Technologie zplyňování dřevní biomasy (vyvíjené společností TARPO spol. s.r.o.)

Společnost TARPO spol. s r.o. zahájilo své aktivity v oboru výroby elektrické energie z biomasy od roku 2006, kdy v mateřském areálu v Kněževsi postupně vznikla kogenerační jednotka využívající modifikovaný souproudý generátor produkující plyn s nízkým obsahem dehtu používaný pro pohon upraveného spalovacího motoru. Jako palivo bylo využíváno kusové dřevo. Součástí linky byl také prototyp fluidní pásové hrabicové sušárny využívající tepla spalin z motoru kogenerační jednotky.

Během dalších několika let (2008 až 2009) uvedená jednotka prošla řadou inovací a úprav zaměřených na zvýšení účinnosti a výkonu generátoru a rozšíření jeho palivové základny na dřevní materiály s menší velikostí částic. Změny se dotkly konstrukce zplyňovacího generátoru (GP300) a jeho roštu, centrálního a radiálního přívodu vzduchu, zlepšení využití tepla plynu (účinnosti generátoru), systému čištění a úpravy plynu, přípravy a úpravy paliva a také používaných spalovacích motorů ČKD (6S160).

Mezi hlavní tehdejší úspěchy společnosti TARPO spol. s r.o. ve vývoji technologie zplyňování v souproudém generátoru patřila realizace vysokoteplotní filtrace TZL na keramických rukávcových filtrech pracujících při teplotách 390 °C až 550 °C a fyzikálního absorbéru pro odstraňování dehtu, kde byl jako prací kapalina použit organický olej. Pro podobné aplikace v zahraničí se převážně používá MEŘO, který se po zachycení dehtu spaluje. V dehtové pračce vyvinuté společností TARPO spol. s r.o. se olej nasycený dehty přímo nespaloval, ale regeneroval ve stripovací komoře horkým zplyňovacím vzduchem (120°C) odváděným do generátoru. Uvedená kogenerační jednotka o maximálním výkonu 200 kW_e pracovala od roku 2009 v plně automatickém režimu. Jednotka zpracovala libovolné drcené dřevní materiály s velikostí částic od 5 do 50 mm, jejich vlhkost na vstupu do technologické linky se pohybovala od 20 do 50 %. Účinnost výroby elektrické energie vztažené na vstupní palivo dosahovala hodnoty 24%. Podrobnější informace o zařízení jsou uvedeny v publikacích.

V roce 2010 firma TARPO spol. s r.o. zahájila vlastní realizaci konceptu tzv. vícestupňového zplyňování biomasy. Základní výhoda vícestupňového procesu spočívá v rozdělení pyrolýzy, oxidace a redukce uhlíkatého zbytku do prostorově oddělených částí generátoru, díky čemuž je možno konvertovat složky prchavé hořlaviny (hlavního zdroje dehtu) na směs plynu, a tak minimalizovat tvorbu dehtu při zplyňování. Společnost TARPO spol. s r.o. nebyla první, kdo s uvedeným nápadem přišel. Nejznámější realizací vícestupňového systému je generátor Viking, kde pyrolýza probíhá ve šnekovém pyrolýzeru otápěném spalinami z motoru, případně horkým generátorovým plynem. Uvolněná prchavá hořlavina je oxidována vzduchem v parciálně-oxidační komoře (POX) umístěné nad redukční zónou, kde teplota dosahuje až 1200°C a vznikající plynné produkty oxidace dále reagují s uhlíkatým zbytkem v redukční zóně. Díky konstrukci generátoru a použitému způsobu pyrolýzy je dosažena vysoká účinnost výroby plynu prostého dehtu. Nevýhodou složitější konstrukce šnekového pyrolýzeru generátoru Viking jsou problémy se zajištěním potřebného přestupu tepla při zvětšování průměru a výkonu zařízení. V současně době je v provozu 150 kW_e aplikace v Hadsundu (Jylland, Dk), a nově připravovaná 500 kW_e v Hilderod (Zeeland, DK), obě postavené firmou Weiss A/S. Další informace o těchto technologiích je možné najít zde.

TARPO spol. s r.o. však přišlo s vlastní originální integrovanou konstrukcí vícestupňového generátoru spojující pyrolýzní a parciálně oxidační (POX) části v jednom zařízení, a to díky speciálnímu designu pyrolýzní a oxidační komory umístěnými nad sebou. Zvolené technické řešení zjednodušilo celou konstrukci, její montáž, a tak i výrobní a provozní náklady. Použitý design také zjednodušil i regulaci výkonu generátoru v provozu.

