki zamiast stosować drogie gazy ziemne, zmniejszając w ten sposób koszty operacyjne.
• Podczas gdy elektrownia do gazyfikacji jest kapitałochłonna (jak każdy bardzo duży zakład produkcyjny), jej koszty operacyjne są potencjalnie niższe niż w przypadku konwencjonalnych procesów lub elektrowni opalanych węglem, ponieważ elektrownie do gazyfikacji są bardziej wydajne i wymagają mniejszych urządzeń do kontroli zanieczyszczeń. Dzięki ciągłym pracom badawczym i rozwojowym oraz handlowemu doświadczeniu operacyjnemu, koszt tych jednostek będzie nadal malał.
• Gazyfikacja oferuje szeroką elastyczność paliwową. Instalacja do gazyfikacji może zmieniać mieszankę substratów stałych lub pracować na gazie lub płynnych substratach, dając jej większą swobodę w dostosowaniu się do ceny i dostępności substratów.
• Zdolność do wytwarzania wielu produktów o wysokiej wartości jednocześnie pomaga również zakładowi zrekompensować jego koszty kapitałowe i operacyjne. Ponadto główne produkty uboczne gazyfikacji (siarka i żużel) są łatwo zbywalne. Na przykład siarka może być stosowana jako nawóz, a żużel może być stosowany w budownictwie drogowym lub w materiałach stanowiących część dachów.
• Najnowocześniejsza elektrownia zgazowująca z dostępną na rynku technologią może działać z wydajnością w zakresie 38-41 procent. Ulepszenia technologiczne wprowadzone obecnie w zaawansowanych testach zwiększą wydajność do znacznie wyższego poziomu.
• Zgazowanie może przyczynić się do zwiększenia krajowych inwestycji i zatrudnienia w przemyśle wytwórczym, które ostatnio wykazują tendencję spadkową ze względu na wysokie koszty energii.
• Wiele osób przewiduje, że elektrownie węglowe i inne zakłady produkcyjne będą musiały wychwytywać i przechowywać CO2 lub uczestniczyć w rynku handlu emisjami dwutlenku węgla. W tym scenariuszu projekty gazyfikacji będą miały przewagę kosztową nad technologiami konwencjonalnymi. Podczas gdy wychwytywanie i sekwestracja CO2 zwiększy koszty wszystkich form wytwarzania energii elektrycznej, elektrownia IGCC może wychwytywać i sprężać CO2 za połowę kosztów tradycyjnej elektrowni pyłowej. Inne opcje oparte na gazyfikacji, w tym produkcja paliw silnikowych, chemikaliów, nawozów lub wodoru oraz wiele innych, które nie sposób wymienić, mają jeszcze niższe koszty wychwytywania i sprężania dwutlenku węgla. Zapewni to znaczące korzyści ekonomiczne i środowiskowe w świecie o ograniczonych zasobach węgla. (Zob. koszty wychwytywania i sprężania dwutlenku węgla).
• Gazyfikacja może zastąpić lotny gaz ziemny jako paliwo lub surowiec. Więcej informacji.
• Gazyfikacja jest stosowana na całym świecie. Przeczytaj więcej na temat ekonomii gazyfikacji w praktyce.

PRODUKTY I ZASTOSOWANIA

Chemikalia i nawozy sztuczne
Współczesne zgazowanie jest stosowane w przemyśle chemicznym od lat 50-tych XX wieku. Zazwyczaj przemysł chemiczny wykorzystuje gazyfikację do produkcji metanolu oraz chemikaliów, takich jak amoniak i mocznik, które stanowią podstawę nawozów azotowych. Większość działających zakładów gazyfikacji na świecie produkuje chemikalia i nawozy. A ponieważ ceny gazu ziemnego i ropy naftowej stale rosną, przemysł chemiczny rozwija dodatkowe zakłady zgazowania węgla w celu wytworzenia tych podstawowych bloków chemicznych.

Eastman Chemical Company pomogło rozwinąć wykorzystanie technologii zgazowania węgla do produkcji chemikaliów w amerykańskiej fabryce węgla do produkcji chemikaliów w Kingsport Tennessee przekształca węgiel appalachijski w metanol i chemikalia acetylowe. Zakład rozpoczął działalność w 1983 r. i zgazował około 10 milionów ton węgla, przy czym współczynnik dostępności w produkcji wynosi 98-99%.

Wytwarzanie energii w procesie zgazowania
Węgiel może być wykorzystywany jako surowiec do produkcji energii elektrycznej w procesie zgazowania, powszechnie nazywanym zintegrowanym cyklem zgazowania połączonym (IGCC). Ta szczególna technologia typu węgiel-na-energię pozwala na dalsze wykorzystywanie węgla bez wysokiego poziomu emisji zanieczyszczeń powietrza związanego z konwencjonalnymi technologiami spalania węgla. W elektrowniach do gazyfikacji zanieczyszczenia z gazu syntezowego są usuwane przed spaleniem gazu syntezowego w turbinach. Natomiast konwencjonalne technologie spalania węgla wychwytują zanieczyszczenia po spalaniu, co wymaga oczyszczenia znacznie większej ilości gazów spalinowych. Zwiększa to koszty, zmniejsza niezawodność i generuje duże ilości odpadów zawierających siarkę, które muszą być składowane na wysypiskach lub w lagunach.

Obecnie na całym świecie działa z powodzeniem 15 elektrowni gazowych. W Stanach Zjednoczonych działają trzy takie elektrownie. Elektrownie w Terre Haute, Indiana i Tampa na Florydzie dostarczają energię elektryczną do podstawowych potrzeb, a trzecia w Delaware City, Delaware dostarcza energię elektryczną do rafinerii Valero. (Zob. światowe moce wytwórcze oparte na zgazowaniu)

Zastępczy gaz ziemny
Zgazowanie może być również wykorzystane do stworzenia substytutu gazu ziemnego (SNG) z węgla i innych surowców, uzupełniającego amerykańskie zasoby gazu ziemnego. Dzięki reakcji „metanizacji”, gaz węglowy – głównie tlenek węgla (CO) i wodór (H2) – może być z korzyścią przekształcony w metan (CH4). Niemal identyczny z konwencjonalnym gazem ziemnym, otrzymany w ten sposób SNG może być transportowany w amerykańskim systemie gazociągów i wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej, produkcji chemikaliów/nawozów lub ogrzewania domów i przedsiębiorstw. SNG zwiększy bezpieczeństwo paliwowe w kraju, wypierając importowany gaz ziemny, który jest zazwyczaj dostarczany w postaci skroplonego gazu ziemnego (LNG).

Wodór do rafinacji ropy naftowej
Wodór, jeden z dwóch głównych składników gazu syntezowego, jest stosowany w przemyśle rafineryjnym do usuwania zanieczyszczeń z benzyny, oleju napędowego i paliwa lotniczego, produkując w ten sposób czyste paliwa wymagane przez stanowe i federalne przepisy dotyczące czystego powietrza. Wodór jest również używany do modernizacji ciężkiej ropy naftowej. W przeszłości rafinerie wykorzystywały gaz ziemny do produkcji tego wodoru. Teraz, wraz z rosnącą ceną gazu ziemnego, rafinerie szukają alternatywnych surowców do produkcji potrzebnego wodoru. Rafinerie mogą gazować resztki o niskiej wartości, takie jak koks naftowy, asfalty, smoły i niektóre odpady olejowe z procesu rafinacji, w celu wytworzenia zarówno wymaganego wodoru, jak i energii i pary potrzebnej do uruchomienia rafinerii.

