Como funciona uma usina de biomassa Guia passo a passo do manuseio de combustível até a eletricidade da rede

Como funciona uma usina de biomassa Guia passo a passo do manuseio de combustível até a eletricidade da rede

Uma usina de biomassa usa lascas de madeira, resíduos agrícolas e outros materiais orgânicos para gerar eletricidade para a rede, incinerando o material para criar vapor de alta pressão seguido de expansão através de uma turbina que aciona um gerador Este guia cobre todo o processo [do pátio de combustível até a caldeira e turbina a vapor até o condensador e controles de poluição (polution controls) e fornece as informações necessárias para compradores, operadores e leitores curiosos tomarem uma decisão sobre especificar, financiar ou conectar-se a uma planta.

Especificações rápidas: Visão geral da usina de biomassa

O que é uma usina de biomassa? Componentes dentro da cerca

A biomassa, conforme definida pela Administração de Informação de Energia dos EUA, é material orgânico renovável que vem de plantas e animais.“ Uma usina de biomassa é a instalação que converte essa matéria-prima orgânica em energia elétrica, geralmente através de combustão direta acionando um ciclo Rankine a vapor. Seis subsistemas compõem quase todas as instalações modernas:

1. Pátio de combustível e manuseio de pilhas de armazenamento externas, silos, transportadores, martelos e parafusos de medição que condicionam lascas de madeira, chips ou resíduos agrícolas antes da combustão.
2. A caldeira de biomassa industrial normalmente alimenta um projeto de leito fluidizado, leito fluidizado ou tubo de água, onde a combustão de biomassa libera calor que converte água em vapor superaquecido. Um caldeira biomassa industrial o tamanho 2, como 5 t/h, é comum para CHP de escala média, enquanto as usinas de serviços públicos administram bancos de tubos de água maiores, como o Caldeira de biomassa de tubo de água SZL série.
3. Turbina a vapor e gerador (uma turbina de condensação ou contrapressão de vários estágios girando um alternador síncrono a 3.000 rpm (redes de 50 Hz) ou 3.600 rpm (redes de 60 Hz) para gerar eletricidade.
4. Condensador e torre de resfriamento (condensador e torre de resfriamento) condensa o vapor gasto de volta à água de alimentação, rejeitando o calor residual por meio de resfriamento úmido ou seco.
5. Os sistemas de controle de emissões de ciclones, filtros de mangas, precipitadores eletrostáticos e sistemas SCR/SNCR para partículas, NO e outros poluentes regulamentados ACM de caldeira EPA dos EUA ou regras equivalentes.
6. Manuseio de cinzas e interconexão da rede Transportadores de cinzas pesadas e cinzas volantes, além de um transformador elevador e relés de proteção amarrando o gerador à rede de transmissão.

Dois esclarecimentos que valem a pena fixar Um, uma ‘usina de biomassa’ pode estar se referindo apenas à ilha da caldeira ou a toda a instalação Como a biomassa é usada na usina (somente calor, apenas energia ou calor e energia combinados) determina onde você deve traçar o limite ao ler folhetos do fornecedor.

Em segundo lugar, as centrais eléctricas a biomassa diferem estruturalmente das refinarias de biocombustíveis (que produzem etanol ou biodiesel) e dos digestores anaeróbicos que produzem biogás; todos os três convertem biomassa em energia, mas apenas o primeiro alimenta vapor diretamente em uma turbina.

O processo de 5 etapas: do pátio de combustível à turbina a vapor

A geração moderna de eletricidade de biomassa segue uma cadeia termodinâmica de cinco estágios Cada estágio tem parâmetros mensuráveis que vale a pena conhecer antes de caminhar por uma usina ou assinar um contrato para serviços de geração de energia de biomassa.

