Co je zplyňování a pyrolýza
Pyrolýza je tepelný rozklad paliva na jednodušší sloučeniny bez přístupu vzduchu či jiného oxidovadla. V důsledku vysoké teploty (>300 °C) se část paliva (tzv. prchavá hořlavina) přemění na plyn a uvolní se do reaktoru. Z paliva zbyde pouze pevný zbytek složený z uhlíku (neprchavá hořlavina) a popelovin. Složky uvolněného pyrolýzního plynu mohou dále reagovat mezi sebou, pokud mají dostatek času. Po zchlazení z tohoto plynu vykondenzují těžší organické látky a vznikne tak další pyrolýzní produkt-pyrolýzní kapalina.
Celkově je tedy pyrolýza rozklad vstupního paliva na pyrolýzní plyn, pyrolýzní kapaliny a pevný zbytek. Vzájemný poměr těchto tří produktů záleží na koncepci technologie pyrolýzy. Pokud je teplota pyrolýzy vyšší a čas zdržení pyrolýzních par delší, hlavním produktem pyrolýzy je pyrolýzní plyn a pevný zbytek. Taková pyrolýza se nazývá karbonizace. Pokud za teploty kolem 500 °C jsou pyrolýzní páry hned po svém vzniku schlazeny (není jim dovoleno reagovat mezi sebou), je dosaženo vysokého výtěžku pyrolýzní kapaliny. Takto nastavenému procesu se říká rychlá pyrolýza.
Produkty pyrolýzy jsou vhodné k mnoha účelům. Pevný zbytek (nazývaný koks, polokoks, koksík či dřevěné uhlí) si částečně zachová strukturu, kterou měl v původním palivu, ale protože se uvolnila prchavá hořlavina, je tato struktura porézní. V důsledku toho je tento materiál vhodný např. k výrobě aktivního koksu či aktivního uhlí, k výrobě sazí nebo dřevěného uhlí. Pyrolýzní kapaliny jsou zajímavou chemickou komoditou, která je vhodná např. k výrobě alternativních paliv či jiných chemikálií. V některých technologiích je uvažováno i o jejím přímém spalování v naftovém motoru. Pevné a kapalné produkty pyrolýzy jsou zajímavé i z hlediska přepravy, protože v sobě obsahují zakoncentrovanou energii ze vstupního paliva. V některých konceptech je tedy uvažováno o menších distribuovaných pyrolýzních jednotkách, které by koncentrovali např. odpady ze zemědělské výroby do formy polokoksu a pyrolýzní kapaliny, které by poté byly převáženy v cisternách k velkým zpracovatelským závodům na výrobu alternativních paliv.
Pyrolýzní plyn bývá většinou použit přímo na místě k otopu pyrolýzní jednotky, protože pyrolýza je proces vysoce endotermní (vyžaduje externí zdroj tepla), anebo bývá využit v plynovém motoru k následné výrobě elektřiny a tepla.
Zplyňování je obdoba pyrolýzy s tím rozdílem, že hlavním cíleným produktem je výhřevný plyn. Toho je dosaženo vyšší teplotou, delším reakčním časem a použitím přesného množství tzv. zplyňovacího média. Zplyňovacím médiem bývá vzduch, čistý kyslík s vodní párou nebo samotná vodní pára. Pokud je použit vzduch nebo kyslík (přibližně 1/3 množství, které by bylo potřeba ke spálení paliva), probíhá při zplyňování i nedokonalé spalování čímž je přímo v reaktoru vyráběno teplo nutné k pyrolyzním a zplyňovacím procesům. Pokud je použita vodní pára, je vyráběn plyn s vysokým obsahem vodíku, ale je nutno technologicky zajistit dostatečný přívod tepla, které ale musí být dodáváno z vnějšího zdroje.
