Module 6 Basic design parameters for commercially viable on-grid biomass gasification heat and power plants

1

HT

W –

UT

/RE

GIZ Training RE Vietnam_Dec. 2013 - 1

Ứng dụng nối lưới của năng lượng sinh kh ối, khí sinh h ọc và ch ất th ải

cho nhà máy điện Việt Nam

Đào tạo ngắn hạn

10/11, Tháng 12, 2013, Hà Nội

(Mirko Barz)

HT

W –

UT

/RE


On-Grid Applications of Biomass, Biogas and Waste-t o-Energy Power Plants for Vietnam

Short Term Training Seminar

December 10th – 11th, 2013, Hanoi

(Mirko Barz)

2

HT

W –

UT

/RE


Nội dung

- Cơ sở khí hóa- Các khái ni ệm khí hóa quy mô l ớn- Các khái ni ệm khí hóa quy mô nh ỏ

Module VICác thông số thiết kế cơ bản (kỹ thuật và kinh tế) cho các nhà máy nhiệt và điệnnối lưới thương mại (90 phút)Chuyên gia kỹ thuật.

HT

W –

UT

/RE


Content:

- Gasification basics- Large scale gasification concepts- Small scale gasification concepts

Module VIBasic design parameters (technical and economic) for commercially viable on-grid biomass gasification heat and power plants (90 minutes)Technical Expert.

3

HT

W –

UT

/RE


Tổng quan các Công ngh ệ chuy ển đổi Nhi ệt Hóa

Nhiệt phân Khí hóa Đốt nhiệt

Chuyển đổi nhiệt hóa các nhiên liệu rắn

HT

W –

UT

/RE


Overview Thermo chemical conversion Technologies

4

HT

W –

UT

/RE


Nhiệt hóa sinh kh ối

Giới thi ệu

Định ngh ĩaKhí hóa là chuyển hầu như hoàn toàn nhiên liệu rắn ở nhiệt độ cao sang dạng nhiên liệu

khí (thứ cấp) (được gọi là khí đốt hay khí tổng hợp)

Khí hóa – cũng như phân ly nhiệt phân – là một bước trung gian để hoàn thiện quá trình ô xi hóa hoàn toàn các loại nhiên liệu rắn sinh học.

Trong thực tế, khí hóa được sử dụng như một quá trình đặc biệt để sản xuất ra khí có thể đốt cháy, khí này được sử dụng chẳng hạn như để phát điện trong ICE hoặc nhiên liệu sinh học thứ cấp cho ngành sản xuất di động or secondary biofuels for the mobility sector.

HT

W –

UT

/RE


Gasification of Biomass

Introduction

Definition:

Gasification is targeted to convert a solid fuel at high temperatures most probably completely into a gaseous (secondary) fuel (called burning gas or synthesis gas).

The gasification is - same as the pyrolytic decomposition - an intermediate step towards to the complete oxidation of biogenic solid fuels.

In practice, gasification is used as an special process to produce burnable gases, which can be used e.g. to generate power in ICE or secondary biofuels for the mobility sector. ,

5

HT

W –

UT

/RE


Sản phẩm của khí hóa = Khí nhiên li ệu hay khí có th ể đốt cháy

Để phát điện bằng các động cơ chạy bằng khí nhiên liệu, tuabin khí, pin nhiên liệu.

Mục tiêu: khí sạch, khả năng đốt cao, giá trành thấp.

Khí tổng hợp (hỗn hợp từ CO và H2)

Để sản xuất các chất hóa học trong sử dụng năng lượng, dự trữ năng lượng, vận chuyển nhiên liệu, các chất hóa học cơ bản.

Mục đích: Khí tổng hợp sạch ở các điều kiện thích hợp để tổng hợp khí cótính xúc tác hơn.