Estágio 1 (Pátio de Combustível e Preparação)

A matéria-prima de biomassa bruta será entregue a um pátio externo por caminhões, vagões ou barcaças O material é dimensionado para lascas de aproximadamente 25-50 mm, peneirado para metal de grandes dimensões e tramp, e transportado por transportadores para silos cobertos A maioria das lascas de madeira que chegam à planta são madeira verde e chegam a um teor de umidade de 40-551TP3 T (base úmida) de acordo com o Guia de Design de Edifício Inteiro (WBDG); uma vez que a água deve ser fervida antes que o calor que contém possa ser usado produtivamente, as plantas geralmente pré-secam sua matéria-prima para umidade ≤201TP3 T usando calor transportado por gás de combustão A necessidade de armazenamento e secagem subestimada é o erro de projeto mais comum (a) processo de instalação da caldeira de biomassa isso ignora que a logística do pátio de combustível tende a ter um desempenho inferior desde a primeira semana.

Estágio 2 Combustão na Caldeira

Dentro do forno, a biomassa encontra o ar primário e secundário em uma grelha em movimento ou em um leito fluidizado de partículas inertes, como areia As temperaturas são elevadas para cerca de 850 °C. O estadiamento do ar mantém o NOx baixo; a injeção de cal em projetos de leito fluidizado captura enxofre De acordo com o Guia de design de construção integral apoiado pelo DOE, os sistemas de leito fluidizado geralmente produzem uma conversão de carbono mais completa e aceitam uma gama mais ampla de matérias-primas do que os combustores de grelha, ao custo de maior potência do ventilador.

Estágio 3 Geração de Vapor

O gás de combustão seu calor através de tubos de parede de água, economizadores e superaquecedores Plantas de escala de utilidade normalmente executam transferências de vapor vivo em 480 4 °C e 4 °C e 180 bar; unidades CHP industriais menores executam mais baixo (250042 °C, 3060 bar) Condições mais altas de vapor aumentam a eficiência, mas exigem atualizações de liga e química de água de alimentação mais apertada.

Estágio 4 Turbina a Vapor e Gerador

O vapor superaquecido se expande através de uma turbina a vapor de vários estágios, diminuindo a pressão e a temperatura enquanto converte energia térmica em trabalho de eixo rotacional Um gerador síncrono acoplado diretamente transforma esse trabalho de eixo em energia elétrica de corrente alternada As usinas utilitárias normalmente funcionam a 3.000 ou 3.600 rpm para corresponder à frequência da rede; unidades engrenadas menores podem girar mais rápido.

Estágio 5 Condensação e Rejeição de Calor

Gasto de baixa pressão entra em um condensador de vácuo, desiste de seu calor latente para a água de resfriamento circulante, retorna à forma líquida para bombeamento de volta para a caldeira um circuito Rankine fechado Uma torre de resfriamento úmido ou condensador refrigerado a ar derrama o calor rejeitado Em uma planta CHP, grande parte desse calor de baixa qualidade é colhido para aquecimento urbano, secagem em forno ou vapor de processo em vez de ser jogado fora.

A matéria-prima de biomassa é tudo menos uniforme A economia, o perfil de emissões e a química das cinzas de uma planta dependem do combustível que ela realmente queima Cinco famílias dominam, cada uma com valor de aquecimento mensurável e peculiaridades operacionais Para uma quebra mais profunda da matéria-prima, consulte o guia de tipos de combustível de biomassa.

Um padrão se repete em cada auditoria NREL Lessons-Learned: a qualidade do combustível de biomassa varia muito mais do que a qualidade do carvão, de modo que as usinas que têm sucesso a longo prazo são as que investiram em amostragem de combustível, testes e diversificação de suprimentos antes do comissionamento Os contratos de compra baseados em densidade (preço por GJ em vez de por tonelada) ajudam a alinhar os incentivos dos fornecedores com as necessidades da planta.

Caminhos de conversão: além da combustão direta

A combustão direta mais um ciclo Rankine a vapor compõe, de longe, a maior parte da capacidade instalada de energia de biomassa globalmente, mas não é a única maneira Três alternativas importam quando matéria-prima, escala ou economia local levam um projeto de outra forma padrão por um caminho diferente.

