استفاده از بيوماس به عنوان منبع انرژي

[سمندون 19437]

استفاده از بيوماس به عنوان يك منبع انرژي به هزاران سال قبل برمي‌گردد چرا كه تا سال 1800 ميلادي منبع اصلي انرژي بوده است. بيوماس يك ماده حياتي از قبيل محصولات زراعي، چوبي و فضولات حيواني است. در حقيقت بيوماس شكلي از انرژي ذخيره شده خورشيدي است كه گياهان اين انرژي را از طريق فتوسنتز تامين مي‌كنند. انرژي بدست آمده از بيوماس بوسيله سوزاندن مستقيم، تبديل آن به انرژي غني گازها (تبديل كردن به گاز) حاصل مي‌شود كه اين مي‌تواند سوخت پيشرفته‌اي در توربينهاي گازي يا سلولهاي سوختي باشد. بوسيله تبديل كردن اين انرژي به سوختهاي مايع (بيوسوخت) مي‌توان از آن براي سوخت وسايل نقليه و ديگر تجهيزات برقي استفاده كرد. از طرف ديگر، بايد در سيستم‌هاي تركيبي برق و گرما و بيوماس‌هاي پيشرفته‌تر براي توليد برق به راندمان نهايي بيش از 80 درصد در توليد دست يابيم.

از نقطه نظر محيطي سيستمهاي انرژي بيوماس به چند دليل مطلوب و جالب هستند:

1- سوختن يا اشتعال بيوماس جو را خنثي مي‌كند كه در اين هنگام بيوماس اضافه شده دي‌اكسيد‌كربن را از اتمسفر پاك مي‌كند، اين عمل هنگامي صورت مي‌گيرد كه بيوماس مي‌سوزد و در اتمسفر آزاد مي‌شود. توليد سوختهاي مطمئن از بيوماس خطرات آلودگي را كاهش مي‌دهد. بعنوان مثال زمينهاي سرشار يا غني از گاز (عمدتاً متان) بر تغيير وضعيت آب و هوايي جهاني و تبديل فضولات حيواني به متان موثر خواهد بود.

2- تركيب بيوماس با زغال‌سنگ در نيروگاههاي زغال‌سنگ مي‌تواند آلودگي‌هاي خروجي را كاهش دهد.

3- رشد روزافزون و دائمي سوختهاي بيوماس وابسته به محصولات زراعي كاشته شده در سراشيبي،‌ خاكهاي مستعد و كناره‌ها در طول راه‌هاي آبي است كه مي‌تواند از تشكيل لجن در سطح آب و جاري شدن كودهاي شيميايي كشاورزي جلوگيري كند.

سيستمهاي انرژي بيوماس بايد براي توليد برق مورد مطالعه قرار گيرند بخصوص هنگام حرارت دادن فضولات در توليد برق براي كاربرد در فرآيندهاي صنعتي يا تركيب حرارت و برق، انرژي بيوماس بيشتر از منابعي نظير ضايعات چوب درختان، تفاله كارخانه‌ها، پس‌ماند محصولات زراعي يا زمين‌هايي سرشار از متان قابل استفاده است.

در آمريكا دولت مركزي اين كشور تسهيلات يا امكانات لازم را براي كمك در كاربرد انرژي بيوماس از ميان برنامه‌هاي تازه كه شامل اين انرژي است در نظر گرفته كه اين خود سودي ارزشمند براي شركتهاي توليد برق است.

كاربرد انرژي بيوماس:

بيوماس مي‌تواند به عنوان يك منبع انرژي در يكي از راه‌هايي كه در ذيل آمده است بكار رود:

Co-firing: اضافه كردن درصد كمي از بيوماس به سوخت تهيه شده براي نيروگاه زغال سنگ (اين عمل كوفايرينگ نام‌گذاري شده است)، آسانترين راه براي افزايش كاربرد بيوماس در توليدب برق است. در حال حاضر نحوه كاركرد 6 نيروگاه در ايالات متحده كوفايرينگ بيش از 15 درصد از سوخت تركيبي (حرارت و برق) است كه اغلب آنها از ضايعات چوب استفاده مي‌كنند. از طرف ديگر كوفايرينگ در بيوماس 40 درصد مي‌تواند جانشيني براي سوخت زغال‌سنگ در يك نيروگاه زغال‌سوز باشد.