Koncem roku 2011 byl postaven a úspěšně zprovozněn první prototyp dvoustupňového generátoru (GP200) o výkonu 200 kW_e, který nahradil již používaný generátor GP300 v areálu podnikové elektrárny. Generátor má originální konstrukci odlišnou od dnes známých typů vícestupňových generátorů. V pyrolýzní části se uvolňuje prchavá hořlavina následně spalovaná v jeho parciálně oxidační části (POX). Originální konstrukce generátoru umožňuje jak použití externího tepla (tepla vyrobeného plynu a tepla uvolněného v POX) tak i spalování části paliva přímo v pyrolýzním prostoru, a to umožňuje značnou výkonnostní pružnost generátoru. První provozní zkušenosti ihned ukázaly hlavní výhody navrženého vícestupňového generátoru. Celková elektrická účinnost stávající elektrárny se zvýšila na 27 %. Obsah dehtu v plynu za generátorem se pohyboval od 2 do 25 mg/m³ v závislosti na teplotě parciálně-oxidační zóny a průtoku primárního a sekundárního vzduchu. Po několikaměsíčním provozu byla z čisticí linky generátoru odpojena olejová pračka. Plyn z dvoustupňového generátoru procházel keramickými rukávcovými filtry, tepelným výměníkem, kontaktním vodním chladičem, dmychadlem zajišťujícím potřebný podtlak v generátoru a potom vstupoval do vyrovnávací nádrže napájecí jeden nebo dva spalovací motory (ČKD 6S160). Spaliny z motoru jsou po jejich ochlazení na teplotu okolo 120°C vedeny do fluidní hrabicové sušárny na biomasu. Těsně před vstupem do sušárny jsou spaliny míchány se vzduchem, tak abych teplota směsi nepřekročila 95°C. Více informací je možné najít zde.

Vysoká čistota plynu a nízký obsah dehtu v plynu byly hlavními důvody rychlého zahájení komercializace kogeneračních jednotek využívajících technologie vícestupňového generátoru. V roce 2011, společně s firmou AIR TECHNIC s.r.o, byla zahájena příprava realizace prvního komerčního projektu elektrárny v Odrách využívající dvoustupňový generátor řady GP500. Jedná se o zvětšenou variantu generátoru GP200 s určitými konstrukčními úpravami a inovacemi. V prostoru elektrárny v Odrách jsou realizovány dvě stejné nezávislé výrobní linky o výkonu 500 kW_e každá, pro spalování plynu se používají moderní plynové spalovací motory Jenbacher J316 s účinností výroby elektrické energie z plynu 36 % vztaženou na spalovaný plyn ze zplyňování biomasy. Zkušební provoz první linky generátoru byl zahájen na konci roku 2012 a první výsledky kvality produkovaného plynu byly podobné výsledkům získaným na prototypovém zařízení GP200. Do stálého komerčního provozu byla celá kogenerační linka zapojena až na začátku roku 2014, kdy byly provedeny všechny potřebné úpravy a optimalizace generátoru a doprovodných součástí celé technologie (sušicí a třídící linka). Za rok 2014 zaznamenal generátor na lince č2 více něž 6000 provozních hodin.

Zajímavým projektem byla realizace malé kogenerační elektrárny v Olešnici zahájená už v roce 2013. Srdcem jednotky je jeden generátor GP200XL zajišťující pohon dvou kogeneračních jednotek využívajících dvou upravených spalovacích motoru ČKD 6S160 o celkovém výkonu 200 kW_e. Původní konstrukce generátoru zde dospěla k určitým konstrukčním úpravám zvyšujícím spolehlivost provozu a čistotu produkovaného plynu.

Nejvýkonnějším a zároveň i nejvíce rozšířeným generátorem vyprojektovaným společností TARPO spol. s r.o. je generátor GP750 schopný produkce skoro 1200 m³/h plynu (0°C, 101,325 kPa) dostačující pro provoz spalovacích motorů s elektrickým výkonem až 750 kW. Zařízení pracuje na stejném principu jako generátor GP200 a GP500, ale kvůli zvýšené velikosti se poněkud odlišuje konstrukcí pyrolýzní části, POX komory a tvaru a velikosti redukčního lože. Celkem bylo postaveno 8 generátorů GP750.