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

HTW –UT/RE

Ứng dụng nối lưới của năng lượng sinh khối, khí sinh học
và chất thải
cho nhà máy điện Việt Nam
Đào tạo ngắn hạn
10/11, Tháng 12, 2013, Hà Nội

(Mirko Barz)

HTW –UT/RE

GIZ Training RE Vietnam_Dec. 2013 - 1

On-Grid Applications of Biomass, Biogas and Waste-to-Energy
Power Plants for Vietnam
Short Term Training Seminar
December 10th – 11th, 2013, Hanoi

(Mirko Barz)


1

HTW –UT/RE

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

Nội dung
-

Cơ sở khí hóa
Các khái niệm khí hóa quy mô lớn
Các khái niệm khí hóa quy mô nhỏ

HTW –UT/RE


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

Content:
-

Gasification basics
Large scale gasification concepts
Small scale gasification concepts


2

HTW –UT/RE

Tổng quan các Công nghệ chuyển đổi Nhiệt Hóa

Chuyển đổi nhiệt hóa
các nhiên liệu rắn

Nhiệt phân

Khí hóa

Đốt nhiệt

HTW –UT/RE

Overview Thermo chemical conversion Technologies


3

HTW –UT/RE

Nhiệt hóa sinh khối
Giới thiệu
Định nghĩa
Khí 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.


HTW –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.
,


4

HTW –UT/RE

Sản phẩm của khí hóa = Khí nhiên liệu hay khí có thể 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 có
tính xúc tác hơn.

9

HTW –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 H2)
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

10

5

HTW –UT/RE

Khí hóa sinh khối
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

HTW –UT/RE

Gasification of Biomass
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

6

HTW –UT/RE

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

Thành phần chính của khí tổng hợp
CxHy
H2
CO
Các thành phần khác
-CO2 (và nếu không khí được sử dụng
Như chất trung gian khí hóa N2)

HTW –UT/RE


Fuel gas composition depending
on the excess air ratio

Main components of a Syngas:
CxHy
H2
CO
Further components
-CO2 (and if air is used as
gasification media N2)


7

Bild rechts: Stahlofen zur Kohlevergasung

HTW –UT/RE

Bild links: Gaswerke zur Stadtgaserzeugung

History of biomass gasification
Lịch sử của khí hóa biogas
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.


Bild rechts: Stahlofen zur Kohlevergasung

HTW –UT/RE

Bild links: Gaswerke zur Stadtgaserzeugung

History of biomass gasification
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.


8

HTW –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

HTW –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


9

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

HTW –UT/RE

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

Example coal gasification in Berlin (Prenzl. Berg)

HTW –UT/RE

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 plant
started in May 1981.

Blasting of the plant July 1984

10

HTW –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)


Biomass Gasification

HTW –UT/RE

History
• Gasification is not a new technology, it was originally developed in
the 1800s and used to make town gas for lighting and cooking from coal.
• Small scale gasifier were also used to power internal combustion engine
vehicles during fuel shortages during the Second World War.
• The in the 1920s developed by Imbert wood gasifier to power
Motor vehicles had Its peak at the end of the second world war, when
fossil fuels were rare. (500.000 gasifier produced per year)


11

HTW –UT/RE

Lịch sử Khí hóa sinh khối

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


HTW –UT/RE

History of Biomass Gasification
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 own
fossil energy resources,
Development of technical knowledge about alternative energies and thermochemical
conversion processes
Increased research in the field of biomass gasification


12

HTW –UT/RE

Khí hóa sinh khối 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
Since 2001
Heat

Power

Bio SNG

BtL fuel

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

HTW –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 .
Since 2001
Heat

Power

Bio SNG

BtL fuel

Bild: Biomass gasification for heat and power supply
Güssing (Österreich)

13

HTW –UT/RE

Sơ đồ trình tự quá trình khí hóa sinh khối 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 MW th
Nguồn: Hofbauer, Rauch, Fürnsin, (TU Wien) Aichernig (Repotec), Báo cáo DA, Trung tâm năng lượng Güssing, HT năng
lượng cho tương lai

HTW –UT/RE

Flow chart of the Biomass Gasification PP in Güssing

Total fuel capacity: 8 MW
Fuel demand: approx. 2,2 t/h (woodchips, 20 % water content)
Power: 2 MW el
Thermal capacity: 4,5 MW th
Source: Hofbauer, Rauch, Fürnsin, (TU Wien) Aichernig (Repotec), Project Report „Energy centre Güssing, Energy systems for the future)

14

HTW –UT/RE

Mục tiêu dự án mới (Ứng dụng nối lưới cho sinh khối hơn là điện)

Nhà máy hiện tại

Sinh khối
Khí hóa

Làm sạch khí

Động cơ dùng
khí

Nhiệt

Nhà máy mới đang được xây dựng
Làm sạch khí + tạo điều kiện

Bio SNG

FT fuel (BtL)

Điện


HTW –UT/RE

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

Gasification

Existing plant
Gas cleaning

New plant in preparation
Pure gas cleaning + conditioning

Gas engine
Bio SNG

Heat

FT fuel (BtL)