طبق برنامه DOE اگر چه در كشورهايي كه نيروگاه‌هايي با سوخت زغال‌سنگ دارند يك ظرفيت 310GW دارند اما بيوماس تا سال 2020 بايد 20GW تا 30GW انرژي توليد كند.

اشتعال مستقيم:

اشتعال مستقيم بيوماس هم‌اكنون به طور وسيع در صنايع بخصوص مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه اين صنايع شامل كارخانه الوار، اسباب و اثاثيه، كارخانه‌هاي آسياب‌كننده و كارخانه‌هاي شكر است.

در يك اشتعال مستقيم به شكلي عملي، بيوماس معمولاً در يك بويلر بزرگ براي توليد بخار مي‌سوزد كه نتيجه اين عمل سيكل رانكين است. اين مورد شبيه فرآيند مورد استفاده در نيروگاههاي زغال‌سوز است. با اين تفاوت كه در كاركرد تجهيزات سوخت متفاوت هستند. نيروگاههاي اشتعال مستقيم اغلب كوچك بوده و عملكرد بازده آنها حدود 20 درصد است.

مبدل گاز:

تبديل كردن به گاز سريع‌تر و اثربخش‌تر از سوختن بيوماس است و يك روش پاك در استخراج انرژي حرارتي خواهد بود. در اين فرآيند بيوماس در يك محيط بدون اكسيژن گرم شده و به شكل مواد آلي درمي‌آيد. در حال حاضر در گرونيگن هلند يك سيستم تصفيه بيوماس استفاده مي‌شود كه اجزا جامد زباله‌هاي شهري را براي توليد 25MW برق تصفيه مي‌كند.

زيست سوخت:

زيست‌سوخت آخرين روش براي تبديل بيوماس به انرژي قابل استفاده در توليد سوخت از مواد آلي است زيست‌سوختها توسط DOE تعريف شده‌اند كه آنها شامل الكلها، اترها، استرها و ديگر مواد شيميايي ساخته شده از بيوماس هستند.

از آنجاكه زيست‌سوختها براي توليد الكتريسيته سوزانده مي‌شوند اما بيشتر توجه به آنها براي كاربرد در حمل و نقل است (بخصوص اتانول و بيوديزل).

بيش از 5/1 بيليون گالن (57 ميليون ليتر) اتانول از بيوماس بدست مي‌آيد كه يك فرآيند تخمير هر ساله به بنزين اضافه مي‌شود كه اين عمل در بهبود عملكرد وسايل نقليه و كاهش آلودگي موثر خواهد بود.

الكل‌ها معمولاً با معيار 10 درصد در تركيب با بنزين بكار مي‌روند از طرف ديگر بيوديزل از روغن‌هاي گياهي و چربي‌هاي حيواني ساخته مي‌شوند. تقريباً 30 ميليون گالن (1135 ميليون ليتر) بيوديزل سالانه در ايالات متحده توليد شده كه معمولاً با معيار 20 درصد در تركيب با ديزل سوخت بكار مي‌رود.

بيوگاز:

بيوگاز بعنوان يك سوخت با راندمان بالا در توربين گازي بكار مي‌رود. سيستمهاي چرخه تركيبي تبديل گاز (GCC) شامل يك سيكل بالاي توربين گاز، يك سيكل پايين توربين بخار براي رسيدن به بازده نزديك به دو برابر اشتعال مستقيم در آنها است.

تصفيه بي‌هوازي: روش ديگر براي توليد انرژي از بيوماس استفاده از تصفيه بي‌هوازي مواد آلي براي توليد متان است كه مي‌تواند بعنوان سوخت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. از تصفيه بي‌هوازي براي توليد متان از فاضلاب شهري، كارخانه‌ها، كود حيوانات و ديگر مواد استفاده مي‌كنند.

[سمندون 19437]

نيروگاههاي بيوماس:

نيروگاههاي بيوماس براي افزايش بازده و كم كردن هزينه توليد برق از سوختهايي مانند چوب استفاده مي‌كنند. در اينجا نظريه جديد توليد قدرت الكتريكي (برق) را با تاكيد بر به چالش دعوت كردن (خواستن) مهندسان بوسيله توربين گازي نشان خواهيم داد.