Paliwa Transportowe

Gazyfikacja może być wykorzystywana do produkcji paliw transportowych z piasków bitumicznych, węgla i biomasy.  Przeczytaj więcej o każdej z tych technologii.

PRZEMYSŁ GAZYFIKACJI

Gazyfikacja jest od ponad 50 lat niezawodnie stosowana na skalę światową w przemyśle chemicznym, rafineryjnym i nawozowym oraz w energetyce elektrycznej od ponad 35 lat. Obecnie istnieje ponad 340 zakładów gazyfikacji – z ponad 820 gazowniami działającymi na całym świecie.

Dziewiętnaście z nich znajduje się w Stanach Zjednoczonych. (Zob. istniejące zakłady gazyfikacji w USA).

Przyszłość Zgazowania
Przewiduje się, że do 2015 r. światowe moce przerobowe w zakresie gazyfikacji wzrosną o 70 procent, przy czym 80 procent wzrostu nastąpi w Azji. Głównymi motorami tego oczekiwanego wzrostu są przemysł chemiczny, nawozowy i węglowo-cieczowy w Chinach, piaski roponośne w Kanadzie, poligeneracje (wodór i energia lub chemikalia) oraz substytuty gazu ziemnego w Stanach Zjednoczonych, a także rafinacja w Europie.

Zastosowanie gazyfikacji rozszerza się. Trwają prace nad kilkoma projektami gazyfikacji, których celem jest dostarczenie pary wodnej i wodoru w celu ulepszenia syntetycznej ropy naftowej w przemyśle piasków roponośnych w Kanadzie. Ponadto przemysł papierniczy bada, w jaki sposób zgazowanie może być wykorzystane do zwiększenia efektywności działalności i zmniejszenia ilości odpadów.

• Szereg czynników przyczynia się do wzrostu zainteresowania procesem gazyfikacji, w tym niestabilne ceny ropy naftowej i gazu ziemnego, bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące ochrony środowiska oraz rosnący konsensus co do tego, że zarządzanie emisjami CO2 będzie prawdopodobnie konieczne w produkcji energii elektrycznej i energii. (Zob. ceny energii w USA).
• Oczekuje się, że Chiny osiągną najszybszy wzrost w zakresie gazyfikacji na świecie. Od 2004 r., 29 nowych zakładów gazyfikacji zostało licencjonowanych i/lub zbudowanych w Chinach. Natomiast od 2002 r. w Stanach Zjednoczonych nie uruchomiono żadnych nowych zakładów gazyfikacji.
• Oczekuje się, że przemysł gazyfikacji znacznie wzrośnie w Stanach Zjednoczonych pomimo szeregu wyzwań, w tym rosnących kosztów budowy oraz niepewności co do motywacji i regulacji politycznych.

PALIWA TRANSPORTOWE

Paliwa Transportowe Z Piasków Bitumicznych
Szacuje się, że „piaski bitumiczne” w Albercie w Kanadzie zawierają tyle samo nadającej się do wydobycia ropy naftowej (w postaci asfaltu), co rozległe pola naftowe w Arabii Saudyjskiej. Jednak przekształcenie tego surowca w produkty nadające się do sprzedaży wymaga wydobycia piasków roponośnych i rafinacji otrzymanego asfaltu na paliwa transportowe. Proces wydobywczy wymaga ogromnych ilości pary wodnej do oddzielenia asfaltu od piasków, a proces rafinacji wymaga dużych ilości wodoru do modernizacji „ropy naftowej” do produktów końcowych. Pozostałości z procesu uszlachetniania obejmują koks naftowy, odasfaltowane dna, resztki próżniowe oraz asfalt/asfalt – wszystkie one zawierają niewykorzystaną energię.

Tradycyjnie, operatorzy piasków roponośnych wykorzystywali gaz ziemny do produkcji pary wodnej i wodoru potrzebnych w procesach wydobycia, modernizacji i rafinacji. Jednakże wielu operatorów wkrótce zgazuje koks naftowy w celu dostarczenia niezbędnej pary wodnej i wodoru. Gazyfikacja nie tylko zastąpi drogi gaz ziemny jako surowiec, ale również umożliwi wydobycie energii użytkowej z tego, co w innym przypadku jest produktem o bardzo niskiej wartości (koks naftowy). Ponadto, czarna woda pochodząca z procesów górniczych i rafineryjnych może zostać poddana recyklingowi w gazownikach przy użyciu systemu mokrego zasilania, zmniejszając zużycie świeżej wody i koszty zarządzania ściekami. (Nie jest to bez znaczenia, ponieważ tradycyjne operacje związane z piaskiem ropopochodnym zużywają duże ilości wody.)

Transport Paliwa Węglowego
Gazyfikacja jest podstawą do przetwarzania węgla i innych surowców stałych oraz gazu ziemnego na paliwa transportowe, takie jak benzyna, niebywale czysty olej napędowy, paliwo lotnicze, benzyna i oleje syntetyczne. W przekształcaniu węgla na paliwa silnikowe poprzez gazyfikację stosuje się dwie podstawowe drogi. W pierwszej z nich gaz syntezowy poddawany jest dodatkowemu procesowi, reakcji Fischera-Tropscha (FT), w celu przekształcenia go w płynny produkt naftowy. Proces FT z węglem jako surowcem został wynaleziony w latach dwudziestych XX wieku, był wykorzystywany przez Niemcy w czasie II wojny światowej, a w RPA jest wykorzystywany od lat pięćdziesiątych. Obecnie jest on również stosowany w Malezji i na Bliskim Wschodzie z gazem ziemnym jako materiałem wsadowym.

W drugim procesie, tzw. metanolu do benzyny (MTG), gaz syntezowy jest najpierw przekształcany w metanol (proces stosowany komercyjnie), a metanol jest przekształcany w benzynę poprzez reakcję nad złożem katalizatorów. Komercyjna instalacja MTG, która z powodzeniem działała w latach 80. i na początku lat 90. w Nowej Zelandii, a instalacje są w fazie rozwoju w Chinach i w Stanach Zjednoczonych.

Transport Paliwa z Biomasy
Zgazowanie jest również wykorzystywane jako podstawa do konwersji biomasy na paliwa transportowe. Biomasa (np. odpady rolnicze, trawa przełącznikowa lub odpady drzewne) jest przekształcana w gaz syntezowy poprzez zgazowanie. Gaz do syntezy jest następnie przepuszczany przez różne opatentowane katalizatory i przekształcany w paliwa transportowe, takie jak etanol celulozowy lub biodiesel. Obecnie trwają prace nad kilkoma elektrowniami wykorzystującymi biomasę do produkcji płynów.