Power


15

HTW –UT/RE

Sơ đồ cho nhà máy hiện đại mới


HTW –UT/RE

Flow chart for the advanced new plant


16

HTW –UT/RE

Hoạt động ở nhà máy hiện tại


HTW –UT/RE

Demonstration at the existing plant


17

HTW –UT/RE

Thông số để tính toán chi phí của nhà máy mới

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 %


HTW –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 %


18

HTW –UT/RE

Kịch bản thương mại

Plant typ

CHP

CHP + FTS

CHP + partly
Bio 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


HTW –UT/RE

Scenario for the commercial implication
Plant typ

CHP

CHP + FTS

CHP + partly
Bio 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


19

Tính toán thương mại với khái niệm mới

HTW –UT/RE

Plant type

CHP

CHP + BtL

CHP +
partl. SNG

CHP + full
SNG

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

Kinh phí

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

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

Lợi nhuận

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 €/l


Financial calculation for the new concepts

HTW –UT/RE

Plant typ

CHP

CHP + BtL

CHP + partl. SNG

CHP + full SNG

3,360,000

3,360,000

3,360,000

3,360,000

Costs
Fuel cost
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

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

Revenues
Power [€/y]

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

1,03 €/l

0,68 €/m³

0,86 €/l


20

HTW –UT/RE

Các kịch bản – Cơ cấu chi phí
CHP + FTS

Chi phí vốn
Chi phí nhiên liệu
Nguồn vận hành
Chi phí nhânsự
Chi phí bảo dưỡng

HTW –UT/RE

Scenarios – cost structure
CHP + FTS

Capital cost
Fuel cost
Operating ressources
Personal cost
Maintanance cost

21

HTW –UT/RE

Các ứng dụng quy mô nhỏ

Lò khí đốt dòng ngược

Lò khí đốt hỗn hợp

Fuel

Fuel

Khí tổng hợp
Khu vực sấy khô

KV sấy khô

KV nhiệt phân

KV nhiệt phân

KV giảm s
KV ô xi hóa

KV giảm sút

Syngas


HTW –UT/RE

Small scale applications

Counter-current gasifier

Co-current gasifier

Fuel

Fuel

Syngas
Drying zone

Drying zone

Pyrolysis z.

Pyrolysis z.

Reduction z
Oxidation z.

Reduction z.
Syngas


22

HTW –UT/RE

Khí hóa sinh khối – Thí dụ về lò khí đốt

4 quy trình phân biện xảy ra trong
lò:
•
•
•
•

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


HTW –UT/RE

Biomass Gasification – Example downdraft
gasifier
4 distinct processes take place in a gasifier:
•
•
•
•

Drying of the fuel
Pyrolysis
Partly Combustion
(autotherm processes)
Reduction.


23

HTW –UT/RE

Ankur downdraft gasifier (Indian Product)
Lò đốt hướng xuống (sản phẩm của Ấn độ)


HTW –UT/RE

Ankur downdraft gasifier (Indian Product)


24

HTW –UT/RE

Khí hóa sinh khối sử dụng chất thải từ tre ở Thái Lan [70kW]
Product of a community owned fabric:
Sản xuất: Đũa, que xiên nướng

Phần dư


HTW –UT/RE

Example Biomass gasification [70 kW] using Bamboo
waste in Thailand
Product of a community owned fabric:
Chopsticks, grill spits.

The residue:


25

HTW –UT/RE

Gasifier typ: downdraft (Ankur system)
Loại lò nung: Hướng xuống (hệ thống Ạnkur)


HTW –UT/RE

waste in Thailand
Gasifier typ: downdraft (Ankur system)


26

HTW –UT/RE


Động cơ gas (đơn giản, khỏe)


HTW –UT/RE

waste in Thailand
Gas engine (simple, robust)


27

HTW –UT/RE

Khí hóa sinh khối sử dụng chất thải từ tre ở
Thái Lan [70kW]
Cần phải làm sạch khí, quá trình phức tạp


HTW –UT/RE

Example Biomass gasification [70 kW] using
Bamboowaste in Thailand
Complex gas cleaning required


28

HTW –UT/RE

Các thí dụ khác ở Thái Lan

Downdraft gasifier - duel fuel engine in Prachuabkirikan province
GIZ
Lò nung hướng xuống – động cơ nhiên liệu kép ở tỉnh PrachuaTraining RE Vietnam_Dec.

2013 - 57

HTW –UT/RE

Other examples from Thailand

Downdraft gasifier - duel fuel engine in Prachuabkirikan province

29

HTW –UT/RE

Động cơ với Lò nung hướng xuống – tỉnh Nakor

HTW –UT/RE


Downdraft gasifier - engine in Nakornrachasima province

30

HTW –UT/RE

Các thí dụ khác ở Thái Lan: Các giải pháp rất đơn giản


HTW –UT/RE

Other examples from Thailand: extreme simple solutions


31

HTW –UT/RE

Các thí dụ khác ở Thái Lan: Các giải pháp rất đơn giản


HTW –UT/RE

Other examples from Thailand: extreme simple solutions


32

HTW –UT/RE

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


HTW –UT/RE

Group discussion
What are the problems of using such simple solutions?


33

Tình trạng khí hóa cố định đế ở Đức

HTW –UT/RE

Synthesis gas utilization

67

Status of fixed bed gasification in Germany

HTW –UT/RE


68

34

HTW –UT/RE

Tình trạng khí hóa cố định đế ở Đức

69

Status of fixed bed gasification in Germany

HTW –UT/RE


70

35

HTW –UT/RE

Direct Combustion of gases / Application in thermal
power plants

Nhà máy điện khí hóa ở Urugoay

HTW –UT/RE

Direct Combustion of gases / Application in thermal
power plants

ERK Gasification Power Plant in Uruquay

36

HTW –UT/RE

Thảo luận nhóm cuối cùng
Giải pháp phù hợp nhất ở Việt Nam là gì?


HTW –UT/RE

Final group discussion
What could be the most appropriate solution for Vietnam?


37

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

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais de Tuong Do

Mais de Tuong Do (20)

Último

Último (20)

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