دليل منطقي نيروگاه بيوماس:

بيشتر تلاش‌ها و خواستهاي جهاني و بسياري از روش‌هاي اقتصادي براي استفاده و هدايت بيوماس در مسير توليد الكتريسيته (برق) است. هم‌اكنون مقدار برق توليدي از بيوماس كم است و وابسته به منابع قابل دسترس بيوماس است. اگر چنين انتظاري در استفاده از بيوماس (توليد برق) وجود دارد و از طرف ديگر نيز منابع عظيم بيوماس براي سوخت اين نيروگاهها وجود دارد پس چرا ما نبايد به سرعت در توسعه اين صنعت كوشا نباشيم.

اولاً هر نيروگاه بيوماس برنامه‌ريزي شده با ديگر روشهاي توليد برق رقابت مي‌كند كه در بيشتر موارد تنها روش ديگري كه تامين‌كننده قدرت الكتريكي است استفاده از نيروگاه سوخت فسيلي است. تامين قدرت الكتريكي (برق) توسط يك نيروگاه سوخت فسيلي اقتصادي است چرا كه اين نيروگاه‌ها به دليل قابل اعتماد بودن آنها اقتصادي هستند. جديد‌ترين تكنولوژي كاربرد اين نيروگاهها (مثلاً توربين گازي مركب با سيكل بخار) است و آنها به طور نسبي سريع نصب مي شوند و ساختمان آنها نيز در دو مقياس كوچك وبزرگ است كه اين نيروگاهها از نقطه‌نظر تامين سرمايه ملي معروف هستند، در حال حاضر سوختهاي فسيلي فراوان و در دسترس بوده و با يك قيمت معقول در قسمتهاي زيادي از دنيا وجود دارند. ثانياً نيروگاههاي بيوماس كم‌تر متكي به نحوه تكنولوژي بويلر توربين بخار هستند. ديگر دلايل شامل داشتن قيمت نصب بالا به ازاء هر كيلووات با توجه به منابع سوخت بزرگتر كه دستي‌تر از سوختهاي فسيلي هستند. (خصوصاً نسبت به نفت و گاز طبيعي كه به شكل جامد نيستند)

[سمندون 19437]

دلايل عمده در توجه به ساختار انرژي بيوماس عبارتند از:

1- دسترسي به پس‌ماندهاي بيوماس در جهت توليد تركيبي برق و حرارت

2- توليد برق از منابع غني و طبيعي بيوماس

3- توليد توان براي مكانهاي دور از دسترس منابع بيوماس

4- تجديد‌پذير بودن اين نوع انرژي

تجديد‌پذير بودن در كاربردهاي زيادي مورد استفاده قرار گرفته است. مثلاً‌طي يك برآوردي كه در ايالات متحده صورت گرفته امكان توليد 600MWe انرژي از چوب بر اساس ظرفيت توليد ممكن خواهد بود. ميزان توان توليدي از منابع بيوماس بسيار زياد است خصوصاً با توجه به بازار جهاني (از منظر عرضه و تقاضاي انرژي)، اما عملاً‌اين منابع تجديد‌پذير كمتر مورد استفاده قرار گرفته و به نسل جديدي از نيروگاههاي بيوماس نياز دارند.

مسير فني توليد الكتريسته (برق) از بيوماس

روشهاي متعددي هنگام انتخاب يك مسير در توليد الكتريسيته از بيوماس وجود دارد.

سيال هواي تحت فشار همراه با تزريق سوخت از يك واحد اندازه‌گيري و تنظيم فشار به رآكتور تحت فشار دميده مي‌شود. هواي مورد نياز براي راكتور از يك كمپرسور كمكي در چرخش از مرحله آخر كمپرسور توربين تغذيه مي‌شود كه در نهايت توسط ژنراتور متصل به شناخت خروجي توربين گاز برق توليد مي‌شود. در صورت مطلوب بودن مي‌توان يك توليد‌كننده بخار بازياب (ديگ بخار بازتاب) اضافه شود. پروژه كرچ (كرچ نام شخصي است كه بعداً اين سيستم به نام سيستم كرچ شناخته شد). از امكان وجود يك نيروگاه عملي از بيوماس (بجز بخش (HRSG كه در ربع چهارم از سال 1998 عملي شده بود را ارايه مي‌دهد.

از طرف ديگر قبل از اينكه اين واحد نيروگاهي پيشنهادي براي فروش انرژي الكتريكي داشته باشد مستلزم ساعات زيادي آزمايش خواهد بود. اين مسير يك روش اميد‌بخش براي هزينه موثر توليد الكتريسيته از تنوع زياد مواد آلي بيوماس است. امتياز اين سيستم بازده بالاي ترموديناميكي سيكل برايتول بيش از سيكل رانكين است.