PIROLIZA
Piroliza to termiczny rozkład chemiczny materiału organicznego w podwyższonych temperaturach przy braku tlenu. Piroliza występuje zazwyczaj pod ciśnieniem i w temperaturach pracy powyżej 430 °C (800 °F). Słowo to jest wymyślone z greckich elementów pochodzących pyr „ogień” i lizy „oddzielające”. Piroliza jest szczególnym przypadkiem rozpadu pod wpływem ciepła (termolizy) i jest najczęściej stosowana w odniesieniu do materiałów organicznych. Piroliza lub zgazowanie drewna, które rozpoczyna się w temperaturze 200-300 °C (390-570 °F) i zachodzi naturalnie, na przykład wtedy, gdy roślina wchodzi w kontakt z lawą w erupcjach wulkanicznych. Ogólnie rzecz biorąc, w wyniku pirolizy substancji organicznych powstają gazy i płyny, w związku z czym resztki stałe są bogatsze w węgiel. Ekstremalna piroliza, która pozostawia głównie węgiel jako pozostałość, nazywana jest karbonizacją.

GAZIFIKACJA PYROLIZY

Uproszczony opis chemii pirolizy.
Piroliza jest rozkładem termochemicznym materiału organicznego w podwyższonych temperaturach przy braku tlenu. Piroliza występuje zazwyczaj pod ciśnieniem i w temperaturach pracy powyżej 430 °C (800 °F). Słowo to jest wymyślone z greckich elementów pochodzących pyr „ogień” i lizy „oddzielające”.

Piroliza jest szczególnym przypadkiem termolizy i jest najczęściej stosowana w przypadku materiałów organicznych, będąc wówczas jednym z procesów związanych z przypalaniem. Piroliza drewna, która rozpoczyna się w temperaturze 200-300 °C (390-570 °F)[1] występuje na przykład w pożarach lub gdy roślina wchodzi w kontakt z lawą w erupcjach wulkanicznych. Ogólnie rzecz biorąc, piroliza substancji organicznych wytwarza produkty gazowe i ciekłe oraz pozostawia osad stały bogatszy w zawartość węgla. Ekstremalna piroliza, która pozostawia głównie węgiel jako pozostałość, nazywana jest karbonizacją.

Proces ten jest szeroko stosowany w przemyśle chemicznym, na przykład do produkcji węgla drzewnego, węgla aktywnego, metanolu i innych chemikaliów z drewna, do przetwarzania dichlorku etylenu w chlorek winylu do produkcji PCW, do produkcji koksu z węgla, do przetwarzania biomasy w gaz syntezowy, do przetwarzania odpadów w substancje jednorazowego użytku oraz do przetwarzania węglowodorów średniej wagi z ropy naftowej w węglowodory lżejsze, takie jak benzyna. Te specjalistyczne zastosowania pirolizy można nazwać różnymi nazwami, takimi jak sucha destylacja, destylacja destrukcyjna lub krakowanie.

Piroliza odgrywa również ważną rolę w wielu procedurach kulinarnych, takich jak pieczenie, smażenie, grillowanie i karmelizowanie. I jest to narzędzie analizy chemicznej, na przykład w spektrometrii masowej i datowaniu węgla-14. Rzeczywiście, wiele ważnych substancji chemicznych, takich jak fosfor i kwas siarkowy, zostały po raz pierwszy uzyskane w tym procesie. Przyjmuje się, że piroliza ma miejsce podczas katagenu, konwersji zakopanej materii organicznej na paliwa kopalne. Jest to również podstawa pirografii.

W procesie balsamowania starożytni Egipcjanie stosowali mieszaninę substancji, w tym metanolu, który uzyskali z pirolizy drewna.

Piroliza różni się od innych procesów wysokotemperaturowych, takich jak spalanie i hydroliza tym, że nie wiąże się z reakcjami z tlenem, wodą lub innymi odczynnikami. W praktyce nie jest możliwe uzyskanie atmosfery całkowicie beztlenowej. Ponieważ w każdym systemie pirolizy znajduje się pewna ilość tlenu, następuje niewielka ilość utleniania.

Termin ten stosuje się również do rozkładu materiału organicznego w obecności przegrzanej wody lub pary wodnej (piroliza wodna), na przykład w przypadku krakingu parowego oleju.

Występowanie i zastosowanie
Piroliza jest zazwyczaj pierwszą reakcją chemiczną, która zachodzi w procesie spalania wielu stałych paliw organicznych, takich jak drewno, tkanina i papier, odpady komunalne, a także niektóre rodzaje tworzyw sztucznych. W pożarze drewna, widoczne płomienie nie są spowodowane spalaniem samego drewna, ale raczej gazów uwalnianych przez jego pirolizę, podczas gdy spalanie żaru bezpłomieniowego jest spalaniem pozostałości stałych (węgla drzewnego) pozostawionych przez niego. Dlatego też piroliza powszechnych materiałów, takich jak drewno, tworzywa sztuczne i odzież, jest niezwykle ważna dla bezpieczeństwa pożarowego i gaszenia pożarów.

Gotowanie
Piroliza ma miejsce zawsze, gdy żywność jest wystawiona na działanie wystarczająco wysokich temperatur w suchym środowisku, takich jak pieczenie, pieczenie, tosty, grillowanie itp. Jest to proces chemiczny odpowiedzialny za powstawanie złotobrązowej skórki w żywności przygotowanej tymi metodami.

W normalnej kuchni głównymi składnikami żywności, które ulegają pirolizie, są węglowodany (w tym cukry, skrobia i błonnik) oraz białka. Piroliza tłuszczów wymaga znacznie wyższej temperatury, a ponieważ wytwarza toksyczne i łatwopalne produkty (takie jak akroleina), zazwyczaj unika się jej w normalnej kuchni. Może się jednak zdarzyć, gdy grillując tłuste mięso na gorących węglach.

Nawet jeśli gotowanie odbywa się zwykle w powietrzu, temperatury i warunki środowiskowe są takie, że spalanie oryginalnych substancji lub produktów ich rozkładu jest niewielkie lub nie ma go wcale. W szczególności piroliza białek i węglowodanów rozpoczyna się w temperaturach znacznie niższych niż temperatura zapłonu pozostałości stałych, a lotne produkty pochodne są zbyt rozcieńczone w powietrzu, aby mogły się zapalić. (W naczyniach płomieniowych płomień jest spowodowany głównie przez spalanie alkoholu, podczas gdy skórka powstaje w wyniku pirolizy, tak jak w przypadku pieczenia.)

Piroliza węglowodanów i białek wymaga temperatury znacznie wyższej niż 100 °C (212 °F), więc piroliza nie występuje tak długo, jak długo występuje wolna woda, np. we wrzącej żywności – nawet w szybkowarze. Węglowodany i białka podgrzane w obecności wody ulegają stopniowej hydrolizie, a nie pirolizie. W przypadku większości produktów spożywczych piroliza ogranicza się zazwyczaj do zewnętrznych warstw żywności i rozpoczyna się dopiero po ich wyschnięciu.

Temperatury pirolizy żywności są jednak niższe niż temperatura wrzenia lipidów, więc piroliza występuje podczas smażenia w oleju roślinnym lub łyżce, lub smażenia mięsa we własnym tłuszczu.

Piroliza odgrywa również istotną rolę w produkcji herbaty jęczmiennej, kawy i palonych orzechów, takich jak orzechy ziemne i migdały. Ponieważ składają się one głównie z materiałów suchych, proces pirolizy nie ogranicza się do zewnętrznych warstw, ale obejmuje wszystkie materiały. We wszystkich tych przypadkach piroliza tworzy lub uwalnia wiele substancji, które wpływają na smak, kolor i właściwości biologiczne produktu końcowego. Może również zniszczyć niektóre substancje, które są toksyczne, nieprzyjemne w smaku, lub takie, które mogą przyczynić się do zepsucia.

Kontrolowana piroliza cukrów począwszy od 170°C (338°F) produkuje karmel, produkt rozpuszczalny w wodzie w kolorze beżowym do brązowego, który jest szeroko stosowany w cukiernictwie i (w postaci barwienia karmelowego) jako środek barwiący do napojów bezalkoholowych i innych uprzemysłowionych produktów spożywczych.

Stała pozostałość z pirolizy rozlanej i rozlanej żywności tworzy brązowo-czarną inkrustację często spotykaną na naczyniach kuchennych, blatach pieców i powierzchniach wewnętrznych pieców.

Węgiel drzewny
Piroliza jest stosowana od czasów starożytnych do przerabiania drewna na węgiel drzewny na skalę przemysłową. Oprócz drewna, w procesie tym mogą być wykorzystywane również trociny i inne odpady drzewne.

Węgiel drzewny jest otrzymywany poprzez ogrzewanie drewna aż do jego całkowitej pirolizy (karbonizacji), pozostawiając jedynie węgiel i popiół nieorganiczny. W wielu częściach świata węgiel drzewny jest nadal produkowany na wpół przemysłowo, poprzez spalanie stosu drewna, które zostało pokryte głównie błotem lub cegłami. Ciepło wytwarzane przez spalanie części drewna i lotne produkty uboczne pirolizuje resztę stosu. Ograniczony dopływ tlenu zapobiega również spalaniu węgla drzewnego. Bardziej nowoczesną alternatywą jest ogrzewanie drewna w szczelnym metalowym naczyniu, które jest znacznie mniej zanieczyszczające i umożliwia skraplanie lotnych produktów.

Oryginalna struktura naczyniowa drewna i pory powstałe w wyniku uciekających gazów łączą się, tworząc lekki i porowaty materiał. Zaczynając od gęstego materiału drewnopodobnego, takiego jak łupiny orzechów lub kamienie brzoskwiniowe, uzyskuje się formę węgla drzewnego o szczególnie drobnych porach (a tym samym o znacznie większej powierzchni porów), zwanego węglem aktywnym, który jest stosowany jako adsorbent dla szerokiej gamy substancji chemicznych.

Biowęgiel, karbonizat
Pozostałości niekompletnej pirolizy organicznej, np. po pożarach kuchennych, uważane są za kluczowy składnik gleb terra preta związanych ze starożytnymi społecznościami autochtonicznymi w basenie Amazonki. Terra preta jest bardzo poszukiwana przez miejscowych rolników ze względu na jej wyższą żyzność w porównaniu z naturalną czerwoną glebą regionu. Podejmowane są wysiłki w celu odtworzenia tych gleb za pomocą biowęgla, stałej pozostałości pirolizy różnych materiałów, głównie odpadów organicznych.

Biowęgiel poprawia strukturę gleby i ekologię, zwiększając jej zdolność zatrzymywania nawozów i uwalniania ich powoli. Zawiera on naturalnie wiele mikroelementów potrzebnych roślinom, takich jak selen. Jest również bezpieczniejszy niż inne nawozy „naturalne”, takie jak obornik czy ścieki, ponieważ został zdezynfekowany w wysokiej temperaturze, a ponieważ uwalnia swoje składniki odżywcze w wolnym tempie, znacznie zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych.

Biowęgiel jest również brany pod uwagę przy sekwestracji węgla, w celu złagodzenia globalnego ocieplenia. Ponieważ piroliza spala lotne gazy, biowęgiel emituje tylko parę wodną. Spalając szkodliwe gazy, stabilna forma węgla może być sekwestrowana w ziemi, gdzie pozostanie przez tysiące lat.

Koks
Piroliza jest stosowana na masową skalę do przetwarzania węgla w koks dla przemysłu metalurgicznego, a w szczególności do produkcji stali. Koks może być również produkowany z pozostałości stałych z rafinacji ropy naftowej.

Te materiały wyjściowe zazwyczaj zawierają atomy wodoru, azotu lub tlenu połączone z węglem w cząsteczki o średniej i wysokiej masie cząsteczkowej. Proces koksowania lub „koksowania” polega na ogrzaniu materiału w zamkniętych naczyniach do bardzo wysokich temperatur (do 2000 °C lub 3600 °F), tak aby cząsteczki te zostały podzielone na lżejsze substancje lotne, które opuszczają zbiornik, oraz porowate, ale twarde pozostałości, którymi są głównie węgiel i popiół nieorganiczny. Ilość lotnych substancji zmienia się w zależności od materiału źródłowego, ale zazwyczaj wynosi 25-30% wagowo.

Włókna węglowe
Włókna węglowe są włóknami węglowymi, które mogą być używane do produkcji bardzo mocnych przędz i tekstyliów. Elementy z włókna węglowego są często produkowane przez przędzenie i wyplatanie pożądanego elementu z włókien odpowiedniego polimeru, a następnie pirolizując materiał w wysokiej temperaturze (od 1.500-3.000 °C lub 2.730-5.430 °F).

Pierwsze włókna węglowe zostały wykonane z jedwabiu, ale poliakrylonitryl stał się najczęściej stosowanym materiałem wyjściowym.

Joseph Wilson Swan i Thomas Edison użyli do swoich pierwszych sprawnych lamp elektrycznych włókien węglowych wykonanych metodą pirolizy przędzy bawełnianej i odłamków bambusa.

Biopaliwo
Piroliza jest podstawą kilku opracowywanych metod produkcji paliwa z biomasy, które mogą obejmować albo rośliny uprawiane w tym celu, albo biologiczne produkty odpadowe z innych gałęzi przemysłu.

Chociaż syntetyczny olej napędowy nie może być jeszcze produkowany bezpośrednio w procesie pirolizy materiałów organicznych, istnieje sposób produkcji podobnej cieczy („oleju popirolitycznego”), która może być wykorzystywana jako paliwo, po usunięciu cennych bio-chemikaliów, które mogą być wykorzystywane jako dodatki do żywności lub środki farmaceutyczne. Wyższą wydajność osiąga się dzięki tzw. pirolizie błyskowej, gdzie drobno podzielony wsad jest szybko podgrzewany do temperatury od 350 do 500 °C (660 do 930 °F) przez mniej niż 2 sekundy.

Biopaliwo przypominające lekką ropę naftową może być również produkowane w procesie pirolizy wodnej z wielu rodzajów surowców, w tym odpadów z hodowli świń i indyków, w procesie zwanym depolimeryzacją termiczną (który może jednak obejmować inne reakcje oprócz pirolizy).

Usuwanie odpadów z tworzyw sztucznych
Bezwodna piroliza może być również wykorzystywana do produkcji paliwa ciekłego podobnego do oleju napędowego z odpadów z tworzyw sztucznych.