HT

W –

UT

/RE


Product of gasification = Fuel gas or combustible gas

For generation of electricity by fuelling gas engines, gas turbines, fuel cells

objective : clean gas, high heating value, low cost

Synthesegas /synthesis gas (mixture from CO and H 2)

For production of chemicals for energetic utilization, energy storage, transportation fuels, base chemicals

Aim : clean synthesis gas at right conditions for further catalytic gas synthesis

6

HT

W –

UT

/RE


Giới thiệu

Trong quá trình khí hóa, các sản phẩm nhiệt phân của một nhiên liệu sẽ được chuyển thành các thành phần là khí có thể đốt cháy (H2, CO, CH4) bằng phản ứng tiếp nối với một trung gian khí hóa (như không khí, hơi nước, ô xi) Tỷ lệ khí thừa sẽ là >0 và <1 (0.25 là giá trị thực tế)

Source: Kaltschmitt, Energie aus Biomasse

Khí hóa sinh kh ối H

TW

–U

T/R

E


Introduction

During gasification the products of the pyrolytic decomposition of a fuel will be transferred in burnable gaseous components (H2, CO, CH4) by further reaction with a gasification media (e.g. air, steam, oxygen).

The excess air ratio will be > 0 and < 1 (0.25 as a practical value)

Quelle: Kaltschmitt, Energie aus Biomasse

Gasification of Biomass

7

HT

W –

UT

/RE


Thành phần khí nhiên liệu phụ Thuộc vào tỷ lệ không khí thừa

Thành ph ần chính c ủa khí tổng hợp

CxHyH2CO

Các thành phần khác-CO2 (và nếu không khí được sử dụng Như chất trung gian khí hóa N2)

HT

W –

UT

/RE


Fuel gas composition dependingon the excess air ratio

Main components of a Syngas:

CxHyH2CO

Further components -CO2 (and if air is used as gasification media N2)

8

HT

W –

UT

/RE


Lịch sử của khí hóa biogas bắt đầu từ thế kỷ thứ 17 (nỗ lực đầu tiên trong việc khí hóa than và vật liệu hữu cơ, như than bùn)

The first patents (by Robert Gardner and John Berber) in the 18 Century.

1792 William Murdock developed a gasifier using coal

năm 1812, hội khí hóa than bùn đầu tiên được thành lập ở London.

Cuối thế kỷ thứ 18, Leben thực hiện những thử nghiệm đầu tiên về khí hóa gỗ. � Các ứng dụng thương mại bắt đầu từ khoảng 1830 (lò trục để khí hóa than bùn (bởi Carl

Bishop Mägdesprung – Germany

Siemens bắt đầu bán lò khí hóa năm 1857

Ứng dụng lớn đầu tiên là sản xuất khí cho thành phố từ than để thắp sáng cho phố xá ở các thành phố lớn.

History of biomass gasification Lịch sử của khí hóa biogas

Bild rechts: Stahlofen zur Kohlevergasung

Bild links: Gaswerke zur StadtgaserzeugungH

TW

–U

T/R

E


The history of biomass gasification goes back to the 17th Jarhundert(first attempts to gasification of coal and organic material, eg peat).

The first patents (by Robert Gardner and John Berber) in the 18 Century.

1792 William Murdock developed a gasifier using coal.

In 1812 the first society of coal gasification was founded in London.

At the end of the 18th century Lebon carried out first experiments on wood gasification� first commercial applications from about 1830 (e.g. 1839 ... of the shaft furnace

for gasification of peat (by Carl Bishop in Mägdesprung – Germany)

Siemens started in 1857 to the sale gasifiers.

The first major application was the production of town gas from coal for street lighting in big Cities.

History of biomass gasification

Bild rechts: Stahlofen zur Kohlevergasung

Bild links: Gaswerke zur Stadtgaserzeugung

9

HT

W –

UT

/RE


Khí ga đô thị.... Sử dụng khí có thể đốt được sản xuất từ than để thắp sáng, nấu và gia nhiệt ở nhiều thành phố châu Âu và bắc Mỹ cho đến khoảng 1980....... Sau đó sử dụng khí tự nhiên.

► 1926 Winkler-Wirbelschichtvergaser, ► 1931 Lurgi-Festbettvergaser,► 1940er Koppers-Totzek-Flugstromvergaser

HT

W –

UT

/RE


Town gas …. Use of a burnable gas produced from coal for lighting, cooking and heating in many European and Northamerican Cities until approx. 1980 ….…. later use of natural gas

► 1926 Winkler-Wirbelschichtvergaser, ► 1931 Lurgi-Festbettvergaser,► 1940er Koppers-Totzek-Flugstromvergaser

10

HT

W –

UT

/RE


Ví dụ về khí hóa than ở Berlin (Prenzlauer Berg)

Kế hoạch được thực hiện năm 1871. Chỉ 2 năm sau (1873), việc sản xuất gas được bắt đầu.