گامز اولين كسي بود كه نظريه تركيبي مبدل گاز تحت فشار با موتور توربين گاز را شرح داد. البته گامز قبلاً نيز به مفهوم اين كار ارزشمند اشاره‌هايي كرده بود. او همچنين پي‌برد كه اين تركيب مسلماً در پيشرفت آينده‌ پاكسازي گازداغ تحت فشار براي جلوگيري از هواي بيش از حد پره‌هاي توربين موثر خواهد بود.

او همچنين به نيروگاه زغال‌سنگ نيز اشاره‌هايي كرده بودكه اين مفهوم شبيه وقتي است كه از بيوماس به عنوان سوخت استفاده مي‌شود. اخيراً نيز نظريه‌هايي مشابه نظريه فوق در حال گسترش هستند كه از بيوماس به عنوان سوخت استفاده مي‌كنند. مثلاً‌در هاوايي سال 1997، سوئد سال 1993، مينه سوتا 1995، اروپا و ديگر مناطق جهان، سيستم كرچ در فشار ماكزيمم (1353 Kpa) 13.8atm با يك تغذيه 2.2 تني از چوب درهر ساعت و يك مبدل گاز با دماي زير 730 درجه سانتي‌گراد (1346 درجه فارنهايت) كار مي‌كند. اين گاز در همين دما يا زير اين دما براي حفظ انرژي محسوس نگهداري شده و از چگالش جرم جلوگيري مي‌كند. در اين حالت ذرات جامد بوسيله سيستم پاك‌ساز گاز داغ خشك از گاز برداشته شده و سپس اين گاز مستقيماً به محفظه احتراق موتور توربين گاز فرستاده مي‌شود.

مسير فوق چندين مزاياي درخور توجه دارد چرا كه انرژي محسوس گاز به نگهداري بازدهي كل سيستم كمك شاياني مي‌كند. تميز‌كننده‌هاي نمناك مورد استفاده نبود و لذا ضايعات آب در اين قسمت وجود ندارد. جرم در حالت بخار باقي مانده و ازمسائل خوردگي و چسبندگي جلوگيري مي‌كند و از طرف ديگر انرژي شيميايي حاوي اين جرم هنگامي‌كه بخار داغي از جرم فوق مي‌سوزد بازيافت مي‌شود.

در اينجا هيچ كاتاليزور و يادماي بالاتري براي نابودي جرم فوق قبل از احتراق لازم نيست. عمل تحت فشار قرار دادن ميزان گرماي بالاتري به ازاء مربع مساحت راكتور ممكن خواهد ساخت كه كاهش اندازه سيستم پاكساز گاز داغ و اجراء مورد نياز تراكم گاز، قبل از تزريق آن به توربين گازي را به دنبال خواهد داشت. مبدل گاز انتخابي به طور غيرمستقيم اشكال اين سيستم را كاهش مي‌دهد. در اينجا براي سيال هيچ بخاري لازم نيست و مينيمم بخار بكار رفته تلفات گرماي نهان را پايين مي‌آورد.

[سمندون 19437]

موانعي براي پيشرفت در اين مسير وجود دارند كه شاخص‌‌ترين آنها عبارتند از:

تزريق بيوماس به ظرف بخار، سيستم پاك‌ساز گاز داغ، بازده كم در دماهاي پايين مبدل گاز،‌بخارهاي قليايي در سوخت گاز و سوخت موتور توربين همراه با انرژي كمي از گاز داغ، اينها موانع پيشرفت در مسيرنيروگاههاي بيوماس هستند.

اصطلاحات موتور توربين گاز:

با اين وجود اولين تست احتراق توربين گاز توسط توربيني به نام اسپارتان با خروجي 22KW و نسبت فشار 4 انجام گرفت. پكيج ژنراتور توربين گاز نشان داده شده در شكل براي اقتصادي بودن سوخت سيستم و تغييرات اصلاحي كبماستور و تست‌هاي بعدي در نظر گرفته شده است.

