Tecnologia dei motori a gas per il gas da legna

2. INFO SYNGAS “SYNGAS: l’enfant terrible“

Montichiari Centro Fiera

Venerdì 24 gennaio 2014 G. Herdin/2-G & PGES GmbH

Contenuto

• Basi

• Formazione miscela

• Qualità del gas

• Efficienza elettrica - stato

• Lambda 1 vs motore a miscela povera

• Emissioni e gas di scarico dopo il trattamento

• Conclusioni

Efficienza di varie tecnologie

Fonte: EVN; Jenbacher; PGES

50

60

70

80

90

8 12 16 20 24 28 32

efficienza el.+therm.

processo ORC 4.5 MW FP

processo a vapore (turbina)

5.2 MW FP

efficienza el. [%]

gassificazione con motore a gas

2-8 MW FP

Cogeneratore a gas

Fonte:PGES & 2-G

Motore usato come tiraggio indotto – concetto semplice per piccoli impianti di gassificazione

valvola

aria

gas di legna

motore

vantaggio svantaggio Molto semplice Bassa potenza come output

In caso di utilizzo di biomassa secca non c’è formazione di condensato

Bassa efficienza

Il sistema è sempre ad una pressione più bassa dell’ambiente, concetto di sicurezza

Non è possibile un reale controllo delle emissioni, la formazione della miscela di gas è controllata manualmente attraverso due regolatori

Motore a otto a gas

valvola

aria

gas

motore

turbina

intercooler compressore

scatola di accensione

Vantaggi: alta efficienza e basse emissioni

Schema – Motore con accensione pilota Diesel

(valvola)

aria

regolatore portata

motore

turbina

intercooler compressore

Pompa Iniezione Diesel

Vantaggio: alta efficienza

Svantaggio: alte emissioni di NOx

Paragone dei fori d‘ugello di miscelazione di aria e gas per delle diverse qualità del gas di legna

Gas naturale H Hu = 11.03 kWh/Nm³

GasAria

Fonte: EU Prog. WIKAGASMOT; GEJ, agnion; PGES GmbH

Harboore Hu = 1.7 kWh/Nm³

agnion HPR Hu = 3.03 kWh/Nm³

EU Progetto Prüfling Hu = 0.69 kWh/Nm³

Confronto tra i diversi syngas

42,9

15 18.5 20 8,5

24,6

46 28

17

9,5

10,5 2

5 2

1,5

0

10

20

30

40

50

60

70

80CH4COH2

volume [%]

agnion HPR 2SV Harboore Civitas Nova Prüfling

Fonte: GEJenbacher/agnion

Confronto tra la qualità del gas autotermico & allotermico con il „Heatpipe Reformer“ agnion – vantaggi nell‘efficienza

Fonte: Tecnologie Agnion

3,3 10,5

19,5

42,9

14,4

24,6

0

10

20

30

40

50

60

70

Composizione Syngasgassificazione autotermica

Composizione Syngasallotermico/Heatpipe-Reformer

H2

CO

gas inerti N2 + CO2

gas inerti N2 + CO2

H2 CO

composizione del gas [%]

CH4

~ 1,5% di aumento dell‘efficienza

CH4

NOX generazione di vari carburanti nei motori a gas

Fonte: GE Jenbacher/PGES

0

10

20

30

40

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6Lambda

limiti poveri idrogeno

gas naturale (NG)

gas da legna Harboore

povero ricco emissioni NOX [g/kWh]

H2/N2 miscela (16/84 %vol.)

11

Paragone – velocità fiamma laminare

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2Lambda

Harboore H-Gas EU Prüfling

densità 1.129 [kg/Nm3] LHV 1.70 [kWh/Nm³] Lmin 1.33 [m³ aria/m³gas]

vel. fiam. lam. [cm/sec]

densità 1.301 [kg/Nm3] LHV 0.73 [kWh/Nm³] Lmin 0.57 [m³ aria/m³gas]

densità 0.853 [kg/Nm3] LHV 11.03 [kWh/Nm³] Lmin 10.47 [m³ aria/m³gas]

operazione motore

Paragone del motore a gas naturale con i diversi concetti di carico turbo => 2*3K con 1*ABB TPS44

Fonte: Tecnologie energetiche MAN e 2G

Versione 2G – agenitor 412 carico turbo ABB TPS44 potenza output 550kWel. efficienza el. = 42,6%

MAN versione originale 3262 carico turbo 2*3K BorgWarner potenza output 530kWel. efficienza el. = 39,5%

Paragone tra i motori a gas di legna ottimizzati

34,3 37,3

39,4 36,8

05101520253035404550

0

200

400

600

800

1000

1200

motore a gas48l

GEJ 420 C45 GEJ 420 B47 GEJ 612 F63

potenza output el.BMEPefficienza el.