Nhu cầu gia tăng dẫn tới mở rộng sản xuất. Sản lượng khí năm 1898 là 300000 m3/ngày.

Năm 1979, cung cấp gas ở đông Berlin thay đổi từ ga đô thị sang ga tự nhiên. Đóng cửa nhà máy vào tháng 5/1981

Phá nhà máy vào tháng 7/1984

HT

W –

UT

/RE


Example coal gasification in Berlin (Prenzl. Berg)

Planning's to construct the IV. Städtischen Gasanstalt started 1871 Only 2 years later (1873) gas production started.

Increased demand resulted in extension of the production. The daily gas production 1898 was 300 000 cbm.

1979 the gas supply in eastern Berlin changed from town gas to natural gas. Shut down of the plantstarted in May 1981.

Blasting of the plant July 1984

11

HT

W –

UT

/RE


Khí hóa sinh khối

Lịch sử• Khí hóa không phải là một công nghệ mới, nó được bắt đầu vào những năm 1800 và sử dụng ga đô thị để thắp sáng và nấu nướng từ than.

• Lò khí đốt loại nhỏ được sử dụng cho các loại xe có động cơ đốt trong khi khan hiếm nhiên liệu trong Thế chiến thứ hai.

• Vào những năm 1920, bếp khí hóa từ gỗ dùng cho các loại xe là thịnh hành nhất vào cuối Thế chiến thứ hai, khi nhiên liệu hóa thạch khan hiếm (500.000 lò khí đốt được sản xuất mỗi năm)

HT

W –

UT

/RE


Biomass Gasification

History

• Gasification is not a new technology, it was origin ally developed inthe 1800s and used to make town gas for lighting an d cooking from coal.

• Small scale gasifier were also used to power intern al combustion engine vehicles during fuel shortages during the Second Wo rld War.

• The in the 1920s developed by Imbert wood gasifier to powerMotor vehicles had Its peak at the end of the secon d world war, when fossil fuels were rare. (500.000 gasifier produced per year)

12

HT

W –

UT

/RE


Do nhiên liệu hóa thạch có nhiều ưu thế và gas không được sử dụng rộng rãi, chủ yếu là do chất lượng gas (gas sản xuất ra không đáp ứng yêu cầu cho các động cơ), khí hóa từ gỗ đánh mất vai trò quan trọng.

Vào những năm 70, mối quan tâm về khí hóa sinh khối lại tăng lên.

Nguyên nhân� Khủng hoảng dầu năm 1973...-> phát triển các loại năng lượng thay thế ở nhiều

quốc gia không có nguồn năng lượng hóa thạch. � Phát triển kiến thức kỹ thuật về năng lượng thay thế và các quá trình chuyển đổi

nhiệt hóa� Nhiều nhiên cứu về lĩnh vực khí hóa sinh khối

Lịch sử Khí hóa sinh kh ối

HT

W –

UT

/RE


Caused by the more advantageous fossil fuels and the lack of broad acceptance,mainly due to the problem of gas qualities (The produced gas did not meet the requirements of the engines ) wood gasification lost again importance.

In the seventies, there was again a growing interest in the biomass gasification.

reasons:

� Oil crisis 1973 … � Development of alternative energies in countries that have no ownfossil energy resources,

� Development of technical knowledge about alternative energies and thermochemical conversion processes

� Increased research in the field of biomass gasification

History of Biomass Gasification

13

HT

W –

UT

/RE


Khí hóa sinh kh ối ngày nay

Mục tiêu thay đổi theo thời gian:

Vào những năm 2000, nhiên liệu dùng cho xe cộ

Mục tiêu ngày nay: chuyển sinh khối có thể khôi phục thành điện năng để có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch

Picture: Khí hóa sinh khối để cung cấp nhiệt và điện ở Güssing (Austria)

Since 2001

Bio SNG

Power

Heat

BtL fuel

HT

W –

UT

/RE


Biomass gasification today

Modified objective over time :

In the 20’s � fuels to drive vehicles

Aim today � convert the renewable source biomass into electrical energy to have alternatives to fossil fuels .