اولين چالش مهم براي چيره شدن در ساخت اين نوع نيروگاهها طراحي سيستم احتراق و سوخت توربين گازي و اشتعال گاز LCV است. مهمترين چالشها در طراحي سيستم احتراق و سوخت توربين گازي عبارتند از: 1- توربين گازي تايفون براي عملكرد 5mj/scm گاز در تزريق سوخت بادرجه حرارت 400 درجه سانتي‌گراد (752 درجه فارنهايت) طراحي شده است. 2- برنامه وستينگهاوس براي سوخت يك توربين گازي 25IB12 با (134 Btu/scm)5mj/scm گاز LCV در تزريق سوخت با دماي 550 درجه سانتي‌گراد (1022 درجه فارنهايت) است. (Stambler.1997)

3- برنامه‌هاي كرچ براي سوخت

تعديلي توربين اسپارتان با

(134 Btu/scm)5mj/scm گاز LCV در يك تزريق سوخت با دماي 700 درجه سانتي‌گراد (1291 درجه فارنهايت)

سيستم تزريق و تحويل گاز LCV

يكي از چالشهاي مهم مهندسي در اين زمينه طراحي يك سيستم تزريق و تحويل گاز سوخت كه بتواند در دماي بالاي گاز LCV كار كند. البته دراينجا بايد توجه خود را در انتخاب والوها و مواردي كه بتواند فشار و دماي بالا را تحمل كند نيز معطوف ساخت.

سوييچ On/Off يا والو قفل شونده نشان داده شده در شكل 1 هنگامي بسته مي‌شود كه:

1- شافت توربين با سرعت زياد

(over speed) كار كند.

2- درجه حرارت بالاي گاز

3- خاموشي (shut down) اضطراري درواحد

از طرف ديگر والو كنترل سوخت گاز مرتبط با سرعت شافت توربين است يعني اين والو در دمايي عمل مي‌كند كه جريان سوخت سرعت شافت را بالاتراز توان كلي ژنراتور نگه دارد.

در اينجا داده‌هاي كرچ طبق عملكرد تكنيكي و چگونگي موثر بودن والوها جمع‌آوري شده بود.

احتراق گاز LCV:

اسپارتان توربيني كوچك است كه سوخت آن توسط گاز LCV تامين مي‌شود.

با وجود اين ممكن است كه سوخت اين توربين كوچك توسط محفظه احتراقي كوچك محدود شود. كرچ چندين پارامتر را هنگام طراحي محفظه احتراق جهت اشتعال گاز LCV بررسي كرد. يكي از مهم‌ترين پارامتر‌ها افت فشار كمباستور است، كه منظور نگهداري و كمك به پايداري اشتعال با يك افت فشار كمباستور به ميزان تقريبي 4درصد است.

روش معمولي براي شروع و استارت واحد استفاده از سوخت ديزل است. اولين تست راه‌اندازي تحت شرايط بي‌باري (noload) انجام مي‌گيرد. گاز LCV بتدريج به كمباستور فرستاده مي‌شود و سپس سوخت ديزل رفته‌رفته كاهش مي‌يابد، انتظار مي‌رود كه دريچه سوخت ديزل كاملاً بسته شود

(SHOUT OFF) و توربين كاملاً با گاز LCV كار كند.

هنگامي كه اشتعال پايدار تحت شرايط بي‌باري با صددرصد از گاز LCV رخ مي‌دهد. فرآيند مكرر زير بتدريج بارداري را افزايش مي‌دهد تا اينكه بار صددرصد از گاز LCV تامين شود از طرف ديگر به كمك سيستم احتراق و تحويل سوخت كه در حال عملكرد عادي هستند در مرحله بعد يك تست 100 ساعته جهت كاهش تاثيرات زيان‌بخش جدي كه ناشي از ذرات جامد ومواد قليايي احتمالي بر روي پره‌هاي توربين است انجام مي‌گيرد.

سيستم مبدل گاز به شكلي طراحي شده است كه مواد قليايي (قلياها) به شكل جامد باقي مانده و به كمك ***** از سيستم خارج مي شوند.

سيستم صافي (Filtration) گاز داغ جهت برداشتن موثر ومناسب‌تر مواد بخصوص در محافظت از پره‌هاي توربين پيش‌بيني شده است.

وقتي كه عملكرد مناسب اين نيروگاه در يك دوره زماني كوتاه اثبات شود آنگاه طرح و برنامه‌هاي كرچ به مكاني براي تداوم بلند‌مدت و آزمايش قابليت اطمينان منتقل خواهد شد انجام موفقيت‌آميز و گسترش اين گونه برنامه‌هاي دور انديشانه مسلماً توليد جديدي از نيروگاههاي بيوماس با مقياس كوچك را جهت نزديكي به واقعيت تكنيكي، اقتصادي و بازرگاني به همراه خواهد داشت.

[سمندون 19437]

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام