Gasmotorentechnologie für Holzgas und Erfahrungen von ausgeführten Anlagen

Transkript

1 Gasmotorentechnologie für Holzgas und Erfahrungen von ausgeführten Anlagen B.T.S Syngas Montechiari Dr. Günther Herdin

2 Efficiency of Different Technologies fuel efficiency el.+therm. ORC process 4.5 MWFP steam process (turbine) 5.2 MW FP wood gasification with gas engine 2-8 MW FP el. net efficiency [%] source: EVN; Jenbacher; PGES

3 Efficiency Biomass - Steam Power Plant [%] 13 1 MW el. 5 MW el. 20 MW el CHP mode (back pressure turbine) fuel efficiency CHP mode condensation power plant source: Fichtner Studie 4/2002

4 Gasification Principals Quelle: agnion Technologies

5 Einfluss der Biomassefeuchte auf den el. Wirkungsgr. Quelle: renet Güssing

6 State of the Art in Gasification Technology Direct (autothermal) gasification: (Traditional Gasification) Combined heat release (partial combustion) and gasification in one reactor Dilution of produced Syngas by flue gases of the partial combustion Syngas with low heating value Cost-effective production of SNG (Synthetic Natural Gas) not possible Custom made for each project Indirect (allothermal) gasification: (Agnion Heat Pipe Reactor) Separated reactors for heat release (combustion chamber) and gasification reaction (reformer) Gasification with steam (steam reforming) Undiluted Syngas Suitable H 2 /CO-ratio for SNG production Mass produced for lowest cost Gasification and Heat Release in seperate Reactors Gasification and Heat Release in separate Reactors Quelle: agnion Technologies 6

7 Comparison Syngas Quality autothermal with air/allotherm example Heatpipe Reform 70 gas composition [%] inertgases N2 + CO2 42,9 inertgases N2 + CO ,3 19,5 14,4 syngas composition autothermal gasification 10,5 CH4 H2 24,6 CO syngas composition allotherm/heatpipe-reformer benefit for the engineefficiency~ 1,5% Quelle: agnion Technologies

8 Gaszusammensetzungen verschiedener Pyrolysegase volume[%] 10,5 CH4 2 CO H2 24, ,9 1,5 9, ,5 Agnion HPR 2SV Harboore Civitas Nova Prüfling Quelle: GEJenbacher/agnion

9 Gas Otto Engine gas compressor intercooler air throttle engine turbine ignition box

10 Engine with Diesel Pilot Ignition mass flow controller compressor air intercooler (throttle) engine turbine injection pump

11 Nettowirkungsgrad der versch. Konzepte bezogen auf Energieinhalt Pyrolysegas [%] 35,29 36,74 36, , GEJ 620 V90 pe = 10 bar GEJ 620 V90 pe = 13 bar MAN 35 MC Gas/Diesel Ingersoll Rand MT 250

12 Comparison Different Gasification Concepts 100 [%] ,5 29,9 17,1 25, ,5 0 gas engine CV Nova (A) gas engine Harboore (Dk) mikro turb. Verbania (I) gas engine Güssing (A) gas engine Agnion pilot (D) gas engine Agnion target (D) Quellen: renet, Solenia, Wilcox Babcock, Agnion Technologies

13 MikroTurbine atm. Gasification Issue Compr. Power Relation Power needs for Pressure and Volume volume [m³/min] 150 kw 132 kw source: Ingersol Rand Sierra Product Line

14 MPI Gasmotoren-Technologie Voraussetzung: Druckaufladung des Synthesegases auf 5 bar(a) Turboaufladung des Gasmotors Einblasung von Synthesegas nach Turbolader und Intercooler Einblase-Ventile aus der Wasserstoff- Motortechnologie (Hörbiger) Bewirkt: 100% Umgehung Teer-Problematik an Gasregelstrecke, Turbolader und Intercooler Vermeidung Explosions-Problematik bei Rückzündungen durch Direkteinblasung vor Brennraum Wesentliche Erhöhung der Motorleistung durch Turboaufladung auf 3,4 bar(a) (Downsizing) Quelle: agnion Technologies

15 Potential of Port Injection Gasmischung nach Kompressor vor Kompressor 0,42 15 measuredwithref. gas 1 BMEP = 8,6 bar Wirkungsgrad [-] 0,40 0,38 0, Mitteldruck [bar] ,70 1,90 2,10 Lambda [-] Ladedruck [mbar] Quelle: agnion Technologies