Bild: Biomass gasification for heat and power supplyGüssing (Österreich)

Since 2001

Bio SNG

Power

Heat

BtL fuel

14

HT

W –

UT

/RE


Sơ đồ trình t ự quá trình khí hóa sinh kh ối ở nhà máy Güssing

Công suất nhiên liệu 8 MW Nhu cầu nhiên liệu: Khoảng 2.2t/h (bào gỗ, 20% hàm lượng nước)Điện luơngj: 2 MWel

Công suất nhiệt: 4,5 MWth

Nguồn: Hofbauer, Rauch, Fürnsin, (TU Wien) Aichernig (Repotec), Báo cáo DA, Trung tâm năng lượng Güssing, HT năng lượng cho tương lai

HT

W –

UT

/RE


Flow chart of the Biomass Gasification PP in Güssin g

Total fuel capacity: 8 MW

Fuel demand: approx. 2,2 t/h (woodchips, 20 % water content)

Power: 2 MWel

Thermal capacity: 4,5 MWth

Source: Hofbauer, Rauch, Fürnsin, (TU Wien) Aichernig (Repotec), Project Report „Energy centre Güssing, Energy systems for the future)

15

HT

W –

UT

/RE


Mục tiêu d ự án mới (Ứng dụng nối lưới cho sinh kh ối hơn là điện)

Sinh khối

Khí hóa Làm sạch khí

Động cơ dùng

khí

Làm sạch khí + tạo điều kiện

Nhiệt Điện

FT fuel (BtL)Bio SNG

Nhà máy hiện tạiNhà máy mới đang được xây dựng

HT

W –

UT

/RE


New project target(On grid Application for Biomass is more than power )

Biomass

Gasification Gas cleaning

Gas engine

Pure gas cleaning + conditioning

Heat Power

FT fuel (BtL)Bio SNG

Existing plant New plant in preparation

16

HT

W –

UT

/RE


Sơ đồ cho nhà máy hi ện đại mới


HT

W –

UT

/RE


Flow chart for the advanced new plant


17

HT

W –

UT

/RE


Hoạt động ở nhà máy hi ện tại


HT

W –

UT

/RE


Demonstration at the existing plant


18

HT

W –

UT

/RE


Thông s ố để tính toán chi phí c ủa nhà máy m ới

� Giá nhiên liệu (bào gỗ) : 16 €/MWh (tương đương 70 €/t) � Lợi tức từ điện : 130–160 €/MWh (tương ứng với “Ökostromgesetz 2002” và

“Ökostromverordnung 2002” (phụ thuộc vào quy mô nhà máy)) � Lợi tức từ nhiệt 20 €/MWh� Thời gian hoạt động kinh tế của nhà máy: 15 năm. � Vốn tín dụng: 5 %

HT

W –

UT

/RE


Parameter for the cost calculation of the new plant

� Fuel Price (wood chips): 16 €/MWh (respectively: 70 €/t) � Revenues Power : 130–160 €/MWh (corresponding to “Ökostromgesetz 2002” and

“Ökostromverordnung 2002” (depending on the plant scale))

� Revenues Heat: 20 €/MWh� useful economic life time of the plant: 15 years� credit capital: 5 %

19

HT

W –

UT

/RE


Kịch b ản thương m ại

Plant typ CHP CHP + FTS CHP + partlyBio SNG

CHP + full Bio SNG

Tổng Đầu tư [€] 25.000.000 35.000.000 33.000.000 35.000.000

Công suất nhiên liệu[MW]

30 30 30 30

Nhiên liệu sản xuất[MW]

- 7.9 8.2 16.7

Điện sản xuất[MW]

10 5.7 5.7 1.5

Nhiệt sản xuất[MW]

14.9 10.7 12.2 7.2


HT

W –

UT

/RE


Scenario for the commercial implication

Plant typ CHP CHP + FTS CHP + partlyBio SNG

CHP + full Bio SNG

Total Investment cost [€]