Procesy
W wielu zastosowaniach przemysłowych proces ten odbywa się pod ciśnieniem i w temperaturach pracy powyżej 430 °C (806 °F). Dla przykładu, dla odpadów rolniczych, typowe temperatury wynoszą 450 do 550 °C (840 do 1000 °F).

Piroliza próżniowa
W pirolizie próżniowej materiał organiczny jest podgrzewany w próżni w celu obniżenia temperatury wrzenia i uniknięcia niepożądanych reakcji chemicznych. Jest on stosowany w chemii organicznej jako narzędzie syntetyczne. W przypadku błyskawicznej termolizy próżniowej lub FVT, czas przebywania substratu w temperaturze roboczej jest jak najbardziej ograniczony, aby zminimalizować reakcje wtórne.

Procesy pirolizy biomasy
Ponieważ piroliza ma charakter endotermiczny, zaproponowano różne metody dostarczania ciepła reagującym cząsteczkom biomasy:

• Częściowe spalanie produktów biomasy poprzez wtrysk powietrza. Skutkuje to niską jakością produktów.
• Bezpośrednie przekazywanie ciepła za pomocą gorącego gazu, najlepiej gazu produktowego, który jest ponownie podgrzewany i poddawany recyklingowi. Problemem jest zapewnienie wystarczającej ilości ciepła przy rozsądnych wartościach przepływu gazu.
• Pośredni transfer ciepła z powierzchniami wymiany (ściany, rury). Trudno jest osiągnąć dobry transfer ciepła po obu stronach powierzchni wymiany ciepła.
• Bezpośredni transfer ciepła z cyrkulującymi ciałami stałymi: Ciepło transferowe ciał stałych pomiędzy palnikiem a reaktorem pirolizy. Jest to skuteczna, ale złożona technologia.

W przypadku pirolizy błyskawicznej biomasa musi zostać zmielona na drobne cząstki, a warstwa izolacyjna tworząca się na powierzchni reagujących cząstek musi być stale usuwana. Zaproponowano następujące technologie pirolizy biomasy:

• Stałe łożyska były wykorzystywane do tradycyjnej produkcji węgla drzewnego. Słabe, powolne przekazywanie ciepła skutkowało bardzo niskimi plonami cieczy.
• Świdry: Technologia ta jest przystosowana z procesu Lurgi do zgazowania węgla. Gorący piasek i cząstki biomasy są podawane na jednym końcu śruby. Ślimak miesza piasek i biomasę i przenosi je wzdłuż. Zapewnia dobrą kontrolę czasu przebywania biomasy. Nie rozcieńcza produktów pirolizy gazem nośnym lub fluidyzacyjnym. Piasek musi być jednak podgrzewany w osobnym zbiorniku, a niezawodność mechaniczna jest problemem. Nie ma żadnego komercyjnego wdrożenia na dużą skalę.
• Procesy ablatywne: Cząsteczki biomasy są przemieszczane z dużą prędkością na gorącej powierzchni metalowej. Ablacja dowolnych cząstek tworzących się na powierzchni cząstek utrzymuje wysoką szybkość transferu ciepła. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie metalowej powierzchni wirującej z dużą prędkością w złożu cząstek biomasy, co może stanowić problem mechanicznej niezawodności, ale zapobiega jakiemukolwiek rozcieńczeniu produktów. Alternatywnie, cząstki mogą być zawieszone w gazie nośnym i wprowadzane z dużą prędkością przez cyklon, którego ściana jest podgrzewana; produkty są rozcieńczane z gazem nośnym. Problem wspólny dla wszystkich procesów ablacyjnych polega na tym, że skalowanie jest utrudnione, ponieważ stosunek powierzchni ściany do objętości reaktora zmniejsza się wraz ze wzrostem wielkości reaktora. Nie istnieje żadne komercyjne wdrożenie na dużą skalę.
• Stożek obrotowy: Podgrzany gorący piasek i cząstki biomasy są wprowadzane do obracającego się stożka. Ze względu na obrót stożka, mieszanka piasku i biomasy jest transportowana przez powierzchnię stożka za pomocą siły odśrodkowej. Podobnie jak w przypadku innych płytkich reaktorów transportowanych na dnie, w celu uzyskania dobrego uzysku cieczy wymagane są stosunkowo drobne cząstki. Nie ma zastosowania komercyjnego na dużą skalę.
• Łoża fluidalne: Cząsteczki biomasy są wprowadzane do złoża gorącego piasku płynnego przez gaz, który zazwyczaj jest gazem recyrkulowanym. Wysoki transfer ciepła z piasku fluidalnego powoduje szybkie nagrzewanie się cząstek biomasy. Istnieje pewna ablacja poprzez ścieranie z cząstkami piasku, ale nie jest ona tak skuteczna jak w procesach ablacyjnych. Ciepło jest zazwyczaj dostarczane przez rury wymiennika ciepła, przez które przepływa gorący gaz spalinowy. Występuje pewne rozcieńczenie produktów, co utrudnia skraplanie, a następnie usuwanie mgły olejowej z gazu wydostającego się z kondensatorów. Proces ten został wzmocniony przez takie firmy jak Dynamotive i Agri-Therm. Główne wyzwania to poprawa jakości i spójności oleju popirolitycznego.
• Cyrkulacyjne złoża fluidalne: Cząsteczki biomasy są wprowadzane do obiegowego złoża fluidalnego z gorącym piaskiem. Cząsteczki gazu, piasku i biomasy przemieszczają się razem, przy czym gaz transportowy jest zazwyczaj gazem recyrkulowanym, chociaż może to być również gaz spalinowy. Wysoki transfer ciepła z piasku zapewnia szybkie ogrzewanie cząstek biomasy, a ablacja jest silniejsza niż w przypadku zwykłych łóżek fluidalnych. Szybki separator oddziela gazy i opary produktu od piasku i cząstek stałych. Cząsteczki piasku są ponownie podgrzewane w zbiorniku palnika fluidalnego i przekazywane do reaktora. Chociaż proces ten można łatwo skalować, jest on raczej złożony, a produkty są znacznie rozcieńczone, co znacznie komplikuje odzyskiwanie produktów płynnych.

Źródła przemysłowe
Wiele źródeł materii organicznej może być wykorzystywanych jako surowiec do produkcji pirolozy. Odpowiedni materiał roślinny obejmuje: odpady zieleni, trociny, drewno odpadowe, chwasty drzewne; oraz źródła rolnicze, w tym: łupiny orzechów, słoma, śmieci bawełniane, łuski ryżu, trawa zamiany; oraz ściółka drobiowa, obornik mleczny i potencjalnie inne oborniki. Piroliza jest wykorzystywana jako forma obróbki termicznej w celu zmniejszenia ilości odpadów z gospodarstw domowych. Niektóre przemysłowe produkty uboczne są również odpowiednim materiałem wsadowym, w tym osad papierowy i ziarno destylarni.

Istnieje również możliwość integracji z innymi procesami, takimi jak mechaniczne przetwarzanie biologiczne i fermentacja beztlenowa.

Produkty przemysłowe

• gaz syntezowy (wodny, łatwopalna mieszanina tlenku węgla i wodoru): może być produkowany w ilościach wystarczających zarówno do zapewnienia energii potrzebnej do pirolizy, jak i pewnej nadwyżki produkcji
• węgiel stały, który może być spalany do celów energetycznych lub poddany recyklingowi jako nawóz (biowęgiel).