16 Agnion Syngas Engine version: agnion MPI version: agnion SPI Quelle: agnion Technologies 16

17 Ausgangszustand Gemischbildung im Saugrohr ohne Homogenisierungseinrichtungen Luft Synthesegas Quelle: agnion Technologies

18 Optimierung der Homogenisierung vor dem Einlassventil durch Mischdüse Luft Synthesegas Quelle: agnion Technologies

19 Comparison Efficiency Pfaffenhofen Pilot Plant MAN 2876 Origin/agnion Syngas Eng efficiency [%] MAN Original Erdgas agnion 2G Syngas ¼ TA-Luft 36 ppm NOx 5 % TA-Luft 180 ppm NOx power output [kw] Quelle: agnion Technologies

20 NO X Generation Different Fuels NO X emission [g/kwh] rich lean hydrogen NG gasoline lean limits 10 H 2 /N 2 mixture (16/84 %vol.) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 A/F-ratio Quelle: GEJenbacher

21 Verlauf Wirkungsgrad über Leistung MAN 2842 E312 (Lambda 1) u. Betrieb mit Lambda 1,35 TA-Luft Efficiency [%] mager Lambda mg NOx/nm³ Lambda NOx= ~ 6000mg/nm³ Holzgas Hu = 1,85 kwh/nm³ source: MAN, 2g 21

22 Schleppkurve MAN 2876 SAE C Temp. Öl 40 Schleppleistung [kw] speed [rpm] source: 2g-drives 22

23 Thermal Tar Cracking (Nexterra)/dry Gas Cleaning > 20g Σtar/nm³ < 1g Σtar/nm³ > 1000 C to engine conform TA source: Nexterra/PGES 23

24 Nexterra 2 MW Plant UBC, Cyl. Pressure Control cylinder pressure sensor typ Kistler emissions before OXI Catalyst@ Lambda 2,197 NOx= 19 ppm CO = 1064 ppm CH4 = 41 ppm source: Nexterra; PGES 24

25 Gaszusammensetzung Güssing Status source: renet/pges 25

26 Agnion SyngasMotor Closed loop Regelungskonzept Quelle: agnion Technologies

27 Konzept Güssing mit RME Gaswäsche Güssing Laufzeit Motor > Stunden source: renet Güssing 27

28 Spiez Quality Wood Gas 25 Produktegas Rohgas mol% ohne N CO H2 CH4 CO2 O2 N2 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 Uhrzeit [hh:mm] mol% N2 source: Pyroforce/PSI

29 Emissions without A/F-Ratio Controlling 5000 CO, NO X [mg/nm³] O 2 [% vol. ] O CO NO X :02 11:09 11:16 11:24 11:31 11:38 time source: Hydrotest AG Pyroforce

30 Efficiency - Wood Gas Engine vs. Load and NO x efficiency 0,42 0,38 BMEP 14 bar, 800 mg NO x /sm³ max. load close to backfiring limit and engine knocking 0,34 0,3 0,26 BMEP = 9 bar, 90 mg NO x /sm³ engine works close to to the lean limit BMEP 12 bar 450 mg NO x /sm³ fuel: H 2 = 16 %, CO = 26%, CH 4 = 1,5 % load [%] source: lection Herdin, GEJ diff. presentations, Harboore plant

31 Ignition Timing and NOx Emissions NO x, CO, C x H y Motorabgas 5% O 2 ] emissions[mg/sm³@5%o2] CO CO NOx CxHy CxHy ZZP bei NH 3 -Messreihe λ NOx 19 KW = 1.19 v.ot CO CxHy timing [ CA btdc] Zündzeitpunkt (ZZP) [ KW v.ot] ZZP 25 & 30 λ = 1,27 λ = 1.27 source: IWT/LEC/GEJ Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J. Gasmotor GE J156, in Teillast bei 42 kw el Treibgas: Holzgas aus Gestufter Vergasung "CleanStGas", IWT, TU Graz, Holzgaszusammensetzung: H 2 24,0 v% tr, CO 16,5 v% tr, CH 4 1,0 v% tr, CO 2 14,5 v% tr (alle trockene Basis), Rest N 2. H 2 O 5,5 v% tr. λ 1,17 (bis auf ZZP 25 /30 )

32 Oxi Katalysator Tests Güssing %O2] 100, conversion 80,0 concentration CO in CO out 60,0 40,0 20,0 conversion [%] 0 0, time [h] source: GEJ diff. presentatinons