25.000.000 35.000.000 33.000.000 35.000.000

Fuel capacity[MW]

30 30 30 30

Produced Fuels[MW]

- 7.9 8.2 16.7

Produced Power[MW]

10 5.7 5.7 1.5

Produced Thermal En.[MW]

14.9 10.7 12.2 7.2


20

HT

W –

UT

/RE


Tính toán th ương m ại với khái ni ệm mới

Plant type CHP CHP + BtL CHP +

partl. SNG

CHP + full

SNG

Kinh phí

Chi phí nhiên liệu 3,360,000 3,360,000 3,360,000 3,360,000

V.liệu hoạt động(€/năm) 656,000 1,988,000 1,494,000 2,313,000

Nhu cầu điện cho NM (€/năm) 840,000 2,030,000 1,750,000 2,030,000

Chi phí nhân sự (€/năm) 400,000 400,000 400,000 400,000

Chi phí bảo dưỡng (€/năm) 688,000 572,000 552,000 350,000

Chi phí vốn(€/năm) 2,409,00 3,372,000 3,279,000 3,372,000

Lợi nhuận

Điện (€/năm) 7,140,000 5,976,000 5,985,000 1,680,000

Nhiệt (€/năm) 2,086,000 1,496,000 1,708,000 1,008,000

From selling fuels [€/y] – Từ bán nhiên liệu - 5,121,000 3,915,000 10,010,00

0

Chi phí sản xuất nhiên liệu với lợi nhuận hàng năm là 873,000 € (cơ bản của CHP)

Chi phí sản xuất nhiên liệu 1,03 €/l 0,68 €/m³ 0,86 €/lSource: Hofbauer, Rauch, Fürnsin, (TU Wien) Aichernig (Repotec), Project Report „Energy centre Güssing, Energy systems for the future)

HT

W –

UT

/RE


Financial calculation for the new concepts

Plant typ CHP CHP + BtL CHP + partl. SNG CHP + full SNG

Costs

Fuel cost 3,360,000 3,360,000 3,360,000 3,360,000

Operarion material [€/y] 656,000 1,988,000 1,494,000 2,313,000

Plant power demand [€/y] 840,000 2,030,000 1,750,000 2,030,000

Personal cost [€/y] 400,000 400,000 400,000 400,000

Maintanance cost [€/y] 688,000 572,000 552,000 350,000

Capital cost [€/y]

(pay back, interest)

2,409,00 3,372,000 3,279,000 3,372,000

Revenues

Power [€/y] 7,140,000 5,976,000 5,985,000 1,680,000

Heat [€/y] 2,086,000 1,496,000 1,708,000 1,008,000

From selling fuels [€/y] - 5,121,000 3,915,000 10,010,000

Fuel production cost assuming a anual revenue of 873,000 € (baseline CHP)

Fuel production cost 1,03 €/l 0,68 €/m³ 0,86 €/l


21

HT

W –

UT

/RE


Các k ịch b ản – Cơ cấu chi phí

CHP + FTS

Chi phí vốn

Chi phí nhiên liệu

Nguồn vận hành

Chi phí nhânsự

Chi phí bảo dưỡng


HT

W –

UT

/RE


Scenarios – cost structure

CHP + FTS

Capital cost

Fuel cost

Operating ressources

Personal cost

Maintanance cost


22

HT

W –

UT

/RE


Khu vực sấy khô

KV nhiệt phân

Fuel

KV giảm s

KV ô xi hóaKV giảm sút

KV nhiệt phân

KV sấy khô

Fuel

Khí tổng hợp

Syngas

Lò khí đốt hỗn hợpLò khí đốt dòng ng ược

Các ứng dụng quy mô nh ỏH

TW

–U

T/R

E


Drying zone

Pyrolysis z.

Fuel

Reduction z

Oxidation z. Reduction z.

Pyrolysis z.

Drying zone

Fuel

Syngas

Syngas

Co-current gasifier Counter-current gasifier

Small scale applications

23

HT

W –

UT

/RE


4 quy trình phân biện xảy ra trong lò:

• Sấy khô nhiên liệu• Nhiệt phân• Đốt một phần (các quá trình • Giảm sút

Khí hóa sinh kh ối – Thí dụ về lò khí đốt H

TW

–U

T/R

E


4 distinct processes take place in a gasifier:

• Drying of the fuel • Pyrolysis• Partly Combustion

(autotherm processes)• Reduction.