Combustão Direta (o padrão)

A biomassa sólida queima em uma grade ou em um leito fluidizado; os produtos de combustão aquecem a água ao vapor; o vapor aciona uma turbina Cerca de 70%+ das usinas de biomassa em todo o mundo usam essa abordagem, incluindo a maioria das unidades de grade de corrente no Caldeira de corrente-grade DZL série para cogeração industrial. É o caminho de menor custo quando há fornecimento constante de combustível uniforme disponível.

Co-queima com carvão

Caldeiras pulverizadas existentes podem queimar biomassa de 151TP3 T de carvão misturada na alimentação de carvão com modestas modificações de moagem e queimador A co-queima de biomassa foi popular na UE durante a década de 2010 como uma cunha de descarbonização barata, mas a política da UE está a eliminá-la gradualmente após 2030 em favor de uma biomassa dedicada caldeiras biomassa ou retrofits BECCS.

Gaseificação

De acordo com a EIA, a gaseificação aquece a biomassa a 800 °C90 com oxigênio limitado para produzir um gás de síntese (principalmente CO + H2) com energia utilizável de cerca de 10 MJ/Nm. A Syngas pode abastecer motores de combustão interna, turbinas a gás, ou após células de combustível. As plantas são normalmente menores (110 MWe) e mais intensivas em capital por kW do que a combustão direta.

Digestão Anaeróbica

A biomassa úmida (goma, desperdício de alimentos, lodo de esgoto) decompõe-se digestores livres de oxigênio a 355°C5, produzindo biogás que é aproximadamente 5°C5°C. O biogás alimenta um gerador de motor alternativo que aciona um alternador A digestão Anaer é a rota dominante para captura de gás de aterro, CHP lácteo e estações de tratamento de águas residuais. De acordo com a EIA, o biogás também é chamado de biometano ou gás natural renovável após a atualização.

Calor e energia combinados: por que a cogeração duplica a produção

Os sistemas de biomassa apenas de energia desperdiçam a maior parte de sua produção de energia como calor de baixo grau, que os sistemas combinados de calor e energia convertem em produção térmica útil para um hospedeiro industrial Por WBDG, “Esses sistemas combinados de calor e energia (CHP) aumentam muito a eficiência energética geral para aproximadamente 801TP3 T, dos sistemas padrão de biomassa somente eletricidade com eficiências de aproximadamente 201TP3 T. Esse salto de quatro vezes na utilização de combustível é a decisão de projeto mais consequente na geração de energia de biomassa.

Quão eficientes são as usinas de biomassa?

Uma usina autônoma de biomassa para eletricidade converte normalmente 20 o restante de energia combustível 5% em energia elétrica; sai da pilha ou da torre Uma turbina de contrapressão ou estágio de extração emparelhada com uma carga de calor hospedeira, secagem em estufa, aquecimento distrital de alimentos recupera outro 500% de energia combustível como saída térmica Combinada, a usina utiliza 7085% do combustível.

A captura: esse número combinado alto só se mantém quando o lado do calor tem um cliente durante todo o ano combinando a saída de vapor As relações potência-calor para CHP vapor-turbina normalmente ficam entre 1:3 e 1:5, então uma usina de biomassa de 5 MWe gera 1525 MWth de calor recuperável útil em uma serraria ou fábrica de papel, mas encalhada em um local remoto sem carga hospedeira O caldeiras biomassa construído para CHP industrial são normalmente dimensionados para corresponder à carga de calor primeiro, com a eletricidade como um subproduto bônus, em vez do produto primário Os operadores que buscam a receita máxima também devem estudar o fatores de eficiência da caldeira de biomassa isso determina se as especificações do projeto se traduzem em economia real de combustível.

A questão do carbono: a biomassa é realmente renovável?