33 Wood Gas & Emission Analyzes WILA content [%] w/o cat O H CO CH4 wood gas composition CO limit NOxlimit with cat CO NOx emissions source: WILA

34 Potassium Problems Detection in Engine Oil 500, ,00 300,00 200, /310 h 273/200 h potassium [ppm] water scrubbing& gas cleaning based on wood chips 100,00 0,00 100,00 200,00 300, /320 h 4/250 h 9/1000 h 3/350 h gas cleaningbased on dry precoatedfiltersoresp 400,00 500, Waukesha Austria Cummins India wear Fe in engine oil [ppm] Guascor Spain Jenbacher Dansk Jenbacher Swiss Jenbacher Swiss source: GEJ diff. presentatinons

35 Example of an Oil Analysis (Catalyst) not OK for catalysts, gas cleaning is not good enough source: GEJ diff. presentatinons

36 Example of an Oil Analysis (Catalyst) OK for a catalyst source: GEJ diff. presentatinons

37 Conversion NH3 to Fuel NOx Comparison NG to Wood Gas 3500 NOx im Motorabgas 2 ] Gasmotor GE J156, in Teillast bei 50 kw el Holzgas Erdgas Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J NH 3 -Beladung im Gemisch [ppm] source: GEJ diff. presentatinons

38 Influence of NH3 on the NOx Emissions NOx [mg/sm³@5 % O2] NOx Limit TA-Luft = 500 mg Guessing 440 mg NH3 Jenbacher 2 MW Harboore <5 mg NH3 Jenbacher 1.4 MW 4460 Spain 4600 mg NH3 Guascor 160 kw fuel NOx thermal NOx 1570 Balingen 2010 mg NH3 Liebherr 90 kw source: GEJ diff. presentatinons

39 Biomass Gasification - HarbØØre/Dk HarboØre/Dk 2 x JMS 320 GS S.L Updraft gasifier Electrical output 2 x 765 kw Wood gas: H % CH 4 3-5% CO 25-28% CO % N % LHV 6.85 MJ/sm³ source: GE Jenbacher

40 Biomass Gasification- HarbØØre/Dk Pilot plant status 12/2007: engine nr 1. hours engine nr 2. hours /2011 each engine morethan h source: GE Jenbacher

41 Woodgas India Ankur Customer Ankurgasifiertest (Ankur facilities) gas cleaning system (dry) after the wet scrubber oil shows 218 mg K/400 h!!!

42 Fluized bed Gasifier Spain (Almond Shells) ENAMORA - Mora de Ebro (Tarragona) operation 12/06 gasifier h engines h K in oil 2 mg/kg no wear NH3: ppm NOx Waukesha/Guascor: 4560 mg O2 (lean limit)

43 Potassium Problems in the Turbo Charger (2440 h of Operation) Pilot Plant in Austria source: PGES

44 Bauteilbefundung Bh Spiez (2) source: GE Jenbacher

45 Bauteilbefundung Bh Spiez (3) source: GE Jenbacher

46 In eigener Sache Die Fördergesellschaft Erneuerbare Energien (FEE e.v.) ist deutschlandweit das größte und aktivste Netzwerkin der Biomassevergasung. Schwerpunkte: regelmäßige AG-Treffen internationale Tagungen Forschungsprojekte Umfragen Branchen-Guide usw.

47 Summary Die Vergasung der Biomasse und die Verstromung durch einen Gasmotor ist die effektivste Form der Konvertierung Die Verwendung von Gasturbinen (Mikroturbinen) reduziert den Umwandlungswirkungsgrad auf deutlich unter 20%, da die Gasverdichtung eines Schwachgases je nach Vergasungskonzept bis zu 18 % des erzeugten Stromes benötigt Bei einer max. möglichen Nutzung der Biomasse durch KWK liegen im Fall von Dampfprozessen die Wirkungsgrade je nach Systemgröße unter 15% netto Die NOxEmissionen von modernen Gasmotoren sind deutlich unter den TA-Luft Grenzwerten, zur Reduktion der CO Emissionen muss die Gasreinigung entsprechend dem Stand der Technik ausgeführt sein Die Gasaufbereitung ist in jedem Fall hohe Bedeutung zuzumessen, da diese über die Funktion der Gesamtanlage und Lebensdauer entscheidenden Einfluss hat. Neben den Teeren sind auch NH3 und das Kalium bestmögichabzuscheiden 47