Biomass Gasification – Example downdraftgasifier

24

HT

W –

UT

/RE


Ankur downdraft gasifier (Indian Product)Lò đốt hướng xu ống (sản ph ẩm của Ấn độ)

HT

W –

UT

/RE


Ankur downdraft gasifier (Indian Product)

25

HT

W –

UT

/RE


Khí hóa sinh kh ối sử dụng ch ất th ải từ tre ở Thái Lan [70kW]

Product of a community owned fabric:

Sản xuất: Đũa, que xiên nướng

Phần dư

HT

W –

UT

/RE


Example Biomass gasification [70 kW] using Bamboowaste in Thailand

Product of a community owned fabric:

Chopsticks, grill spits.

The residue:

26

HT

W –

UT

/RE


Gasifier typ: downdraft (Ankur system)

Loại lò nung: Hướng xuống (hệ thống Ạnkur)

Khí hóa sinh kh ối sử dụng ch ất th ải từ tre ở Thái Lan [70kW]H

TW

–U

T/R

E


Gasifier typ: downdraft (Ankur system)


27

HT

W –

UT

/RE


Động cơ gas (đơn giản, khỏe)

Khí hóa sinh kh ối sử dụng ch ất th ải từ tre ở Thái Lan [70kW]H

TW

–U

T/R

E


Gas engine (simple, robust)


28

HT

W –

UT

/RE


Cần phải làm sạch khí, quá trình phức tạp

Khí hóa sinh kh ối sử dụng ch ất th ải từ tre ởThái Lan [70kW]

HT

W –

UT

/RE


Complex gas cleaning required


29

HT

W –

UT

/RE


Downdraft gasifier - duel fuel engine in Prachuabkirikan province

Lò nung hướng xuống – động cơ nhiên liệu kép ở tỉnh Prachua

Các thí dụ khác ở Thái Lan

HT

W –

UT

/RE


Downdraft gasifier - duel fuel engine in Prachuabkirikan province

Other examples from Thailand

30

HT

W –

UT

/RE


Động cơ với Lò nung hướng xuống – tỉnh Nakor

HT

W –

UT

/RE


Downdraft gasifier - engine in Nakornrachasima province

31

HT

W –

UT

/RE


Các thí d ụ khác ở Thái Lan: Các gi ải pháp r ất đơn gi ảnH

TW

–U

T/R

E


Other examples from Thailand: extreme simple soluti ons

32

HT

W –

UT

/RE


Các thí d ụ khác ở Thái Lan: Các gi ải pháp r ất đơn gi ản

HT

W –

UT

/RE


Other examples from Thailand: extreme simple soluti ons

33

HT

W –

UT

/RE


Thảo lu ận nhóm

Vấn đề này sinh từ việc sử dụng các biện pháp đơn giản như vậy?

HT

W –

UT

/RE


Group discussion

What are the problems of using such simple solutions?

34

HT

W –

UT

/RE


Synthesis gas utilization

Tình tr ạng khí hóa c ố định đế ở Đức

HT

W –

UT

/RE



Status of fixed bed gasification in Germany

35

HT

W –

UT

/RE


Synthesis gas utilizationTình tr ạng khí hóa c ố định đế ở Đức

HT

W –

UT

/RE



Status of fixed bed gasification in Germany

36

HT

W –

UT

/RE


Nhà máy điện khí hóa ở Urugoay

Direct Combustion of gases / Application in thermal power plants

HT

W –

UT

/RE


ERK Gasification Power Plant in Uruquay

Direct Combustion of gases / Application in thermal power plants

37

HT

W –

UT

/RE


Thảo lu ận nhóm cu ối cùng

Giải pháp phù hợp nhất ở Việt Nam là gì?

HT

W –

UT

/RE


Final group discussion

What could be the most appropriate solution for Vietnam?

Module 6 Basic design parameters for commercially viable on-grid biomass gasification heat and power plants

Education