A biomassa ganha a sua classificação de energia renovável porque o carbono libertado durante a combustão foi recentemente absorvido da atmosfera pela fotossíntese. Esse argumento do carbono biogénico quebra na prática quando os períodos de retorno das florestas se estendem por décadas.

Se uma árvore leva 60 anos para voltar a crescer mas uma hora para queimar, chamar biomassa de ‘instantaneamente renovável’ é um erro de categoria A verdade do retorno do carbono 6:1: biomassa florestal normalmente atinge a paridade do carbono atmosférico ao longo de 600 anos, dependendo da espécie e silvicultura Apenas talhadia de rotação curta e resíduos agrícolas atingem a paridade dentro de 13 anos.

As usinas de biomassa modernas podem reduzir as emissões de gases de efeito estufa do ciclo de vida para cerca de 230 g CO2e/kWh por IRENA, bem abaixo dos padrões de referência de combustíveis fósseis, como carvão (820 g) e gás natural (OUS 490 g), mas bem acima do vento ou solar (10050 g CO2e/kWh). As emissões de partículas, NOx, CO e SO2 são gerenciadas por meio de ciclones, baghouses, precipitadores eletrostáticos e SCR/SNCR, tudo exigido ACM de caldeira EPA dos EUA regulamentos ou regras equivalentes Enquanto isso, Massachusetts removeu a eletricidade alimentada a biomassa de seu Padrão de Portfólio Renovável em 2012 porque as autoridades estaduais concluíram que o benefício de GEE não era claro (lembrete de que ‘renovável’ é uma classificação de política, não uma garantia termodinâmica Os compradores que comparam opções fósseis e renováveis geralmente encontram uma classificação útil nisso comparação biomassa versus gás natural.

Perspectivas da indústria: a energia da massa vai para (202 Where Biomass Power Goes Next 2030)

De acordo com Estatísticas de Capacidade Renovável 2024 da IRENA, a capacidade global de bioenergia atingiu cerca de 148 GW no final de 2023, acima dos cerca de 115 GW em 2015, uma trajetória constante mas nada espectacular em comparação com a eólica ou a solar. Três imagens regionais são importantes para o resto da década.

Europa. A co-queima com o encerramento à medida que as usinas de carvão se aposentam após 2030. Drax na maior instalação dedicada à biomassa do Reino Unido, com cerca de 2.580 M. Em quatro unidades convertidas, temos como alvo o BECCS (ioenergia com captura e armazenamento de carbono) capaz de capturar cerca de 8 Mt de CO2 por ano, o que o tornaria o maior projeto de remoção de carbono projetado no planeta, se entregue.

Ásia-Pacífico. Maior zona de crescimento 14° Plano Quinquenal da China acrescentou metas de expansão de energia de biomassa, o programa FIT do Japão continua a subscrever importações de pellets de madeira, e o programa New & Renewable Energy da Índia subsidia usinas de resíduos agrícolas As cadeias de fornecimento de pellets que circulam entre a Costa do Golfo dos EUA e o Leste Asiático são agora um grande fluxo de comércio de energia, com embarques como a carga de 63.907 toneladas da Drax de Baton Rouge na escala logística.

América do Norte. A capacidade na frota dos EUA está em grande parte estagnada; a biomassa foi responsável por cerca de 71TP3 T de energia renovável do setor de energia elétrica dos EUA em 2023 por EIA. Frota de biomassa da Califórnia totaliza 80 66 instalações MW em um benchmark útil para planejamento regional Três tecnologias de energia que vale a pena observar até 2030: retrofits BECCS em unidades convertidas em carvão, transparência de fornecimento de pellets sob certificação SBP e FSC, e CHP distribuído atrás do medidor para descarbonização industrial Para equipes de compras de escopo fornecedores, nosso principais fabricantes de caldeiras de biomassa o Roundup cobre os fornecedores ativos neste espaço.

Perguntas frequentes