Složení plynu se liší v závislosti na technologii, palivu a zplyňovacím médiu. Hlavními výhřevnými složkami jsou H2, CO, CH4 a jiné organické látky, plyn je nutně naředěn dusíkem, vodní parou a oxidem uhličitým. V důsledku toho se jeho výhřevnost se pohybuje od 3 MJ m-3 do 15 MJ m-3 v závislosti na technologii zplyňování. Bohužel, plyn obsahuje i nečistoty, které z něj musí být vyčištěny před jeho použitím.
Vyrobený plyn může být použit mnoha způsoby. Plyn o nízké výhřevnosti a nedokonale zbavený nečistot může být spalován v plynovém hořáku přímo zakomponovaném do většího kotle na tuhá paliva. Vyšší nároky na výhřevnost a čistotu plynu má plynový motor. Plynový motor bývá napojený na generátor a takto je vyráběna elektřina a teplo v kogeneračním režimu. V budoucnu se dokonce uvažuje o kombinované výrobě elektrické energie a tepla ve vysokoteplotních palivových článcích. Vhodně upravený a vyčištěný plyn může být použit také k výrobě chemických komodit, hlavně alternativních paliv (SNG, DME, H2 apod.).
Proč palivo přímo nespálit, ale používat složitou a dražší technologii k výrobě plynu, který poté spálíme?
Odpověď na tuto otázku má dvě části:
1) nižší objem čistějších spalin
2) vyšší dosažitelná účinnost přeměny paliva na elektřinu v nižších měřítkách
1) K dosažení optimálního spálení paliva s vysokou účinností a nízkými emisemi musí být použit dostatečný přebytek vzduchu. Vzduch obsahuje 78 % dusíku. Tento dusík musí být ohřát na spalovací teplotu a zvyšuje množství spalin, které je nutné následně čistit. Pokud palivo nejdříve zplyníme 1/3 množství vzduchu potřebného ke (stechiometrickému) spálení paliva, dosáhneme relativně nižšího objemu plynu, který bývá následně odprášen a čištěn od prekurzorů škodlivin ve spalinách. Vyčištěný plyn může být spálen s velmi malým přebytkem vzduchu (ony zbývajících 2/3 nutné ke stechiometrickému spalování), protože je dobře mísitelný se spalovacím vzduchem. Tudíž, celkový objem spalin vzniklých spálením tohoto plynu je nižší a zároveň je i řádově nižší obsah nečistot v těchto spalinách, než při přímém spálení paliva. To se projeví nejenom na účinnosti, ale má to i zásadní význam např. při využití paliva s vyšším obsahem nečistot (odpady). Spalování plynu bývá i mnohem lépe regulovatelné než spalování tuhých paliv.
2) K výrobě elektřiny z tepla ze spalování tuhých paliv je zapotřebí spalinový kotel, který vyrábí vysoko-potenciální páru z velmi dobře vyčištěné vody. Tato pára pohání parní turbíny. Takové uspořádání je složité a drahé a je rentabilní pouze ve větších měřítkách. Pokud uvažujeme například o využití biomasy, vede toto uspořádání k nutnosti dovážet veliké objemy nepříliš výhřevného materiálu na dlouhé vzdálenosti, což je neekonomické a neekologické. Elektřina se dá přímým spálením vyrábět i v menších měřítkách prostřednictvím technologie využívající Organického Rankinova Cyklu (ORC). Několik aplikací, které jsou již několik let v provozu, ukazuje, že tato technologie je velmi drahá a málo účinná.
Při zplynění tuhého paliva vyrobíme plyn, který je možné použít v plynovém motoru. Toto uspořádání je možné realizovat i ve velmi malých měřítkách, přičemž účinnost výroby elektřiny je obdobná (či vyšší) účinnosti výroby elektřiny ve velkých spalovacích zařízeních s (parním) Rankinovo cyklem. To vede nejenom k možnosti distribuované (bezpečnější) výroby elektřiny, ale i láká investory s nižšími investičními rozpočty, než při stavbě velikých energetických komplexů. Často bývá výroba elektřiny velmi významným bonusem k výrobě provozního tepla. Obecně, teplo z menších provozů bývá mnohem smysluplněji využito, což se projevuje i na celkové účinnosti využití paliva.