Ochrona przeciwpożarowa 
Niszczycielskie pożary w budynkach często palą się przy ograniczonym zaopatrzeniu w tlen, co powoduje reakcje pirolizy. Dlatego mechanizmy reakcji pirolizy i właściwości pirolizy materiałów są ważne w inżynierii ochrony przeciwpożarowej dla pasywnej ochrony przeciwpożarowej. Węgiel pirolityczny jest również ważny dla badaczy pożarów jako narzędzie do odkrywania pochodzenia i przyczyn pożarów.

PLAZMA lub ŁUK PLAZMOWY
Zgazowanie łukiem plazmowym jest technologią przetwarzania odpadów, która wykorzystuje bardzo silną energię elektryczną wytwarzającą ekstremalnie wysokie temperatury za pomocą łuku elektrycznego. Jest to jak ciągła błyskawica i natychmiast rozkłada cały materiał na gaz pierwiastkowy i ograniczone odpady stałe (żużel), w urządzeniu zwanym konwerterem plazmowym.

Proces ten ma być generatorem energii elektrycznej netto, w zależności od składu odpadów wejściowych, oraz radykalnie zmniejszyć ilość odpadów trafiających na wysypiska. Stosunkowo wysokie napięcie, energia elektryczna o wysokim natężeniu prądu przepływa między dwiema elektrodami, rozstawionymi między sobą, tworząc łuk elektryczny. Gaz obojętny pod ciśnieniem przepuszczany jest przez łuk do zamkniętego pojemnika z odpadami, osiągając w kolumnie łukowej temperaturę sięgającą 25.000 °F (13.900 °C). Temperatura w odległości kilku stóp od palnika może wynosić nawet 5.000-8.000 °F (2.760-4.427 °C).

W tych temperaturach większość rodzajów odpadów jest dzielona na podstawowe składniki elementarne w postaci gazowej, a złożone cząsteczki są rozdzielane na poszczególne atomy. Reaktor pracuje pod lekkim podciśnieniem, co oznacza, że układ zasilania jest uzupełniany układem usuwania zanieczyszczeń gazowych, a następnie układem usuwania zanieczyszczeń stałych. W zależności od ilości odpadów wejściowych (tworzywa sztuczne mają zazwyczaj wysoką zawartość wodoru i węgla), gaz z plazmy może zostać usunięty jako gaz wodny.

GASYFIKACJA PLAZMY lub ŁUKU PLAZMOWEGO

Niektóre rodzaje zgazowania wykorzystują technologię plazmową, która generuje intensywne ciepło do inicjowania i uzupełniania reakcji zgazowania. Gazyfikacja plazmowa lub gazyfikacja plazmowa może być wykorzystywana do przetwarzania materiałów zawierających węgiel na gaz syntezowy, który może być wykorzystywany do wytwarzania energii i innych użytecznych produktów, takich jak paliwa transportowe. W celu zmniejszenia zarówno ekonomicznych, jak i środowiskowych kosztów gospodarowania komunalnymi odpadami stałymi (w tym odpadami budowlanymi i rozbiórkowymi) wiele miast współpracuje z firmami zajmującymi się zgazowaniem plazmowym w celu przesyłania odpadów do tych obiektów. Jedno z miast w Japonii zgazowuje swoje odpady do produkcji energii elektrycznej. Ponadto różne gałęzie przemysłu wytwarzające odpady niebezpieczne w ramach procesów produkcyjnych (takie jak przemysł chemiczny i rafineryjny) badają gazyfikację plazmową jako opłacalny sposób gospodarowania tymi odpadami.

Plazma
Plazma jest zjonizowanym gazem, który powstaje, gdy wyładowanie elektryczne przechodzi przez gaz. Powstały w wyniku uderzenia pioruna błysk jest przykładem plazmy występującej w przyrodzie. Latarki i łuki plazmowe zamieniają energię elektryczną w intensywną energię cieplną (cieplną). Latarki i łuki plazmowe mogą generować temperatury do 10 000 stopni Celsjusza. Użyte w instalacji gazyfikacji palniki plazmowe i łuki wytwarzają to intensywne ciepło, które inicjuje i uzupełnia reakcje gazyfikacji, a nawet może zwiększyć szybkość tych reakcji, czyniąc gazyfikację bardziej efektywną.

Zgazowanie plazmy
Plazma jest zjonizowanym gazem, który powstaje, gdy wyładowanie elektryczne przechodzi przez gaz. To ekstremalne ciepło utrzymuje reakcje zgazowania, które rozdzielają chemiczne wiązania surowca i przekształcają je w gaz syntezowy (gaz syntezowy). Gaz syntezowy składa się przede wszystkim z tlenku węgla i wodoru – podstawowych elementów konstrukcyjnych dla chemikaliów, nawozów, zastępczego gazu ziemnego i płynnych paliw transportowych. Gaz syntezowy może być również wysyłany do turbin gazowych lub silników tłokowych w celu wytworzenia energii elektrycznej lub spalany w celu wytworzenia pary dla turbiny parowej – generatora.

Ponieważ substraty reagujące w zgazowniku są przekształcane w podstawowe elementy, nawet odpady niebezpieczne stają się użytecznym gazem syntezowym. Materiały nieorganiczne zawarte w surowcu są topione i stapiane w żużel szklisty, który nie jest niebezpieczny i może być stosowany w różnych zastosowaniach, takich jak konstrukcje drogowe i materiały dachowe.

Zastosowania komercyjne
Technologie plazmowe są stosowane od ponad 30 lat w różnych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle chemicznym i metalurgicznym. W przeszłości głównym zastosowaniem tej technologii było rozkładanie i niszczenie niebezpiecznych odpadów, a także stopienie popiołu ze spalarni masowych w bezpieczny, niełuskliwy żużel. Wykorzystanie tej technologii jako części przemysłu przetwarzania odpadów na energię jest znacznie nowsze.

Obecnie w Japonii, Kanadzie i Indiach działają zakłady zgazowania plazmowego. Na przykład zakład w Utashinai w Japonii działa od 2001 r., zgazowujący odpady komunalne stałe i odpady z rozdrabniacza samochodowego do produkcji energii elektrycznej. W Stanach Zjednoczonych istnieje szereg proponowanych zakładów gazyfikacji plazmowej.

Korzyści płynące z gazyfikacji plazmowej

Gazyfikacja plazmowa zapewnia szereg kluczowych korzyści:

• Uwalnia największą ilość energii z odpadów
• Surowce mogą być mieszane, takie jak stałe odpady komunalne, biomasa, opony, odpady niebezpieczne i odpady z automatycznej niszczarki
• Nie wytwarza metanu, potężnego gazu cieplarnianego
• Nie jest to spalanie i dlatego nie wytwarza żużlu ani popiołu lotnego/koksiku.
• Zmniejsza potrzebę składowania odpadów
• Wytwarza on gaz syntezowy, który może być spalany w turbinie gazowej lub tłokowej do produkcji energii elektrycznej lub dalej przetwarzany na chemikalia, nawozy lub paliwa transportowe – zmniejszając tym samym zapotrzebowanie na materiały pierwotne do produkcji tych produktów
• Ma wyjątkowo niską emisję zanieczyszczeń do środowiska naturalnego

ZGAZOWANIE BIOMASY

Biomasa obejmuje szeroki zakres materiałów, w tym uprawy energetyczne, takie jak trawa przełącznikowa i wszystkie źródła energii, takie jak łuski kukurydzy, granulki drzewne, odpady z tarcicy i drewna, odpady z wysypisk śmieci, odpady budowlane i rozbiórkowe oraz substancje stałe, takie jak osady ściekowe. Gazyfikacja pomaga odzyskać energię zawartą w tych materiałach i może przekształcić biomasę w energię elektryczną i produkty, takie jak etanol, metanol, paliwa i nawozy.

Zakłady zgazowania biomasy różnią się nieco od wielkoskalowych procesów zgazowania stosowanych zwykle w dużych zakładach przemysłowych, takich jak elektrownie, rafinerie i zakłady chemiczne, chociaż różne rodzaje zgazowania mogą być łatwo łączone.

Materiał wsadowy (surowiec)
Biomasa zawiera zazwyczaj wysoki procent wilgotności, która w niektórych przypadkach może wynosić 25% (według wagi). Obecność dużej ilości wilgoci w biomasie obniża temperaturę wewnątrz zgazowarki, co z kolei zmniejsza wydajność zgazowarki. Dlatego też wiele technologii zgazowania biomasy wymaga, aby biomasa została wysuszona w celu zmniejszenia wilgotności przed wprowadzeniem jej do zgazownika. Może to być dodatkową korzyścią, ponieważ wilgoć może być usuwana i przetwarzana na duże ilości wody dejonizowanej (destylowanej). Czystej wody.

Powietrzne zgazowanie
Większość systemów zgazowania biomasy wykorzystuje w reakcjach zgazowania powietrze zamiast tlenu. Gazyfikatory wykorzystujące tlen wymagają instalacji separacji powietrza, aby zapewnić gazowy/cieczowy tlen; zazwyczaj nie jest to opłacalne w mniejszych skalach stosowanych w zakładach zgazowania biomasy. Gazyfikatory nadmuchiwane powietrzem wykorzystują tlen w powietrzu do reakcji zgazowania.

Skala fabryki
Ogólnie rzecz biorąc, zakłady zgazowania biomasy są znacznie mniejsze niż typowe zakłady zgazowania węgla lub koksu naftowego wykorzystywane w przemyśle energetycznym, chemicznym, nawozowym i rafineryjnym. W związku z tym są one tańsze w budowie i mają mniejszy „ślad węglowy”. Podczas gdy duży zakład zgazowania przemysłowego może zająć 150 akrów ziemi i przetworzyć 2 500-15 000 ton surowca dziennie (np. węgiel lub koks naftowy), mniejsze zakłady produkujące biomasę przetwarzają zazwyczaj 25-200 ton surowca dziennie i zajmują mniej niż 10 akrów.

Biomasa na Etanol i Paliwa Ciekłe

Obecnie większość etanolu jest produkowana z fermentacji kukurydzy. Do produkcji etanolu potrzebne są ogromne ilości kukurydzy i ziemi, wody i nawozów. W związku z rosnącym wykorzystaniem kukurydzy wzrasta obawa o to, że mniej kukurydzy jest dostępnej do spożycia. Zgazowanie biomasy, takiej jak łodygi kukurydzy, plewy i kolby, oraz innych odpadów rolnych do produkcji etanolu i paliw syntetycznych, takich jak olej napędowy i paliwo lotnicze, może pomóc przełamać tę energetyczno-spożywczą konkurencję.

Do produkcji etanolu i syntetycznego oleju napędowego można wykorzystać biomasę, taką jak granulki drzewne, odpady z wysypisk i upraw oraz „uprawy energetyczne”, takie jak trawa przełącznikowa i odpady z celulozowni i papierni. Biomasa jest najpierw zgazowywana do produkcji gazu syntetycznego (gazu syntezowego), a następnie przetwarzana w procesach katalitycznych na produkty pochodne.

Biomasa na Moc
Biomasa może być wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej – zarówno w połączeniu z tradycyjnymi surowcami, takimi jak węgiel, jak i sama w sobie. Zakład IGCC firmy Nuon w Buggenum, w Holandii, w procesie gazyfikacji miesza około 30% biomasy z węglem w celu wytworzenia energii.

Redukcja Kosztów, Wzrost Wydajności
Każdego roku gminy wydają miliony dolarów na zbieranie i usuwanie odpadów, takich jak odpady ogrodnicze (ścinki traw i liście) oraz odpady budowlane i rozbiórkowe. Podczas gdy niektóre gminy kompostownia odpadów, wymaga to oddzielnej zbiórki przez miasto, na co wiele miast nie może sobie pozwolić.

Odpady z wysypisk śmieci oraz odpady budowlane i rozbiórkowe mogą zajmować cenną przestrzeń wysypiska, skracając tym samym żywotność wysypiska. W wielu miastach brakuje miejsca na wysypiska śmieci. W przypadku gazyfikacji, materiał ten nie jest już odpadem, ale surowcem dla gazyfikatora na biomasę. Zamiast płacić za utylizację i gospodarowanie odpadami przez wiele lat na wysypisku śmieci, wykorzystanie ich jako surowca zmniejsza koszty utylizacji, przestrzeń wysypiska i przekształca odpady w energię i paliwa.

Korzyści płynące z zgazowania biomasy

• Przekształcanie odpadów w wysokowartościowe produkty energetyczne i produkty
• Zmniejszone zapotrzebowanie na miejsce na wysypiska śmieci stałych w celu ich usunięcia
• Zmniejszenie emisji metanu z wysypisk śmieci
• Zmniejszone ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych przez wysypiska śmieci
• Produkcja etanolu ze źródeł innych niż spożywcze

ZGAZOWANIE ODPADÓW

Marnotrawstwo energii

Zgazowanie może przekształcić materiały zwykle uważane za odpady w energię i wartościowe produkty. W samych Stanach Zjednoczonych co tydzień zbierane i wyrzucane są tysiące ton potencjalnego źródła energii. Większość odpadów, które codziennie wyrzucamy z naszych domów i przedsiębiorstw – takich jak niepodlegające recyklingowi tworzywa sztuczne, odpady budowlane, zużyte opony, śmieci domowe i ścieki – zawiera energię. Gazyfikacja może przekształcić energię zawartą w tych wszystkich odpadach w energię elektryczną, zastąpić gaz ziemny, chemikalia, paliwa transportowe i nawozy.

Zgazowanie nie jest spalaniem
Zgazowanie nie jest spalaniem. Spalanie to spalanie paliw w środowisku bogatym w tlen, w którym odpady spalają i wytwarzają ciepło i dwutlenek węgla oraz wiele innych zanieczyszczeń. Zgazowanie polega na przekształcaniu surowców w najprostsze cząsteczki – tlenek węgla, wodór i metan, tworzące gaz syntezowy, który następnie może być wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej lub wytwarzania wartościowych produktów.

ZASOBY ODPADOWE

250 mln ton/rok komunalnych odpadów stałych
Według amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska, każdego roku Amerykanie generują około 250 milionów ton stałych odpadów komunalnych (MSW) – około 4,5 funta na osobę dziennie. Ten MSW obejmuje szeroki zakres odpadów, w tym odpadów kuchennych i przydomowych, elektroniki, żarówek, tworzyw sztucznych, zużytych opon i starych farb. Pomimo znacznego wzrostu recyklingu i odzyskiwania energii, odzyskuje się tylko około jednej trzeciej całkowitej ilości odpadów komunalnych – pozostałe dwie trzecie (lub 135 mln ton rocznie) pozostawia się do wyrzucenia na wysypiska lub spalenia. Liczby te nie obejmują 7,2 mln suchych ton substancji stałych pochodzących z oczyszczania ścieków, z których większość jest również składowana lub spalana.

Miasta i miasteczka wydają miliony dolarów rocznie na zbieranie i usuwanie odpadów komunalnych na wysypiskach – wykorzystując tysiące hektarów ziemi. Wiele stanów zakazało spalarni, a wiele stanów, takich jak Nowy Jork, New Jersey, Massachusetts, Connecticut, California i Floryda, stoi w obliczu ograniczonej przestrzeni składowania odpadów komunalnych, co zmusza je do transportu odpadów komunalnych na setki mil w celu ich usunięcia w innych stanach.

Oprócz zużycia cennych gruntów, rozkładające się odpady komunalne generują metan, gaz cieplarniany, a wypłukiwane odpady mogą również stanowić zagrożenie dla wód gruntowych. Istnieje jednak alternatywa dla składowania tych odpadów na wysypisku śmieci – można je przekształcić poprzez gazyfikację w użyteczne produkty.

Miliardy ton odpadów przemysłowych rocznie
Amerykańskie zakłady przemysłowe utylizują 7,6 mld ton przemysłowych odpadów stałych rocznie. Odpady te obejmują tworzywa sztuczne i żywice, chemikalia, masę celulozową i papier. Ponadto odpady powstające podczas budowy, renowacji i rozbiórki budynków, domów, dróg i mostów dodają kolejne 136 milionów ton rocznie. (źródło: Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska)

Wiele z tych odpadów przemysłowych nadaje się również do gazyfikacji. Na przykład odpady budowlane i rozbiórkowe mogą być zgazowane w celu wytworzenia energii i produktów. Odpady przemysłowe, które nie nadają się do recyklingu, mogą być również zgazowane.

PROCES GAZYFIKACJI ODPADÓW

Od odpadów do energii i cennych produktów
Wszystkie te odpady zawierają niewykorzystaną energię. Zamiast wyrzucać to źródło energii, zgazowanie może przekształcić je w energię elektryczną i inne cenne produkty, takie jak chemikalia, gaz zastępczy, paliwa transportowe i nawozy. Przeciętnie zakłady wykorzystujące spalanie masowe mogą przetworzyć jedną tonę odpadów komunalnych na około 550 kilowatogodzinę energii elektrycznej. Dzięki technologii gazyfikacji jedna tona stałych odpadów komunalnych może zostać wykorzystana do wyprodukowania do 1000 kilowatogodzin energii elektrycznej, co jest znacznie bardziej efektywnym i czystszym sposobem wykorzystania tego źródła energii. Odpady przemysłowe zawierają również duże źródło niewykorzystanej energii. Na przykład zawartość energii w odpadach z budowy i rozbiórki drewna wynosi około 8.000 Btu/lb i około 10.000 Btu/lb w przypadku przemysłowych tworzyw sztucznych nienadających się do recyklingu.

Gazyfikacja odpadów komunalnych napotyka na szereg wyzwań. Ponieważ odpady komunalne mogą zawierać tak różnorodne materiały, może zaistnieć potrzeba sortowania materiałów w celu wyeliminowania tych elementów, których nie można łatwo zgazować lub które mogłyby uszkodzić urządzenia do zgazowania. Ponadto może zaistnieć potrzeba zaprojektowania systemu gazyfikacji w taki sposób, aby można było obsługiwać różne materiały, ponieważ materiały te mogą być zgazowywane w różnym tempie.

Ponadto jedną z istotnych zalet zgazowania jest to, że gaz syntezowy może być oczyszczony z zanieczyszczeń przed użyciem, eliminując wiele rodzajów systemów kontroli emisji po spalaniu, wymaganych przez spalarnie. Technologie stosowane w zgazowaniu odpadów obejmują zarówno konwencjonalne systemy zgazowania, jak i zgazowanie łukiem plazmowym. Niezależnie od tego, czy powstaje on w wyniku konwencjonalnego zgazowania, czy też zgazowania plazmowego, gaz syntezowy może być wykorzystywany w silnikach tłokowych lub turbinach do wytwarzania energii elektrycznej lub dalej przetwarzany w celu produkcji zastępczego gazu ziemnego, chemikaliów, nawozów lub paliw transportowych, takich jak etanol. Dowiedz się więcej o produktach gazyfikacji.

Zgazowanie nie zmniejsza ilości odpadów poddawanych recyklingowi
Zgazowanie nie konkuruje z recyklingiem. W rzeczywistości usprawnia programy recyklingu. Materiały mogą i powinny być poddawane recyklingowi i należy zachęcać do ich konserwacji. Jednakże wiele materiałów, takich jak metale i szkło, musi zostać usuniętych ze strumienia MSW, zanim zostaną one wprowadzone do gazyfikatora. Systemy wstępnego zgazowania materiałów wsadowych są dodawane z góry w celu uzyskania ekstrakcji metali, szkła i materiałów nieorganicznych, co skutkuje zwiększonym recyklingiem i wykorzystaniem materiałów. Ponadto szeroki zakres tworzyw sztucznych nie może zostać poddany recyklingowi lub nie może zostać poddany dalszemu recyklingowi, a w przeciwnym razie trafiłby na wysypisko śmieci. Takie tworzywa sztuczne są doskonałym, wysokoenergetycznym surowcem do gazyfikacji.

Ponadto nie wszystkie miasta i miasteczka są powołane do zbierania i przetwarzania materiałów pochodzących z recyklingu. A wraz ze wzrostem liczby ludności rośnie ilość wytwarzanych odpadów. Tak więc nawet w miarę wzrostu wskaźników recyklingu ilość odpadów rośnie w szybszym tempie. Wszystkie te odpady stanowią stratę energii i wartości ekonomicznej, którą może wychwycić gazyfikacja.

KORZYŚCI EKONOMICZNE

• Zgazowywanie odpadów przynosi szereg istotnych korzyści dla środowiska naturalnego:
• Zmniejsza zapotrzebowanie na przestrzeń do składowania odpadów
• Zmniejsza emisję metanu.
• Zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych przez wysypiska śmieci
• Pozyskuje użyteczną energię z odpadów, która może być wykorzystana do produkcji produktów o wysokiej wartości
• Udoskonala istniejące programy recyklingu
• Zmniejsza zużycie materiałów pierwotnych potrzebnych do produkcji tych wartościowych produktów
• Obniża koszty transportu odpadów, które nie muszą już być przewożone na setki kilometrów w celu ich usunięcia
• Zmniejsza zużycie paliw kopalnych