Fonte: PGES, GEJenbacher

Efficienza – motore a gas di legna sul carico e NOx

0,26

0,3

0,34

0,38

0,42

0 20 40 60 80 100 120 140

BMEP = 9 bar, 90 mg NOx/nm³ il motore lavora vicino al limite di carico

BMEP 12 bar 450 mg NOx/nm³

BMEP 14 bar, 800 mg NOx/nm³ carico massimo vicino al limite di accensione anticipata e detonante

efficienza [ ]

carico [%]

Carburante: H2 = 16 %, CO = 26%, CH4 = 1,5 %

Fonte: lezione Herdin, GEJ varie presentazioni, impianto Harboore

L’impatto del concetto di combustione e del motore sulla potenza nell’output- motore di base MAN 2842 (21,93 l di cilindrata)

Unità Gas naturale „H“ Gas di legna „K“ Gas di legna „N“

Concetto aspirato

stechiometrico– naturale

aspirato stechiometrico –

naturale

Carico caricato turbo IC

P.C.I. - Hu kWh/Nm³ 11,03 1,77 1,17

P.C.I. - miscela kWh/Nm³ 0,961 0,759 0,615

BMEP (pressione media effettiva al freno)

bar 9,12 3,58 10

Miscela –temperatura °C 25 68 50

Potenza output kW 250 98 278

Fonte: PGES; 2-G

Impianto Nexterra 2 MW UBC, controllo pressione cilindri

Fonte: Nexterra; PGES 18

sensore per pressione cilindri tipo Kistler

Emissioni prima del catalizzatore OXI @ Lambda 2,197 NOx = 19 ppm => 60mgNOx@5%O2 CO = 1064 ppm CH4 = 41 ppm

Analisi gas di legna & emissioni impianto WILA

0

5

10

15

20

25

30

35

composizione delgas di legna

categoria 2

[%]

CH4

H2

CO

NOx

CO

emissioni

Limite CO Limite NOx

con/senza catalizzatore

mg@

5% O

2

3000

2000

1000

con catalizzatore OXI

Fonte: WILA, pulizia a umido syngas senza NH3 19

Emissioni - impianto pilota Agnion Grassau – 220 kWel.

3

92

134

229

0,1 0 1 0,01 0

50

100

150

200

250

agenitor 412 @5%O2 camera di combustione@11% O2

CO NOx benzolo particoli

Fonte: agnion; Müller BBM

mg emissioni [@5%& 11%O2]

Esempio per la composizione del gas - Güssing - situazione nel 2006

Fonte: reNet/PGES

Piano del sistema LEANOX

Piano del sistema LEANOX/SCR – concetto a ciclo aperto

Tecnologia SCR (riduzione catalitica selettiva) – a ciclo aperto – impianto di gassificazione Italia

0

200

400

600

800

1000

1200

0

2

4

6

8

10

10:10 10:13 10:16 10:19

O2CONOx

Fonte: Steuler

0

200

400

600

800

1000

1200

0

2

4

6

8

10

10:50 10:53 10:56 10:59

O2CONOx

SCR - entrata SCR - uscita

O2 [%] O2 [%] NOx; CO [mg/Nm³] NOx; CO [mg/Nm³]

La conversione del NH3 in carburante NOx Il gas naturale in confronto al gas di legna (alto contenuto di cortecce)

Fonte: GEJ varie presentazioni

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 250 500 750 1000 1250 1500

NH3-Beladung im Gemisch [ppm]

NO

x im

Mot

orab

gas

[mg/

Nm

³ @5%

O2]

.

HolzgasErdgas

Gasmotor GE J156, in Teillast bei 50 kWel

Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J.

L’impatto del NH3 sulle emissioni di NOx

425 3

4460

1570

0

1000

2000

3000

4000

5000carburante NOx

term. NOx

NOx [mg/Nm³@5 % O2]

Güssing 440 mg NH3 Jenbacher

2 MW

Harboore <5 mg NH3 Jenbacher

1.4 MW

Spagna 4600 mg NH3

Guascor 160 kW

Balingen 2010 mg NH3

Liebherr 90 kW

Limite NOx TA-Luft = 500 mg

Fonte: GEJ varie presentazioni

Conclusione

• La produzione di syngas da legna/pellets e l’uso nei motori crea la migliore possibile efficienza elettrica

• Motori molto sviluppati raggiungono delle efficienze elettriche vicine al 40%

• Per raggiungere delle efficienze elevate il motore dovrebbe lavorare sempre a sovraccarico

• La chiave per raggiungere delle efficienze elevate è un carico turbo di alta qualità e un motore a combustione ottimizzata

• Se la qualità del syngas è quasi senza NH3 i limiti NOx della TA-Luft possono essere ottenuti con/senza la tecnologia SCR

• Per ridurre i livelli delle emissioni di NOx fino ai 100mg NOx/nm³ un catalizzatore SCR è lo stato dell’arte della tecnologia

Grazie per l‘attenzione

Contatto: Dott. Guenther Herdin g.herdin@prof-ges.com